Contadores Síncronos

Como vimos en los contadores asincronos, los contadores de rizo no pueden ser utilizados para llevar cuentas precisas, cuando necesitamos la mayor precisión posible, se deben utilizar los Contadores Síncronos o "Paralelos".

A diferencia de su contraparte el contador de rizo, el contador síncrono o "Paralelo" lleva una conexión un tanto diferentes sobre los FF, esto puede aumentar su complejidad, pero es la única manera de obtener el menor retraso posible para operar de manera confiable y alcanzar mayores velocidades de conteo.

En los contadores paralelos, todos los FF cambian al mismo tiempo, lo que reduce la propagación a un solo valor (el tiempo que tarda en cambiar de estado un solo FF).

La siguiente figura ilustra el circuito de un contador síncrono (Paralelo):

Figura 1

Al comparar el circuito síncrono y el asíncrono, podremos observar diferencias muy marcadas:

1. En este circuito, todas las entradas de reloj (CP) están conectadas a un mismo punto, logrando así que la señal de reloj sea la misma para todos los FF del contador.

2. Únicamente el primer BIT (FF) tiene sus entradas "J-K" conectadas a V+, y por consiguiente, será el único que se complemente (Toggle) libremente, los demás dependen de una combinación en las salidas para poder complementarse.

3. Es primordial el uso de otro tipo de circuitos digitales además de los FF, en este caso, un par de compuertas AND, una de dos entradas y una de tres entradas.

Funcionamiento del circuito contador síncrono

Observemos por un momento la secuencia de conteo de este circuito:

Tabla 1

Como podemos observar en la gráfica anterior, el primer BIT siempre cambia de estado con cada pulso de reloj, el segundo cambia cada dos, el tercero cada cuatro, y el cuarto cada ocho.

En los contadores asíncronos, este efecto es automático y no hay que preocuparse por él, pero en el caso de los contadores síncronos, tenemos que forzar a cada FF a complementarse de manera precisa y controlada

Para que este cambio se lleve a cabo, se utilizan las dos compuertas, tomemos como ejemplo la compuerta de dos entradas, solamente cuando sus dos entradas se encuentren en el estado alto (BIT 1 = 1 y BIT 2 =1), la salida será alta, y por lo tanto "J-K" del tercer FF también, al llegar el pulso del reloj, este podrá complementarse. Y en el caso de la compuerta de tres entradas el caso es idéntico, solamente cuando sus tres entradas sean altas, su salida será alta, y el cuarto FF podrá cambiar.

En otras palabras, EL FF 1 se complementa sin ayuda alguna, ya que sus entradas "J-K" le permiten hacerlo libremente, el segundo FF depende de la salida del primero, el tercero depende de de los dos primeros, el cuarto de los tres primeros, y así sucesivamente si le seguimos colocando más BITS (FF) al contador.

Los cambios en las entradas de las compuertas suceden con cada pulso del reloj, de manera que mientras la transición correcta llega, los FF que deban complementarse ya están "preparados" y responden inmediatamente a la señal de reloj.

Ventajas de los contadores síncronos

La principal ventaja de este tipo de contadores sobre los asíncronos radica en que todos los FF sin importar cuántos sean, cambian al mismo tiempo, sincronizados por la señal de reloj.

Una ventaja derivada de la primera es que el tiempo de propagación se reduce al mínimo, ya que el conteo sólo debe propagarse por una o dos compuertas y un FF (Ya que cambian al mismo tiempo, y no dependen de otro FF para operar).

Por lo que el retardo de estos contadores va a ser mucho menor al de un contador asíncrono con el mismo número de FF (BITS).

Contadores síncronos de cuenta Ascendente/Descendente

Con anterioridad vimos como un contador asíncrono "normal" (Conteo ascendente) podía ser modificado para hacer el conteo descendente. En el caso de los contadores síncronos es la misma mecánica.

La siguiente figura nos muestra un contador MOD 8, con controles separados de cuenta ascendente/descendente.

