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Universidade de Sorocaba Engenharia de Controle e Automação

Mateus Djanikian Arrobas Martins

Experimento Prático de Eletrônica Digital Contador Simples

Sorocaba/SP 2018


Resumo Esse trabalho tem o intuito de ensinar ao aluno(a) como construir um simples contador hexadecimal. O aluno(a) aprenderá também como montar um simples circuito oscilador conhecido por clock, que gerará os pulsos responsáveis por fazer com que os LEDs no contador acendam e apaguem. Ao término deste trabalho, será possível um melhor entendimento inicial sobre o sistema binário e qual a relação entre os sistemas binário e decimal. Vale lembrar primeiramente que este trabalho tem como foco a parte prática, deixando a parte teórica sob a responsabilidade do docente responsável pelas aulas de Eletrônica Digital, ou qualquer outro docente com as competências necessárias para saciar as possíveis indagações dos discentes. Palavras-chave: Contador. Hexadecimal. Binário.


Sumário

1. Objetivo: .......................................................................................................... 4 2. Material Necessário: ....................................................................................... 4 3. Sistemas Decimal e Binário ........................................................................... 4 4. O Primeiro Circuito – Contador Operado por um botão.............................. 5 5. O Circuito Integrado 4520 .............................................................................. 7 6. Energizando os circuitos integrados ............................................................ 9 7. O CI4093 e o circuito de clock ....................................................................... 9 8. O circuito Integrado 4093 ............................................................................. 10 9. Conclusão: .................................................................................................... 12 10.

Referências Bibliográficas: ...................................................................... 12

11.

Referência das Imagens dos Circuitos Integrados ................................ 12


1. Objetivo: Realizar a montagem de um circuito contador simples, de 0 à 15 em binário, operado tanto manualmente por um botão, quanto por um dispositivo oscilador (clock). 2. Material Necessário:            

2 x Botões 1 x Interruptor 1 x Circuito integrado 4520 1 x Circuito integrado 4093 1 x Capacitor Eletrolítico de 47µF x 16V 1 x Protoboard de tamanho médio ou grande 1 x Resistor de 8k2Ω (8200Ω) 3 x Resistores de 10kΩ (10000Ω) 4 x Resistores de 560Ω 4 x LEDs de uso comum Fios jumper para conexão Fonte de alimentação de 5V ou 6V

3. Sistemas Decimal e Binário Logo nas primeiras aulas de eletrônica digital, aprende-se a existência do sistema numérico binário, composto por somente dois elementos (0 e 1). O intuito desse experimento é possibilitar a visualização do sistema decimal convertido no sistema binário, onde cada LED representará um algarismo do sistema binário. Abaixo têm-se uma tabela que compara os sistemas decimal e binário. Decimal 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Binário 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

Tabela 1- Comparação entre os sistemas decimal e binário

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4. O Primeiro Circuito – Contador Operado por um botão O primeiro circuito a ser montado será o contador operado manualmente através de um botão. Esse circuito é muito indicado aos iniciantes, uma vez que é extremamente simples e não exige grande prática por parte do discente, além de seu tempo de montagem ser relativamente baixo. A figura abaixo ilustra o diagrama do primeiro circuito a ser montado:

Figura 1 - Circuito contador operado manualmente

A função do botão mais acima (ligado no pino clock) é gerar os pulsos responsáveis por realizar a mudança de número durante a contagem. O botão ligado no terminal reset (R) tem a função de reiniciar a contagem, e pode ser pressionado a qualquer instante. Por último, o interruptor ligado no terminal enable (EN) permite que o contador opere normalmente. Caso o interruptor esteja na posição aberta (nível lógico 0) o circuito ficará “congelado” no último número binário exibido pelo sistema. Por exemplo, se o circuito for aberto quando os LEDs apresentarem a combinação 0110, então o circuito não mudará, mesmo que sejam dados pulsos de clock no circuito. Até que o interruptor seja novamente colocado em nível lógico 1, os LEDs não mudarão seu nível lógico, permanecerão ligados ou desligados, conforme a combinação naquele momento.

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Caso haja a curiosidade, o circuito acima pode ser ligado com o terminal EN ligado diretamente na alimentação do circuito, conforme a ilustração abaixo.

