Montando o circuito de clock (CLK)

Jonnes na área!

Como já comecei a montar o computador de 8 bits baseado no projeto da WR Kits, vou começar por ele.

A montagem e o estudo de hoje foi do circuito de clock (CLK) e de seleção de clock.

O clock do nosso computador é baseado, principalmente, no famoso e versátil 555.

 

Para quem não conhece, o CI 555 é um circuito integrado, projetado pelo Engenheiro John R. Camenzind, em 1970, enquanto funcionário da empresa americana Signetics. Este CI é considerado um coringa em todas as bancadas, por ser um temporizador muito estável e possuir três modos de operação: monoestável (utilizado em circuitos de disparo), astável (utilizado como oscilador) e biestável (utilizado como interruptor de dois estados).

Nesse projeto, como teremos duas fontes de clock (uma manual e outra automática), optou-se por utilizar o CI 556 que nada mais é do que dois 555 em um único chip! Com isso, diminui-se a quantidade de componentes na protoboard e, de quebra, o nível de ruído que isso pode ocasionar no circuito oscilador.

Seguindo as especificações do projeto, fui montando o circuito, estudando o CI 555, calculando as frequências máxima e mínima, relembrando alguns conceitos da eletrônica digital (portas lógicas, flip-flops, álgebra booleana, teoremas booleanos, etc).

A frequência máxima calculada (para o modo de clock automático - astável) foi de, aproximadamente, 847,06 Hz e, a mínima, de 0,720 Hz.

Já, para o modo manual, o tempo de atraso do sinal (para fazer o debouncing do botão) foi de 0,120 s ou, 120 ms.

O funcionamento interno do 555 é genial! Utilizando basicamente transistores interligados para formar comparadores, flip-flops e chaves, criou-se um componente que, fazendo jus ao apelido recebido na época de sua criação, é uma verdadeira "máquina do tempo num chip". Curiosidade: dizem por aí que o nome 555 vem do fato de, internamente, o chip possuir um divisor de tensão com três resistores de 5k Ohms, cujo as quedas de tensão nesses componentes, servem de sinal para os comparadores. Mais uma vez, fantástico!

Indico fortemente que, caso você ainda não conheça, estude o CI 555 e suas formas de ligação e uso. Estude o funcionamento interno do circuito. Você verá o que se pode fazer com ele!

Continuando, o circuito de clock conta ainda com um CI 74LS00 (4 portas NAND com 2 entradas) e um 74LS04 (6 portas NOT).

Algumas das portas NOT foram utilizadas como buffer para acentuar o sinal de saída de clock do 556. Duas delas, num uso que também considero genial, servem para formar uma rede de retardo (se utilizando do retardo e propagação dos circuitos digitais) para o sinal da chave de seleção de clock, afim de se evitar ruídos.

O CI 74LS00 (portas NAND) foi utilizado para implementar a lógica de seleção de clock (em outras palavras, utilizamos portas NAND para implementar um multiplexador de duas entradas para 1 saída) e o sinal de HALT (sinal que bloqueia - leva a nível lógico baixo - o sinal de clock). Esse sinal é utilizado como um sistema de segurança do computador, para que ele pare qualquer processamento, caso algo saia errado.

Ligando os canais do osciloscópio ao capacitor de controle do clock automático e à saída do clock, se vê formas de ondas bastante interessantes. A saída do circuito tem um nível muito baixo de ruído, produzindo uma onda quadrada perfeita para se utlizar como clock.

Obs.: Na foto acima, a onda amarela é a onda gerada pelo oscilador. Percebe-se que ela tem um pequeno ruído que não é observado na onda de baixo, que é o sinal de clock após passar pelo buffer inversor.

Comparando-se a carga e descarga do capacitor de controle e a saída, pode-se ter uma idéia de como o 555 funciona. É esse capacitor, junto à um divisor de tensão externo ao circuito, que define a frequência de oscilação. No nosso caso, temos um trimpot de 100k Ohm atuando nesse divisor de tensão, para podermos ajustar a frequência de clock (isso, juntamente ao clock manual, pode ser de grande ajuda ao se debugar algum software em nosso computador).

A alimentação de todo o circuito é feita com 5 VDC (lógica TTL) e, nesse primeito momento, optei por montar em protoboard. O maior trabalho, quando se monta algo com muitos chips em protoboard, é testar as conexões dos fios com o teste de continuidade. Quem sabe, futuramente, eu não desenvolva uma PCB para esse projeto... ;)

Bom, por hoje é isso.

Até a próxima!