Prática de circuitos combinacionais e sequenciais

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.

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.

• Projetando uma fonte de 5V e 3.3V para sistemas embarcados

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.

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

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 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.

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

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 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.

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.

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

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.

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

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

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.