10.1 – Contadores/divisores por N
Dividir una frecuencia por cualquier valor (N), es un problema cuya solución puede ser muy importante para la implementación de un proyecto de electrónica digital.
Como vimos en la lección anterior, la división natural de los circuitos que usan flip-flops es por valores que sean de potencias de 2, como se muestra en la figura 55.
Sin embargo, usando características simples como puertas y otras funciones lógicas, podemos cambiar este comportamiento y así obtener la división por cualquier número entero que sea menor que el valor N de la división final del módulo, o contador, como se muestra en la figura 56.
En la práctica podemos contar con contadores y divisores en la forma de circuitos integrados digitales de diversas tecnologías y que pueden ser utilizados tanto en la división por determinados números, que se fijan por elementos internos del circuito, como también pueden ser utilizados en la división por cualquier otro valor, ya sea mediante la programación, ya sea mediante el uso de elementos externos o todavía por los dos recursos.
La programación consiste en la interconexión de ciertos pinos, mientras que el uso de puertos consiste en la encuadernación de funciones lógicas determinadas entre pinos previamente fijados para este fin.
En esta lección veremos algunos circuitos prácticos que pueden ser utilizados en la división de frecuencias siendo, sin embargo, interesante definir dos términos importantes que usaremos con frecuencia en la definición de las características de estos circuitos.
a) Modulo es el valor N o valor máximo que un contador puede contar. Por ejemplo, un contador del módulo 8 es un contador que puede contar hasta 8 o dividir una frecuencia por valores de hasta 8.
Si el contador tuviera un módulo fijo, sólo puede dividirse por este valor. Sin embargo, si el contador tiene un módulo variable, puede dividir o contar valores de 2 hasta este valor N.
Como estudiamos en la lección anterior, el valor máximo hasta donde un contador puede ir es dado por el número de flip-flops utilizados, como se muestra en la figura 57.
b) Peso-en un contador con salidas en los diferentes flip-flops, la salida de cada uno tiene un cierto "peso" en la determinación del valor binario obtenido en la contaje.
Así, para el circuito de la figura 58, la salida de QA tiene peso de 1, ya que sólo puede variar entre 0 y 1. La salida QB, por otro lado, tiene peso de 2, ya que representa valores entre 0 y 2. La tercera salida (QC) tiene el peso 4, ya que puede significar los valores 0 o 4 del contaje, mientras que QD tiene el peso 8, ya que puede significar valores 0 u 8, conforme este en el nivel bajo o alto.
En algunos manuales, o incluso especificaciones del componente, en vez de QA, QB, QC, etc. podemos encontrar indicaciones como Q1, Q2, Q3, etc. o incluso Q1, Q2, Q4, Q8, etc. En este último caso, los pesos se implican en su designación, como se muestra en la figura 58.
Así, según lo visto por las tablas verdadera de los contadores, los niveles de estas salidas dan el valor en binario de la cantidad de pulsos de entrada contados.
c) Descodificación-algunos contadores que estudiamos, como el 4017, tienen salidas descodificadas, ya que no corresponden a valores binarios, sino más bien representados de otra manera. En el caso de 4017, la salida es decodificada al 1 de 10, en el sentido de que sólo una de ellas está en el nivel más alto para cada número del contaje.
Podemos tener otros tipos de descodificación, por ejemplo, 1 de 16.
d) Cascateable – La conexión en cascada, o una tras otra, es importante cuando queremos contar hasta valores que un único circuito integrado no alcanza.
Por lo tanto, decimos que los contadores son "cascateables" cuando pueden ser enlazados en la forma que se muestra en la figura 59.
Cuando conectamos contadores binarios o BCD en cascada, el módulo final obtenido se convierte en el producto de los módulos de los contadores asociados. Por ejemplo, al enlazar un contador/Divisor de módulo de cascada 10 con un módulo 6, obtenemos un módulo de contador/divisor 60, como se muestra en la figura 60.
Se trata de una configuración muy utilizada en los relojes digitales, que producen un pulso por segundo (1 Hz), dividiendo la frecuencia de la red (60 Hz) por 60.
Cuando conectamos otros tipos de contadores como, por ejemplo, los del tipo 1 de N (1 de 10 como 4017), los módulos en cascada se suman.
