multisim - circuitos digitais

Autor: Rmulo Oliveira Albuquerque [email protected] Proprietrio: CPF: RG:

Mdulo 3: multiSIM 7 Circuitos DigitaisEsta a terceira parte do trabalho sobre o MultiSIM 7 e dirigida para o estudo de circuitos eletrnicos digitais bsicos, desta forma os instrumentos e componentes aqui descritos so bsicos nos estudo e simulao de circuitos digitais. A licena usada para fazer este trabalho tem o texto em ingls, desta forma toda vez que for feito referncia em ingls o mesmo ser colocado em itlico e entre parnteses e antes o termo equivalente em portugus. Devemos reiterar mais uma vez que voc deve ter conhecimentos mnimos de eletrnica digital para que possa compreender este trabalho.

IntroduoUm circuito digital opera basicamente com portas lgicas as quais so encontrada em um circuito integrado (CI). O MultiSIM 7 tem uma biblioteca relativamente grande de circuitos integrados comerciais da famlia TTL e CMOS. Existem duas formas de inserir uma porta na rea de trabalho: Pelo nome funcional (AND, NAND, etc). Como por exemplo AND2 (porta AND com duas entradas), OR2 (porta OU de duas entradas), etc. Para isso clique na caixa Miscelnea Digital (Misc Dig), figura01. Pelo cdigo (7400,7490,4017,4001, etc), obtendo os componentes nas caixas CMOS ou TTL pelo cdigo do CI como por exemplo O CI 7400 (4 portas NAND de duas entradas). Neste caso clique na caixa TTL. Caso deseje um CI CMOS , como por exemplo o CI4017 (contador Johnson) clique na caixa CMOS

. Figura01: Caixas de componentes digitais Em qualquer caso, aps clicar na caixa correspondente ser aberta a janela Seleo de Componentes como na figura02. No caso da figura02a estamos abrindo a caixa

MultiSIM 7 Ferramenta de Auxlio ao Ensino da Eletrnica Mdulo 3

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de componentes TTL e no caso da figura02b estamos abrindo a caixa de componentes CMOS. Nesta janela deveremos selecionar qual a famlia do componente e em seguida o componente atravs do seu cdigo (7400,7490, etc). Observe que nesta janela aparece tambm o smbolo, a funo (QUAD 2 INPUT NAND CI com 4 portas NAND de duas entradas), o fabricante e o footprint.

(a)

(b)

Figura02: ( a ) Caixa de seleo de componentes mostrando a caixa de CI's TTL com seleo da famlia 74STD e o componente 7400 ( b ) Caixa de seleo de componentes mostrando a caixa de CI's CMOS com seleo da famlia CMOS_10V e o componente 4017 A forma como cada porta retirada depender de como foi configurado Modo de Colocar Componente (Place Componente Mode) que est em Opes (Options) >>> Preferncias (Preferences)>>> Componentes (Component Bin).

Colocar um componente (Place single component): Neste caso ser inserido um componente por vez na rea de trabalho. Experimente. Colocar continuamente componentes com multiseo somente (Continous Placement Multi-section part only): Todas as partes de um componente so colocadas seqencialmente. Por exemplo os CIs que contm mais de uma porta. A cada clique na rea de trabalho ser colocada uma das seces do CI. Para sair teclar em ESC no teclado. Experimente

Colocar

Continuamente

Componente

(Continous

placement):

Os

componentes so colocados continuamente. Para sair clicar em ESC no teclado. ExperimenteMultiSIM 7 Ferramenta de Auxlio ao Ensino da Eletrnica Mdulo 3

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Aps selecionar o CI, na figura2, dando OK ser apresentada tela da figura3a onde voc dever escolher qual das seces (no caso 4 seces) ser colocada na rea de trabalho. A figura3b mostra que a seco "A" uma porta NAND de duas entradas.

