Eletrônica e Circuitos Digitais Aula 14 Contadores e Registradores. Daniel S Batista

Transcrição

1 Eletrônica e Circuitos Digitais Aula 14 Contadores e Registradores Daniel S Batista Daniel.Strufaldi@gmail.com

2 Organização Contadores assíncronos Contadores de módulo < 2 N. Circuitos integrados de contadores assíncronos Contador assíncrono decrescente Atraso de propagação em contadores assíncronos Contadores síncronos (paralelos) Contadores síncronos decrescentes/crescentes Contadores com carga paralela Circuitos integrados de contadores síncronos Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7

3 Organização Decodificação de um contador Glitches de decodificação Conexão em cascata de contadores BCD Aplicações de Contadores Circuitos integrados de registradores Entrada paralela/saída paralela Entrada serial/saída serial Entrada paralela/saída serial Entrada serial/saída paralela Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7

4 Organização Contadores com registradores de deslocamento Máquinas deestado Projeto de Máquinas Síncronas Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prof. Daniel Batista

5 Introdução Agora que já se conhece os flip-flops e Latchs básicos, tais como o SC, JK, D, e o funcionamento de suas entradas síncronas e assíncronas, pode-se construir estruturas mais complexas, tais como contadores, registradores e outras máquinas síncronas e assíncronas diversas. Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prof. Daniel Batista

6 Contadores Síncronos (Paralelos) Nestes contadores, o clock de todos é sincronizado com o clock de entrada, evitando assim os delays da ligação em cascata. No contador síncrono todas os FFs transitam simultaneamente. As entradas JK ou D são ligadas a lógicas das saídas. O Circuito de um contador síncrono é em geral, mais complexo do que o de um contador assíncrono. Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 4 Prof. Daniel Batista

7 Exemplo 4 Analise o circuito a seguir: Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 4 Prof. Daniel Batista

8 CI contadores síncronos comerciais Os CIs síncronos mais comuns são: 74160/162: contadores síncronos decádicos /163: contadores síncronos de módulo 16. Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prof. Daniel Batista

9 161

10 161 Prof. Daniel Batista

11 161

12 Contadores síncronos crescentes e decrescentes Alguns CIs podem possuir um sinal para configurar se o mesmo contará em ordem crescente ou decrescente. Em algum casos, pode haver um clock para cada sentido de contagem. Em geral este tipo de contador é síncrono. Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prof. Daniel Batista

13 Contadores síncronos crescentes e decrescentes / Exemplo 5 Analise o seguinte circuito

14 Exemplo 5 / Solução

15 Contadores com carga paralela São CIs que permitem que um dado inicial seja configurando e quando um sinal de LOAD é acionado, o valor vai para as saídas dos registradores. Alguns CIs possuem lógica adicional para efetuar carga assíncrona, tais como, 190, 191, 192, 193. Já a carga síncrona é disponível nos CIs: 160, 161, 162, 163. Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prof. Daniel Batista

16 Exemplo 6 / Carga Paralela Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 4 Prof. Daniel Batista

17 193

18 193 (circuito do datasheet)

19 193

20 Implementação de /TCU e /TCD

21 Exemplo 7 / 193 contagem crescrente

22 Exemplo 8 / 193 contagem decrescente

23 Exemplo 9 / 193 módulo variável

24 193: cascateamento de contadores

25 Decodificando um contador

26 Exemplo 10 Projete um contador de módulo 32 utilizando FF tipo JK com decodificação da contagem 21. Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prof. Daniel Batista

27 Exemplo 11 Projete um contador módulo 16 que ligue uma carga quando a contagem chegar a 8 e desligue quando a contagem chegar a 14. Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prof. Daniel Batista

28 Exemplo 11 / Solução

29 Glitches de decodificação

30 Glitches de decodificação

31 Strobing (habilitação) O método mais confiável para eliminação de spikes (ou glitches) é o uso do strobing. Esta técnica utiliza um sinal de strobe para manter as portas AND desabilitadas até que todos os FF já possuam sua saída estável após uma transição. Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prof. Daniel Batista

32 Strobing (habilitação)

33 Contadores BCD / Conexão em cascata

34 Projeto de Máquinas Síncronas Embora muitas configurações diferentes de de contadores estejam disponíveis, como CI assíncronos, síncronos e combinações de ambos, a maioria deles conta em uma sequência binária normal. Este sequência geralmente pode ser abreviada, ou iniciada de um certo valor, mas para realizar uma contagem arbitrária é necessário aplicar outro tipo de solução. Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prof. Daniel Batista

35 Projeto de Máquinas Síncronas Por exemplo, para contar a sequência 000, 010, 111, 100, 110 o que fazer? Existem métodos para projetar contadores para seguirem frequências arbitrárias. Geralmente são utilizados FF tipo JK ou D. Projetar um circuito sequencial é semelhante a projetar um circuito combinacional, com a diferença de que os sequenciais possuem uma memória temporal, denominada estado. Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prof. Daniel Batista

