Contadores síncronos

¿Qué es un síncrono ? Contador?

Un contador síncrono , a diferencia de un contador asíncrono , es uno cuyos bits de salida cambian de estado simultáneamente, sin rizado.

La única forma en que podemos construir un circuito contador de este tipo a partir de flip-flops J-K es conectar todas las entradas de reloj juntas, de modo que todos y cada uno de los flip-flop reciban exactamente el mismo pulso de reloj a la misma hora:

Ahora, la pregunta es, ¿qué hacemos con las entradas J y K? Sabemos que todavía tenemos que mantener el mismo patrón de frecuencia de división por dos para contar en una secuencia binaria, y que este patrón se logra mejor utilizando el modo "alternar" del flip-flop, por lo que el hecho de que el Las entradas J y K deben ser ambas (a veces) "altas", es claro.

Sin embargo, si simplemente conectamos todas las entradas J y K al riel positivo de la fuente de alimentación como lo hicimos en el circuito asíncrono, esto claramente no funcionaría porque todos los flip-flops se alternarían al mismo tiempo:con todos y cada uno pulso de reloj!

Examinemos de nuevo la secuencia de conteo binario de cuatro bits y veamos si hay otros patrones que predigan el cambio de un bit.

El diseño del circuito contador asíncrono se basa en el hecho de que cada cambio de bit ocurre al mismo tiempo que el bit anterior cambia de "alto" a "bajo" (de 1 a 0).

Dado que no podemos sincronizar el cambio de un bit basado en el cambio de un bit anterior en un circuito contador síncrono (hacerlo crearía un efecto dominó), debemos encontrar algún otro patrón en la secuencia de conteo que se pueda usar para disparar un bit. alternar:

Al examinar la secuencia de conteo binario de cuatro bits, se puede ver otro patrón predictivo.

Observe que justo antes de que se alterne un bit, todos los bits anteriores son "altos":

Este patrón también es algo que podemos aprovechar al diseñar un circuito contador.

Sincrónico Contador "ascendente"

Si habilitamos cada flip-flop JK para alternar en función de si todas las salidas de flip-flop anteriores (Q) son "altas" o no, podemos obtener la misma secuencia de conteo que el circuito asíncrono sin el efecto dominó, ya que cada flip-flop en este circuito se cronometrará exactamente a la misma hora:

El resultado es un síncrono de cuatro bits Contador "ascendente". Cada uno de los flip-flops de orden superior está listo para alternar (las entradas J y K están "altas") si las salidas Q de todos los flip-flops anteriores son "altas".

De lo contrario, las entradas J y K para ese flip-flop serán ambas "bajas", colocándolo en el modo "pestillo" donde mantendrá su estado de salida actual en el siguiente pulso de reloj.

Dado que el primer flip-flop (LSB) debe alternarse en cada pulso de reloj, sus entradas J y K están conectadas a V _cc o V _dd , donde estarán "altos" todo el tiempo.

El siguiente flip-flop solo necesita "reconocer" que la salida Q del primer flip-flop es alta para estar listo para alternar, por lo que no se necesita una puerta AND.

Sin embargo, los flip-flops restantes deben estar listos para alternar solo cuando todos Los bits de salida de orden inferior son "altos", de ahí la necesidad de puertas AND.

Contador "descendente" síncrono

Para hacer un contador "regresivo" síncrono, necesitamos construir el circuito para reconocer los patrones de bits apropiados que predicen cada estado de alternancia mientras se realiza la cuenta regresiva.

No es sorprendente que cuando examinamos la secuencia de conteo binario de cuatro bits, veamos que todos los bits anteriores son "bajos" antes de un cambio (siguiendo la secuencia de abajo hacia arriba):

Dado que cada flip-flop JK viene equipado con una salida Q 'así como una salida Q, podemos usar las salidas Q' para habilitar el modo de alternancia en cada flip-flop sucesivo, siendo que cada Q 'será "alto" cada tiempo en el que la Q respectiva es "baja":

Circuito contador con modos de conteo "ascendente" y "descendente" seleccionables

Llevando esta idea un paso más allá, podemos construir un circuito contador con modos de conteo seleccionables entre "ascendente" y "descendente" al tener líneas duales de puertas AND que detecten las condiciones de bit adecuadas para una secuencia de conteo "ascendente" y "descendente", respectivamente, luego use las puertas OR para combinar las salidas de la puerta AND con las entradas J y K de cada flip-flop sucesivo:

Este circuito no es tan complejo como podría parecer a primera vista. La línea de entrada de control Arriba / Abajo simplemente permite que la cadena superior o la cadena inferior de puertas AND pasen las salidas Q / Q 'a las etapas posteriores de los flip-flops.