Figura 1

El principio de operación es el mismo, la diferencia es que tenemos dos pines de control, cada uno va a ser activo en el estado alto, y por obvias razones no pueden estar en el mismo estado al mismo tiempo, ya que el contador puede producir errores o cuentas impredecibles.

SI mantenemos en el estado alto el pin "Cuenta ascendente" las señales de cada FF que llegarán al siguiente serán las de las salidas "normales".

Si lo hacemos al contrario, las señales que serán usadas serán las de las salidas "negadas". Produciendo la cuenta hacia arriba o hacia abajo.

Contadores síncronos con entradas de pre-establecer

Una gran necesidad en un circuito contador es la capacidad de poder modificar la cuenta a voluntad del usuario, (de otra manera tendríamos que esperar a que llegara al número deseado de manera autónoma).

La gran mayoría de circuitos contadores integrados en un solo chip cuentan con uno o más tipos de entradas de control para este fin.

La siguiente figura nos muestra un ejemplo de las mismas.

Figura 3

El funcionamiento del contador en general es el mismo que habíamos visto antes, ero con la ventaja de que podemos enviar el contador a un número arbitrario en el momento que lo necesitemos.

Para este efecto, el número a cargar se pone en las entradas de datos de carga en paralelo, en formato binario.Y cuando lo necesitemos, lo único que tenemos que hacer es enviar un pulso a la entrada de activar carga, y el número establecido con anterioridad será enviado (cargado) a la salida.

NOTA: La información acerca de los circuitos contadores armados de forma discreta (Con FF y compuertas lógicas) no es muy extensa ya que no son aplicadas comúnmente. Sólo son para propósitos de comprender el funcionamiento de los mismos, antes de pasar a los contadores integrados en un chip.

Contadores síncronos (paralelos) integrados en un chip

Para evitar lo complejo y obsoleto de los contadores discretos (Circuitos con FF y compuertas lógicas), se utilizan los contadores integrados en un solo chip, en el mercado se puede conseguir una amplia gama de modelos con diferentes características, como Números MOD, entradas de pre-establecimiento, etc.

La siguiente figura nos muestra el circuito integrado de la familia TTL 74LS193.Un contador síncrono MOD 16 pre-fijable y reset asíncrono y con salidas de acarreo.

Figura 4

En la siguiente tabla se describen los nombres de cada uno de los pines

Tabla 2

Descripción del funcionamiento de las entradas / salidas

Entrada CPU: Esta entrada sólo responderá a las TP (Transiciones positivas) de la señal de reloj, se puede identificar claramente por la falta de un círculo o una línea debajo del símbolo de la entrada. Y su propósito es el de enviar los pulsos de reloj para activar la cuenta Ascendente.

Entrada CPD: Esta entrada sólo responderá a las TP (Transiciones positivas) de la señal de reloj, se puede identificar claramente por

la falta de un círculo o una línea debajo del símbolo de la entrada. Y su propósito es el de enviar los pulsos de reloj para activar la cuenta Descendente.

Entrada PL: Esta entrada sólo será activa al estar en el estado BAJO, se puede identificar claramente por el pequeño círculo o una línea debajo del símbolo de la entrada. Y su propósito es el de enviar los pulsos para activar la carga de un número paralelo pre-establecido.

Entrada MR: Esta entrada sólo será activa al estar en el estado BAJO se puede identificar claramente por el pequeño círculo o una línea debajo del símbolo de la entrada. Esta entrada es la encargada de activar el RESET general, enviando todas las salidas al estado BAJO, es decir, al número 0000.

Entradas D0 - D3: Estas entradas sólo serán activas al estar en el estado ALTO, se puede identificar claramente por la falta de un círculo o una línea debajo del símbolo de la entrada. SU propósito es el de albergar el número binario paralelo que va a ser cargado al activar el pin PL.

Salidas Q0 - Q3: Las cuatro salidas del contador, desde el LSB (Q0), hasta el MSB (Q3).

Salida TCU: Esta salida enviará un pulso cada vez que el contador se recicle, en el modo de conteo ascendente.

Salida TCD: Esta salida enviará un pulso cada vez que el contador se recicle, en el modo de conteo descendente.

