En el tutorial anterior, aprendimos sobre los contadores asíncronos. Es fácil de construir, pero lleva tiempo funcionar.
Un contador que utiliza una señal de reloj para cambiar sus transiciones se llama “contador síncrono”. Esto significa que un contador síncrono depende de la entrada del reloj para cambiar su valor de estado. En un contador síncrono, todos los flip-flops están conectados a la misma señal de reloj y todos los flip-flops se activan al mismo tiempo.
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Los contadores sincrónicos también se denominan “contadores concurrentes”. Los contadores síncronos no tienen retrasos de propagación ni efectos dominó.
Tabla de contenido
Diferentes tipos de contadores síncronos
En la electrónica digital se encuentran disponibles diferentes tipos de contadores síncronos. Se enumeran a continuación.
- contador binario
- Contador Ascendente síncrono de 4 bits
- Contador descendente síncrono de 4 bits
- Contador ARRIBA/ABAJO síncrono de 4 bits
- contador cargable
- contador BCD
- contador de anillos
- contador johnson, etc.
Contador Ascendente síncrono de 4 bits
El contador ascendente de 4 bits que se muestra en la siguiente figura está diseñado con flip-flops JK. Los pulsos de reloj externos están conectados en paralelo a todos los flip-flops.
Se recomiendan las chanclas JK para el diseño de mostrador. La clave para usar un flip-flop JK es que cuando ambas entradas están altas, puede cambiar de estado según el pulso del reloj.
La entrada del primer flip-flop está conectada a ALTA (lógica 1) y el flip-flop conmuta cada vez que se aplica un pulso de reloj. Por lo tanto, un contador síncrono funciona con una única señal de reloj y cambia de estado con cada pulso.
La salida del primer flip-flop JK (Q) está conectada a la entrada del segundo flip-flop. La puerta AND (conectada externamente) controla las entradas de los otros dos flip-flops. Las entradas de estas puertas AND provienen de la salida del flip-flop anterior.
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Si la entrada de FF2 está conectada directamente a la salida Q1 de FF1, el contador no funcionará correctamente. Esto se debe a que el valor de Q1 es alto en 210 recuentos. Esto significa que el flip-flop FF2 conmuta en el tercer pulso de reloj. Esto da como resultado una operación de conteo incorrecta, lo que da como resultado un conteo de 710 en lugar de 410.
Para evitar este problema, se utilizan puertas AND en el lado de entrada de FF2 y FF3. La salida de la puerta AND es Alta sólo cuando las salidas Q0, Q1 son Altas. Entonces, en el siguiente pulso del reloj, la cuenta será 00012.
De manera similar, cuando Q0, Q1 y Q2 están en nivel alto, el flip-flop FF3 conmuta en el cuarto pulso de reloj. La salida Q3 no conmuta hasta el octavo pulso de reloj y permanece alta nuevamente hasta el decimosexto pulso de reloj. Después del pulso de reloj número 16, las salidas q de todos los flip-flops vuelven a 0.
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El contador ascendente tiene una secuencia binaria de 4 bits que comienza en 0000 y aumenta hasta 1111. Antes de comprender el funcionamiento del circuito contador anterior, conozca el flip-flop JK.
En el circuito anterior, las dos entradas del flip-flop están conectadas entre sí. Por lo tanto, sólo hay dos condiciones que pueden ocurrir. Es decir, las dos entradas son Alta o Baja.
Si las dos entradas están altas, el flip-flop JK conmuta; si ambas están bajas, el flip-flop JK recuerda. Es decir, permanece en su estado anterior.
Echemos un vistazo a la operación. Aquí el pulso de reloj indica un pulso de reloj activado por flanco.
1.) En el primer pulso de reloj, las salidas de todos los flip-flops son 0000.
2.) En el segundo pulso de reloj, la salida del flip-flop JK (FF0) cambia su estado cuando las entradas J y k están conectadas a la lógica alta. Por tanto, la salida del primer flip-flop (FF0) cambia de estado. Esto se puede observar en la secuencia que se muestra arriba. El LSB cambia de estado alternativamente.Por lo tanto se genera -0001
3.) En el tercer pulso de reloj, el siguiente flip-flop (FF1) recibe la entrada JK, es decir (lógica alta) y cambia su estado. En este estado, FF0 cambia su estado a 0. Por tanto, la entrada de FF1 será 0. Por lo tanto, la salida será -0010.
