12.6: Contadores de Anillo

Si la salida de un registro de desplazamiento se retroalimenta a la entrada. resulta un contador de anillos. El patrón de datos contenido dentro del registro de desplazamiento recirculará siempre que se apliquen pulsos de reloj. Por ejemplo, el patrón de datos se repetirá cada cuatro pulsos de reloj en la siguiente figura. Sin embargo, debemos cargar un patrón de datos. Todos los 0 o los 1 no cuentan. ¿Es útil un nivel lógico continuo a partir de tal condición?

Hacemos provisiones para la carga de datos en el registro de desplazamiento de paralel-in/ serial-out configurado como un contador de anillo debajo. Se puede cargar cualquier patrón aleatorio. El patrón más generalmente útil es un solo 1.

Cargar el binario 1000 en el contador de anillos, arriba, antes del cambio produce un patrón visible. El patrón de datos para una sola etapa se repite cada cuatro pulsos de reloj en nuestro ejemplo de 4 etapas. Las formas de onda para las cuatro etapas tienen el mismo aspecto, a excepción del retardo de tiempo de un reloj de una etapa a la siguiente. Ver la figura a continuación.

El circuito anterior es un contador de división por 4. Al comparar la entrada del reloj con cualquiera de las salidas, se muestra una relación de frecuencia de 4:1. ¿Cómo podrían las etapas necesitaríamos para un contador de anillos de división por 10? Diez etapas recircularían el 1 cada 10 pulsos de reloj.

Un método alternativo para inicializar el contador de anillos a 1000 se muestra arriba. Las formas de onda de desplazamiento son idénticas a las anteriores, repitiendo cada cuatro impulsos de reloj. El requisito para la inicialización es una desventaja del contador de anillos sobre un contador convencional. Como mínimo, se debe inicializar en el encendido ya que no hay forma de predecir en qué estado se encenderán los flip-flops. En teoría, la inicialización nunca debería ser requerida de nuevo. En la práctica real, los flip-flops podrían eventualmente ser corrompidos por el ruido, destruyendo el patrón de datos. Un contador “autocorrectivo”, como un contador binario sincrónico convencional, sería más confiable.

El contador sincrónico binario anterior solo necesita dos etapas, pero requiere puertas descodificadoras. El contador de anillos tenía más etapas, pero era autodecodificadora, salvando las puertas de decodificación arriba. Otra desventaja del contador de anillos es que no es “auto arranque”. Si necesitamos las salidas decodificadas, el contador de anillo se ve atractivo, en particular, si la mayor parte de la lógica está en un solo paquete de registro de desplazamiento. Si no, el contador binario convencional es menos complejo sin el decodificador.

Las formas de onda decodificadas del contador binario síncrono son idénticas a las formas de onda del contador de anillos anteriores. La secuencia del contador es (Q _A Q _B) = (00 01 10 11).

Mostradores Johnson

El contador de anillos de cola de conmutación, también conocido como el contador Johnson, supera algunas de las limitaciones del contador de anillos. Al igual que un contador de anillos, un contador de Johnson es un registro de turnos retroalimentado por sí mismo. Requiere la mitad de las etapas de un contador de anillos comparable para una proporción de división dada. Si la salida complementaria de un contador de anillo se retroalimenta a la entrada en lugar de la salida verdadera, resulta un contador de Johnson. La diferencia entre un contador de anillo y un contador Johnson es qué salida de la última etapa se retroalimenta (Q o Q'). Compare cuidadosamente la conexión de retroalimentación a continuación con el contador de anillos anterior.

Esta conexión de retroalimentación “invertida” tiene un profundo efecto sobre el comportamiento de los circuitos por lo demás similares. La recirculación de un solo 1 alrededor de un contador de anillos divide el reloj de entrada por un factor igual al número de etapas. Mientras que, un contador de Johnson divide por un factor igual al doble del número de etapas. Por ejemplo, un contador de anillos de 4 etapas se divide por 4. Un contador Johnson de 4 etapas divide por 8.

