estudo do motor de passo e seu controle digital

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Trabalho de Sistemas DigitaisALUNOS: Bruno Hermes da Fonseca da Costa Leite Ester Jos Casado de Lima Fabrcio Lopes Leo Rodrigo Franceski Prestes PROFESSOR: Otto DRE: 098103101 099263085 099104621 099103798

Estudo do Motor de Passo e seu controle digital1. INTRODUO E OBJETIVOS:

O objetivo deste trabalho e explicar as caractersticas e o funcionamento do chamado MOTOR DE PASSO, um tipo de motor eltrico que pode ser controlado por sinais digitais, tornando-o preciso e de recomendvel utilizao em aplicaes que venham a requerer um ajuste fino de posicionamento. Iniciamos com um estudo rpido e pouco profundo dos motores eltricos em geral. Depois apresentamos o MOTOR DE PASSO, damos alguns detalhes de seu funcionamento e falamos sobre como control-lo. Finalmente apresentamos algumas aplicaes do motor em estudo, frisando sempre que o preciso controle sobre seus movimentos o que mais o diferencia dos demais motores eltricos.

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2.

MOTORES ELTRICOS:

Um motor eltrico um dispositivo que transforma energia eltrica em energia mecnica, em geral energia cintica. Ou seja, num motor, a simples presena da corrente eltrica, seja cc ou ac, nos garante movimento em um eixo, que pode ser aproveitado de diversas maneiras dependendo da aplicao do motor. O acionamento de mquinas e equipamentos mecnicos por motores eltricos um assunto de grande importncia econmica. Estima-se que o mercado mundial de motores eltricos de todos os tipos seja da ordem de uma dezena de bilhes de dlares por ano. No campo dos acionamentos industriais, avalia-se que de 70 a 80% da energia eltrica consumida pelo conjunto de todas as indstrias seja transformada em energia mecnica atravs de motores eltricos. Isto significa que, admitindo-se um rendimento mdio da ordem de 80% do universo de motores em aplicaes industriais, cerca de 15% da energia eltrica industrial transforma-se em perdas nos motores. No Brasil, a fabricao de motores eltricos um segmento relevante da atividade econmica. No incio da dcada de 80 a indstria brasileira de motores produziu em torno de trs milhes de unidades por ano, tendo mais do que 80 mil unidades acima de 20cv. Entre o fabricante e o usurio final deve existir uma estreita comunicao, de forma que seja feita uma correta seleo do motor a ser utilizado em determinada aplicao. Fundamentalmente o processo de seleo de um acionamento eltrico, corresponde escolha de um motor que possa atender a, pelo menos, trs requisitos do utilizador: Fonte de alimentao: tipo, tenso, freqncia, simetria, equilbrio, etc.

Condies ambientais: agressividade, periculosidade, altitude, temperatura, etc. Exigncias da carga e condies de servio: potncia solicitada, rotao, esforos mecnicos, configurao fsica, ciclos de operao, confiabilidade, etc. A diviso em motores de corrente contnua e de corrente alternada devida, obviamente, ao tipo de tenso de alimentao.



Apresentamos abaixo algumas caractersticas bsicas dos motores AC e DC: Motores DC: So conhecidos por seu controle preciso de velocidade e por seu ajuste fino e so, portanto, largamente utilizados em aplicaes que exigem tais caractersticas. Vale comentar que a utilizao dos motores de corrente contnua teve um grande incremento nos ltimos anos, graas eletrnica de potncia. Fontes estticas de corrente contnua com tiristores confiveis, de baixo custo e manuteno simples, substituram os grupos conversores rotativos. Com isso, motores de corrente contnua passaram a constituir alternativa mais atrativa em uma srie de aplicaes. Motores AC: A grande maioria das aplicaes tem sua configurao mais econmica com a utilizao de motores de induo de gaiola. Estima-se que 90% (em unidades) dos motores fabricados sejam deste tipo. Quando no h necessidade de ajuste e controle de velocidade e a potncia inferior a cerca de 500cv, sua utilizao amplamente dominante. Pode-se dizer que outros tipos de motores so utilizados somente quando alguma peculiaridade determina tal opo. OBS: Paradoxalmente ao que foi comentado no final da anlise dos motores DC, o constante desenvolvimento da eletrnica de potncia dever levar a um progressivo abandono dos motores de corrente contnua. Isto porque fontes de tenso e freqncia controladas, alimentando motores de corrente alternada, principalmente os de induo de gaiola, j esto se transformando em opes mais atraentes, quanto ao ajuste e ao controle de velocidade.