(a)

(b)

Figura03: ( a ) Escolhendo qual seco do CI ser colocada no circuito ( b ) seco A do CI 7400

Ponta de Prova (Probe) LgicaComo sabemos, circuitos lgicos operam com dois nveis de tenses: Nvel 1 (5V se TTL e de 4,5V a 18V se CMOS) e Nvel 0 (0V). Para indicar a esses nveis lgicos usamos a ponta de prova (Probe) que se encontra na caixa de componentes Indicadores (Indicators), figura04.

(a)

(b)

Figura04: ( a ) cone da caixa de componentes Indicadores ( b ) Janela de seleo de componentes com a Ponta de Prova (Probe) selecionada


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Para escolher entre os dois nveis lgicos usamos a chave SPDT que se encontra em Bsicos (Basics) (veja o CD MultiSIM 7 Mdulo1). A seguir na figura5 mostramos a chave SPDT conectada a uma ponta de prova (Probe).

Figura05: A chave de um plo e duas posies (SPDT) conectando um de dois nveis lgicos ao Probe Exemplo01: A figura a seguir mostra um circuito que permite levantar a tabela verdade (TV) de uma porta lgica. Observe que as entradas esto conectadas a duas chaves de 1 plo e duas posies (SPDT) e que as mesmas mudam de posio quando teclamos as letras "A" e "B" no teclado. Para ver a indicao do nvel lgico usamos a ponta de prova (Probe).

Figura06: Circuito com chaves SPDT, Probes e porta NAND


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Tabela Verdade A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 S

O Gerador de Palavras BinriasO Gerador de Palavras binrias gera uma palavra de 32 bits na sua sada. A seguir o seu cone na barra de instrumentos, smbolo e instrumento aberto.

Figura07: ( a ) cone do gerador de palavras binrias ( b ) smbolo na rea de trabalho ( c ) gerador de palavras aberto Na figura7b temos: do lado esquerdo temos 15 sadas (0 a 15) e do lado direito mais 15 (16 a 31). Na figura7c temos: na parte inferior as 32 sadas dos dados digitais que indicam os valores da sada (0 ou 1). Quando os dados estiverem saindo, a sada correspondente mostrar o nvel lgico. Em Controles (Controls) escolhemos de que forma os dados saem. Os dados podem ser transferidos para fora de trs formas: Ciclicamente (Cycle), Salva (Burst) ou Passo-a-Passo (Step).MultiSIM 7 Ferramenta de Auxlio ao Ensino da Eletrnica Mdulo 3

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Ciclicamente os dados armazenados entre o endereo indicado em Inicial (Initial) e Final (Final) saem ciclicamente (repetem-se). Obs: Voc pode especificar outro endereo inicial e final clicando com o boto direito em um endereo intermedirio. Em Salva (Burst), saem uma s vez os dados armazenados entre o endereo inicial e o final. Em Passo a Passo (Step), os dados saem medida que clicamos em Passo (Step). Em Mostrar (Display) escolhemos em que base (Hexadecimal, decimal ou binria) entramos coim os dados no Buffer). Em Freqncia (Frequency) escolhemos a freqncia de sada dos dados. A figura8 a seguir mostra de forma mais clara a descrio do gerador de palavras.

Figura08: Descrio do gerador de palavras Podemos entrar com os dados no Buffer de 4 formas: Hexadecimal (Hex), Decimal (Dec), Binria (Binary) ou em ASCII (ASCII). Para entrar com os dados primeiramente deveremos estabelecer o numero de posies (no exemplo 5 posies). Para estabelecer o nmero de posies no Buffer deveremos clicar em Ajustar (Set), aparecer a janela de configurao da figura9. Em Tipo de Amostra (Display Type) selecionamos Hexadecimal (Hex) ou Decimal (Dec) e em Tamanho do Buffer (Buffer Size) escolhemos o tamanho que ter o Buffer (quantas palavras conter). Para entrar com um dado basta clicar na posio e em seguida digitar o dado (em Hexadecimal, Decimal, Binria ou ASCII) conforme a escolha feita em Mostrar (Display).


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Figura09: Ajustando o tamanho do Buffer Exemplo02: Vamos configurar o gerador de palavras de forma a gerar a seqncia acender 4 lmpadas conforme a seqncia a seguir.

