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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO
DANIEL RONEI DE SÁ – 1575031 LEONARDO BAGGIO – 1572083 MATHEUS BATISTA – 1575058
CIRCUITOS MULTIPLEXADORES E DEMULTIPLEXADORES
Relatório técnico apresentado como requisitoparcial para obtenção de aprovação na disciplina T3LD1 – Laboratório de Eletrônica Digital 1, no Curso de Engenharia Eletrônica, no Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo. Prof. Me. Alexandre de Jesus Aragão
SÃO PAULO 2° SEMESTRE 2016
1. OBJETIVO Verificar o funcionamento dos circuitos multiplexador e demultiplexador, efetuar a montagem dos mesmo com a utilização de portas lógicas. 2. INTRODUÇÃO TEÓRICA Um multiplexador digital ou seletor de dados é um circuito lógico que aceita diversos dados digitais de entrada e seleciona um deles, em certo instante, para a saída. O roteamento do sinal de entrada desejado para a saída é controlado pelas entradas de seleção (frequentemente chamadas de entradas de endereço). A figura 1 mostra o diagrama funcional de um multiplexador digital geral.
Figura 1 – Diagrama funcional de um multiplexador (MUX) digital.
As entradas e saídas são desenhadas como setas mais largas em vez de linhas; isto indica que elas podem, na verdade, representar mais do que uma linha de sinal. O multiplexador atua como uma chave digital controlada de várias posições, onde o código digital aplicado nas entradas de seleção controla qual entrada de dados será chaveada para a saída. Por exemplo, a saída Z será igual à entrada de dados I0 para um determinado código de seleção; e assim por diante. Em outras palavras, um multiplexador seleciona 1 entre N dados de entrada e transmite o dado selecionado para um único canal de saída. Isto é chamado de multiplexação. A figura 2 mostra o diagrama lógico para o multiplexador de oito entradas 74151 (74LS151, 74HC151). Este multiplexador tem uma entrada de habilitação
e fornece
tanto à saída normal quanto a saída invertida. Quando
= 0, as entradas de seleção S2,
S1, S0 selecionarão uma das entradas de dados (de I0 a I7) para passar para a saída Z. Quando
= 1, o multiplexador está inibido, de modo que Z = 0, não importando o código
de seleção de entrada. Esta operação está resumida na tabela 1 e o símbolo lógico do 74151 é mostrado na Figura 3.
Figura 2 – Diagrama lógico para o multiplexador 74151.
Tabela 1 – Tabela-verdade de um MUX de oito entradas.
Figura 3 – Símbolo lógico do MUX de 8 entradas (74151).
Um demultiplexador (DEMUX) ou distribuidor de dados realiza a operação inversa: ele recebe uma única entrada e a distribui por várias saídas. A figura 4 mostra o diagrama funcional para um demultiplexador digital. As setas largas para as entradas e saídas podem representar uma ou mais linhas. O código de seleção de entrada determina para qual saída à entrada de dados será transmitida. Em outras palavras, o demultiplexador recebe uma fonte de dados e seletivamente distribui para 1 entre N canais de saída, como se fosse uma chave de várias posições.
Figura 4 – Demultiplexador genérico.
A figura 5 mostra o diagrama lógico para um demultiplexador que distribui uma linha de entrada para oito linhas de saída. A única linha de entrada de dados I é conectada em todas as portas AND, mas somente uma destas portas será habilitada pelas linhas de seleção de entrada. Por exemplo, com S2S1S0 = 000, apenas a porta AND 0 estará habilitada, e a entrada de dados I aparecerá na saída O0. Outros códigos de seleção fazem a entrada I alcançar as outras saídas. A tabela 2 resume a operação.
Figura 5 – Demultiplexador de 1 para 8 linhas.
Tabela 2 – Tabela-verdade de um DEMUX de 1 para 8 linhas.
3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 3.1Material Utilizado
01 Circuito Integrado 7404 (Porta NOT – MED52).
01 Circuito Integrado 7408 (Porta AND – MED50).
01 Circuito Integrado 7432 (Porta OR – MED50).
02 Circuitos Integrados 4051 (Mux-Demux de 8 canais – MED10).
01 Fonte de alimentação DC (LEG2000).
01 Osciloscópio.
01 Gerador de Funções.
02 Cabos para osciloscópio.
Led’s e resistores para monitoramento dos níveis lógicos (LEG2000).
3.2 Procedimentos Experimentais A primeira etapa do experimento foi a montagem de um circuito Mux de 2 entradas utilizando uma porta NOT, duas portas AND e uma porta OR, vide figura 6. Com a montagem realizada, foi retirada sua tabela verdade de S em função deG , I e I , conforme Tabela 3.
G0
I0
S
I1 Figura 6 – Mux de 2 Entradas. Tabela 3 – Tabela verdade doMux de 2 entradas.
