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RELATÓRIO DE ELETRONICA DIGITAL I
Tipologia: Manuais, Projetos, Pesquisas
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Não perca as partes importantes!
Tatuí, SP 2º semestre/
Atividade extra sala apresentado à Faculdade de Tecnologia de Tatuí, como exigência parcial para obtenção de nota, na disciplina de Eletrônica Digital, sob orientação do Professor Rosirlei Clarete Pavão.
Tatuí, SP 2º semestre/
O termo digital tornou-se comum e muito frequente em nosso cotidiano graças ao modo intenso pelo qual os circuitos digitais e as técnicas digitais passaram a ser utilizadas em diversas áreas eletrônica, computação, telecomunicações, transportes, robótica e outras., devido a intensas mudanças decorrentes no ramo industrial, tanto em processos como tecnologias, a Automação industrial se tornou indispensável. Visto que a automação, está diretamente ligada ao controle automático, isto é, ações que não dependem da intervenção humana. No entanto, para isso ser implementado, é necessário conhecer grande parte de seus conceitos e técnicas, dessa forma a exigência da mão de obra qualificada é essencial. E através disso, seus custos são elevados, fazendo com que se torne uma barreira para as indústrias pequenas, sendo aderidas geralmente por industriais de médio e grande porte. No campo da Automação industrial, são inúmeras as tecnologias existentes, como por exemplo: dispositivos elétricos, hidráulicos, pneumáticos, robóticos, eletrônicos tanto em analógico ou Digital, etc. Para o seguinte trabalho iremos abordar o campo da Eletrônica Digital, onde podemos encontrar também diversas tecnologias, uma delas são as Famílias lógicas (grupo de dispositivos com mesmos níveis lógicos e tensões de alimentação), que são utilizadas para conectar diretamente a saída de um dispositivo lógico, com a entrada de outro se ambos pertencerem à mesma família digital. Para conectar dispositivos de famílias diferentes são necessários uma interface entre ambas. O presente trabalho irá apresentar no capítulo 1, as principais tecnologias das Famílias TTL, CMO, e Simplificações de Álgebra de Boole. No capítulo 2 será retratado, os materiais e métodos utilizados em laboratório como: circuitos eletrônicos, simplificação de circuitos, levantamento dos dados e comparação teórica e experimental. E no capítulo 3, constará uma conclusão do trabalho em geral.
The digital term has become common and very frequent in our daily lives thanks to the intense way in which digital circuits and digital techniques have been used in various areas of electronics, computing, telecommunications, transport, robotics and others, due to intense changes arising in the industrial sector, both in processes and technologies, industrial automation became indispensable. Since automation is directly linked to automatic control, that is, actions that do not depend on human intervention. However, for this to be implemented, it is necessary to know much of its concepts and techniques, so the requirement of skilled labor is essential. And through this, their costs are high, making it a barrier for small industries, being usually adhered to by medium and large industrialists. In the field of industrial automation, there are numerous existing technologies, such as: electrical, hydraulic, pneumatic, robotic, electronic, analog or digital, etc. For the following work we will address the field of Digital Electronics, where we can also find several technologies, one of them is the Logical Families (group of devices with the same logical levels and supply voltages), which are used to directly connect the output of a device logical, with the entry of another if both belong to the same digital family. Connecting devices from different families requires an interface between them. The present work will present in chapter 1, the main technologies of the TTL Families, CMO, and Boolean Algebra Simplifications. In Chapter 2 we will present the materials and methods used in the laboratory, such as: electronic circuits, simplification of circuits, data collection and theoretical and experimental comparison. And in Chapter 3, there will be a conclusion of the work in general.