(a)

(b)

Figura10: ( a ) Lmpadas acesas na seqncia ( b ) tabela para obter a seqncia O gerador dever ser configurado como na figura a seguir.

Figura11: Gerador de palavras configurado para gerar a seqncia da figura10


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Ponto de Quebra (BreakPoint)Pontos de quebra na seqncia devem ser inseridos quando desejamos parar a seqncia num determinado ponto. Para isso posicione o cursor do mouse (que se transforma em mo) clique com o boto direito, aparecer uma janela onde voc poder escolher o ponto de quebra (BreakPoint), Impor ponto deQuebra (Set Break Point).

Figura12: Inserindo um ponto de quebra O ponto de quebra caracterizado por uma marca vermelha na coluna da esquerda. Para retirar o ponto de quebra clique com o boto direito no ponto de quebra e em seguida em Apagar Ponto de Quebra (Delete Break Point).

Disparo (Trigger)Se selecionado Interno (Internal) ser usado o relgio (clock) interno para gatilhar as palavras que saem. Se Externo (External) for selecionado, neste caso o gatilho ser efetuado por um sinal externo. Aconselho a usar sempre o gatilho interno.

Sinal de Pronto (Data Ready)Usado quando o gatilho externo. Esta sada fornece um nvel alto quando os dados esto prontos. Voc pode usar um indicador pra ver isso.

Sequncias (Pre Set Pattern)Clicando em Ajustar (Set) ser aberta a janela da figura9 em Sequncias Pre Ajustadas (Pre Set Pattern) voc poder salvar as suas seqncias ou abrir seqncias pr existentes.


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Figura13: Pr ajuste de seqncias Na figura13 existem as alternativas: Limpar o Buffer (Clear Buffer): limpa aos dados armazenados. Carregar (Load): carrega uma seqncia salva. Salvar (Save): Salva uma seqncia criada. Contar para Cima (Up Counter): Abre uma seqncia de contagem crescente pr existente. Contar para Baixo (Down Counter): Abre uma seqncia de contagem decrescente pr existente. Deslocamento Para Direita (Shift Right): Abre uma seqncia de contagem com deslocamento para a direita pr existente. Deslocamento Para Esquerda (Shift Left): Abre uma seqncia de contagem com deslocamento para a esquerda pr existente.


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Analisador Lgico (Logic Analyser)O analisador lgico permite visualizar vrios sinais digitais ao mesmo tempo. Tem 16 entradas para sinais lgicos, que estando ativadas mostram o nmero do n a qual est conectada. A figura11 mostra o cone na barra de instrumentos e o smbolo na rea de trabalho.

(a) rea de trabalho

(b)

Figura14: Analisador lgico (a) cone da barra de instrumentos ( b ) Smbolo na A seguir a figura15 apresenta o Analisador Lgico aberto.

Figura15: Analisador lgico mostrando 4 formas de onda Na figura15, esquerda esto indicadas as 16 entradas, sendo que 4 esto sendo usadas (observar a diferena). A cor das formas de onda a mesma da cor do fio ligado na entrada. Os cursores (dois), permitem medir tempo (T1 e T2) e a diferena de tempo (T2T1). Na figura12 a indicao dos ponteiros :MultiSIM 7 Ferramenta de Auxlio ao Ensino da Eletrnica Mdulo 3

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Figura16: Medidas efetuadas com os cursores Observar que os cursores fornecem tambm o valor, em hexadecimal, da informao mostrada. O cursor 1: 2,145ms Valor em Hexa: 0003 O cursor 2: 4,325ms Valor em Hexa: 0001 Diferena : 2,180ms Exemplo3: A figura14 a seguir como foi feita a conexo do analisador lgico a um circuito contador de 0 a 9.

Figura17: Analisador lgico conectado a um circuito contador de 0 a 9

Configurao do Relgio (clock)Clicando em Ajustar (Set), ser aberta a janela de configurao da figura18. Nesta deve-se escolher entre relgio interno (Internal) ou externo (external), a freqncia do clock e a taxa de amostragem (Sampling setting). Aconselho a usar sempre o clock interno.