3.

MOTOR DC

Apresentaremos apenas um resumo do funcionamento do motor DC, j que este no o objeto principal do nosso estudo. Achamos relevante falar deste motor, pois com ele introduziremos os conceitos de controle e feedback, que serviro de introduo aos motores de passo. O funcionamento bsico do motor DC est fundamentado na Fora de Lorentz aplicada em uma carga em movimento dentro de um campo magntico (F = qvB). Consideremos uma espira de corrente inserida num campo magntico criado por um m permanente, em que h uma corrente criada por uma bateria (fonte DC). De uma forma simplificada, a simples passagem desta corrente faz com que apaream duas foras de sentidos contrrios, aplicadas uma em cada lado da espira. Estas foras criam um torque que, obviamente, faz a espira girar,http://recreio.gta.ufrj.br/grad/01_1/motor/ (3 of 23)17/7/2003 22:40:53


transformando a energia eltrica da corrente em energia cintica num eixo acoplado s espiras. A direo da rotao depende da polaridade da bateria e da direo das linhas de campo magntico criadas pelo m.

Um motor real composto de conjuntos mltiplos de espiras, dispostas de tal forma que as foras que agem em cada espira sejam somadas e produzam um torque significativo para uma possvel aplicao. Os motores DC so utilizados, por exemplo, em aplicaes como o posicionamento de um brao de rob. Mas eles apresentam uma grande desvantagem. Para que um computador d um comando para que o brao se mova para uma determinada posio com preciso, necessrio um complicado circuito externo provido de sensores de posio, que informe ao computador que o brao j est na posio determinada (feedback).

O esquema abaixo mostra uma situao sem e outra com feedback:



justamente para que se resolva este problema que foi desenvolvido o chamado MOTOR DE PASSO, descrito no item a seguir.

4.

MOTOR DE PASSO

O motor de passo um transdutor que converte energia eltrica em movimento controlado atravs de pulsos, o que possibilita o deslocamento por passo, onde passo o menor deslocamento angular. Com o passar dos anos houve um aumento na popularidade deste motor, principalmente pelo seu tamanho e custo reduzidos e tambm a total adaptao por controle digitais. Outra vantagem do motor de passos em relao aos outros motores a estabilidade. Quando quisermos obter uma rotao especfica de um certo grau, calcularemos o nmero de rotao por pulsos o que nos possibilita uma boa preciso no movimento. Os antigos motores passavam do ponto e, para voltar, precisavam da realimentao negativa. Por no girar por passos a inrcia destes maior e assim so mais instveis.



4.A. Definies para Motores a Passo Antes de explicarmos os tipos de motores e o funcionamento em si, definiremos algumas outras expresses a fim de tornar o texto mais claro. parte mvel do motor.Rotor = denominado rotor o conjunto eixo-im que rodam solidariamente na

Abaixo segue uma figura onde podemos ver as partes mencionadas (o rotor esquerda e o estator a direita).

Estator = Define-se como estator a trave fixa onde as bobinas so enroladas.

4.B. Parmetros Importantes Graus por Passo = sem dvida a caracterstica mais importante ao se escolher o motor, o nmero de graus por passo est intimamente vinculado com o nmero de passos por volta. Os valores mais comuns para esta caracterstica, tambm referida como resolution, so 0.72,1.8, 3.6, 7.5, 15 e at 90 graus. Momento de Frenagem = momento mximo com o rotor bloqueado, sem perda de passos. Momento (Torque) = efeito rotativo de uma fora , medindo a partir do produto da mesma pela distncia perpendicular at o ponto em que ela atua partindo de sua linha de ao. Taxa de Andamento = regime de operao atingido aps uma acelerao suave.



