GUIAS ÚNICAS DE LABORATORIO CIRCUITOS CONTADORES AUTOR: ALBERTO CUERVO SANTIAGO DE CALI UNIVERSIDAD SANTIAGO DE CALI DEPARTAMENTO DE LABORATORIOS

Transcripción

1 GUIS ÚNIS DE LORTORIO IRUITOS ONTDORES UTOR: LERTO UERVO SNTIGO DE LI UNIVERSIDD SNTIGO DE LI DEPRTMENTO DE LORTORIOS

2 IRUITOS ONTDORES Introducción El contador es un circuito específico de circuito secuencial, pudiendo ser sincrónico o asincrónico. El objetivo de esta práctica de laboratorio consiste en reforzar los conocimientos del estudiante en el análisis y diseño de circuitos contadores, tanto sincrónicos como asincrónicos, implementando y verificando los circuitos diseñados en el Módulo DIGI ORD2 disponible en el laboratorio de la Universidad Santiago de ali. ontador Sincrónico En un contador sincrónico, como en cualquier circuito secuencial sincrónico, los pulsos de reloj alimentan simultáneamente las entradas de reloj de todos los flip-flops que forman el contador, de forma tal que estos cambian de estado en forma simultánea con la única diferencia en las desigualdades en las demoras de cada uno de los flip-flops individuales. Los pulsos de entrada se aplican a la entrada de reloj del contador, incrementándose si es un contador que cuenta en sentido ascendente o decrementándose en caso contrario con cada pulso aplicado a la entrada. En la figura 1a se ha representado el esquema general de un circuito secuencial sincrónico con 3 flip-flops en el cual se ha dividido el bloque de lógica combinacional en dos: la lógica que produce las señales de salida y la lógica que produce las funciones de excitación a los flip-flops. En b se ha representado un caso específico de los contadores en que las señales de salida del circuito secuencial son directamente las señales de salida de los flip-flops. sí, en este último caso, si es un contador en el sistema binario, el estado 5 por ejemplo será el estado 101, es decir que =1, =0 y =1, etc. En el caso b entonces únicamente será necesario encontrar las funciones de excitación de cada flip-flop en función del estado presente (las salidas de los flip-flops) y la señal de entrada. Las señales o la señal de entrada al contador puede ser por ejemplo una señal que le indique al contador que cuente en sentido ascendente o descendente.

3 señal de entrada Lógica combinacional señales de salida señales de salida Lógica combinacional señal de entrada Lógica combinacional PULSOS DE ENTRD PULSOS DE ENTRD Figura 1. ircuito secuencial. a.- caso general y b.- las salidas de los flipflops son directamente las salidas del circuito secuencial. En un contador, la señal de entrada puede no existir, obteniéndose el esquema que se representa en la figura 2. En este caso, las entradas de excitación de los flip-flops que determinan el estado siguiente dependerán únicamente del estado presente, es decir, de las salidas de los flip-flops que forman el contador. El primer circuito que se deberá diseñar corresponderá al esquema de la figura 2.

4 señales de salida Lógica ombinacional PULSOS DE ENTRD Figura 2. ircuito secuencial de un contador sin señal de entrada externa. Planteamiento del primer circuito. Diseñar un contador que cuente en binario en sentido ascendente de 0 a 5 con flip-flops y compruebe el funcionamiento del mismo en el módulo DIGI ORD2 del laboratorio llevando las salidas del mismo a un display de 7 segmentos y aplicándole pulsos con el pulsador. Solución. omo el contador tiene 6 estados: 0, 1, 2.5, se necesitarán 3 flip-flops que se denominarán, y respectivamente.