Figura 2 - Circuito com enable ligado diretamente na alimentação

No circuito, os resistores de 10kΩ possuem a função de garantir a estabilidade do sinal lógico (0 ou 1). É muito comum em tutoriais vistos na Internet ver vídeos onde a pessoa ensinando montagens de eletrônica digital não utiliza esses resistores e o circuito ainda sim funciona. Vale lembrar: isso é errado. Em alguns casos, o circuito integrado pode não reconhecer o sinal lógico nem como sendo alto (1) nem como sendo baixo (0), ficando em um estado indefinido, prejudicando o funcionamento do sistema todo. Por medidas de precaução e para obter os melhores resultados, é altamente recomendado que se utilizem os resistores de 10kΩ. Os resistores de 560Ω servem para proteger os LEDs da correte que os atravessa. O circuito integrado 4520 possui uma configuração própria de seus terminais, e é muitíssimo importante saber o que cada terminal significa, de modo a evitar uma conexão errônea, levando o circuito a um possível erro de funcionamento. A seção a seguir tratará sobre os terminais do circuito integrado 4520.

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5. O Circuito Integrado 4520 Abaixo é possível ver a configuração dos terminais do circuito integrado 4520. Note que o mesmo possui 16 terminais, que são enumerados no sentido anti-horário (vendo o componente na horizontal).

Figura 3 - Pinagem do CI 4520

Recomenda-se muita cautela durante a montagem do circuito, de modo a não danificar o componente ou o circuito. Repare que o componente traz a possibilidade de montar dois contadores hexadecimais ao mesmo tempo. Abaixo, cada um dos terminais é sucintamente explicado: Pino 1 (clock) = Clock do Contador 1. Pino 2 (enable) = Enable do Contador 1. Quando esse pino tem o sinal lógico 1, o Contador 1 funciona normalmente. Pino 3 (QA(1)) = Saída A (equivalente a 1) do Contador 1. Pino 4 (QB(2)) = Saída B (equivalente a 2) do Contador 1. Pino 5 (QC(4)) = Saída C (equivalente a 4) do Contador 1. Pino 6 (QD(8)) = Saída D (equivalente a 8) do Contador 1. Nota: O número 7, por exemplo, é igual à soma de 1 + 2 + 4. Então, o circuito integrado energizará as saídas A, B e C de modo a produzir a combinação binária responsável pelo número 7. O número 5 é igual a 4 + 1 (ou 1 + 4), então as saídas A e C serão energizadas de modo a produzir a combinação binária responsável pelo número 5.

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Vamos usar a seguinte lógica para melhor entender o que acontece: D 8 0

C 4 0

B 2 0

A 1 0

Tabela 2 - Relação entre as Saídas do CI 4520 e os sistemas decimal e binário

Comparando com a tabela exibida no início do trabalho, com algumas informações extras, temos que: Número decimal 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Soma 0 1 2 2+1 4 4+1 4+2 4+2+1 8 8+1 8+2 8+2+1 8+4 8+4+1 8+4+2 8+4+2+1

Binário 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

Saídas N/A A B B+A C C+A C+B C+B+A D D+A D+B D+B+A D+C D+C+A D+C+B D+C+B+A

Tabela 3 - Tabela Comparativa Entre Sistemas Numéricos e Saídas do Circuito Integrado

Pino 7 (reset) = Reinicia o Contador 1. Pino 8 (0V) = É o terminal negativo do circuito integrado. Pino 9 (clock) = Clock do Contador 2. Pino 10 (enable) = Enable do Contador 2. Pino 11 (QA(1)) = Saída A (equivalente a 1) do Contador 2. Pino 12 (QB(2)) = Saída B (equivalente a 2) do Contador 2. Pino 13 (QC(4)) = Saída C (equivalente a 4) do Contador 2. Pino 14 (QD(8)) = Saída D (equivalente a 8) do Contador 2. Pino 15 (reset) = Reinicia o Contador 2. Pino 16 (+3 to +15V) = Alimentação do circuito integrado.

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6. Energizando os circuitos integrados O circuito integrado 4520 deve ser energizado ligando o pino 14 na alimentação positiva, e o pino 7 no terra, ou negativo. Se isso não for feito, o trabalho todo não funcionará. Caso o circuito tenha sido ligado corretamente, então inicialmente todos os LEDs estão apagados e ao pressionar o botão, o contador acenderá o LED responsável pela saída A, ou seja, o terminal 10 terá nível lógico 1. É muito provável que ao pressionar o botão, o contador “pule” algum número, por exemplo, indo do número 2 para o número 4. Se isso acontecer, não há com o que se preocupar, apenas pressione o botão com cautela. É comum o circuito fazer isso devido à ação do interruptor e seria preciso uma outra montagem junto deste circuito para resolver o problema, mas isso fugiria do foco deste trabalho. Entretanto, é possível também utilizar um circuito oscilador ligado no terminal do clock do contador, de modo a evitar esse problema de “pular” um número e realizar uma contagem automatizada. 7. O CI4093 e o circuito de clock O circuito integrado 4520 é um contador hexadecimal (conta desde 0 até 15) A figura abaixo ilustra primeiramente como deve ser montada a parte do circuito responsável por gerar a oscilação de sinal (liga e desliga). Essa parte é o clock, e poderá ser utilizado também em futuros experimentos.