Momento de Inrcia = medida da resistncia mecnica oferecida por um corpo acelerao angular. Auto-Indutncia = determina a magnitude da corrente mdia em regimes pesados de operao, de acordo com o tipo de enrolamento do estator: relaciona o fluxo magntico com as correntes que o produzem. Resistncias hmicas = determina a magnitude da corrente do estator com o rotor parado. Corrente mxima do estator = determinada pela bitola do fio empregado nos enrolamentos. "Holding Torque" = mnima potncia para fazer o motor mudar de posio parada. Torque Residual = a resultante de todos os fluxos magntico presente nos plos do estator. Resposta de Passo = tempo que o motor gasta para executar o comando. Ressonncia = como todo material, o motor de passos tem sua freqncia natural. Quando o motor gira com uma freqncia igual a sua, ele comea a oscilar e a perder passos. Tenso de trabalho = normalmente impresso na prpia chassi do motor, a tenso em que trabalha o motor fundamental na obteno do torque do componente. Tenses acima do estipulado pelo fabricante em seu datasheet costumam aumentar o torque do motor, porm, tal procedimento resulta na diminuio da vida til do mesmo. Destaca-se que a tenso de trabalho do motor no necessariamente deve ser a tenso utilizada na lgica do circuito. Os valores normalmente encontrados variam de +5V +48V.

4.C. Tipos de Motores de Passo Relutncia Varivel = Apresenta um rotor com muitas polaridadeshttp://recreio.gta.ufrj.br/grad/01_1/motor/ (7 of 23)17/7/2003 22:40:53


construdas a partir de ferro doce, apresenta tambm em estator laminado. Por no possuir im, quando energizado apresenta torque esttico nulo. Tendo assim baixa inrcia de rotor no pode ser utilizado como carga inercial grande. Im Permanente = Apresenta um rotor de material alnico ou ferrite e magnetizado radialmente devido a isto o torque esttico no nulo. Hbridos = uma mistura dos dois anteriores e apresenta rotor e estator multidentados . O rotor de im permanente e magnetizado axialmente. Apresenta grande preciso (3%), boa relao torque/tamanho e ngulos pequenos (0,9 e 1,8 graus). Para que o rotor avance um passo necessrio que a polaridade magntica de um dente do estator se alinha com a polaridade magntica oposta de um dente do rotor.

5. FUNCIONAMENTO BSICO DO MOTOR DE PASSO Normalmente os motores de passo so projetados com enrolamento de estator polifsico o que no foge muito dos demais motores. O nmero de plos determinado pelo passo angular desejado por pulsos de entrada. Os motores de passo tm alimentao externa. Conforme os pulsos na entrada do circuito de alimentao, este oferece correntes aos enrolamentos certos para fornecer o deslocamento desejado, como veremos em breve. Falaremos agora ento, mais um pouco sobre motores com im permanente. Alm do nmero de fases do motor, existe outra subdiviso entre estes componentes, a sua polaridade. Motores de passo unipolares so caracterizados por possurem um center-tape entre o enrolamento de suas bobinas. Normalmente utiliza--se este center-tape para alimentar o motor, que controlado aterrando-se as extremidades dos enrolamentos. Abaixo segue uma figura ilustrativa onde podemos ver que tal motor possui duas bobinas e quatro fases.



Diferentes dos unipolares, os motores bipolares exigem circuitos mais complexos. A grande vantagem em se usar os bipolares prover maior torque, alm de ter uma maior proporo entre tamanho e torque. Fisicamente os motores tm enrolamentos separados, sendo necessrio uma polarizao reversa durante a operao para o passo acontecer. Em seguida vemos uma ilustrao do motor bipolar.



Um motor de corrente contnua, quando alimentado, gira no mesmo sentido e com rotao constante, ou seja, para que estes motores funcionem, necessrio apenas estabelecer sua alimentao. Com o auxilio de circuitos externos de controle, estes motores de corrente contnua podero inverter o sentido de rotao ou variar sua velocidade. Para que um motor de passo funcione, necessrio que sua alimentao seja feita de forma seqencial e repetida. No basta apenas ligar os fios do motor de passo a uma fonte de energia e sim lig-los a um circuito que execute a seqncia requerida pelo motor. Existem trs tipos bsicos de movimentos o de passo inteiro e o de meio passo e o micropasso, tanto para o motor bipolar como para o unipolar. O de micropasso tem sua tecnologia no muito divulgada, e baseia-se no controle da corrente que flui por cada bobina multiplicado pelo numero de passos por revoluo. Internamente, os motores tm seus enrolamentos similares a figura.