4.) De manera similar, en el cuarto pulso de reloj, FF1 no cambia de estado ya que la entrada está en estado bajo y permanece en su estado anterior. Produce una salida en FF2, pero el estado permanece sin cambios debido a la presencia de la puerta AND. FF0 vuelve a cambiar la salida al estado lógico alto. Por lo tanto, la salida será 0011.
5.) En el quinto pulso de reloj, FF2 recibe la entrada y cambia su estado. Por otro lado, la salida de FF0 pasa a un estado lógico bajo y FF1 también pasa a un estado bajo, generando 0100.
Este proceso continúa hasta 1111. El trabajo se puede explicar en la siguiente tabla. El funcionamiento del contador síncrono anterior se muestra claramente en la siguiente tabla.
La siguiente tabla muestra las salidas de los cuatro flip-flops Q1, Q2, Q3 y Q4. El primer flip-flop conmuta con cada pulso activado por flanco. El segundo flip-flop, por otro lado, se activa sólo si su entrada está en nivel alto en el pulso de reloj especificado. El tercer flip-flop conmuta cuando sus dos salidas Q1 y Q2 están en nivel alto. De manera similar, si los tres Q1, Q2 y Q3 son Altos, Q4 alternará.
Después de llegar a cero nuevamente, los tres flip-flops cambian a nivel lógico bajo, o 0000, y el conteo comienza de nuevo.
El diagrama de tiempo del contador ascendente se muestra a continuación.
Contador descendente síncrono de 4 bits
Un contador regresivo cuenta los números en orden descendente. Esto es similar a un contador ascendente, pero el conteo debe disminuirse. Por lo tanto, la entrada del flip-flop JK está conectada a la Q invertida (Q’). El contador regresivo de 4 bits que se muestra en la siguiente figura está diseñado con flip-flops JK. El mismo pulso de reloj externo está conectado a todos los flip-flops.
El contador tiene que contar una secuencia regresiva, por lo que inicialmente todas las entradas están en estado alto. Al igual que el contador ascendente, comienza en 1111 y termina en 0000.
Tenga en cuenta que en un contador descendente, el flip-flop anterior solo conmuta si produce lógica baja en su salida.
Contador ascendente/descendente síncrono de 4 bits
Los dos contadores anteriores se pueden implementar con un único contador llamado contador ascendente y descendente. Esto se puede seleccionar desde la entrada. A continuación se muestra el diseño del contador ascendente/descendente utilizando el flip-flop JK.
Los contadores ascendentes/descendentes tienen dos puertas AND de entrada y modos de conteo “ascendente” y “descendente” que se utilizan para detectar condiciones de bits apropiadas para las operaciones de conteo. La puerta OR se utiliza para combinar las salidas de las puertas AND de cada flip-flop JK.
Proporciona líneas de control superior e inferior, lo que permite que una serie de puertas AND superiores o inferiores pasen la salida de los flip-flops JK Q, Q’ a la siguiente etapa de flip-flops en una disposición en cascada.
Cuando la línea de control arriba/abajo se establece en ALTA, la puerta AND superior se habilita y el circuito funciona como un contador ARRIBA. Cuando la línea de control arriba/abajo está configurada en nivel bajo, la puerta Y inferior se habilita y el circuito funciona como un contador descendente.
Aplicación de contadores síncronos.
La aplicación más común y conocida de los contadores síncronos es el control de movimiento mecánico, un proceso en el que un codificador de eje giratorio convierte pulsos mecánicos en pulsos eléctricos. Estos pulsos actúan como entradas de reloj para el contador ascendente/descendente e inician el funcionamiento del circuito.
Este circuito consta de un fototransistor o sensor de luz y un LED conectado al eje del rotor. Esta disposición está conectada al contador ARRIBA/ABAJO. Cuando la máquina comienza a moverse, hace girar el eje del codificador conectando e interrumpiendo (haciendo y rompiendo) el haz de luz entre el sensor de luz y el LED.
Este movimiento hace que el rotor genere pulsos de reloj que aumentan la cuenta en el circuito contador ascendente y descendente. Por tanto, la contranota reduce el movimiento del eje y da el valor de cuánto ha recorrido el rotor.
Para contar el movimiento del eje del rotor, mover el eje en una dirección aumenta el conteo y moverlo en otra dirección disminuye el conteo. También utiliza circuitos codificadores/decodificadores para distinguir la dirección del movimiento.