Tabela 1 - Níveis de entrada e saída para versões TTL Standard. ............................... 21 Tabela 2- Tempos de atrasos típicos de subida tplh (Low to High), e de descida tphl (High to low). ........................................................................................................................... 25 Tabela 3- Vantagens e Desvantagens da Família TTL. ................................................... 26 Tabela 4- Especificações Técnicas de um CI com 4 portas NAND de duas entradas. .................................................................................................................................................. 31 Tabela 5 - Valores de tensão e corrente para série 4000B ............................................. 35 Tabela 6- Vantangens e desvantagens das familias CMOS ........................................... 39 Tabela 7 - Mostra a tabela Verdade com duas variáveis............................................... 442 Tabela 8- Mostra a Tabela Verdade com tres variáveis ................................................. 474 Tabela 9- Mostra a Tabela Verdade com quatro variáveis......................................... 47
TPHL – Tempo de Retardo ou Propagação VIL (máximo) - Tensão de Entrada Correspondente ao Nível Lógico Baixo VOL (máximo) - Tensão de Saída Correspondente ao Nível Lógico Baixo VIH (mínimo) – Tensão de Entrada Correspondente ao Nível Lógico Alto VOH (mínimo) - Tensão de Saída Correspondente ao Nível Lógico Alto IOL (máximo) – Corrente de Saída Correspondente ao Nível Lógico Baixo IIL (máximo) – Corrente de Entrada Correspondente ao Nível Lógico Baixo IOH (mínimo) – Corrente de Saída Correspondente ao Nível Lógico Alto TTL CMOS (Low) - Baixo (High) - Alto
No sistema analógico, as quantidades físicas como tensão ou corrente, variam continuamente (dentro de uma faixa de valores), para tais sistemas o valor real da corrente ou tensão são relevantes. Já em sistemas digitais, as quantidades físicas (de entrada ou saída) ou informações, são representadas na forma digital, isto é, em valores discretos, podendo assumir um ou outro dentre os valores, ou seja, entre dois níveis lógicos: nível lógico “1” (um) ou nível lógico “0” (zero). Estes dois níveis são frequentemente representados por L e H (do inglês low - baixo - e high - alto - , respectivamente). Desta forma, os circuitos digitais (ou circuitos lógicos) são projetados para produzirem tensões de saída que se situam nesses dois níveis (high ‘1’ ou low, ‘0’), a partir da excitação por entradas que também se situam em faixas consideradas nível alto ou baixo. Esses circuitos digitais, graças a evolução da tecnologia semicondutora, apresentam-se na forma de circuitos digitais integrados (CI), os quais possuem internamente vários componentes semicondutores, de dimensões extremamente reduzidas, interligados capazes de desempenhar diversas funções.
Com o desenvolvimento da tecnologia de circuitos integrados, possibilitando a colocação de diversos componentes já interligados num único invólucro, a Eletrônica Digital teve um progresso muito rápido, e consequentemente projetos de sistemas digitais aumentaram. Dessa forma foram criados uma série de circuitos integrados, que continham em uma única pastilha, as funções lógicas digitais mais usadas, e de tal forma projetadas sendo compatíveis entre si. Estas séries de circuito integrados formaram então, as Famílias Lógicas, a partir das quais, projetistas tiveram facilidade em encontrar todos os blocos para montar seus sistemas digitais. Em virtude da adaptação das CIs, torna-se necessário então, conhecer as características desses circuitos e de algumas famílias lógicas populares.
1.2 História da Família TTL
O avanço da microeletrônica nas últimas décadas, permitiu uma drástica redução do custo por função implementada num circuito integrado (CI), viabilizando o desenvolvimento de sistemas eletrônicos cada vez mais complexos. Inicialmente, isto ajudou a popularizar os computadores pessoais e a conferir maior “inteligência” a diversos sistemas, sobretudo máquinas industriais, resultando num considerável aumento da produtividade industrial, que sustentou a prosperidade econômica dos anos 90. Desde o início da década de 60, o número de dispositivos num chip tem dobrado a cada 18 meses seguindo a chamada lei de Moore, conforme a (Figura 1). O fundador da Intel, Gordon Moore, constatou que a cada 24 meses a capacidade de processamento dos computadores dobra, enquanto os custos permanecem constantes.
A importância da integração está no baixo custo e alto desempenho, além do tamanho reduzido dos circuitos, aliado à alta confiabilidade e estabilidade de funcionamento. Uma vez que os componentes são formados, ao invés de montados, a resistência mecânica destes, permite montagens cada vez mais robustas a choques e impactos mecânicos, permitindo a concepção de portabilidade dos dispositivos eletrônicos.
desenvolvimentos tecnológicos nesta área, assiste-se atualmente, à substituição da tecnologia TTL pela tecnologia MOS e, particularmente, pela tecnologia CMOS (“Complementary MOS”).
Hoje em dia, a grande maioria dos circuitos com níveis de integração em larga escala, tais como memórias e microprocessadores, utilizam a tecnologia CMOS. No entanto, devido à grande popularidade dos CI’s TTL, a maioria das famílias CMOS são projetadas de modo a serem parcial ou mesmo totalmente compatíveis com a família TTL.
Características dos Circuitos Lógicos
CIs Digitais Bipolares e Unipolares
Os CIs digitais podem ser classificados também pelo tipo de componente eletrônico aplicado nos seus circuitos.
CIs bipolares: utilizam os transistores bipolares (NPN ou PNP) como elemento
Principal CIs unipolares: utilizam transistores por efeito de campo (MOSFET canal P ou canal N) como elemento principal.
Níveis Lógicos
Os circuitos lógicos efetuam expressões booleanas que por sua vez fundamentam-se totalmente na lógica e são constituídas por variáveis que podem assumir somente dois valores (0 e 1) que representam os níveis lógicos ou níveis de tensão.