Inicia un contador de Johnson despejando todas las etapas a 0 s antes del primer reloj. Esto a menudo se hace en el momento del encendido. Haciendo referencia a la siguiente figura, el primer reloj desplaza tres 0 s de (Q _A Q _B Q _C) a la derecha hacia (Q _B Q _C Q _D). El 1 en Q _D '(el complemento de Q) se desplaza de nuevo _a Q A. Así, comenzamos a desplazar 1 s hacia la derecha, reemplazando los 0 s. Donde un contador de anillos recirculó un solo 1, el contador Johnson de 4 etapas recircula cuatro 0 s luego cuatro 1 s para un patrón de 8 bits, luego se repite.

Las formas de onda anteriores ilustran que las ondas cuadradas multifásicas son generadas por un contador Johnson. La unidad de 4 etapas anterior genera cuatro fases superpuestas del ciclo de trabajo del 50%. ¿Cuántas etapas se requerirían para generar un conjunto de formas de onda trifásicas? Por ejemplo, un contador Johnson de tres etapas, impulsado por un reloj de 360 Hertz, generaría tres ondas cuadradas de 120 ^o fases a 60 Hertz.

Las salidas de los flop-flops en un contador Johnson son fáciles de decodificar a un solo estado. A continuación, por ejemplo, los ocho estados de un contador Johnson de 4 etapas son decodificados por no más de una puerta de entrada de dos para cada uno de los estados. En nuestro ejemplo, ocho de las dos puertas de entrada decodifican los estados para nuestro ejemplo contador Johnson.

No importa cuánto tiempo tenga el contador Johnson, solo se necesitan puertas descodificadoras de 2 entradas. Tenga en cuenta que podríamos haber usado entradas no invertidas a las puertas AND cambiando las entradas de puerta de true a invertida en los FFs, Q a Q', (y viceversa). Sin embargo, estamos tratando de que el diagrama anterior coincida con la hoja de datos del CD4022B, lo más cerca posible que sea práctico.

Arriba, nuestras cuatro ondas cuadradas en fase Q _A a Q _D se decodifican a ocho señales (G ₀ a G ₇) activas durante un período de reloj de un reloj completo de 8 ciclo. Por ejemplo, G ₀ está activo alto cuando tanto Q _A como Q _D son bajos. Así, pares de las diversas salidas de registro definen cada uno de los ocho estados de nuestro ejemplo de contador Johnson.

Arriba está el diagrama interno más completo del contador CD4022B Johnson. Consulte la ficha de datos del fabricante para obtener detalles menores omitidos. La mayor nueva adición al diagrama en comparación con las cifras anteriores es el detector de estado no permitido compuesto por las dos puertas NOR. Eche un vistazo a la tabla de estados insertados. Hay 8 estados permisibles como se enumeran en la tabla. Como nuestra palanca de cambios tiene cuatro chanclas, hay un total de 16 estados, de los cuales hay 8 estados no permitidos. Esos serían los que no figuran en la tabla.

En teoría, no entraremos en ninguno de los estados no permitidos siempre y cuando el registro de turnos sea RESET antes del primer uso. No obstante, en el “mundo real” después de muchos días de funcionamiento continuo debido a ruidos imprevistos, perturbaciones en la línea eléctrica, cerca de rayos, etc., el contador de Johnson podría entrar en uno de los estados no permitidos. Para aplicaciones de alta confiabilidad, necesitamos planificar esta posibilidad delgada. Más grave es el caso en el que el circuito no se borra al encenderse. En este caso no hay forma de saber en cuál de los 16 estados se encenderá el circuito. Una vez en un estado no permitido, el contador de Johnson no regresará a ninguno de los estados permisibles sin intervención. Ese es el propósito de las puertas NOR.