Figura18: Configurando o clock e a taxa de amostragem para o circuito da figura16


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A caixa de seleo de amostragem tem dois ajustes: Amostras Pr Gatilho (Pre trigger Samples): O analisador armazena dados at atingir o nmero especificado. Amostras Ps Gatilho (Ps trigger Samples): Aps o sinal de gatilho os dados so armazenados at o nmero especificado, sendo em seguida enviados para a tela. Consideremos dois exemplos para efeito de comparao. Na figura18 a taxa de amostragem ps gatilho de 10, com um relgio de 1KHz. A figura19 mostra as formas de onda para esse ajuste. Obs: Uma amostra corresponde a um ciclo inteiro, no exemplo 1ms.

Figura19: Analisador lgico configurado com amostragem ps gatilho igual a 10 Configuremos o mesmo clock para uma amostragem ps-gatilho igual a 5.

Figura20: Analisador lgico configurado com amostragem ps gatilho igual a 5


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Observe a diferena. No segundo caso 5 amostras taxa de 1KHz significa ocupar 5ms na tela, sempre considerando Clock/Div igual a1. Experimente outros valores.

Formas de Onda de um Circuito LgicoExemplo04: A seguir mostraremos uma aplicao interessante. A partir de um circuito lgico combinacional obter a sada para todas as combinaes de entrada. Para gerar as entradas usaremos o gerador de palavras e para ver as formas de onda associadas usamos o analisador lgico.

Figura21: Circuito lgico combinacional Observe que a lgica executada pelo circuito a de uma OU EXCLUSIVO. Construdo o circuito o passo seguinte a conexo do gerador de palavras e do analisador lgico ao circuito como na figura22.

Figura22: Circuito lgico analisado com gerador de palavras e analisador lgico Como so duas as variveis de entrada (B e A) as combinaes possveis so 4 (00,01,10,11), portanto a configurao do gerador de palavras dever fornecer estas combinaes. A figura20 mostra a configurao do gerador de palavras e do clock do analisador lgico.


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(a) lgico.

(b)

Figura23: ( a ) Configurao do gerador de palavras e do ( b ) clock do analisador Feitos os ajustes e iniciada a simulao e aberto o analisado lgico, obtemos as formas de onda, sendo que a primeira de cima para baixo a sada e as subseqentes so A e B e a ltima o clock (1KHz). Observar a lgica entre a sada e as entradas.

Figura24: Formas de onda da entrada e da sada do circuito da figura21 para as 4 combinaes de entrada


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O Conversor Lgico (Logic Converter) usado para efetuar transformaes em lgica digital combinacional como por exemplo: Fornecer a tabela verdade de um circuito lgico a partir do seu Obter a expresso booleana a partir da tabela verdade. Obter o circuito lgico a partir da tabela verdade. Obter a expresso lgica simplificada. Obter a expresso lgica simplificada. circuito.

A figura25 a seguir mostra o cone e o smbolo usado na rea de trabalho.

(a)

(b)

Figura25: Conversor Lgico (a) cone na barra de instrumentos (b) smbolo na rea de trabalho

Figura26: Conversor lgico aberto A tabela a seguir mostra todas as converses possveis. Para efetuar uma converso, aps serem feitas as conexes das variveis de entrada e da sada basta clicar no boto correspondente.


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Boto 1 2 3 4 5 6

Clique aqui para para fazer a converso

Tipo de converso a ser feita Obter a Tabela Verdade se fornecido o circuito lgico Obter a expresso lgica completa, dada a TV Obter a expresso lgica simplificada, dada a TV Obter a Tabela Verdade se dada a expresso lgica Obter o circuito lgico com portas dada a TV Obter o circuito lgico com portas NAND dada a TV

Exemplo05: Para exemplificar o uso do conversor lgico consideremos o circuito (observe que um circuito que tem a lgica de um OU Exclusivo). Vamos obter a sua TV.