10.2 – Circuitos prácticos
Seguiremos una serie de circuitos prácticos de divisores utilizando circuitos integrados tanto TTL como CMOS que se pueden utilizar en proyectos donde se quiera hacer la división o el contaje en varios módulos a partir de 2.
Divisor por 2
Los dos circuitos que se muestran en la figura 61, basados en los circuitos integrados TTL 74107 y 7474, que contienen flip-flops J-K y del tipo D, haciendo que la división de la frecuencia de entrada por 2.
Tenga en cuenta que el primer circuito dispara a la transición negativa de la señal del clock, mientras que el segundo activa la transición positiva de la señal del clock.
En otras palabras, la salida de estos circuitos tiene una frecuencia que corresponde a la mitad de la frecuencia de la señal rectangular de entrada.
Divisores para 3
Los divisores por 3 basados en flip-flops TTL y los puertos se muestran a continuación. La primera, que se muestra en la figura 62 utilizados flip-flops del 74107 y un puerto NAND 7400.
Este circuito ya fue estudiado en la lección anterior consistente en un contador descifrado con salida del 1 de 3.
El segundo se muestra en la figura 63, haciendo uso del mismo circuito integrado 74107 y dos puertos NOR del 7402.
Este circuito se caracteriza por tener una salida simétrica, o sea, con un ciclo activo de 50%.
Es importante tener en cuenta que muchos divisores de frecuencia o contadores, como los indicados, no proporcionan una señal "cuadrado", sino más bien rectangular con un ciclo activo distinto al 50%. Dependiendo de la aplicación, esta característica puede ser importante para el correcto funcionamiento del circuito.
Divisores para 4
En la figura 64 tenemos tres circuitos prácticos que le permiten dividir o contar hasta 4.
Todos ellos están basados en circuitos integrados TTL comunes que ya hemos estudiado en la lección anterior. En este caso se utilizan las ojotas dobles 7473.
Por supuesto, la misma configuración puede ser implementada con flip-flops equivalente en tecnología CMOS.
Divisores para 5
Utilizando circuitos integrados TTL y CMOS tenemos varias posibilidades de implementar divisores de frecuencias o contadores del módulo 5.
Cuatro de estos circuitos se muestran en la figura 65.
Note que el circuito 7490 se usa directamente ya que, como hemos visto, ya tiene un divisor interno por 5. Este circuito tiene algunas desventajas que pueden ser superadas con el uso de versiones más modernas como 74290 y 74293.
También es importante saber que el módulo divisor por 2, que está contenido en este circuito integrado, ya que no se está utilizando, puede ser utilizado en otra aplicación en el mismo aparato.
El circuito con el 4018 es muy interesante, ya que este componente es un contador "programado". Sólo tiene que aplicar en las entradas de programación (L) el número en el formulario binario para el que desea dividir.
Por ejemplo, para dividir por 5 (0101) simplemente tome las entradas L2 y L4 al nivel bajo y las entradas L1 y L3 al nivel alto ya que este circuito es un "contador de abajo".
Nota en el caso del 8281 que es necesario utilizar un par de resistores a la entrada de su polarización. También observamos que este CI, incluso con una "numeración diferente" es TTL., aunque no es un componente muy común en nuestros días.
Divisores para 6
En la figura 66 se dan cuatro configuraciones que se pueden utilizar, con un solo circuito integrado cada una, para hacer el contaje del módulo 6.
Una vez más encontramos el 4018, que sólo recibe la programación adecuada en las entradas L, como vimos en el caso anterior y el 7490 que es bastante versátil en este tipo de aplicación.
Las características obtenidas en cada caso se especifican al lado del circuito correspondiente.
Observe también los tipos de señales utilizadas para realizar el cambio de cada ajuste, ya que algunos desencadenan la transición positiva de la señal del clock, mientras que otros desencadenan la transición negativa de la señal del clock.
El momento en que los circuitos hacen el contaje (cambio de estado) es algo que el proyectista debe tener en cuenta al elegir tal configuración para su proyecto.
Divisores por 7
La división o el contaje en el módulo 7 se pueden hacer básicamente con los mismos circuitos que usamos para el caso del módulo 6, con pequeños cambios que involucro la programación. Estos circuitos se muestran en la figura 67.
Vea que en este caso, en dos de ellos, necesitamos utilizar los puertos externos para obtener la división por el módulo deseado.
