Prática de circuitos combinacionais e sequenciais

Eletrônica Circuitos digitais 16 de Novembro de 2019 às 17:17

Introdução

No artigo anterior apresentamos como um transistor de junção bipolar funciona na teoria e na prática como uma chave eletrônica, sendo possível aplicar os conceitos fundamentais das portas lógicas NOT, AND, OR e XOR. Porém construir circuitos lógicos complexos utilizando transistores discretos é uma tarefa difícil, portanto neste artigo será utilizado circuitos integrados que já possuem portas lógicas, facilitando a construção e personalização do projeto digital. Podemos visualizar uma analogia bem interessante desenvolvida por Vahid, onde construir uma ponte com pedregulhos (Transistores discretos) é trabalhoso e muito difícil, porém quando possuímos blocos construtivos (Símbolos lógicos e circuitos integrados), o projeto comporta complexidade e dimensão.

Comparação entre projetos digitais utilizando transistores discretos e portas lógicas encapsuladas em circuitos integrados.

Este conhecimento é essencial para desenvolver e analisar circuitos digitais na eletrônica, em programação de microcontroladores como PIC ou Arduino, e na linguagem de descrição de hardware VHDL utilizadas em FPGAs.

Este artigo será voltado à prática, então para iniciar precisamos de uma fonte de alimentação. O padrão da tensão será de 5 Volts, compatibilizando as duas famílias de CIs no mesmo circuito. Os componentes e materiais em geral que vamos utilizar nos experimentos de prototipagem são comuns e se encontram facilmente em qualquer loja de componentes eletrônicos.

A fonte de alimentação

Já escrevemos para o Tec Dicas um tutorial de como fazer uma fonte fixa de 5V, para isso vamos reutilizar o diagrama esquemático daquele artigo ignorando a parte da tensão de 3.3V, e ao invés de utilizar uma fonte de bancada ajustável com garras jacaré, vamos utilizar uma fonte de Arduino com conector P4 e um conector Jack P4 de 2.1mm com fios de protoboard para alimentar o circuito. Maiores informações sobre a montagem acesse o link abaixo do tutorial.

Uma alternativa rápida é utilizar o módulo fonte de alimentação para protoboard setado em 5V. Só verifique na hora de encaixar se os terminais de positivo e negativo do módulo estão correspondentes ao protoboard (+ Vermelho - Azul).

Experimento 1: Circuito OR e AND com bit de controle

Com a fonte de alimentação 5V pronta e testada, agora vamos iniciar o nosso primeiro experimento com circuitos combinacionais utilizando as lógicas OR e AND. Antes de montar este projeto no protoboard, vamos realizar uma simulação em tempo real do circuito combinacional feita no software Dsch3. Analisando o vídeo possuímos três entradas sendo elas A, B e C, onde C é uma entrada de bit de controle, ou seja, ela controla a ativação das entradas A e B independentemente de seus níveis.

Todos os arquivos de simulação dos experimentos deste artigo estão disponíveis para download no fim desta página.

Agora separe os componentes necessários para este experimento seguindo a nossa lista abaixo e siga o digrama esquemático do experimento 1.

  • Fios
  • 1 CI 7432/74LS32/74HC32/74HCT32 (Porta OR)
  • 1 CI 7408/74LS08/74HC08/74HCT08 (Porta AND)
  • 3 Chaves/Switches/Botão táctil
  • 3 Resistores de 1K/10K/220R (Leia o item Observação no fim da página)
  • 1 Resistor de 220R
  • 1 LED
  • 2 Capacitores de poliéster/cerâmico de 100nF
Diagrama esquemático do experimento 1. Circuito combinacional OR e AND.

A montagem deve ficar semelhante a figura abaixo. Ligando o circuito e realizando o primeiro teste clicando nos botões A e B o LED não deverá acender. Ativando o bit de controle com o botão C pressionado, os botões A ou B irão acender o LED.

Experimento 1: Circuito combinacional OR e AND no protoboard.

Experimento 2: Conceito de Half Adder

Este experimento envolve os conceitos mais simples da aritmética binária, onde Half Adder significa Meio Somador. Este circuito combinacional realiza uma simples somatória de 1 + 1 = 10. A porta XOR é responsável em realizar a soma e a AND realiza o carry out. Outro circuito interessante é o Full Adder ou Somador Completo, composto por dois Half Adders com a possibilidade de expansão, onde juntando vários destes circuitos com o carry in e carry out podemos formar Full Adders de 4 bits, 8 bits ou até mais.

Veja o vídeo abaixo de como funciona este circuito combinacional do experimento utilizando o software de simulação em tempo real.

Depois de entender como um Half Adder funciona, vamos realizar o experimento no protoboard, para isso siga a lista de materiais necessários e o diagrama esquemático do projeto.

  • Fios
  • 1 CI CD4030 (Porta XOR)
  • 1 CI 7408/74LS08/74HC08/74HCT08 (Porta AND)
  • 2 Resistores de 1K (Leia o item Observação no fim da página)
  • 2 Chaves/Switches/Botão táctil
  • 2 Capacitores de poliéster/cerâmico de 100nF
  • 2 LEDs
  • 2 Resistores de 220R
Diagrama esquemático do experimento 2. Conceito de Half Adder.