O valor booleano 0 (zero) pode representar qualquer tensão dentro da faixa 0 a 0,8 V; o valor booleano 1 (um) pode representar qualquer tensão dentro da faixa 2 a 5 V; Tensões entre 0,8 V e 2 V são indefinidas e não deveriam ocorrer em circunstancias normais. Dessa forma, as variáveis booleanas 0 e 1 não representam efetivamente números, mas sim o estado do nível de tensão de uma variável.
Tempo de Propagação
Um sinal lógico sempre sofre retardo em suas passagens de nível lógico através de um circuito assim definidos:
TPLH – Tempo de RETARDO ou PROPAGACAO correspondente a passagem de nível logico para o nível logico 1 (baixo para alto – como pode ser observado na fig.2).
TPHL – Tempo de RETARDO ou PROPAGACAO correspondente a passagem de nível logico 0 (alto para baixo – como pode ser observado na fig.2).
Em geral TPLH e TPHL possuem valores que variam em função das condições e carregamento a que o circuito está submetido. Tais valores são usados para comparar as velocidades de operações dos circuitos lógicos.
O tempo de propagação total de um circuito logico e a soma total dos tempos das portas em série.
circuito lógico e a capacidade de tolerância a ruídos sem alteração dos níveis lógicos de saída.
Margem de ruído: máximo desvio permitido aos níveis de entrada sem que haja mudança de estado logico (ALTO ou BAIXO).
A margem de ruído para o estado alto (VNH) e definida como:
VNH = VOH(min) – VIH(min) - suporta spikes de ruído negativo até VNH.
A margem de ruído para o estado baixo (VNL) e definida como:
VNL = VIL(máx) – VOL(máx) - suporta spikes de ruído positivo até VNL.
A figura 3, demonstra a margem de ruído e suas respectivas faixas empregadas ao sistema lógico:
Figura 3 - Margem de Ruído Fonte: Apostila de Eletrônica Digital.
Fan-in
“Fan-in” significa “leque de entrada” e refere-se a corrente de entrada de um dispositivo lógico, isto é, conjunto de informações das correntes de entrada. O fan-in geralmente e dado na medida em Amperes e indica a quantidade máxima de saídas pode ligar a uma entrada, ou seja, quantas entradas pode ter um circuito integrado, como exemplo a porta lógica AND.
Fan-out
A saída de um circuito lógico é projetada para alimentar várias entradas de outros circuitos lógicos, também conhecidos como fator de carga (ou fator carregamento) é definido como a quantidade máxima de entradas de circuitos lógicos padronizados que uma saída consegue alimentar de forma confiável, ou seja, uma porta lógica de fan-out 10 pode alimentar até 10 entradas lógicas padrão.
Para medir a quantidade de saídas que um circuito lógico pode alimentar e preciso saber a corrente de saída correspondente ao nível lógico baixo (IOL) e ao nível lógico alto (IOH) e as necessidades de corrente de cada entrada IIL(nivel logico baixo) e IIH(nivel logico alto) informações essas, por padrão, presentes nas especificações de fábrica. Desse modo se o fan-out para nível alto divergir do valor do fan-out para nível alto devemos escolher o menor desses dois. A seguir serão apresentadas as relações para determinar fan-out em nível lógico baixo, e fan-out em nível lógico alto.
𝐹𝑎𝑛 − 𝑜𝑢𝑡(𝐵𝑎𝑖𝑥𝑜) = 𝐼𝑜𝑙 (𝑚á𝑥)𝐼𝑖𝑙 (𝑚á𝑥)
𝐹𝑎𝑛 − 𝑜𝑢𝑡(𝐴𝑙𝑡𝑜) = 𝐼𝑜𝐻 (𝑚á𝑥)𝐼𝑖𝐻 (𝑚á𝑥)
Exemplo:
O circuito integrado 74LS08, pertence a série 74, subfamília TTL-LS, implementa a função lógica 08 (4 portas AND de 2 entradas).
Terminologia dos Circuitos Integrados
Apesar do grande número de fabricantes de circuitos integrados, grande parte da nomenclatura e da terminologia empregadas nesta área, são normalmente padronizadas. A seguir serão retratados e analisados os termos mais usais nos circuitos integrados.
Parâmetros de Tensão e Corrente.
As figuras (4) e (5) demonstram a terminologia de um circuito em nível alto e um circuito em nível baixo:
Figura 4 - Circuito de Nível Alto
Fonte: http://www.di.ufpb.br/jose/familias.pdf.
Figura 5 - Circuito de Nível Baixo
Fonte: http://www.di.ufpb.br/jose/familias.pdf. Alimentação (Vcc)
Na família TTL temos para todos os CIs uma alimentação de 5V. Para a série 54(série militar) temos Vcc mínimo = 4,5V e Vcc máximo 5,5V que são os valores dentro da tolerância permitida por esta série. No caso da série 74(série comercial) temos:
Vcc mínimo = 4,75V e Vcc máximo = 5,25V. A tabela 1 a seguir, exibe os níveis de entrada e saída para a versão padrão TTL Standard :