S 0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
1
0
1
1
1
1
0
0
0
1
0
1
1
1
1
0
0
1
1
1
1
Ainda com o mesmo circuito da figura 6, foi conectado um gerador de funções com onda quadrada e frequência de 500Hz em G , conforme figura 7, e então foi medido e anotado as formas de onda na saída sincronizadas em relação a G para todas as situações possíveis de I e I , conforme gráfico 1. V1 500Hz 5V G0 I0
S
I1
Figura 7 - Mux de 2 Entradas com gerador de onda quadrada ligado emG
.
Gráfico 1 – Formas de ondas na saída sincronizadas em relação aG
A etapa seguinte do experimento foi a montagem de um circuito Demux de 2 entrada, a partir de uma porta NOT e duas portas AND, conforme figura 8. Com a montagem realizada, foi retirada sua tabela verdade de
e S em função de G e I,
conforme Tabela 4. G0
S0 I S1
Figura 8 –Demux de 2 saídas.
Tabela 4 – Tabela verdade do Demux de 2 saídas.
I 0
0
0
0
0
1
1
0
1
0
0
0
1
1
0
1
Ainda com o mesmo circuito da figura 8, foi conectado um gerador de funções com onda quadrada e frequência de 500Hz em G e outro com frequência de 1kHz em I, conforme figura 9, e então foi medido e anotado, conforme gráfico 2, as formas de onda na saída sincronizadas em relação a G (sincronizadas). G0 500Hz 5V
I
S0 1kHz 5V S1
Figura 9 - Demux de 2 Saídas com gerador de onda quadrada ligado emG
Gráfico 2 – Formas de ondas nas saídas sincronizadas em relação a G
e I.
e I.
Em seguida foi interligado os dois circuitos das figuras 6 e 8, conforme figura 10, e então foi retirado sua tabela verdade das saídas S e S em função de G , I e I , vide Tabela 5.
G0
G0
S0
I0 S
I S1
I1
Figura 10 – Conjunto Mux-Demux de 2 entradas.
Tabela 5 – Tabela verdade do Mux-Demux de 2 entradas.
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
0
1
0
0
0
0
1
0
1
0
1
1
1
0
0
0
1
1
1
0
1
Ainda com o mesmo circuito da figura 10, foi conectado um gerador de funções com onda quadrada e frequência de 500Hz em G , vide figura 11, e então foi medido e anotado as formas de onda na saída sincronizadas em relação a G para todas as situações possíveis de I e I , sendo o gráfico 3 para a saída S e o gráfico 4 para a saída S .
500Hz 5V
G0
G0
S0
I0 S
I S1
I1
Figura 11 – Mux-Demux de 2 Entradas com gerador de onda quadrada ligado em G
Gráfico 3 – Formas de ondas nas saídas sincronizadas em relação a G
.
para saída S .
Gráfico 4 – Formas de ondas nas saídas sincronizadas em relação a G
para saída S .
A última etapa do experimento foi a utilização do multiplexador 4051 para gerar a função S = B + AC, onde sua tabela verdade experimental pode ser vista na Tabela 6 e sua tabela verdade teórica pode ser vista na Tabela 7.
Tabela 6 – Tabela verdade experimental do Multiplexador 4051.
0
0
0
1
0
0
1
0
0
1
0
1
0
1
1
1
1
0
0
0
1
0
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
Tabela 7 – Tabela verdade teórica do Multiplexador 4051.
+
0
0
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
0
1
0
0
1
1
0
1
1
1
0
1
1
0
0
1
0
0
1
0
1
0
1
1
1
1
0
1
0
1
1
1
1
0
1
1
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES Para o primeiro circuito montado, o circuito da figura 6, obtemos que quando = 0 a saída será e quando = 1 a saída será , portanto foi simulado um multiplexador tendo como entradas e , e chave de controle . Ao conectar à um sinal digital de 500Hz, obtemos diferentes sinais de saída para cada situação de e , inicialmente, para = 0 e = 0 resultou em nível 0 constante na saída, para = 0 e = 1 a saída se manteve como o sinal de , para = 1 e = 0 a saída transmitiu o sinal invertido e para = 1 e = 1 a saída se manteve em nível lógico 1. Na etapa seguinte, em que foi montado o circuito da figura 8, obtemos a simulação de um demultiplexador de uma entrada e um controle que nos forneceu duas saídas, sendo uma saída que fornece a operação AND entre a entrada e o controle e é a entrada I quando = 0, mas 0 quando = 1. Ao conectar à um sinal digital de 500Hz e I à um sinal de 1kHz, percebemos que os sinais de saída e ficaram com frequências iguais, porém deslocadas em fase. Após análise dos circuitos separadamente, conectamos a saída do circuito da figura 6 na entrada do circuito da figura 8 e um sinal digital de 500Hz em , assim observamos que na saída teremos nível lógico 0 constante nas situações em que = 0 e = 0, = 0 e = 1 e um sinal digital inverso ao de nos casos em que = 1 e = 0, = 1 e = 1. Já para saída teremos nível lógico 0 constante nas situações em que = 0 e = 0, = 1 e = 0, e um sinal digital igual a nos casos em que = 0 e = 1, = 1 e = 1.