Un tipo de operación interesante se utiliza en el caso de 4018, que cuenta de forma regresivo. En este circuito cuenta de 7 a 0 y cuando llega a cero saltos de nuevo a 7, reiniciando el contaje.
Para el 74161 también tenemos un modo de funcionamiento muy interesante: este circuito empieza a contar a 8 y sube a 15. Cuando llega a esta cuenta el circuito se reanuda, pero desde el pulso 8 de modo que en la parte inferior tenemos la división por 7 como se desee.
Por supuesto, si usamos los valores obtenidos en la salida para una descodificación esta operación debe tenerse en cuenta.
Por esta razón, estos circuitos son mucho más apropiados para la división de frecuencias que para un contaje con el uso de valor binario o BCD para algún tipo de aplicación.
Observe también el tipo de señal de disparo de cada uno de los tipos y las características principales indicadas junto a cada ajuste.
Divisores por 8
En la figura 68 disponemos de cuatro circuitos de contadores/divisores de módulo 8 que utilizan circuitos integrados de las familias TTL y CMOS. Le recordamos que los mismos ajustes son válidos para las subfamilias TTL.
En cada bloque tenemos el tipo de la señal de disparo del circuito. Por lo tanto, tenemos tres configuraciones en las que el disparo se produce en la transición negativa de la señal del clock, y un circuito en el que se produce este disparo en la transición positiva.
En aplicaciones prácticas es muy importante observar el tipo de señal que hará el disparo, especialmente aquellos que operan con lógica sincronizada.
Para los circuitos integrados 8281 y 7493 la cuenta hasta 8 es normal, pues éstas consisten ya en los divisores con este módulo. Sin embargo, para el 8280 es necesario hacer una programación. Por lo tanto, cuenta de 0 a 8 y cuando llega a 8 de nuevo a cero.
También es importante tener en cuenta la frecuencia máxima de funcionamiento de los circuitos utilizados.
Divisores por 9
Los circuitos de los contadores/divisores con el módulo 9 se muestran en la figura 69.
La solución más simple para obtener un Divisor por 9 es cascada de dos divisiones por 3, como las que hemos visto en esta lección.
Sin embargo, también podemos confiar en algunos circuitos integrados que pueden ser programados de una manera relativamente simple para hacer esto, como los que se muestran en la figura 69.
Note que dos de los circuitos mostrados activan la transición positiva de la señal y dos circuitos que cambian en la transición negativa. Vea también eso en Dos de los ajustes, necesitamos utilizar los puertos externos para obtener el módulo deseado para contar o dividir.
En todos los circuitos el principio de operación es incluso si ya hemos estudiado en la lección anterior: detecta el estado del contaje 9, a través de puertas o la retroalimentación misma, para hacer la puesta a cero del contaje.
Divisores por 10
En la figura 70 disponemos de 5 circuitos de divisores/contadores del módulo 10 utilizando integrado de las familias TTL y CMOS. Le recordamos que los mismos circuitos también son válidos para CIs de las subfamilias TTL.
En ninguno de ellos es necesario utilizar puertas u otros componentes externos, ya que la cuenta hasta 10 ya está prevista internamente por la mayoría de ellas, en algunos casos, permitiendo la programación.
Nótese que debemos distinguir los simples divisores que proporcionan una salida con la frecuencia dividida por 10, de los contadores que tienen salidas con pesos 1, 2, 4, 8, y que pueden ser utilizados en muchas aplicaciones importantes, como veremos en las lecciones posteriores.
La cuenta hasta 10 se puede hacer tanto en la dirección progresiva y regresiva, y esto se indica en cada uno de los ajustes.
Divisores por 11
Los divisores/contadores con el módulo 11 pueden ser elaborados con cierta facilidad utilizando circuitos integrados comunes y, en algunos casos, con funciones lógicas externas adicionales. En la figura 71 tenemos cuatro ejemplos de cómo se puede hacer esto, destacando lo que hace uso del 4018, que es el único que no necesita ningún componente externo.
Como vimos el 4018 es un contador regresivo, simplemente programando su entrada para que haga la división por el módulo deseado, lo que simplifica enormemente los proyectos que hacen su uso. Sin embargo, debido a que es un dispositivo CMOS es algo lento, que debe ser predicho en la elaboración de los proyectos que lo utilizan.
Para los demás tenemos, como punto culminante, lo que hace uso del 74161 y el 8288 que requieren puertos externos.