A energizao de uma e somente uma bobina de cada vez produz um pequeno deslocamento no rotor. Este deslocamento ocorre simplesmente pelo fato de o rotor ser magneticamente ativo e a energizao das bobinas criar um campo magntico intenso que atua no sentido de se alinhar com as ps do rotor. Assim, polarizando de forma adequada os bobinas, podemos movimentar o rotor somente entre as bobinas (passo inteiro), ou entre as bobinas e alinhadas com ashttp://recreio.gta.ufrj.br/grad/01_1/motor/ (10 of 23)17/7/2003 22:40:53


mesmas. Abaixo segue os movimentos executados.

Motor bipolar com passo inteiro

Motor bipolar com meio passo



Motor unipolar com passo inteiro

Motor unipolar com meio passo



Abaixo segue uma tabela com a seqncia que deve ser alimentada as bobinas do motor.

Para que se obtenha uma rotao constante necessrio que a energizao das bobinas seja peridica. Esta periodicidade proporcionada por circuitoshttp://recreio.gta.ufrj.br/grad/01_1/motor/ (13 of 23)17/7/2003 22:40:54


eletrnicos que controlam a velocidade e o sentido de rotao do motor. A pequeno ngulo deslocado pelo rotor depende do nmero de dentes do mesmo assim como o nmero de fases do motor. Preferimos no explicar mais detalhadamente este tpico minuciosamente, por ser de grande dificuldade de se explicar movimentao dos dentes do rotor pelo estator bidimensionalmente. Em geral, o nmero de dentes do rotor multiplicado pelo nmero de fases revela o nmero de passos por revoluo. Por se tratar de sinais digitais, fica fcil compreender a versatilidade dos motores de passo. So motores que apresentam uma gama de rotao muito ampla que pode variar de zero at 7200 rpm; apresentam boa relao peso/potncia; permitem a inverso de rotao em pleno funcionamento; alguns motores possuem preciso de 97%; possuem tima frenagem do rotor e podem mover-se passo-a-passo. Mover o motor passo-a-passo resume-se ao seguinte: se um determinado motor de passo possuir 170 passos, isto significa que cada volta do eixo do motor dividida 170 vezes, ou seja, cada passo corresponde a 2,1 graus e o rotor tem a capacidade para mover-se apenas estes 2,1 graus. Didaticamente falando, o sistema de controle se baseia em um circuito oscilador onde seria gerado um sinal cuja freqncia estaria diretamente relacionado com a velocidade de rotao do motor de passo. Esta freqncia seria facilmente alterada (seja por atuao em componentes passivos seja por meio eletrnico) dentro de um determinado valor assim, o motor apresentaria uma rotao mnima e uma mxima. A funo "Freio" se daria simplesmente pela inibio do sinal gerado pelo oscilador. O prximo passo seria providenciar um circuito amplificador de sada, pois algumas aplicaes exigem uma demanda de corrente relativamente elevada. Caberia ao circuito amplificador de sada fornecer estas correntes de forma segura, econmica e rpida. O circuito amplificador de sada seria constitudo de transistores e/ou dispositivos de potncia que drenam corrente em torno de 500 mA ou mais. Motores de passo geralmente suportam correntes acima de 1,5 Ampre. O amplificador de sada o dispositivo mais solicitado em um projeto de controle de motor de passo. Devido s variaes de trabalho a que pode ser submetido o motor de passo, um amplificador mal projetado pode limitar muito o conjunto como um todo. Um exemplo destas limitaes pode ser facilmente entendido. Um motor de passo girando a altas rotaes, repentinamente solicitado a inverter sua rotao (como ocorre em mquinas CNC e cabeotes de impresso). No momento da inverso as correntes envolvidas so muito altas e o circuito amplificador deve suportar tais drenagens de corrente. O torque do motor de passo depende da freqncia aplicada a alimentao.http://recreio.gta.ufrj.br/grad/01_1/motor/ (14 of 23)17/7/2003 22:40:54


Quanto maior a freqncia, menor o torque, porque o rotor tem menos tempo para mover-se de um ngulo para outro. A faixa de partida deste motor aquela na qual a posio da carga segue os pulsos sem perder passos, a faixa de giro aquela na qual a velocidade da carga tambm segue a freqncia dos pulsos, mas com uma diferena: no pode partir, parar ou inverter, independente do comando.