A montagem no protoboard deve ficar semelhante a figura abaixo. Ligando o circuito faça a soma de 1 + 1 com os dois botões, o resultado de 10 será mostrado nos LEDs em binário.

Experimento 2: Conceito de Half Adder no protoboard.

Experimento 3: Conceito de Latch D Transparent

Este exemplo é um pouco mais avançado que os demais, pois explana os elementos mais básicos de uma memória, o flip flop. O circuito apresenta a capacidade de guardar um bit temporariamente aplicando-se o conceito de realimentação, onde saídas de portas lógicas são conectadas em entradas de outras portas, sendo classificado como um circuito sequencial.

O Latch Data Transparent é composto por uma entrada especifica chamada Enable, que habilita e desabilita a transição dos dados, as operações do Latch D são descristas da seguinte forma: Se Enable for verdadeiro o valor da saída Q será igual a entrada D, e se for falso guarda o valor de D na última saída selecionada. Este Latch D assíncrono é composto por um Latch S-R (O flip flop mais simples de todos) com portas NOR, ou seja, as entradas Set e Reset são ativadas em nível alto. Existe também o Latch S-R com portas NAND, porém as mesmas entradas são ativas em nível baixo.

Latch D Transparent NAND (Equivalência De Morgan) e sua respectiva tabela verdade.

Em sistemas digitais síncronos utilizamos flip flops com um sinal de clock para se integrar de uma forma coesa com o circuito, nesse caso a detecção é feita pelas bordas de subida ou descida da onda quadrada. Em um pequeno exemplo de utilização em sistemas síncronos, temos um circuito de clock com uma frequência de 7.3728MHz e necessita ser dividida por 2, para isso aplicamos o CI 74LS74 que possui dois flip flops edge-triggered do tipo D, onde teremos uma frequência de 3.6864MHz para o circuito todo, podemos ver o exemplo neste vídeo.

Flip Flop Edge-Triggered do tipo D com Preset e Clear.

Veja a simulação em tempo real do circuito de Latch D Transparent NOR funcionado no vídeo abaixo.

Vamos juntar os materiais necessários e realizar o experimento no protoboard, então anote a seguinte lista e siga o diagrama esquemático abaixo.

  • Fios
  • 1 CI 7408/74LS08/74HC08/74HCT08 (Porta AND)
  • 1 CI 7404/74LS04/74HC04/74HCT04 (Porta NOT)
  • 1 CI 7402/74LS02/74HC02/74HCT02 (Porta NOR)
  • 2 Chaves/Switches/Botão táctil
  • 2 Resistores de 1K (Leia o item Observação no fim da página)
  • 3 Capacitores de poliéster/cerâmico de 100nF
  • 2 Resistores de 220R
  • 2 LEDs
Diagrama esquemático do experimento 3. Conceito de circuitos sequenciais e Latch D.

A montagem no protoboard deve ser parecida com a figura abaixo. Ligando o circuito o LED Q vem acesso e quando o botão de Enable for pressionado, teremos Q = Data, caso contrário observamos o efeito memória, como exatamente neste vídeo.

Por curiosidade você pode substituir o CI 7402 por um 7400, que são portas NAND.

Experimento 3: Conceito de Latch D no protoboard.

Experimento bônus: NAND e outras portas lógicas

Com um único circuito integrado NAND é possível realizar outras portas lógicas, como por exemplo a porta NOT, AND, OR e NOR, isso é conhecido como a universalidade da porta NAND. Que tal esse desafio? Anote a lista de materiais necessários, siga o diagrama esquemático abaixo para montar no protoboard e bom divertimento com a porta NAND! Para mais detalhes sobre o assunto, leia o artigo A universalidade da porta NAND.

  • 1 CI 7400/74LS00/74HC00/74HCT00 (Porta NAND)
  • 2 Chaves/Switches/Botão táctil
  • 2 Resistores de 1K (Leia o item Observação no fim da página)
  • 1 Capacitor de poliéster/cerâmico de 100nF
  • 1 Resistor de 220R
  • 1 LED
Diagrama esquemático do experimento bônus: NAND e outras portas lógicas.

Aproveite para visualizar o vídeo destes 4 circuitos com NAND funcionando com o software de simulação em tempo real.

Comente qual foi a sua experiencia em ter realizado esses experimentos com circuitos combinacionais e sequencias utilizando circuitos integrados, ou tire suas dúvidas!

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Observação

Os resistores de pull-down para cada série da família TTL são diferentes, para isso separamos uma lista com seus respectivos valores.

  1. 74XX  TTL Puro - Resistor de 1K
  2. 74SXX TTL Schottky - Resistor de 220R
  3. 74LSXX Low-Power Schottky - Resistor de 1K
  4. 74HCXX High-Speed Si-Gate CMOS - Resistor de 10K
  5. 74HCTXX High Speed CMOS–TTL Compatible - Resistor de 220R

Referências

  1. MALVINO, A. P; BROWN, J. A; Digital computer electronics. 3 ed. McGraw-Hill, 1999.
  2. TOCCI, R, J; WIDMER, N. S; MOSS, G. L; Sistemas digitais: princípios e aplicações. 10 ed. Pearson Prentice Hall, 2008.
  3. VAHID, F: Sistemas digitais: projeto, otimização e HDLs. 1 ed, Bookman, 2008.

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Ana Paula Messina

Analista de sistemas e membro do tecdicas.