(a) exemplo 4

(b)

Figura27: ( a ) circuito para exemplo 4 ( b ) tabela verdade a ser preenchida para o Selecione, no conversor lgico, quais as variveis de entrada A,B,C,D,E,F,G,H (basta clicar na entrada correspondente) ligue-as s entradas do seu circuito (procure manter o nome igual). Ligue a sada do seu circuito em out (nono terminal da esquerda para a direita) no conversor lgico como na figura a seguir.


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Figura28: Circuito lgico conectado ao Conversor Lgico

Obtendo A Tabela VerdadePara obter a expresso lgica clique no boto de converso N1, o resultado ser:

Figura29: Obtendo a tabela verdade do circuito da figura27a

Obtendo A Expresso LgicaPara obter a expresso lgica clique no boto de converso N2, o resultado ser:

Figura30: Obtendo a expresso lgica do circuito da figura24a Observe que a expresso obtida na figura30 j a mnima no podendo ser simplificada. Caso isso fosse possvel para obter a expresso simplificada bastaria clicar no boto N3.


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Obtendo a Tabela Verdade a Partir da Expresso LgicaDevemos primeiramente escrever a expresso lgica.

Escrevendo a Expresso LgicaPara escrever a expresso lgica siga a seqncia : 1. Coloque o cursor no espao inferior da tabela verdade (ver figura26). 2. Para entrar com a varivel digite a letra correspondente, para o complemento digite a letra da varivel e em seguida tecle no teclado. Exemplo: A o complemento de A. 3. Para efetuar a operao E entre duas variveis ou expresses, no necessrio colocar o ponto de multiplicao. 4. Para efetuar a operao OU use o smbolo + do teclado. 5. Caso necessite obter a negao de uma operao entre parnteses (A.B + C) , use (A.B + C)' Exemplo 06: Escrever a expresso de S=A.B .C e em seguida obtenha a sua TV. Para obter a TV de uma expresso lgica primeiro escreva a expresso da mesma de acordo com o explicado a cima. Aps isso clique no boto a seguir para obter a TV.

Figura31: Obtendo a TV a partir da expresso lgica

Escrevendo a Tabela VerdadePara escrever a tabela verdade, selecione as variveis de entrada, em seguida onde aparece "?" aponte o ponteiro do mouse (aparecer uma mo). Clique, aparece 1, mais um clique e aparece 0 se voc clicar mais uma vez aparece X (irrelevante).


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Experimente fazer o caminho inverso ao da figura31, isto , entre com a TV e obtenha a expresso lgica.

Obtendo o Circuito LgicoPara obter o circuito lgico, voc precisa entrar com a expresso lgica. Exemplo07: Vamos supor que a TV dada e voc precisa obter a expresso lgica. Insira a TV como explicado acima e em seguida clique no boto.

a expresso completa (no simplificada) ser fornecida.

(a)

(b)

Figura32: ( a ) inserindo a TV de um circuito lgico ( b ) obtendo a expresso lgica Para obter o circuito com quaisquer portas lgicas clique no boto

para obter o circuito s com portas NAND de duas entradas clique no boto

O resultado ser:

(a)

(b)

Figura33: ( a ) Circuito implementado com portas quaisquer ( b ) com portas NAND


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Display HexadecimalExistem dois tipos: O display hexadecimal decodificado j tem incorporado um decodificador para sete segmentos, e o display de sete segmentos que necessita de um decodificador para poder funcionar, ambos esto na caixa Indicadores.

Figura34: Caixa Indicadores com display hexadecimal selecionado O display com decodificado no necessita de decodificador, porm os outros dois (display de sete segmentos anodo comum e catodo comum) sim.

(a) comum

(b)

(c)

Figura35: ( a ) display hexadecimal decodificado ( b ) anodo comum ( c ) catodo Exemplo05: A seguir o display decodificado conectado chaves com entrada digital DCBA. Observar que o MSB (Dgito Mais Significativo) o terminal 4 e LSB (Dgito Menos Significativo) o terminal 1.


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(a)

(b)

Figura32: ( a ) Display codificado indicando o nmero 7 ( b ) indicando o nmero 3


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