Conozca el Circuito Integrado 4018 (ART820S)

Un importante circuito integrado de la familia CMOS es el 4018, que no todos los lectores conocen lo suficiente para usarlo en proyectos. Este circuito integrado consiste en un divisor de 2 a 10 que se puede utilizar en el proyecto de contadores programables, sintetizadores de frecuencia, relojes y cronómetros, frecuencímetros y muchas otras aplicaciones. En este artículo analizaremos sus características, sus limitaciones y posibilidades con muchos ejemplos prácticos. Para los que utilizan circuitos integrados CMOS este artículo es bastante importante para la realización de proyectos.

El circuito integrado 4018 (también presentado con las siglas que designan el fabricante como CD4018, IC4018, etc.) consiste en un contador / divisor por N preestablecido, diseñado para ser utilizado con otros elementos de la familia CMOS. Este circuito integrado se presenta en envoltorio DIL de 16 pines, como se muestra en la figura 1.

Figura 1 - Pinza del 4018 en envoltorio DIL de 16 pines. Hay versiones SMD para el mismo componente.

También existen versiones SMD que tienen el mismo pinado y función pero dimensiones mucho menores, como se requiere para el montaje en superficie. En la figura 2 mostramos su circuito equivalente interno en bloques lógicos, con la observación de que el pin 16 corresponde al Vdd (alimentación) que puede quedar entre 5 y 15 voltios y el pin 8 corresponde al Vss o 0V.

Figura 2 - Bloques internos del circuito integrado 4018.

En la frecuencia de 1 MHz, con tensión de alimentación de 5 V este componente consume sólo 0,4 mA y con una tensión de 10 V, su consumo se eleva a 0,8 mA. Básicamente, el 4018 consiste en un contador de anillo que puede ser programado externamente para hacer la división de 2 a 10 de una señal rectangular de entrada. En la división por números pares no se necesita ningún circuito externo adicional y en la salida se obtiene una señal cuadrada (50% de ciclo activo).

En la división por números impares, es necesario usar puertas externos y la señal no será cuadrada, es decir, su ciclo activo no será más del 50%. Para que funcione es necesario hacer una programación a través de la entrada IN. Así, en la operación normal, las entradas RESET y LOAD s! A la puesta a tierra y cada transición positiva del pulso de entrada el contador avanza una unidad. Las divisiones se realizan con las siguientes interconexiones:

     (*) Necesita puertas externos

En la figura 3 tenemos todos los circuitos divisores, observándose que para la división por números impares se utilizan las puertas de un circuito integrado 4081. Cuando se conecta como contador hasta 10, el 4018 presenta la siguiente tabla de estados:

Internamente, el 4018 posee 5 flip-flops que se pueden conectar como un contador Johnson de 5 etapas. Cada etapa tiene salidas "bufferizadas" complementarias (Q \). Para el preset, Clock, Reset y Data el circuito integrado tiene entradas apropiadas que se identifican en el diagrama interno. Si se aplica el nivel alto (HI o 1) en la entrada del reset el contador se lleva a la condición de entrada en el pulso cero, es decir, todas las salidas van al nivel alto.

Para cargar el contador en paralelo, basta con hacer la entrada LOAD positiva. La frecuencia máxima de operación para este componente con alimentación de 5 V es de 2,5 MHz y con 10 V es de 5 MHz.

Figura 3 - Circuitos divisores con el 4018

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APLICACIONES

Además de los circuitos divisores que vimos en la figura 3 es posible programar el 4018 de otras formas, como muestra la figura 4.

Figura 4 - Contador programado.

En esta configuración divisora por 7, por ejemplo, el puerto de realimentación usado es del tipo 4011 y el circuito integrado cuenta normalmente hasta 3, cuando entonces sus salidas Q3 y Q4 van a los niveles 0 y 1. En este momento el 4011 entra en acción llevando a la acción entrada de datos al nivel bajo. De esta forma el contador pasa al estado 1000 y no 0000. La tabla verdad para un contador hasta 7 es la siguiente:

Generador de 3 Fases

Señales desfasadas de 120 grados pueden obtenerse con la configuración simple mostrada en la figura 5 en la que empleamos sólo un 4018.

Figura 5 - Generador de tres fases.

El circuito integrado 4018 se conecta como un divisor por 6 lo que significa que la frecuencia de la señal aplicada en la entrada debe ser 6 veces la frecuencia de las señales que se desea en la salida. Las muñecas rectangulares obtenidas en la salida estarán desfasadas de 120 grados.

Síntesis Digital de Señales Senoidales

Las 5 salidas de los flop-flops internos del circuito integrado 4018 se pueden utilizar simultáneamente para la síntesis de señales senoidales a partir de una señal rectangular de entrada. Se parte entonces de la configuración como contador hasta 10 y las salidas de los flip-flops sintetizan cada nivel de tensión en secuencia para formar una sinusoide. Las proporciones en que cada salida debe contribuir al nivel de señal senoidal viene dada por la siguiente relación:

     Q1 = 1,618

     Q2 = 1,000

     Q3 = 1,000

     Q4 = 1,618

De esta forma, cuando la salida Q1 está activada, tenemos un nivel 1.000 de tensión en la salida. Cuando las salidas Q1 y Q2 están activadas tenemos 2,618. Cuando las 4 salidas están activadas tenemos el 5,236 que corresponde al nivel máximo de tensión o pico positivo.

A partir de ahí, con la desactivación de la salida 1 y manteniendo las salidas Q2, Q3 y Q4 activadas tenemos 3,618 y en una etapa siguiente llegamos nuevamente a 3,618 y luego con sólo Q4 activada volvemos a 1.000. Las formas de onda sucesivas y sintetizadas por este circuito se muestran en la figura 6.

Figura 6 - Generando una señal senoidal digitalmente.

Evidentemente, la forma de onda obtenida en la salida del integrado está formada por escalones. Si queremos una siniestra perfecta, necesitamos pasar esta señal por un filtro de paso bajo que quita las transiciones bruscas de la señal suavizándose. El circuito completo, incluido el filtro, se muestra en la figura 7.

Figura 7 - Circuito completo del sintetizador digital de señales senoidales.

Este circuito puede funcionar satisfactoriamente con señales en el rango de 500 a 2500 Hz. Los cambios de los valores de los componentes permiten su funcionamiento en otras bandas de frecuencia. La intensidad de la señal de salida es de 0,8 Vpp para una tensión de alimentación de 5 V. Senóides con menos puntos de síntesis pueden ser obtenidas con divisiones por 6 o 8 como muestran los circuitos de la figura 8.

Figura 8 - Circuito para sintetizar sinusoides con menos precisión.

Dados Electrónicos

Una aplicación recreativa del 4018 se muestra en la figura 9 en la que tenemos un dado electrónico.

Figura 9 - Dado digital con el 4018. S1 determina el sorteo generando un número aleatorio de pulsos.

Cada uno de los 4018 excita 7 LEDs que están dispuestos en una configuración que recuerda la cara de un dado. Dos puertas de un 4011 complementa el circuito para obtener la configuración necesaria a los efectos deseados. El reloj se obtiene de un 555 que produce un número aleatorio de pulsos cuando se activa el interruptor de presión.

Cuando este interruptor se suelta, los LED se detendrán en una configuración que depende del número de pulsos y por lo tanto es imprevisible. La alimentación del circuito se puede realizar con 4 pilas o batería de 9 V. Véase que los 4018 se conectan para formar contadores hasta, ya que éste es el número de caras de un dado. Véase también que el segundo módulo es excitado por el primero para asegurarse de que el recuento no sea el mismo número de ciclos para cada uno.