LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA DIGITAL Experiência 9: Análise de Circuitos com Contadores

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1 45 1. Objetivos Realizar a analise detalhada de todos os blocos constituintes de um relógio digital. Implementar um relógio digital. 2. Conceito Um contador é construído a partir de flip-flops (T, D JK, RS) que alteram o seu estado para uma seqüência pré-determinada quando um pulso de relógio é aplicado ao mesmo. Os contadores são utilizados para realizar contagem de eventos, como geradores de forma de onda, divisores de freqüência, para realizar medidas de freqüência e tempo, dentre muitas outras aplicações. Os contadores são classificados em duas categorias: 2.1 Contador assíncrono São denominados assíncronos pois o sinal de relógio não controla o instante em que todos os estágios do contador alteram o valor. Contadores assíncronos são formados por uma cadeia de flip-flops tipo T ou por qualquer outro tipo de flip-flop interligado para operar como um flip-flop tipo T, onde a saída de cada estágio é ligada à entrada de relógio do flip-flop seguinte. O sinal de relógio externo é aplicado somente à entrada de relógio do flip-flop menos significativo do contador. A figura abaixo apresenta um contador crescente modulo-8. 4 VCC TFF TFF TFF 5 CLK INPUT VCC NOT 10 PRN T Q NOT 11 PRN T Q NOT 12 PRN T Q CLRN CLRN CLRN INPUT 6 RST VCC (a) Esquemático de um contador assíncrono crescente módulo-8. OUTPUT 7 Q3 OUTPUT 8 Q2 OUTPUT 9 Q1 (b) Diagrama de tempo representando a operação do contador módulo-8. O módulo de um contador é o número total de estados através dos quais o contador pode avançar. Um contador binário com N estágios (flip-flops) é um contador módulo- 2 N.

2 46 O maior valor que um contador binário pode alcançar é dado por 2 N -1, que ocorre quando todos os flip-flops internos do contador estão em nível lógico alto. A freqüência do sinal de saída do estágio mais significativo de um contador mod-m é dada por: 2.2 Contador Síncrono freq MOD freqre logio M = (1) M É caracterizado por alterar o estado de todos os flip-flops internos simultaneamente, ou seja, o sinal de relógio é o mesmo para todos os flip-flops internos. As etapas necessárias para realizar a implementação de um contador síncrono utilizando-se flipflops tipo T são: 1. Determinar a tabela de estados que representa a operação do contador. 2. Determinar o mapa do próximo estado desta tabela. 3. Determinar o mapa de entrada T para cada flip-flop que compõem o contador. 4. Determinar as equações de entrada dos flip-flops T e implementar o circuito.

3 47 3. Material 06 CI CI SD DISPLAY tipo 7 segmentos (anodo comum). 01 CI Resistores de 220 (Ω) 4. Procedimentos 1 a Questão: A aplicação mais comum para contadores é o relógio digital um sistema que mostra em um display o tempo do dia em horas, minutos e segundos. A precisão de um relógio digital esta diretamente relacionada com a base de tempo utilizada como relógio (a freqüência de relógio deve ser bem estável). No diagrama do relógio básico (ao lado) são apresentados os blocos principais que compõem o mesmo. O relógio apresentado é o mais simples possível, e é composto por quatro subsistemas distintos: subsistema responsável por gerar o sinal de relógio básico para a correta operação do mesmo; sub-sistemas com a função de realizar a contagem de forma correta; sub-sistemas com a função de mostrar o sinal produzido de saída do relógio. A base de tempo do relógio por se obtida de vários modos, dentre os quais pode-se citar: utilizar um oscilador a cristal, utilizar um multivibrador aestável (CI 555), etc.. A descrição detalhada dos outros sub-sistemas que compõem o relógio digital serão apresentadas a seguir. a. Contador Módulo 60: O contador módulo 60 será utilizado para contar os segundos e minutos de um dia. Na especificação do contador as seguintes considerações devem ser feitas: o contador será binário ou BCD; o contador possui reset; o contador é assíncrono ou síncrono; o contador realiza contagem crescente ou descrente.