En la siguiente tabla se explica las acciones que generan las diferentes combinaciones en las entradas:

Tabla 3

Contador de anillo

Un tipo de contadores que funcionan de manera especial son los llamados "Registros de corrimiento", el contador de anillo o "registro de corrimiento circulante" es el más sencillo de ellos.

Este nombre se toma de la manera en la que está conectado el circuito contador, Cada FF transfiere el estado presente en su entrada al siguiente FF con cada pulso de la entrada de reloj, y el último FF regresa ese estado al primero, cerrando así el "Anillo".

La siguiente figura nos muestra el circuito de un contador de anillo

Figura 5

La siguiente tabla nos muestra la secuencia que siguen los datos al pasar por lo FF, esto suponiendo que el estado de cuenta inicial fuera de: Q3 = 1, Q2=0, Q1=0, y Q0=0.

Tabla 4

En la gráfica podemos observar el corrimiento de los datos sobre los cuatro FF.

El número MOD de un contador de anillo puede ser tan grande como lo necesitemos, sólo se necesita agregar más FF al anillo.

Aunque su uso es menos eficaz que el de los contadores normales, esta configuración sigue vigente gracias a que no es necesaria la decodificación de las salidas (Como sucede con los contadores asíncronos y síncronos), la salida decodificada es obtenida directamente de la salida del FF que deseemos.

El contador Johnson

Haciendo una pequeña modificación al contador de anillo básico, podemos crear otro tipo de contador de anillo. El contador Johnson u de anillo trenzado.

El circuito básico es en esencia el mismo, el único cambio que necesitamos hacer es en la salida del último FF (la que cierra el anillo con la entrada del primer FF).

En vez de utilizar la salida "normal" para enviarla a la entrada del prime FF, se toma la salida Negada.

Figura 6

La siguiente tabla nos muestra la secuencia que siguen los datos al pasar por lo FF.

Tabla 5

Como podemos observar en la secuencia, el número MOD de un contador tipo Johnson siempre será el doble de los FF que lo conformen.

Este tipo de contadores está limitado a un número MOD que siempre será PAR.

Con esto termina este pequeño tutorial de los Contadores, espero que las dudas hayan encontrado una respuesta satisfactoria, y que la información aquí contenida sea de gran utilidad para el lector.

Autor: Apollo

Contadores AsíncronosEn la siguiente figura podemos observar la conexión de cuatro FF tipo J-K para formar un contador asíncrono de 4 BITS, comúnmente conocido como Contador de Rizo de 4 BITS.

Figura 1

El funcionamiento de este circuito se basa en cuatro puntos importantes:

1. ALos pulsos de reloj sólo son aplicados a la entrada CP (Clock, reloj) del primer Fip-Flop. Teniendo en cuenta que es un FF tipo "J-K", y que estas dos entradas se encuentran en un nivel alto (Conectadas a V+), el FF realizará la función de complemento o "Toggle", conmutando sus salidas con cada pulso de la señal de reloj. El cambio puede ser controlado por transiciones positivas o negativas de la señal de reloj, esto depende únicamente del tipo de entrada del FF.

2. La salida del primer FF (Primer BIT) actúa como pulso de reloj para el siguiente FF (Segundo BIT), y así sucesivamente hasta llegar al cuarto FF. De esta manera se logra que un FF sólo pueda cambiar de estado cuando el anterior le proporcione la transición correcta a su entrada.

3. Las salidas de los FF representan el número binario de 4 BITS, Obteniendo del primer FF el LSB (Dígito menos significativo), y del último el MSB (Dígito más significativo). Al comenzar la cuenta, teóricamente las salidas de los FF deben estar en cero, esto nos da e número 0000, esto puede lograrse con las entradas de "Restablecer" (RESET), las cuáles no son mostradas en el diagrama. La tabla 1, muestra la secuencia de conteo desde el número 0000 al 1111.

4. Una vez que ha llegado el quinceavo pulso de entrada, el contador se encontrará en la cuenta máxima para 4 BITS, es decir 1111, al llegar el siguiente pulso, el contador volverá a la posición original de 0000, Esto supone un ciclo completo del contador y se conoce como el "reciclado" de la cuenta.