En todos ellos, el proyectista debe tener en cuenta el tipo de señal con la que se produce el cambio de estado de contador.
Divisores para 12
Se muestran cuatro configuraciones de divisores/contadores por 12, utilizando circuitos integrados TTL y CMOS, en la figura 72.
Dos de ellas conmutan en la transición negativa de la señal del clock mientras que las otras dos conmutan en la transición positiva. Tenga en cuenta que sólo uno de ellos, que hace uso del circuito integrado 74161, requiere un inversor externo.
Divisor por 13
La división por 13, o sea el módulo 13, se puede hacer con los dos circuitos mostrados en la figura 73.
Lo más sencillo es que hace uso del contador regresivo 4018 y que tiene la programación digital para este valor aplicado a las entradas correspondientes. El uso del 8281 tiene la desventaja de la necesidad de algunos componentes externos adicionales. Además, este circuito integrado no es muy fácil de obtener.
Tenga en cuenta el tipo de señal que debe aplicarse a la entrada para el cambio de estado. El proyectista también debe ser consciente de los límites de velocidad de estos ajustes.
Divisor por 14
La división por 14 puede realizarse mediante los circuitos integrados 8281 y 74161 en la configuración indicada en la figura 74.
Vea que en ambos casos necesitamos usar dos funciones externas para obtener el módulo deseado. Uno de los circuitos funciona con la transición positiva de la señal del clock mientras que el otro opera con la transición negativa de la señal del clock.
También es importante notar que la división por 14 puede ser obtenida ligando un divisor por 2 en serie con un Divisor por 7.
Es importante tener en cuenta que, a diferencia de los simples divisores, estos circuitos proporcionan las salidas descodificadas de 0 a 14, que pueden ser importantes en el proyecto considerado.
Los límites de frecuencia de los dispositivos utilizados deben ser observados en cualquier aplicación.
Divisor por 15
La división/cuenta hasta 15 puede hacerse con los circuitos mostrados en la figura 75.
Con el uso del 4018 tenemos la configuración más simple, ya que no necesitamos ningún componente externo, sino que sólo programamos las entradas de programación para dividir por el módulo deseado. Con el uso del 74161 (TTL) necesitamos utilizar un inversor externo.
Los dos circuitos funcionan con la transición positiva de la señal del clock. Si necesita una operación con la transición negativa, simplemente añada un inversor a la entrada.
También es importante recordar que los dispositivos CMOS son mucho más lentos que los equivalentes TTL e incluso las subfamilias.
Divisor por 16
La división por el módulo 16 es relativamente simple, ya que es un valor normal para 4 flip-flops conectados en cascada. Así, como se muestra en la figura 76, la configuración de los divisores/contadores con este módulo es relativamente simple.
Los cuatro divisores/contadores tienen salidas con 1-2-4-8 pesos accesibles, lo que puede ser muy importante en aplicaciones donde se desea la función de contador digital o byte.
Dos de los circuitos funcionan con la transición positiva de la señal del clock, mientras que los otros dos funcionan con la transición negativa de la señal del clock.
10.3 – Módulos más grandes y programables
Los circuitos que vimos en el elemento anterior están programados, con la ayuda de conexiones externas fijas, para contar hasta cierto módulo.
Sin embargo, puede haber aplicaciones prácticas en las que el operador necesita cambiar el módulo de contaje o división en cualquier momento.
En este caso es necesario utilizar los circuitos de los divisores/contadores que son programables por algunos medios externos, por ejemplo, un interruptor de selector, un sistema de interruptores DIP, o incluso la aplicación del valor del módulo de otro circuito digital, tal como dependencia De algún Estado determinado por su operación.
Esto se puede hacer, por ejemplo, con el interesante circuito que se muestra en la figura 77 basado en los circuitos integrados 7490.
Este circuito hace uso de dos divisores de módulo 10 que, conectados en cascada, permiten la división/contaje programado de cualquier módulo entre 1 y 99.
El ajuste de las teclas lógicas le permite programar la división de frecuencias de una señal TTL de hasta 99 en este circuito. Así que, si queremos dividir por 51, sólo tiene que programar las teclas para 0101 y 0001. Los diodos se pueden utilizar comúnmente como el 1N4148 o el 1N914 y es alimentado se debe hacer con la tensión de 5 V. se pueden agregar más contadores para una división por valores de 3 o más dígitos.