6. APLICAES COM MOTOR DE PASSO Como os motores de passos tm movimentos precisos, qualquer equipamento que precise de preciso no movimento utilizaram estes motores. Podemos citar pr exemplo o controle de microcmeras num circuito interno de vigilncia, em clnicas radiolgicas no auxlio de operadores para os mesmos orientarem o posicionamento das pessoas submetidas a uma radiografia, posicionamento de uma mesa de trabalho em duas dimenses, furao automtica de acordo com instrues em fita sobre as posies dos furos. A seguir veremos algumas aplicaes mais detalhadamente. Aplicao #1 A primeira aplicao relatada de um scanner ptico. O projetista do laser utilizado para o scanner tem que rotacionar precisamente uma rede de difrao com o controle do computador para ajustar a freqncia do laser. A rede precisa ser posicionada com um erro mximo de 0.05. A alta resoluo do micromotor de passo e a ausncia de movimentos no previstos quando este pra o tornam ideal.

A soluo encontrada: como a inrcia da rede igual a 2% da inrcia do motor ela pode ser ignorada. A situao exigia um pequeno motor. Um micromotor dehttp://recreio.gta.ufrj.br/grad/01_1/motor/ (15 of 23)17/7/2003 22:40:54


passo, que produzia um grande torque foi selecionado. Atravs da interface utilizando o protocolo IEEE-4888 controlada por um simples programa escrito em BASIC, o micromotor funcionou de forma satisfatria. Abaixo segue uma figura ilustrativa do problema.

Aplicao #2 Esta segunda aplicao tem por objetivo mostrar o uso dos motores de passo, acoplado a engrenagens, na movimentao de telescpios. Comparadas s aplicaes que utilizam apenas micromotores, as engrenagens apresentam baixa eficincia, desgaste e podem ser barulhentas. As engrenagens so justamente teis, para romper grandes inrcias, pois a inrcia refletida de volta para o motor atravs das engrenagens dividida pelo quadrado da inrcia aplicada a elas. Desta maneira, grandes cargas inerciais podem ser movimentadas enquanto o rotor mantem uma carga menor. No caso descrito era necessrio vasculhar fenmenos celestiais em velocidade baixa de 15 por hora e em velocidade alta em 15 por segundo. Assim, utilizando uma caixa de engrenagens que reduz de 30:1, 30 revolues dadas pelo motor equivalem a uma rotao de 360 dada pelo telescpio, foihttp://recreio.gta.ufrj.br/grad/01_1/motor/ (16 of 23)17/7/2003 22:40:54


desenvolvido o projeto. A velocidade de tracking de 15 por hora corresponde 1.25 revolues por hora, ou em torno de 9 passos por segundo para uma resoluo de 25000 passos por revoluo. A velocidade de 15 por segundo requere 1.25 rps para o mesmo motor. A lei do inverso do quadrado faz com que o motor sofra uma carga de 1/900 da inrcia rotacional do telescpio. Na figura abaixo mostra o esquema do projeto.

Aplicao #3 Veremos agora a aplicao do motor para rotacionar discos flexveis antigos para finalizar. Estes discos possuam uma alta velocidade de rotao, (em torno de 300rpm), alimentao de +12V, um passo de 1,8 ou 3,6, e im permanente. Utilizando uma lgica TTL que alm comandar a alimentao das bobinas do motor na ordem certa para a correta utilizao do mesmo, a lgica tambm controlava os processos de leitura e escrita. Tais discos continham tambm o bloco amplificador, se caracterizando como um circuito completo de manuseio do motor. Abaixo mostramos uma figura com os conectores de um antigo disco flexvel Tandon TM100, de 51/4. Para se acionar o motor do driver preciso produzir os passo no pino 20, indicar a direo no pino 18 e ligar os pinos terras do circuito controlador com o do driver, atravs de qualquer pino mpar.



