Contadores Anillo y Johnson: Diseño, Funcionamiento y Aplicaciones Prácticas

Un contador anillo es un tipo especial de registro de desplazamiento donde la salida de la última etapa se realimenta a la primera. Al aplicar pulsos de reloj, el patrón de datos circula indefinidamente.

Por ejemplo, en un contador anillo de cuatro etapas el patrón se repite cada cuatro pulsos de reloj, pero el registro debe cargarse primero con una palabra de datos. Cargar un único "1" (p. ej., 1000) es lo más común y proporciona un patrón fácilmente visualizable.

Tras cargar 1000, la forma de onda de cada etapa es idéntica salvo por un retardo de un ciclo de reloj, como se muestra a continuación.

Esta configuración actúa como un divisor por 4; comparando la entrada de reloj con cualquier salida se muestra una relación de frecuencia 4:1.

División por Factores Arbitrarios

Para lograr un contador divisor por 10, se requieren diez etapas. Un único "1" circulará cada diez pulsos de reloj.

Requisitos de Inicialización

Los contadores anillo deben inicializarse al encender porque el estado inicial de cada flip-flop es indefinido. Una vez inicializados, el patrón debería persistir; sin embargo, el ruido puede corromper el estado con el tiempo, rompiendo potencialmente la secuencia.

Un contador binario síncrono convencional puede autocorregirse y por tanto es a menudo más fiable en operación a largo plazo.

Comparación con Contadores Convencionales

El contador binario usa dos etapas y requiere compuertas decodificadoras, mientras que el contador anillo es autodecodificable pero necesita más etapas. Si se requieren salidas decodificadas y la mayor parte de la lógica reside en un único encapsulado de registro de desplazamiento, un contador anillo puede ser atractivo; de lo contrario, el contador binario más simple es preferible.

Las formas de onda decodificadas de un contador binario síncrono coinciden con las del contador anillo: (QA QB) cicla por 00, 01, 10, 11.

Contadores Johnson

También conocido como contador anillo de cola invertida, el contador Johnson supera varias limitaciones del contador anillo. Al realimentar el complemento (Q′) de la última etapa a la primera, un contador Johnson requiere solo la mitad de etapas para una relación de división dada.

Por ejemplo, un contador Johnson de cuatro etapas divide el reloj de entrada por ocho, mientras que un contador anillo de cuatro etapas divide por cuatro.

Los contadores Johnson se suelen poner a cero al encender para establecer un estado conocido.

Al introducir un único "1", el contador progresa a través de una secuencia de cuatro ceros seguidos de cuatro unos, produciendo un ciclo de ocho estados.

Generación de Salidas Multifase

Un contador Johnson de cuatro etapas produce cuatro fases solapadas con ciclo de trabajo del 50%. Un contador Johnson de tres etapas, impulsado por un reloj de 360 Hz, genera tres ondas cuadradas desfase 120° a 60 Hz.

Decodificación de Estados

Cada estado de un contador Johnson puede decodificarse con compuertas simples de dos entradas. Para un contador de 4 etapas, ocho estados se decodifican usando ocho compuertas AND de dos entradas.

Solo se necesitan compuertas decodificadoras de 2 entradas independientemente de la longitud del contador. Invertir las entradas de las compuertas AND puede simplificar la lógica, pero el diagrama siguiente sigue de cerca la hoja de datos del CD4022B.

Las ocho salidas decodificadas (G0–G7) permanecen activas en alto durante un período de reloj dentro del ciclo de 8 relojes. Por ejemplo, G0 está en alto cuando tanto QA como QD están en bajo.

Estados No Permitidos y Corrección de Errores

Dado que un registro de desplazamiento de 4 etapas puede representar 16 estados binarios, solo ocho son válidos para el contador Johnson. Los ocho restantes son estados no permitidos. El CD4022B incluye un detector de estados no permitidos compuesto por dos compuertas NOR.

En la práctica, el contador se reinicia al encender para evitar entrar en un estado no permitido. Si se encuentra un estado no permitido (p. ej., 010), las compuertas NOR fuerzan la siguiente entrada a cero, convirtiendo el estado en uno permisible (p. ej., 000).

Tras unos pocos relojes, cualquier estado no permitido será corregido. Sin embargo, para aplicaciones críticas, reinicie siempre el contador al encender.

Dispositivos Contador Johnson

Circuitos integrados con salidas decodificadas están disponibles tanto para la serie 4000 como para la familia 74HC. El CD4017 ofrece diez salidas decodificadas (módulo-10), mientras que el CD4022 proporciona ocho salidas decodificadas (módulo-8). Las variantes 74HC operan a voltajes más bajos (2 V–6 V) y entregan mayor capacidad de salida.

• CD4017 Contador Johnson con 10 salidas decodificadas (CD4022 Contador Johnson con 8 salidas decodificadas)
• 74HC4017 Contador Johnson, 10 salidas decodificadas

Aplicaciones Prácticas

La Figura 1 demuestra un 74HC4017 controlando diez LEDs, uno iluminándose cada quinto de segundo alrededor de un anillo. La capacidad de salida de 4 mA del 74HC4017 (VOH = 4.6 V a 4 mA) es suficiente para encender LEDs, aunque las corrientes típicas de LED son 10–20 mA.

Un temporizador 555 proporciona los pulsos de reloj; puede insertarse un buffer adicional si el 555 no puede conducir la entrada de reloj del contador de forma fiable.

Los contadores Johnson también pueden generar ondas cuadradas de 3 fases. Seleccionando P1 = QA, P2 = QC, P3 = QB′, las salidas están separadas 120°. Filtrado paso bajo y amplificación pueden transformarlas en ondas senoidales de 3 fases para fuentes de alimentación o control de motores.

Para motores paso a paso de 3 fases, las salidas solapadas se decodifican en formas de onda no solapadas (P0, P1, P2) adecuadas para CIs controladores como ULN2003 o pares Darlington discretos.

Usando un único CD4017, el contador puede reiniciarse tras la tercera cuenta, asegurando que cada estado dure un período de reloj completo antes del siguiente reinicio.

Hojas de Trabajo Relacionadas

• Hoja de Trabajo de Contadores
• Hoja de Trabajo de Registros de Desplazamiento