Este diseño de contador, es conocido como "Contador Asíncrono", debido a que los cambios de estado en los FF son asíncronos con respecto a la señal de reloj, es decir, no ocurren al mismo tiempo que cambia la señal de reloj. El único que obedece directamente a los cambios de la señal de reloj es el primer FF.

Cambio del primer FF = Señal de reloj Cambio del segundo FF = Primer FF + Señal de reloj Cambio del tercer FF = Segundo FF + Primer FF + Señal de reloj Cambio del cuarto FF = Tercer FF + Segundo FF + Primer FF + Señal de reloj.

Esta configuración nos permite observar que se produce un retraso en la propagación de la señal desde la entrada a la salida (Ya que existe un pequeño tiempo de retraso cuando un FF cambia de estado, el cuál explicaremos a detalle más adelante).

Este es el uno de los "defectos" de los contadores de rizo, debido al retraso explicado anteriormente, este tipo de contadores tiene un límite en la frecuencia de reloj aplicada a su entrada, aunque los retrasos en los FF modernos son muy pequeños (entre los 10 y los 40 nano-segundos), si se aplica a la entrada una frecuencia muy alta, el contador no puede funcionar de manera correcta.

Tabla 1

Contadores asíncronos integrados en un solo chip.

Los ejemplos anteriores de circuitos discretos (todo hechos con FF) sólo son para ejemplificar la construcción del contador, en la práctica, son obsoletos ya que se necesitan muchos integrados y espacio para crearlos.

En el mercado podemos conseguir diferentes tipos de integrados con tecnología TTL o CMOS con contadores de rizo internos, Uno de los ejemplos más usados es el 74LS293.

En la figura 2, se encuentra el diagrama interno del integrado.(Se toma por entendido que todas las entradas "J-K" están en estado ALTO)

Figura 2

En este diagrama podemos observar una conexión muy parecida a la de la figura anterior, el integrado cuenta con cuatro FF tipo "J-K", cada una de las salidas de los FF representa un BIT, desde Q0 (LSB), hasta Q3 (MSB).

Cada uno de los FF cuenta con una entrada de reloj, pero en este caso, solamente dos son accesibles desde el exterior, la entrada del primer FF (CP 0), y la del segundo FF (CP 1), esta configuración nos permite utilizar los últimos tres FF como contador de tres bits y el primero por separado, o utilizar los cuatro bits para la cuenta.

Todos los FF cuentan con una entrada de RESET, la cual se encuentra conectada a una compuerta NAND de dos entradas, las cuáles son accesibles desde el exterior (MR 1 y MR 2), de esta manera se puede logra el reset del contador desde dos puntos diferentes.

Número MOD

En los casos anteriores, los dos contadores pueden darnos una salida de 4 BITS, es decir, cuentan desde el 0000 hasta el 1111, Para efectos prácticos, estos contadores son denominados Contadores "MOD 16", Ya que presentan 16 estados diferentes en la cuenta. Por lo que el número MOD, siempre es igual al número de estados que podemos obtener del contador antes que recicle su cuenta.

La siguiente tabla nos muestra los diferentes números MOD.

Tabla 2

Por lo que podemos observar en la relación de la tabla, al agregar un BIT más de cuenta (Otro FF), se duplica el número de estados posibles y por lo tanto también el número MOD.

Esto no permite llegar a una fórmula para saber cuál es el número MOD de un contador sabiendo el número de FF que se van a conectar.

Número MOD = 2 (N)

Lo que puede traducirse como "El número MOD es igual a 2 multiplicado a la (N) potencia". El número "N" es el número de FF que deseemos ocupar.

Por ejemplo, ¿cuál será el número MOD de un contador con 6 FF (6 BITS)?

Entonces: MOD = 2 (6)MOD = 2 multiplicado a la sexta potenciaMOD = 2*2*2*2*2*2MOD = 64

Contadores con Número MOD diferente a 2 (N)

En el ejemplo anterior pudimos encontrar el número MOD de un contador basado en la fórmula de 2 (N), pero:

¿Cómo encontrar el número de FF que se necesitan para un contador que no sea un MOD 4 o MOD 8?

