PCIs Prototipagem e montagem de circuitos digitais
====> *** Laboratório 1 - GATES BÁSICOS **** Versão ANP 2020-2 utilizando simulador
Prototipagem e montagem de circuitos digitais
PCIs, ou, placas de circuito impresso
Os CIs, circuitos integrados ou "chips", normalmente são montados em placas de circuito impresso, ou PCIs, formando os circuitos eletrônicos de interesse.
As placas de circuito impresso são placas de tipos especiais de plástico, estampadas em um, ou nos dois lados com cobre, metal altamente condutivo. As furações onde se encaixa e se solda os CIs são chamadas de "ilhas". As faixas de cobre que vão interligar os componentes são chamadas de "trilhas".
O cobre, por ter uma alta condutividade, é que é normalmente o metal utilizado para a conexão elétrica entre os terminais (pinos) dos circuitos integrados e demais componentes, mas existem placas onde se utiliza ouro, por exemplo.
Figura 1: placa virgem - fenolite recoberto de cobre
Figura 2: placa pintada/gravada/estampada
As placas vêm virgens de fábrica, isto é, sem ilhas ou trilhas e, uma vez definido o circuito que vai interligar os componentes e posição de cada um, as placas são estampadas com este circuito, que se quer gravar nelas. Após a estampagem, as placas são imersas numa solução de ácido que corrói o cobre ao redor da gravação, mantendo apenas o que foi coberto com a tinta da estampa. Normalmente utiliza-se percloreto de ferro, para a corrosão das placas. Finalmente, são furadas, para inserção dos pinos/terminais, ou da fiação extra que seja necessária (conhecida por "jumpers").
Existem vários processos de gravação, dos mais simples aos totalmente automatizados, mas o processo artesanal mais comum, atualmente, é o que é conhecido por "térmico".
Além disto, estes processos referem-se aos componentes eletrônicos maiores, do tipo PTH (plated through hole). Os componentes eletrônicos mais modernos, e utilizados na indústria, são muito menores e não são inseridos através de furos, mas montados na própria superfície das placas (daí o nome da tecnologia: SMD, ou surface mounted devices).
A montagem de circuitos SMD, no entanto, é automatizada e não vai ser explorada neste curso.
Vídeo de Fabricação artesanal de PCIs
Placas de prototipagem
Contudo, não seria nada produtivo e barato fabricar-se uma plaquinha de CI para cada tentativa de configuração de circuito que se fosse pensar.
Assim, os projetistas costumam primeiramente desenvolver um "protótipo", isto é, um circuito experimental para ser testado, que se funcionar dentro do esperado, aí sim será transformado na PCI correspondente.
Uma das principais plataformas para construção de protótipos é o uso do "protoboard", ou matriz de contatos.
A protoboard (como o próprio nome sugere: "placa para protótipos") consiste em uma superfície plástica, contendo muitos furos. Estes são revestidos por dentro de metal condutor e conectados por baixo, por trilhas de cobre.
Assim, dependendo de quais furos forem utilizados, os componentes inseridos estarão, ou não, interconectados.
De modo geral, o padrão de conexão nas protoboards é o seguinte:
Ou seja, as linhas mais longas, que ficam nas laterais da placa, normalmente, são interligadas no sentido longitudinal. Por estarem disponíveis ao longo de toda a placa, normalmente uma é utilizada para a alimentação positiva (ou nível Vcc, ou nível lógico "1"), e a outra linha longa, para a alimentação negativa (ou nível GND, ou nível lógico "0").
As colunas, que são os grupos menores de cinco furos, dispostas perpendicularmente ao redor das canaletas, interligam apenas seus próprios furos, mas não estão ligadas umas com as outras.
Ou seja, as linhas servem para levar a alimentação a todos os componentes. Já as colunas, interligam um componente ao outro, no circuito. Esta conexão pode ser direta, quando um terminal de cada componente é inserido em furos de uma mesma coluna, ou indireta, quando utiliza-se os jumpers, fios que auxiliam conectar pontos inacessíveis do circuito.
Os terminais do CI, devem ser inseridos em cada lado de uma canaleta. Assim, tirando-se os furos utilizados para o próprio CI, estarão disponíveis outros 4 furos para se conectar outros componentes a cada terminal deste CI.
As canaletas servem, basicamente, para facilitar a extração dos CIs da matriz, quando necessário. Insere-se uma chave de fenda na fenda, levanta-se com delicadeza, utilizando-a como alavanca para retirar todos os pinos do CI dos furos.
As figuras abaixo mostram, respectivamente, exemplos de montagem bem feita, organizada e "limpa" no protoboard, e montagem mal feita, cheia de jumpers desnecessários (o que aumenta a chance de mal-contatos) e muito longos, o que causa muita desorganização, dificuldade de manutenção e mal-funcionamentos.
Estes sites oferecem explicações bem didáticas e detalhadas acerca das protoboards, suas conexões e bons procedimentos de montagem:
Apostila sobre solda: Arquivo:Apostilasolda.pdf
Material disponível no LABMIC
Nos nossos laboratórios, dispomos de 10 kits didáticos da marca Exsto:
Estes kits permitem práticas didáticas rápidas e fáceis, por dispor de protoboard, fontes (+5V, +12V, -12V, GND), chaves para simular os níveis lógicos de entrada, leds alimentados para simular as saídas dos CIs, além de geradores de pulso, onda quadrada com várias frequências, e displays BCD de 7 segmentos.
A figura abaixo mostra como funcionam as conexões disponíveis para as chaves de entrada e as disponíveis para os leds de saída:
Relatório
Procedimentos no laboratório
- Faça o reconhecimento cuidadoso de cada porta e sua pinagem.
- Ligue adequadamente o gate, incluindo alimentação (+5V no pino 14 e 0V/GND no pino 7), entrada(s) e saída
- Teste os estados da porta, para as diferentes entradas - Tabela-Verdade
- Fotografe a montagem
Capítulos do relatório
- Introdução - explicando a bancada, cada material e cada componente que foi utilizado.
- Metodologia - explicando o procedimento que foi realizado
- Resultados - mostrando as fotos e T.V.s obtidos para cada um dos CIs.
- Conclusões - em resumo, o que aprendeu com a prática de laboratório
Fontes
- Azevedo, Lívia Lopes. "Caderno de Laboratório - Experimentos - Parte 1". Disciplina de Lógica Matemática e Elementos de Lógica digital. UFMT - Araguaia.
Outras Práticas de laboratório
- Implemente e teste o funcionamento de todas as portas lógicas básicas (E, OU, NÃO, XOU, NÃO-E e NÃO-OU) em protoboard.
- Demonstre, através da montagem em protoboard e utilizando o 7432, que (A+B)+C = A+(B+C)
- Demonstre, através da montagem em protoboard e utilizando o 7400 e a tabela-verdade, que NÃO(NÃO(A.B).C) ≠ NÃO(A. NÃO(B.C))
- O circuito abaixo tem alguns problemas. Pesquise sobre o funcionamento do 7408 e sobre os díodos emissores de luz (LEDs), para tentar descobrir o que está errado!
- No exercício anterior, indique por meio de uma T.V., quando é que o led vai acender.