7. CONTROLADORES PARA MOTOR DE PASSO Nesta etapa falaremos um pouco sobre circuitos que podem controlar os motores adequadamente. Destacamos que como as cores dos fios que levam energia as bobinas no so padronizados. Portanto no comentaremos sobre a ordem certa de polarizao utilizando as cores dos fios. Na primeira etapa, falaremos sobre o controle de um motor de passo diretamente pelo computador. Atravs da porta paralela visaremos controlar um motor de quatro fases e unipolar atravs da excitao por passo-inteiro. Pesquisando os drivers existentes, descobrimos o CI ULN2003 que um 7bit 50V 500mA TTLinput NPN darlington driver, que funciona como amplificador. Obviamente toda a lgica deve ser exercida pelo computador inclusive a da ordem de excitao das bobinas. Abaixo segue o circuito eltrico mostrando a ligao entre o motor e a porta.



Destaca-se que o diodo zener foi utilizado como intuito de absorver o campo eletromagntico reverso produzido pelo motor quando o mesmo desligado. A inverso observada nos pinos de entrada 3 e 4 do ULN2003 so necessrias para manter a ordem certa de ativao das bobinas. Agora veremos o controle ser feito atravs de componentes discretos. Utilizando um contador Johnson CMOS que controla a etapa de potncia no mostrada, podemos exercer um simples comando ao motor somente atravs dos clock. Este circuito tem a desvantagem de no exercer o controle da direo e observa-se que o mesmo executa o procedimento de passo inteiro. Abaixo segue o esquema eltrico.



Utilizando agora portas lgicas e flip-flops, exerceremos o controle tanto da direo (atravs de DIR) quanto da velocidade do motor. Abaixo segue o esquema a ser analisado.

O circuito funciona basicamente invertendo a sada Q e Qinv de um dos flip-flops em cada borda de descida. Na borda seguinte, podemos esperar que a sada dohttp://recreio.gta.ufrj.br/grad/01_1/motor/ (20 of 23)17/7/2003 22:40:54


outro flip-flop seja invertida mantendo a do primeiro igual, repetindo o ciclo a partir de ento. A porta XOR superior esquerda funciona como uma inversora, o que permite s um dos flip-flops alterar o seu estado de acordo com as sadas. Abaixo segue a tabela que se espera encontrar para este circuito, trabalhando por conseqncia em passo inteiro. Para DIR low Para DIR high (sentido anti-horrio) (sentido horrio) 1A 2A 3A 4A 1A 2A 3A 4A 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 Por ltimo veremos um circuito com todas as etapas do processo. Abaixo segue o circuito a ser analisado.

esquerda vemos o LM555 que responsvel pela produo dos pulsoshttp://recreio.gta.ufrj.br/grad/01_1/motor/ (21 of 23)17/7/2003 22:40:54


necessrios para o CI 74194. Atravs do potencimetro R6, podemos controlar o sentido da rotao. Atravs do resistor R5 e do capacitor C1 podemos controlar o ton e o toff do trem de pulsos, controlando ento a velocidade. O CI74194 um TTL registrador de deslocamento bidirecional acionado pelo clock do LM555. Os pinos S0 e S1 so os responsveis por determinar se o deslocamento direito ou esquerdo, ativando as sadas de A0 a D0. SR (serial right) e SL (serial left) so os pinos responsveis pelo o bit high, inicialmente ativado por A1 estar high, efetuarem um deslocamento em anel. Assim, deve-se constatar somente um bobina do motor ser ativada por vez, aps a etapa amplificadora constituda pelos transistores de potncia TIP120. Como explicado anteriormente, os diodos so utilizados para proteger o circuito de tenses inversas provocadas pelo armazenamento de energia dos indutores. No caso especfico, podemos verificar que a alimentao do motor idntica a alimentao da parte lgica. 8. VANTAGENS E DESVANTAGENS Em relao aos primeiros motores o motor de passos apresenta evidentes vantagens, como tamanho e custo reduzidos, total adaptao a lgica digital (o que permite o controle preciso da velocidade direo e distncia), caractersticas de bloqueio , pouco desgaste e dispensa realimentao. So poucas as desvantagens mais elas existem: m relao potncia volume e principalmente controle relativamente complexo

9. REFERNCIAS BIBLIOGRAFIA E SITES - Lobosco, Orlando Silvio & Dias, Jos Luiz P. da Costa; Seleo e Aplicao de motores Eltricos; Makron Books - Gajski, Daniel D.; Principles of Digital Designer; Prentice-Hall; 1997 - Taub, Herbert; Circuitos Digitais e Microprocessadores; McGraw-Hill; 1984

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