Por ejemplo:Si necesitáramos hacer un contador MOD 6. ¿Cómo podríamos lograr esto?

Debido a la naturaleza de los números binarios, no se puede lograr de manera "Común" un número MOD que es diferente a los obtenidos por medio de la fórmula anterior.

En estos casos, lo que hacemos es crear un contador con el número MOD más cercano hacia arriba, En este caso, el más cercano es el MOD 8. Y hacer que el contador omita los estados que no son necesarios.

Es decir:

Tabla 3

La tabla nos muestra la cuenta máxima de un contador MOD 6, el cuál sería el número 5 (101), por lo que necesitamos hacer que nuestro contador "recicle" su cuenta al pasar de este número al siguiente.

En la siguiente figura, se representa el diagrama del contador que necesitamos.

Figura 3

El funcionamiento de este circuito es básicamente el mismo que hemos visto hasta ahora, pero al agregar una compuerta NAND como control de las entradas de RESET, podemos hacer que nuestro contador se recicle al llegar al número que deseemos.Cada una de las entradas está conectada a la salida de un FF, dependiendo de cuáles BITS sea, la compuerta ordenará el RESET a todos los FF, enviando la cuenta a cero o "reciclándola".

En este caso, una de las entradas de la compuerta NAND está conectada a la salida Q1 (Segundo BIT), y la otra a Q2 (Tercer BIT), por lo que solamente habrá un pulso de RESET a la salida en la compuerta cuando sus dos entradas se encuentren en el estado ALTO. Por lo que la compuerta actuará cuando esté presente el número seis (110), enviando la cuenta nuevamente a cero (000).

Al ser un contador de rizo, nuevamente nos topamos con el factor del retraso en la propagación de la cuenta, ya que se necesita cierto tiempo para que la señal de salida de los contadores sea enviada al RESET de los FF, por un pequeño momento (tal vez no perceptible

para nosotros), será visible el número 6, e inmediatamente será reciclado a cero. Este efecto es claramente visible si a nuestro contador le incorporamos un decodificador de Código Binario a un display de 7 segmentos y ocupamos una frecuencia de reloj muy baja.

El retraso en la propagación de la cuenta es la causa principal por la que los contadores de rizo no son muy utilizados en sistemas de medición de tiempo. Por ejemplo un reloj digital, ya que después de cierto tiempo, el reloj quedará retrasado.

Dirección de la cuenta en los contadores de rizo.

Hasta ahora sólo hemos visto contadores asíncronos que siempre elevan el número de la cuenta, pero ¿Cómo lograr que el contador funcione restando la cuenta? La solución es muy sencilla, simplemente se alimentan los FF con las salidas Negadas o Invertidas de los FF, no importa el número MOD de un contador, si se toman las salidas Negadas como reloj para los siguientes FF, la cuenta siempre será hacia abajo.

Figura 4

Contador fotoeléctrico de personas y objetos

Descripción general

El contador fotoeléctrico que se describe en este proyecto es un circuito que cuenta la cantidad de veces que un objeto opaco se interpone entre un rayo de luz y un sensor óptico. El estado de la cuenta se visualiza en tres displays de siete segmentos, permitiendo la cuenta en línea hasta de 999 objetos.

El contador utiliza como sensor un LDR (resistencia dependiente de la luz) o fotocelda. La luz puede provenir de una fuente natural (sol) o artificial (lámparas incandescentes, fluorescentes, de neón, etc.).

Cuando la cuenta llega a su tope máximo (999), el circuito la reinicia nuevamente en 0 y envía una señal de sobreflujo que puede utilizarse externamente para ampliar la longitud del conteo a 4 ó más dígitos.

El circuito también proporciona la facilidad de borrar la cuenta (reset) o detenerla (stop) en cualquier momento. No utiliza partes móviles y es extremadamente compacto, gracias a la adopción de una técnica digital conocida como muítiplex por división de tiempo.

Al no existir contacto físico entre el sensor y el mundo externo, el sistema garantiza la ausencia de desgaste mecánico y permite contar objetos de cualquier índole, sin importar su forma o su peso. Esta es una de sus principales ventajas.

