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Pratica 1
Codificadores e Decodificadores
Projeto de um Subsistema Digital Codificador / Decodificador: Objetivo: Desenvolver um subsistema digital que permita mostrar em um mostrador (display) de 7 segmentos os valores numéricos decimais de 0 a 9, a partir da condição de que tais valores são selecionados por pressionar uma tecla em um teclado numérico decimal.
Tecnologia em Foco:
Circuitos Codificadores e Decodificadores.
Diagrama de Blocos do Sistema Pretendido: 1
2
3
4
0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
1. 2. 3. 4. (1) (2)
10 Vias
DEC
4 vias
BCD
BCD
7 SEG
7 vias
Teclado numérico decimal; DEC/BCD - Codificador de Código Decimal para Código BCD (1) ; Decodificador de Código BCD para Código de 7 Segmentos; Mostrador de LEDS em 7 Segmentos.
BCD (binary code decimal); Podemos definir codificação como sendo a modificação de um dado de um tipo de código trivial para um tipo de código não trivial para uma pessoa leiga. Já o inverso disso é decodificação.
O Teclado Numérico: Trata-se de um conjunto de 10 chaves do tipo push-button simples, cada uma representando um valor decimal de 0 a 9 no teclado. Trata-se de um conjunto de 10 chaves do tipo push-button simples, uma para cada valor decimal de 0 a 9 que se deseja representar no teclado. SENAI Rua Jaguaré Mirim, 71 - Vila Leopoldina” 66 Serviço Nacional
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Podemos optar em fazer o teclado de duas maneiras diferentes. A seguir representamos essas duas versões: uma versão ativa em 1 e outra versão ativa em 0:
ü Na versão da esquerda temos o teclado ativo em 1, ou seja, ao pressionarmos uma tecla o botão irá impor nível lógico 1 à linha de saída correspondente a este botão, pois os botões estão ligados em comum ao Vcc;
ü Já versão da direita o teclado é ativo em 0, o que significa que pressionando um botão, impõem nível lógico 0 à correspondente linha de saída, pois os botões estão ligados em comum ao GND.
Dependendo de questões que envolvem o tipo de tecnologia construtiva do circuito do codificador DEC/BCD, ou uma ou a outra versão de teclado poderá vir a ser mais vantajosa, como veremos mais adiante.
O Codificador Decimal / BCD: Este circuito é o foco principal do projeto e deverá ser desenvolvido individualmente, por cada aluno, seguindo os passos tradicionais de um projeto de circuito eletrônico de lógica combinatória: ü ü ü ü ü
Definição de uma tabela verdade para a funcionalidade desejada; Obtenção das expressões algébricas a partir da tabela verdade; Simplificação das expressões algébricas; Desenho do circuito lógico equivalente; Montagem e testes do circuito.
Porém, mais do que simplesmente seguirmos tecnicamente estes passos de projeto, nós deveremos estar procurando aplicar a cada decisão do projeto uma análise do custo, buscando a solução mais barata e simples possível. Recomendo, porém não obrigo, a utilização de CIs de família TTL para o projeto do circuito deste bloco. SENAI
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Uma condição a ser adotada para definição da tabela verdade é a de que “Apenas uma (ou nenhuma) tecla estará pressionada de cada vez” Outra questão que poderá nos ajudar a obter uma ótima minimização de circuito é com referência aos aspectos construtivos dos CIs TTL disponíveis. Podemos explorar as possibilidades de aproveitamento de recursos que o emprego de portas lógicas com características de saída em coletor aberto, ou o fato que entradas de circuitos TTL em aberto correspondem a níveis lógicos 1, por exemplo, para propiciar minimização de circuitos lógicos.
O Decodificador BCD / 7 Segmentos: Diagrama da Ligação de um Mostrador Numérico de LEDs de 7 Segmentos: Muitos mostradores (displays) numéricos usam a configuração de sete segmentos: Segmentos a, b, c, d, e, f, g. O nome “display numérico” é por que o arranjo de 7 segmentos foi inicialmente desenvolvido para representar apenas os algarismos numéricos de 0 a 9.