Examine la tabla para la secuencia (Q _A Q _B Q _C) = (010). En ninguna parte aparece esta secuencia en la tabla de estados permitidos. Por lo tanto, se desautoriza (010). Nunca debería ocurrir. Si lo hace, el mostrador de Johnson se encuentra en un estado no permitido, del cual necesita salir a cualquier estado permitido. Supongamos que (Q _A Q _B Q _C) = (010). La segunda puerta NOR reemplazará Q _B = 1 con un 0 en la entrada D a FF Q _C. Es decir, el 010 infractor se sustituye por 000. Y 000, que sí aparece en la tabla, se desplazará a la derecha. Hay secuencias pueden triple-0 en la tabla. Es así como las puertas NOR sacan el mostrador Johnson de un estado no permitido a un estado permitido.

No todos los estados no permitidos contienen una secuencia 010. Sin embargo, después de algunos relojes, esta secuencia aparecerá de manera que eventualmente se escapará cualquier estado no permitido. Si el circuito está encendido sin un RESET, las salidas serán impredecibles para algunos relojes hasta que se alcance un estado permitido. Si esto es un problema para una aplicación en particular, asegúrese de RESET en el encendido.

Aparatos de contador Johnson

Un par de dispositivos contadores Johnson de circuito integrado con los estados de salida decodificados están disponibles. Ya hemos mirado la lógica interna del CD4017 en la discusión de los contadores de Johnson. Los dispositivos de la serie 4000 pueden operar desde fuentes de alimentación de 3V a 15V. La pieza 74HC', diseñada para una compatibilidad TTL, puede operar desde un suministro de 2V a 6V, contar más rápido y tiene una mayor capacidad de accionamiento de salida. Para obtener hojas de datos completas del dispositivo, siga los enlaces.

• CD4017 Contador Johnson con 10 salidas decodificadas Contador CD4022 Johnson con 8 salidas decodificadas [*]
• 74HC4017 Contador Johnson, 10 salidas decodificadas [*]

Los símbolos ANSI para los contadores del módulo -10 (dividir por 10) y el módulo 8 Johnson se muestran arriba. El símbolo adquiere las características de un contador en lugar de una derivada del registro de desplazamiento, que es. Las formas de onda para el módulo CD4022 y el funcionamiento se mostraron previamente. El contador de décadas CD4017B/ 74HC4017 es un contador Johnson de 5 etapas con diez salidas decodificadas. El funcionamiento y las formas de onda son similares al CD4017. De hecho, tanto el CD4017 como el CD4022 se detallan en la misma hoja de datos. Ver enlaces anteriores. El 74HC4017 es una versión más moderna del contador de décadas.

Estos dispositivos se utilizan donde se necesitan salidas decodificadas en lugar de las salidas binarias o BCD (decimal codificado binario) que se encuentran en los contadores normales. Por decodificado, queremos decir que una línea de las diez líneas está activa a la vez para el '4017 en lugar del código BCD de cuatro bits de los contadores convencionales. Consulte las formas de onda anteriores para la decodificación de 1 de 8 para el contador Octal Johnson '4022.

Aplicaciones prácticas

El contador de Johnson anterior desplaza un LED iluminado cada quinto de segundo alrededor del anillo de diez. Tenga en cuenta que el 74HC4017 se usa en lugar del '40017 porque la parte anterior tiene más capacidad de accionamiento actual. De la hoja de datos, (en el enlace anterior) operando a V _CC = 5V, el V _OH = 4.6V a 4ma. En otras palabras, las salidas pueden suministrar 4 ma a 4.6 V para accionar los LEDs. Tenga en cuenta que los LEDs normalmente se accionan con 10 a 20 ma de corriente. Sin embargo, son visibles hasta 1 ma. Este sencillo circuito ilustra una aplicación del 'HC4017. ¿Necesita una pantalla brillante para una exhibición? Luego, use búferes inversores para accionar los cátodos de los LEDs que llegan a la fuente de alimentación por resistencias de ánodo de menor valor.