5 El primer paso será construir la tabla de estado presente y estado siguiente para encontrar las funciones de excitación de cada flip-flop. Esta tabla es muy simple y se muestra en la figura 3. Estado presente Estado siguiente x 0 x 0 x x 1 1 x 0 x x x 0 0 x x 1 x 1 1 x x 0 x x x 1 0 x x xxx x x x x x x 111 xxx x x x x x x Figura 3. Tabla de estado presente y estado siguiente. Observe que los estados #6=110 y #7=111 son estados no usados, nunca ocurren, por lo que no importa los estados siguientes de los mismos. De la tabla de la figura 3 se pueden construir los mapas de arnaugh que se muestran en la figura 4 para obtener las funciones simplificadas de la y la de cada uno de los flip-flops del contador. on estas funciones se puede implementar el circuito del contador que se muestra en la figura 5, en el cual el pulsador se utiliza para aplicarle pulsos al contador, y la salida de éste es llevada a un display de 7 segmentos para verificar el número binario almacenado en el contador de acuerdo al número de pulsos aplicado. El diagrama de estados incluyendo los estados no usados 6 y 7 se muestra en la figura 6. uando el circuito tenga el número 6: = 110, se tiene que: ==1, por tanto el flip-flop cambia de 0 a 1 = =0, por lo que el flip-flop se queda en el estado 1 y = =0, por lo que el flip-flop también se queda en el estado 1. De acuerdo a lo anterior, el circuito pasa del 6 al 7 cuando se le aplique un pulso.

6 x x x 1 1 x x x 1 1 x x x 1 x 1 x x x x =1 =1 = x x x x x x = ó x x x x 1 x x x x x x = = Figura 4. Mapas de arnaugh display pulsador 1 +5v. pulsos de entrada Figura 5. ircuito del contador

7 Igualmente, si por alguna razón el circuito tuviese almacenado el número 7 (=111),se tiene que: ==1, por lo que el flip-flop cambiará de 1 a 0 = =0, por lo que el flip-flop se queda en el estado 1 y ==1, por lo que el flip-flop cambiará de 1 a 0 De acuerdo a lo anterior el circuito pasará del 7 al 2 cuando se le aplique un pulso. 5 0 estados inválidos secuencia válida Figura 6. Diagrama de estados Este diagrama de estados representa un contador autocomenzante, pués cuando se conecte la energía si el contador cae inicialmente en uno de los estados no-usados o inválidos, a los pocos pulsos aplicados, máximo 2 en este caso, cae en la secuencia válida y ya no sale de ésta. oloque con las entradas asincrónicas de los flip-flops los números 6 y 7 en el contador y compruebe el estado siguiente de estos estados inválidos. ontador sincrónico En un contador asincrónico a diferencia del contador anterior, los pulsos no se aplican simultáneamente al reloj de todos los flip-flops. Puesto que los flip-flops en el contador asincrónico no están bajo el mando de un solo pulso de reloj, es más lento que el contador sincrónico, aunque el hardware requerido es más simple.

8 El más sencillo de todos los contadores asincrónicos es el contador binario, que cuente en binario hasta 2 n 1 (n estados), donde n es el número de flip-flops utilizado. Monte el circuito que se muestra en la figura 7 el cual consiste en un contador binario que cuenta de 0 (0000) a 15 (1111), por lo que tendrá 16 estados y 4 flipflos. +5v. H Q3 Q2 Q1 Q0 Q3 Q2 Q1 Q0 flip-flop de mayor orden flip-flop de menor orden (a) pulsos de Q entrada pulsador display pulsos de entrada Q0 Q1 Q2 Q estado inicial: Q3Q2Q1Q0 = 0000 (b) Figura 7. ontador asincrónico binario (a) circuito (b) formas de onda