Cada segmento é composto por um LED (light emitter diode - diodo emissor de luz), como o próprio nome já diz, é um diodo (junção P-N) que quando energizado emite luz visível Em geral, os LEDS operam com nível de tensão de 1,6 a 3,3V (depende do material do cristal e da dopagem), sendo compatíveis com os circuitos de estado sólido. A potência necessária está na faixa típica de 10 a 150 mW, com um tempo de vida útil de 100.000 ou mais horas. O LED não pode receber tensão diretamente entre seus terminais, a corrente deve ser limitada para que a junção não seja danificada. Assim, o uso de um resistor limitador em série com o LED é comum nos circuitos que o utilizam. Tipicamente, os LEDs grandes (de aproximadamente 5 mm de diâmetro, quando redondos) trabalham com correntes da ordem de 10 a 20 mA e os pequenos (com aproximadamente 3 mm de diâmetro) operam com a metade desse valor (de 5 a 10 mA). Os 8 LEDs contidos no display podem estar dispostos nas configurações de ânodo comum ou de cátodo comum. Nos displays de cátodo comum, o cátodo comum deve ser SENAI
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ligado ao GND e para que os LEDs acendam, é preciso aplicar uma tensão positiva aos respectivos ânodos (1 lógico ). Tal tensão deve ser aplicada através de um resistor para limitar a corrente. Já nos displays de ânodo comum conecta-se o ânodo comum ao Vcc e acendem quando se aplica um nível lógico zero aos cátodos respectivos, também via um resistor limitador de corrente. O tamanho do display é medido em milímetros, que corresponde à altura do display propriamente dito (não do encapsulamento, mas sim do dígito!). No mercado, estão disponíveis displays com tamanho de 7, 10, 14, 20 ou 25mm. Podem também aparecer em diversas cores como vermelho, laranja e verde. A maneira mais simples de alimentar um display é utilizando um ‘display driver’. Estes estão disponíveis de 1 até 4 displays. A figura a seguir ilustra o aspecto de um display de 7 segmentos:
Pino Nº 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Descrição e d GND c pd (ponto decimal) b a GND f g
FND 560 (ou similar de catodo comum) Vista Frontal
Catodo Comum
Anodo Comum
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O CI C-MOS Decodificador BCD / 7 Segmentos CD 4511: O decodificador CD4511BC BCD para sete segmentos é construído com transistores MOS (metal-oxide-silicium) do tipo enriquecimento, em arquitetura de modo par-complementar (C-MOS) e com transistores bipolares NPN como drivers de saídas, isso tudo em uma única estrutura monolítica. O circuito provê as funções de uma memória retentiva de 4-bits (latch), um decodificador 8421BCD para sete segmentos, e uma capacidade de driver para as saídas com boa capacidade de corrente. Pode ser usado em displays de sete segmentos de diodos emissores de luz (LED), em estágios de leitura incandescente, fluorescente, por descarga de gás, ou de cristal líquido, diretamente ou indiretamente. Aplicações incluem driver de display de instrumentos (por exemplo, contador, DVM, etc.), driver de display de computadores / calculadoras, driver de display de instrumento de painel de veículos, e usos em relógios, mostradores, cronômetro, etc. A entrada LT (lamp test), quando ativada, faz acender todos os segmentos para teste do display. A entrada BL (blanking) por sua vez desliga todos os segmentos do display, podendo servir também para controle de brilho por velocidade de chaveamento. A entrada LE (latch enable), no exato instante em que é ativada, memoriza ou “congela” o último valor enviado para o display. As entradas A0 até A3 são entradas de dados BCD, e em muito datasheets são denominados A, B, C e D. •
O CI CD 4511 é um CI de tecnologia C-MOS;
•
Tensão de Alimentação mínima 3v;
•
Tensão de Alimentação máxima 15v;
•
Corrente máxima por saída 15mA;
•
Máxima velocidade de operação 5MHz.
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Diagrama do Circuito do Decodificador BCD/7 Segmentos com Display de LEDs: Para mais detalhes ver o datasheet do CD 4511 na coletânea de datasheets que se encontram disponíveis aos alunos no laboratório de Eletroeletrônica II.
Montagem e Testes do Protótipo do Projeto: Vamos proceder de uma maneira sistemática para montar o protótipo do projeto em protoboard. §
Montar por etapas: nosso sistema é composto de 4 estágios (ver figura na pag. 1), em cada etapa, montaremos um estágio;
§
Testar cada etapa da montagem: tendo concluido a montagem de um estágio, o mesmo será imediatamente testado;
§
Montar primeiro o último estágio: Além de ser de menor complexidade, o estágio do display (display mais resistores de limitação de corrente) podem ser montados e testados primeiro;
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IMPORTANTE: Ao testar o estágio do decodificador BCD/7 Segmentos, lembrando que o CD4511 é um C-MOS tomar o cuidado para que, nenhuma entrada deste CI fique em aberto. Todas as entradas devem estar ligadas, devendo efetivamente estar definido o nível lógico 0 ou o nível lógico 1, com ligações ao GND e ao VCC, respectivamente. Teste do Codificador 10 linha/BCD: Verificação de Niveis Lógicos e tensões: Com os resultados obtidos na prática, preencha os campos vazios da tabela: TECLA #
SAÍDAS BCD Níveis Lógicos D C B A A3 A2 A1 A0
D A3
Tensão (v) C B A2 A1
A A0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Teste do Decodificador BCD/7 Segmentos: Verificação da retenção de dados: Pressione uma tecla qualquer, observe seu valor no display e mantendo-a pressionada, remova a ligação do pino 5 (Latch Enable) do CI C-MOS 4511 que está ligada ao 0V e, mantendo a tecla ainda pressionada, mude a ligação deste pino para 5V. Por fim solte a tecla e observe o display; O que ocorreu? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ SENAI
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Tente pressionar outras teclas; Agora volte a ligação do pino 5 do CI 4511 para 0V (mas não precione nenhuma tecla). O que você você vê no display? __________________________________________ Agora pressione algumas teclas; Explique com suas palavras: _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ Verificação do controle de brilho do mostrador:
Mude a ligação do pino 4 do CI 4511 para o desenho a seguir: Ligue o terra da protoboard ao terra do Treinador de Lógica; Ligue a saída de 100 Hz do Módulo CL-11 do Treinador de Lógica ao ponto de entrada denominado controle; Que tipo de sinal fornece o módulo CL-11 nestya saída? __________________________________ __________________________________ Compare a intensidade luminosa do display com essa ligação e com a ligação anterior (pino 4 ligado em nível 1);
Explique com suas palavras: _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ SENAI
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André Luis Lenz março/2004.
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