Figura 4 - Circuito Básico de Clock

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8. O circuito Integrado 4093 Existem várias formas diferentes para criar um circuito oscilador, entretanto, utilizar o circuito integrado 4093 não requer grandes conhecimentos de eletrônica. É simples, rápida de ser montada e por isso, será adotada neste trabalho. Abaixo, têm-se a configuração dos terminais do circuito integrado 4093.

Figura 5 - Configuração interna de um CI 4093

O pino 14 (VDD) é a alimentação, e deve ser conectada ao terminal positivo da fonte de alimentação. O pino 7 é o terminal de referência (ou terra) e deve ser ligado terminal negativo da fonte de alimentação do circuito. É importante lembrar que para o circuito funcionar, deve-se energizar os dois circuitos integrados utilizados. Embora no diagrama do circuito não exista a representação do terminal positivo nem do negativo, deve-se ligar o pino 14 dos dois circuitos integrados na alimentação do circuito e os pinos 7 dos dois circuitos no negativo (terra) do circuito. Deve-se prestar muita atenção ao conectar o capacitor eletrolítico, uma vez que este possui polaridade. Liga-lo erroneamente pode trazer sérias consequências. O terminal negativo do capacitor eletrolítico é representado por uma faixa que é facilmente reconhecível no componente. Antes de iniciarmos as montagens, imagine que em um primeiro cenário o capacitor não é alterado, ou seja, será sempre utilizado um capacitor de 47µF. Quanto menor for o resistor utilizado no circuito de clock, mais rápido o clock oscilará (ligará e desligará). No segundo cenário, entretanto, o resistor é mantido como constante (8k2Ω). Quanto mais alta a capacitância, mais devagar o circuito oscilará. Lembrando rapidamente que a capacitância é a propriedade dos capacitores de armazenar cargas elétricas em um campo elétrico contido no interior do componente. 10


A unidade para a capacitância é o Farad, representado pela letra F. Um capacitor de 1µF tem uma capacitância menor do que um capacitor de 47µF. A próxima ilustração traz o diagrama do circuito a ser montado. O clock não precisou de nenhum resistor, pois o sinal que sai do oscilador já possui a estabilidade desejada.

Figura 6 – Circuito Contador operado por um Clock

É possível conectar o terminal enable diretamente na alimentação do circuito, da mesma forma que foi feita com o circuito manualmente controlado.

Figura 7 - Circuito controlado por um clock com o enable conectado diretamente à alimentação do circuito

O terminal de clock do CI 4520 não necessita de um resistor, pois o sinal ao ser gerado pelo CI 4093 já tem seu nível lógico bem definido.

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9. Conclusão: Esse é o primeiro circuito que pode ser explorado, em termos de eletrônica digital. Sistemas numéricos são assuntos abordados logo na primeira aula de eletrônica digital e, portanto, é de grande valia tentar realizar a montagem desses experimentos, de modo a iniciar a familiarização com o mundo da eletrônica digital. Vale lembrar que o intuito dessa obra não é fornecer conhecimento teórico, mas sim um conhecimento inicial prático sobre eletrônica digital. Caso o aluno(a) deseje adquirir conhecimentos teóricos na área de eletrônica digital, recomenda-se a leitura de livros relacionados à mesma. 10. Referências Bibliográficas:

IDOETA,Ivan Valeije; CAPUANO, Francisco Gabriel. Elementos de Eletrônica Digital. 41 ed.rev. e atual. São Paulo: Érica, 2012. BRAGA, Newton C. PROJETOS EDUCACIONAIS EM MATRIZ DE CONTATO – VOLUME 1 – MATRIZ DE 170 PONTOS. 1 ed. São Paulo: Newton C. Braga, 2014. 11. Referência das Imagens dos Circuitos Integrados http://www.elektropage.com/images/ic/4000series/4520.JPG http://www.gsc-elektronic.net/digitalelektronik/bauteile/4093.gif

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Experimentos Básicos de Eletrônica - Contador Hexadecimal  

Experimento simples que ensina como realizar a montagem de um simples contador hexadecimal operado tanto de forma manual através de um botão...

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