9 Este contador se implementa como se muestra en la figura 7 colocándo en 1 lógico la y la de todos los flip-flops. Los pulsos de entrada se inyectan al reloj del flip-flop de menor orden y la salida de cada flip-flop se conecta al reloj del siguiente. omo los flip-flops son de flanco negativo, debido a esta conexión el flip-flop Q0 cambiará de estado cuando ocurra un flanco negativo en los pulsos de entrada, el flip-flop Q1 cambiará de estado cuando ocurra un flanco negativo en Q0, y así sucesivamente. omo se puede observar de las formas de onda de las salidas de los flip-flops, el número binario almacenado en el contador corresponde al número de pulsos que se hayan inyectado en su entrada. Inyecte pulsos al contador con el pulsador y compruebe el número en el display. onecte la salida negada de cada flip-flop al reloj del siguiente y compruebe que el contador se comporta como un contador binario que cuenta en sentido descendente. ircuitos integrados de contadores Debido al gran número de aplicaciones que tienen los contadores, existe una gran variedad de los mismos fabricados en forma de circuitos integrados. En la figura 8 se muestra un ejemplo disponible en el módulo DIGI ORD2 del laboratorio. onsiste del circuito integrado 74LS193, el cual es un contador binario de 4 bits que puede contar en ambos sentidos: ascendente y descendente. El sentido de conteo del circuito depende a la entrada donde se apliquen los pulsos: Up o Down. Igualmente tiene una entrada asincrónica LR, la cual al activarse con un 1 borra al contador y una entrada asincrónica LOD la cual al activarse con un 0 almacena el número presente en sus entradas D en el contador. Tiene dos salida para conectar estos circuitos en cascada si se necesita implementar un contador de un mayor número de bits: la salida de acarreo (carry ) para el conteo creciente y la salida de préstamo (borrow ) para conteo decreciente. Estas señales se muestran en la figura 9. En la misma se puede observar que si el contador se encuentra contando en sentido ascendente, en el pulso 16 pasa a 0 (0000).

10 entradas TRDIV D Up Down LR LOD 74LS193 arry orrow QD Q Q Q salidas (a) LR Up Down LOD entradas D bit de mayor orden T=0 2+ G1 1- G2 3 3D (b) 1ct = 15 2ct = 0 arry orrow Q Q salidas Q QD LR: entrada asincrónica de borrado, cuando se activa con un 1 se coloca al contador en 0000 Up: entrada de pulsos para conteo creciente, sensible al flanco positivo Down: entrada de pulsos para conteo decreciente, sensible al flanco positivo LOD: entrada asincrónica que al activarse con un 0 se carga o almacena el número presente en las entradas arry: salida de acarreo, al alcanzar el nº 15 (1111) esta salida cambia a 0 cuando la entrada Up=0 orrow: salida de préstamo, al alcanzar el nº 0 (0000) esta salida cambia a 0 cuando la entrada Down=0 Figura 8 ontador sincrónico binario (a) símbolo estándar, (b) símbolo de la IEEE Sin embargo, la salida de acarreo se puede aplicar a la entrada Up de otro circuito haciendo que el mismo pase a 0001, y así tendríamos un contador de 8 bits con el número (#16) almacenado, etc número almacenado pulsos aplicados a la entrada Up La salida arry se activa con un 0 cuando tiene el número 15 y UP=0 Figura 9. Señales en el contador señal en la salida arry

11 lteración del conteo. La secuencia de conteo de un contador puede ser alterada para contar en una base diferente. sí por ejemplo, suponga que se desee obtener un contador decimal que cuente del 0 al 9 y en el décimo pulso regrese al 0 con el circuito integrado anterior. Este circuito se muestra en la figura 10 el cual debe ser montado en el laboratorio y comprobado su funcionamiento. pulsador Q LR Up Down TRDIV16 T=0 2+ G1 1- G2 1ct=15 2ct=0 LOD 3 Q 1 Q Q 2 4 display D QD 8 Figura 10. ontador decimal En el contador binario TRDIV16 de la figura 10, la entrada de LOD es alimentada por una compuerta NND para que cuando ocurra el décimo pulso y este contador pase a 1010 momentáneamente la entrada LOD se haga 0 y se cargue el número presente en su entrada (0000). De esta forma se obliga a este contador a pasar del número 9 (1001) al 0 (0000). ibliografía 1. M. Morris Mano, Lógica Digital y Diseño de omputadores, Editorial Dossat S.., Víctor P Nelson, H. Troy Nagle, ill D. arroll y. David Irwin, nálisis y Diseño de ircuitos Lógicos Digitales, Prentice-Hall Hispanoamericana S.., F. Wakerly, Digital Design Principles and Practices, 2ª ed., Englewood liffs, N: Prentice-Hall, 1984.