Si la línea de control Arriba / Abajo es "alta", las puertas Y superiores se habilitan y el circuito funciona exactamente igual que el primer circuito contador síncrono ("arriba") que se muestra en esta sección.

Si la línea de control Arriba / Abajo se hace "baja", las puertas AND inferiores se habilitan y el circuito funciona de manera idéntica al segundo circuito (contador "descendente") que se muestra en esta sección.

Para ilustrar, aquí hay un diagrama que muestra el circuito en el modo de conteo "ascendente" (todos los circuitos desactivados se muestran en gris en lugar de negro):

Aquí, mostrado en el modo de conteo "regresivo", con el mismo color gris que representa los circuitos deshabilitados:

Los circuitos de contador progresivo / regresivo son dispositivos muy útiles. Una aplicación común es el control de movimiento de máquinas, donde los dispositivos llamados codificadores de eje rotatorio convertir la rotación mecánica en una serie de pulsos eléctricos, estos pulsos "sincronizando" un circuito contador para rastrear el movimiento total:

A medida que la máquina se mueve, gira el eje del codificador, creando y cortando el haz de luz entre el LED y el fototransistor, generando así pulsos de reloj para incrementar el circuito contador.

Por lo tanto, el contador integra, o acumula, el movimiento total del eje, sirviendo como una indicación electrónica de cuánto se ha movido la máquina.

Si todo lo que nos importa es rastrear el movimiento total y no nos importa tener en cuenta los cambios en la dirección de movimiento, esta disposición será suficiente.

Sin embargo, si deseamos que el contador incremente con una dirección de movimiento y decremento con la dirección inversa del movimiento, debemos usar un contador ascendente / descendente y un circuito codificador / decodificador que tenga la capacidad de discriminar entre diferentes direcciones.

Si rediseñamos el codificador para que tenga dos conjuntos de pares de LED / fototransistor, esos pares se alinean de manera que sus señales de salida de onda cuadrada sean 90 ^o desfasados ​​entre sí, tenemos lo que se conoce como una salida en cuadratura codificador (la palabra "cuadratura" simplemente se refiere a 90 ^o separación angular).

Se puede hacer un circuito de detección de fase a partir de un flip-flop tipo D, para distinguir una secuencia de pulsos en sentido horario de una secuencia de pulsos en sentido antihorario:

Cuando el codificador gira en el sentido de las agujas del reloj, la onda cuadrada de la señal de entrada "D" conducirá a la onda cuadrada de la entrada "C", lo que significa que la entrada "D" ya estará "alta" cuando la "C" pase de "baja" a "Alto", por lo que configuración el flip-flop tipo D (haciendo que la salida Q sea "alta") con cada pulso de reloj.

Una salida Q "alta" coloca el contador en el modo de conteo "ascendente", y cualquier pulso de reloj recibido por el reloj desde el codificador (de cualquiera de los LED) lo incrementará.

Por el contrario, cuando el codificador invierte la rotación, la entrada "D" se retrasará con respecto a la forma de onda de entrada "C", lo que significa que será "baja" cuando la forma de onda "C" cambie de "baja" a "alta", forzando la D -escribe flip-flop en el reinicio estado (haciendo que la salida Q sea "baja") con cada pulso de reloj.

Esta señal "baja" ordena al circuito contador que disminuya con cada pulso de reloj del codificador.

Este circuito, o algo muy parecido, está en el corazón de cada circuito de medición de posición basado en un sensor codificador de pulsos.

Estas aplicaciones son muy comunes en robótica, control de máquinas herramienta CNC y otras aplicaciones que involucran la medición de movimiento mecánico reversible.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo del contador síncrono