Los contadores fotoeléctricos se utilizan en una gran variedad de aplicaciones, domésticas e industriales, y sustituyen a los contadores electromecánicos convencionales en numerosas situaciones. Se pueden emplear para contar personas, animales y objetos como hojas, botellas, latas, cajas, bolsas, etc.

Operación

En la figura 1 se muestra el diagrama de bloques de nuestro contador fotoeléctrico. El sistema consta, básicamente, de un sensor de luz (LDR), un conformador de pulsos, un contador BCD de 3 décadas multiplexado, un decodificador de BCD a siete segmentos y un displays de 3 dígitos.

En la figura 2 se muestra el circuito correspondiente al conformador de pulsos. En condiciones normales, la fuente de luz ilumina la fotocelda y su resistencia es muy baja. Como resultado, la entrada del inversor Schmitt-trigger recibe un alto y su salida es baja.

Cuando se interpone un objeto entre el rayo de luz y la fotocelda, la resistencia de esta última aumenta, aplicando un bajo a la entrada del inversor Schmitt-trigger. Como respuesta, la salida del circuito realiza una transición de bajo a alto, es decir, produce un flanco de subida.

Cuando el objeto deja de interrumpir el rayo de luz, la resistencia de la fotocelda disminuye y la salida del inversor se hace nuevamente baja. El resultado neto de este proceso es la emisión de un pulso positivo de voltaje. Este pulso se aplica al contador.

Las fotoceldas no responden inmediatamente a los cambios en la intensidad de la luz incidente y, por tanto, generan señales lentas. Esta es la razón por la cual se emplea una compuerta Schmitt-trigger como dispositivo conformador de pulsos.

El potenciómetro R2 permite ajustar la sensibilidad de la fotocelda de acuerdo a la intensidad de la luz incidente. La resistencia R1 sirve de protección, evitando que circule una corriente excesiva cuando el potenciómetro está en su posición de mínima resistencia y la

LDR está iluminada.

El contador de pulsos es el corazón de este proyecto. Está desarrollado alrededor de un circuito integrado MC14553. Este chip, consiste de tres contadores BCD conectados en cascada.

El primer contador registra, en código BCD, las unidades, el segundo las decenas y el tercero las centenas del número de pulsos.

Por ejemplo, si han ingresado 319 pulsos, en las salidas del primer contador se tendrá el código BCD 0011 (3), en las salidas del segundo el código 0001 (1) y en las salidas del tercero el código 1001 (9).

Estos tres códigos se rotan secuencialmente en las salidas del contador MC 14553, apareciendo cada uno durante una pequeña fracción de tiempo ( 1.6 ms). Esta forma de presentar información digital se conoce como multipLex por división de tiempo.

Las salidas del contador alimentan un decodificador 4543B, el cual convierte cada código BCD en un código de siete segmentos que excita, secuencialmente, los displays encargados de visualizar las unidades, decenas y centenas de la cuenta.

En la figura 3 se muestra el díagrama esquemático completo del contador fotoeléctrico. Los pulsos provenientes del conformador se aplican al pin 12 del MC14553. Para que la cuenta ocurra, las líneas MR (reset maestro, pin13) y DIS (inhibidor, pin11) deben estar ambas en bajo.

Para iniciar la cuenta a partir de 000 ó cancelarla en cualquier momento, debe pulsarse el botón de borrado S1 (RESET). De este modo, la línea MR (reset maestro pin 13) del MC14553 recibe un alto y todas las salidas BCD de sus contadores internos se hacen iguales a 0000.

Para detener la cuenta y congelarla en el último valor registrado, sin borrarla, debe pulsarse el botón de paro S2 (STOP). Cuando esto se hace, la línea DIS (inhibidor, pin 11) del MC14553 recibe un alto y se inhibe la operación de los contadores BCD internos.

El condensador C1 determina la frecuencia de exploración, es decir, la rapidez con la cual el MC14553 muestra secuencialmente en sus salidas los códigos de las unidades, decenas y centenas de la cuenta actual.