Na última etapa, em que foi proposto a utilização de um multiplexador para executar a função S = B + AC, foi possível montar as tabelas verdade teórica e experimental sem dificuldades, tal como a montagem do procedimento, sendo importante lembrar que o pino INH é uma inibidora de input, quando o sinal nela é 1 (High) ela irá desabilitar todos os canais de entrada do multiplexador, logo, quando ela é ligada temos que a saída de todos os canais será 0, então temos de estar atentos a este pino.
5. QUESTÕES 1) Desenhe o esquema de um circuito que implemente a função OU-EXCLUSIVO utilizado multiplexador. Para função “Ou-exclusivo” (XOR) temos a tabela verdade descrita na tabela 8 e representação através de multiplexador mostrada na figura 12: Tabela 8 – Tabela verdade XOR
Figura 12 – Multiplexador para função XOR.
Há também uma representação alternativa da tabela verdade e do multiplexador, mostrados na tabela 9 e figura 13 respectivamente.
Tabela 9 – Representação alternativa p/ tabela verdade da função XOR.
Figura 13 – Representação alternativa de um multiplexador em função XOR.
Já a figura 14 mostra um circuito lógico combinacional feito com portas lógicas a fim de exemplificar o funcionamento interno do multiplexador para função XOR.
Figura 14 – Circuito multiplex para função XOR.
2) Explique o que significa um problema de “race” em um circuito digital. “Race” ou condição de corrida é um problema que ocorre quando dois ou mais sistemas de circuitos lógicos combinacionais estão conectados e devido ao delay de resposta de cada CI há um atraso nas “linhas” que interligam os sistemas, portanto em algum momento, depois de um período de oscilação, uma das portas poderá estar atrasada ou adiantada o suficiente para tornar o circuito estável. 3) Pesquisar o datasheet do circuito integrado 4051 e fazer um resumo das suas principais características. O circuito integrado 4051 é um multiplexador de 8 canais com 3 entradas de controle e pino inibidor, opera com sinais digitais e analógicos, pode trabalhar em temperaturas dentro da faixa de -55°C a 125°C, feito em 4 tipos diferentes de encapsulamento (CERAMIC DIP, PDIP, SOIC e TSSOP), na tabela 10 é descrito sua tabela verdade: Tabela 10 – Tabela verdade do CI 4051.
A disposição dos pinos deste CI é mostrada na figura 15.
Figura 15 – Pinos do CI 4051.
Este multiplexador é um componente da família CMOS e opera com tensões de 3V a 20V.
6. CONCLUSÃO Temos que um multiplexador (MUX) é um dispositivo que seleciona as informações de duas ou mais fontes de dados num único canal. É utilizado em situações onde o custo de efetuação de canais separados para cada fonte de dados é maior que o custo e a inconveniência de utilizar as funções de multiplexação/demultiplexação. Por exemplo, um moderno sistema de som estéreo pode ter uma chave que seleciona música de uma das quatro fontes: fita cassete, CD, toca disco ou um rádio. A chave seleciona um dos sinais eletrônicos de uma destas quatro fontes e o envia para o amplificador de potência e os alto-falantes. De um modo simplificado, isso é o que um MUX faz, ele seleciona uma entre vários sinais de entrada e o envia para a saída. Já o demultiplexador (DEMUX), efetua a função inversa do multiplex, ou seja, transmite informações contidas em uma linha para uma das várias linhas ou canais disponíveis, ele é um circuito combinacional dedicado com a finalidade de selecionar, através das variáveis de seleção, qual de suas saídas deve receber a informação presente em uma única entrada. Podemos concluir que o MUX e o DEMUX juntos, são muito utilizados na transmissão e recepção de informações digitais (ou dados). Esta importância é dada pelo fato de se dispor, frequentemente, de apenas um canal de comunicação para a transmissão de informações de diferentes fontes, que pode ser realizada pelo Mux, e recepção de várias informações em intervalos de tempo diferentes por um único canal de
comunicação, que podem ser separadas por um Demux para serem enviadas a sistemas digitais diferentes. Em ambos os casos as variáveis de seleção do Mux e do Demux devem estar sincronizadas para que uma informação chegue ao destino certo ou para que a recuperação de uma informação transmitida serialmente seja correta. Fica claro também, que o tempo é importante quando se pensa em transmissão e recepção de informações multiplexadas. 7. BIBLIOGRAFIA CAPUANO, Francisco G.; IDOETA, Ivan Valeije. Elementos de Eletrônica Digital. 40ª ed. São Paulo: Érica, 2000. TOCCI, R.J. &WIDMER,N.S.Sistemas digitais: princípios e aplicações. 11a ed, Prentice-Hall, 2011.