El temporizador 555, que sirve como multivibrador astable, genera una frecuencia de reloj determinada por R ₁ R ₂ C ₁. Esto impulsa el 74HC4017 un paso por reloj como lo indica un solo LED iluminado en el anillo. Tenga en cuenta que si el 555 no acciona de manera confiable el pin de reloj del '4015, ejecútelo a través de una sola etapa de búfer entre el 555 y el '4017. Una variable _R2 podría cambiar la velocidad de paso. El valor del condensador de desacoplamiento C ₂ no es crítico. Se debe aplicar un condensador similar a través de los pines de alimentación y tierra del '4017.

El contador Johnson anterior genera ondas cuadradas trifásicas, separadas 60 ^o con respecto a (Q _A Q _B Q _C). Sin embargo, necesitamos 120 ^o formas de onda en fase de aplicaciones de potencia (ver Volumen II, CA). Elegir P ₁ =Q _A P ₂ =Q _C P ₃ =Q _B 'produce la fase de 120 ^o deseada. Ver la figura a continuación. Si estos (P ₁ P ₂ P ₃) son filtrados paso bajo a ondas sinusoidales y amplificados, esto podría ser el comienzo de una fuente de alimentación trifásica. Por ejemplo, ¿necesita conducir un pequeño motor de avión trifásico de 400 Hz? Luego, alimente 6x 400Hz al circuito anterior RELOJ. Tenga en cuenta que todas estas formas de onda tienen un ciclo de trabajo del 50%.

El siguiente circuito produce formas de onda trifásicas no superpuestas, de menos del 50% de ciclo de trabajo, para accionar motores paso a paso trifásicos.

Arriba descodificamos las salidas superpuestas Q _A Q _B Q _C a salidas no superpuestas P ₀ P ₁ P ₂ como se muestra a continuación. Estas formas de onda impulsan un motor paso a paso trifásico después de una amplificación adecuada desde el nivel de miliamperios hasta el nivel de amplificador fraccional usando los controladores ULN2003 mostrados arriba, o el controlador de par Darlington de componente discreto que se muestra en el circuito que sigue. Sin contar el controlador del motor, este circuito requiere tres paquetes IC (Circuito Integrado): dos paquetes FF tipo “D” dobles y una puerta NAND cuádruple.

Un solo CD4017, arriba, genera las formas de onda paso a paso trifásicas requeridas en el circuito anterior al borrar el contador Johnson en la cuenta 3. El conteo 3 persiste por menos de un microsegundo antes de que se borre. Los otros recuentos (Q ₀ =G ₀ Q ₁ =G ₁ Q _{2 =G 2} = G ₂) permanecen por un periodo de reloj completo cada uno.

Los controladores de transistores bipolares Darlington mostrados arriba son un sustituto de la circuitería interna del ULN2003. El diseño de los conductores está más allá del alcance de este capítulo de electrónica digital. Cualquiera de los controladores puede usarse con cualquiera de los circuitos generadores de forma de onda.

Las anteriores waceforms tienen más sentido en el contexto de la lógica interna del CD4017 mostrado anteriormente en esta sección. Sin embargo, se muestran las ecuaciones de activación AND para el decodificador interno. Las señales Q _A Q _B Q _C son salidas del registro de desplazamiento directo del contador Johnson que no están disponibles en las salidas de pines. La forma de onda Q _D muestra el reinicio del '4017 cada tres relojes. Q ₀ Q ₁ Q ₂, etc. son salidas decodificadas que realmente están disponibles en los pines de salida.

Arriba generamos formas de onda para accionar un motor paso a paso unipolar, que solo requiere una polaridad de señal de accionamiento. Es decir, no tenemos que invertir la polaridad del accionamiento a los devanados. Esto simplifica el controlador de potencia entre el '4017 y el motor. Los pares Darlington de un diagrama anterior pueden ser sustituidos por el ULN3003.

Una vez más, el CD4017B genera las formas de onda requeridas con un reinicio después del conteo teminal. Las salidas decodificadas Q ₀ Q ₁ Q ₂ Q ₃ impulsan sucesivamente los devanados del motor paso a paso, con Q ₄ reiniciando el contador al final de cada grupo de cuatro pulsos.