En la figura 78 se muestra una versión CMOS de un circuito divisor con módulo programado externamente de 1 a 9999, a través de las teclas BCD.
La frecuencia de los pulsos aplicados a la entrada de este circuito CMOS se dividirá por el número programado por las teclas digitales de 1 a 9999. El circuito tiene una velocidad de división máxima de 6 MHz, con una alimentación de 10 V. se pueden agregar más contadores en cascada, para una división por valores más grandes. La alimentación se puede realizar con tensiones de 5 a 15 V y el consumo es muy bajo.
Note, sin embargo, que este circuito requiere un flip-flop externo adicional.
10.4 – Los Circuitos Integrados 4020 y 4040
Hay dos circuitos integrados CMOS contadores binarios con características que los convierten en componentes especiales para proyectos digitales. Por esta razón, un análisis separado de estos dos componentes puede ser muy importante para los lectores que acompañan este curso.
4020- CONTADOR BINARIO DE 14 ETAPA (DIVISOR PARA 16384)
El circuito integrado 4020 consiste en un contador binario de 14 etapas conectadas de tal manera que Si puedes Para dividir la frecuencia de entrada por módulos de hasta 1984.
El pino de este circuito integrado se muestra en la figura 79.
Como podemos ver, no tenemos acceso a todas las salidas del divisor, sino sólo Q1 y luego de Q4 que corresponde a la división por 16.
Así, módulos que corresponden para las potencias de 2 (menos de las potencias 2 y 3) pueden obtenerse directamente de las salidas correspondientes hasta 14.
Combinando estas salidas a través de puertas podemos conseguir otros módulos.
Por ejemplo, la combinación de 16 384 + 8 192 = 24 576 puede obtenerse conectando las salidas Q13 y Q14 a un puerto
En la figura 80 mostramos como dividir por 336 usando un puerto NAND de 4 entradas de una señal de 1 Hz.
En el funcionamiento normal de este circuito, simplemente coloque la primera entrada en el nivel bajo puesto a tierra y aplique las señales que se dividirán en la entrada CLK.
Vea que, como se trata de circuito CMOS, la velocidad máxima de funcionamiento depende de la tensión de alimentación. Para una tensión de 10 V Es La velocidad es de 7 MHz cayendo a 2,5 MHz con 5 V de alimentación.
Una aplicación importante para este circuito es en temporizadores de intervalos largos. Por ejemplo, usando la salida Q14 y aplicando una señal de 1 Hz en la entrada podemos obtener un pulso cada 1984 segundos que corresponde a aproximadamente 4 horas y 50 minutos.
Un circuito que tiene las mismas características de este y ya tiene un oscilador interno es el 4060.
4040 – Contador binario de 12 etapas (Divisor para 4096)
Este circuito integrado es un divisor un poco más "corto" que el anterior, ya que tiene sólo 12 etapas, pero tiene la ventaja de dar acceso a las salidas de todos ellos. Así, utilizando los puertos apropiados podemos combinar estas salidas y obtener módulos de contaje de cualquier valor entre 2 y el doble de 4096 es sea, 8192.
En la figura 81 tenemos la pinaje de este circuito integrado que se suministra en la cubierta DIL de 16 pinos.
En el funcionamiento normal, la señal, cuya frecuencia debe dividirse, se aplica al pin 10, mientras que el pino RST debe mantenerse a un nivel bajo.
Le recordamos que las señales de entrada de todos los divisores y contadores deben ser perfectamente rectangulares, sin irregularidades que puedan causar la mala interpretación de los niveles lógicos.
Para reiniciar el circuito, sólo tiene que tomar la primera entrada al nivel alto por un instante.
La frecuencia de funcionamiento máxima de este circuito integrado, con 10 V de alimentación, es de 6 MHz y esta frecuencia desciende a 2 MHz con 5 V de alimentación.
Sumário
Curso de Electrónica - Electrónica Digital (CUR5000)
Curso de Electrónica - Electrónica Digital – Parte 1 (CUR5001S)
Curso de Electrónica Digital – Parte 2 - El Álgebra de Boole (CUR5002S)
Curso de Electrónica - Electrónica Digital - Parte 6 - Los Elementos Biestables (CUR5006S)
Curso de Electrónica - Electrónica Digital - Parte 9 - Contadores Digitales (CUR6002S)