4 48 O contador deve ser BCD, que possua entrada reset, síncrono e que realize contagem crescente O CI 74190, contador BCD, será utilizado como elemento principal do contador módulo 60 a ser utilizado como o sistema de contagem de segundos e minutos do relógio digital proposto. As características principais deste contador são: possui load (LDN) assíncrono, possui entrada de habilitação de contagem (GN), pode realizar contagem crescente e ou descrente (DNUP) e possui duas saídas próprias (MXMIN ou RCO) para serem utilizadas quando se deseja realizar o cascateamento do mesmo. Para se obter maiores informações sobre o referido contador consulte folha de dados em anexo. Como o contador deve possuir módulo 60 o mesmo deve contar de 0 10 a sendo que quando a contagem atingir a mesma deve ser re-inicializada. O CI opera com um contador BCD desta forma o mesmo conta de 0 10 a 9 10 (de forma crescente ou decrescente), logo, serão necessários dois CIs para implementar um contador módulo 60. O sistema deve ser interligado do seguinte modo para operar como um contador módulo 60: O sinal de relógio deve ser aplicado ao contador das unidades; 1 pps (pulso por segundo) para o sub-sistema segundos. 1 pulso/minuto para o sub-sistema minutos. O sinal de relógio do contador das dezenas deve ser oriundo do contador das unidades, para realizar esta tarefa deve-se utilizar o sinal proveniente do pino RCO como sinal de relógio do contador das dezenas; O sistema deve ser re-inicializado quando a contagem atingir 60 10, ou seja, em binário O contador das unidades re-inicia a contagem toda vez que o mesmo alcança o seu valor máximo. O contador das dezenas nunca alcançará o seu valor máximo, desta forma é necessário que se programe o mesmo para ir para quando a saída do mesmo atingir Um modo de realizar esta tarefa utilizando o CI é se carregar o número quando a saída do mesmo atingir ; O contador deve ser programado para contar de forma crescente;

5 49 Os contadores devem estar habilitados; Todos os sinais de saída dos contadores devem estar disponíveis para serem utilizados pelos circuitos decodificadores BCD / 7 segmentos; Um sinal de relógio deve ser disponibilizado no sistema para ser utilizado pelo estágio mais significativo do relógio digital. b. Contador Módulo 24: O contador módulo 24 será utilizado para contar as horas de um dia. Na especificação do contador as seguintes considerações devem ser feitas: o contador será binário ou BCD; o contador possui reset; o contador é assíncrono ou síncrono; o contador realiza contagem crescente ou descrente. O contador deve ser BCD, que possua entrada reset, síncrono e que realize contagem crescente O CI 74190, contador BCD, será utilizado como elemento principal do contador módulo 24 a ser utilizado como o sistema de contagem de horas do relógio digital proposto. As características principais deste contador são: possui load (LDN) assíncrono, possui entrada de habilitação de contagem (GN), pode realizar contagem crescente e ou descrente (DNUP) e possui duas saídas próprias (MXMIN ou RCO) para serem utilizadas quando se deseja realizar o cascateamento do mesmo. Como o contador deve possuir módulo 24 o mesmo deve contar de 0 10 a sendo que quando a contagem atingir a mesma deve ser re-inicializada. O CI opera com um contador BCD desta forma o mesmo conta de 0 10 a 9 10 (de forma crescente ou decrescente), logo, serão necessários dois CIs para implementar um contador módulo 24. O sistema deve ser interligado do seguinte modo para operar como um contador módulo 24:

6 50 O sinal de relógio deve ser aplicado ao contador das unidades; 1 pulso/hora para o sub-sistema horas. O sinal de relógio do contador das dezenas deve ser oriundo do contador das unidades, para realizar esta tarefa deve-se utilizar o sinal proveniente do pino RCO como sinal de relógio do contador das dezenas; O sistema deve ser re-inicializado quando a contagem atingir 24 10, ou seja, em binário Um modo de realizar esta tarefa utilizando o CI é se carregar o número quando a saída do mesmo atingir ; O contador deve ser programado para contar de forma crescente; Os contadores devem estar habilitados; Todos os sinais de saída dos contadores devem estar disponíveis para serem utilizados pelos circuitos decodificadores BCD / 7 segmentos; c. Decodificador BCD / 7 segmentos: Os contadores produzem como saída um sinal codificado em BCD. Então para que este sinal possa ser visualizado por um display do tipo 7 segmentos existe a necessidade de transformar este código para o do tipo 7 segmentos. Um circuito integrado que realiza tal tarefa é denominado decodificador BCD / 7 segmentos. O CI 7447 é um decodificador BCD/7Seg. que possui saída ativo baixo, ou seja, este CI deve ser utilizado com display tipo anodo comum. A figura mostra como um decodificador deve ser interligado entre o contador BCD e o display para operar de modo correto. As principais características de operação do CI 7447 podem ser obtidas no manual do referido CI apresentado em anexo. d. Display Um display do tipo segmentos é constituído por 7 LEDS com o anodo ou o catodo interligados em comum. Quando o código é enviado do decodificador BCD / 7 segmentos para o display o mesmo ascende os segmentos correspondentes a este código. O display tipo anodo comum o seu terminal comum deve ser ligado a VCC pois deste modo quando um sinal de nível lógico baixo for colocado em qualquer um dos segmentos do display o mesmo ficara ativo. O display tipo catodo comum o terminal

7 51 comum deve ser ligado a GND. Os dois tipos de displays são mostrados na figura abaixo. O diagrama de pinagem de uma display tipo 7 segmentos é apresentado na figura abaixo.