36 Projeto de Máquinas Síncronas Em contadores síncronos, todos os FFs são diparados ao mesmo tempo, ou seja, todas os sinais de clock são acionados juntos. Antes de cada pulso de clock as entrads JK (ou D) devem estar no nível correto para garantir que o FF vá para o estado desejado após o clock. Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prof. Daniel Batista

37 Projeto de Máquinas Síncronas Tabela de transição para o FF tipo JK: Transição Estado ATUAL PRÓXIMO estado X X X X 0 J K Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prof. Daniel Batista

38 Projeto de Máquinas Síncronas Procedimento de projeto: Determinar o número de bits (FFs) necessários e a sequênciade contagem desejada. Desenhar o diagrama de transição de estados mostrando todos os estados possíveis, incluindo os que não fazem parte da sequência de contagem. Utilizar o diagrama de transição para construir uma tabelaque relacione todos os estados ATUAIS e seus PRÓXIMOS estados. Adicionar uma coluna com os valores de JK de cada FF que cumpra a transição de estado desejada. Projete os circuitos lógicos que produzam JK necessáriose implemente o circuito. Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prof. Daniel Batista

39 Projeto de Máquinas Síncronas Considere o diagrama de estados ao lado. Trata-se de um contador cíclico de 0 a 4. Qualquer outro estado leva ao estado inicial. Como projetar o contador?

40 Projeto de Máquinas Síncronas Estado atual Próximo estado C B A C B A A tabela ao lado apresenta o estado atual e próximo. Pelo fato da contagem de 0 a 4 exigir 3 bits, temos 8 estados no total. Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prof. Daniel Batista

41 Projeto de Máquinas Síncronas atual próximo Entradas JK dos FFs C B A C B A JC KC JB KB JA KA X 0 X 1 X X 1 X X X X 0 1 X X X 1 X X 1 0 X 0 X X 1 0 X X X 1 X 1 0 X X 1 X 1 X 1

42 Projeto de Máquinas Síncronas KA = 1

43 Projeto de Máquinas Síncronas

44 Projeto de Máquinas Síncronas

45 PMS / Controle de um motor de passo Uma situação prática utilizando para aplicar PMS é seria gerar o sinais de controle para um motor de passo. Motores de passo não são motores DC comuns. Eles giram em passos de angulação definida e de acordo com comandos em suas bobinas. Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prof. Daniel Batista

46 PMS / Controle de um motor de passo Motores de passo são componentes populares, presente em impressoras, drivers de CD, HDs, aplicações em robótica, etc.

47 PMS / Controle de um motor de passo Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 4 Prof. Daniel Batista

48 PMS / Controle de um motor de passo Como o motor pode girar em qualquer sentido, então, é apropriado que haja um entrada de controle de direção (D). Caso D = 0 a rotação será em sentido horário; Caso D = 1 a rotação será em sentido antihorário. Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prof. Daniel Batista

49 PMS / Controle de um motor de passo Como o motor pode girar em qualquer sentido, então, é apropriado que haja um entrada de controle de direção (D). Caso D = 0 a rotação será em sentido horário; Caso D = 1 a rotação será em sentido anti-horário. Entrada e Estado atual Próximo estado D B A D B A Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prof. Daniel Batista

50 PMS / Controle de um motor de passo

51 PMS / Controle de um motor de passo

52 PMS / Exemplo 12 Projete um contador que conte pares ou impares de 3 bits com uma entrada de controle I/P. Se I/P = 1, conta ímpar, caso contrário, conta pares. Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prof. Daniel Batista

53 PMS / Exemplo 13 Projete o mesmo contador anterior, mas considere que exista um segunda entrada de controle DIR que controle a direção da contagem: Caso DIR = 1, conta crescente; e conte decrescente caso contrário. Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prof. Daniel Batista

54 Contadores com Registradores de Deslocamento Simplesmente ligar FF tipo D em série e realimentar o último ao primeiro, produzirá um tipo especial de contador: contador em anel. Quando a realimentação é invertida, o contador será um tipo especial de contador em anel: contador Johnson. Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prof. Daniel Batista

55 Contadores com Registradores de Deslocamento O contador em anel geralmente possui apenas um único 1 rotacionando pelos registradores. É necessário inicializar um dos FFs com 1 para que haja alguma contagem.

56 Contadores com Registradores de Deslocamento Circuito de inicialização:

57 Contador Johnson Exercício: confira o funcionamento do contador Johnson. Considere que ele inicia em 000.

58 Contadores em anel comerciais CIs 74HC4017, 74HC4022. Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prof. Daniel Batista

59 Aplicações de Contadores: Frequencímetro

60 Exemplo 13 Considere um frequencímetro cujo intervalo de amostragem é de 0,01 segundos. Se uma frequência desconhecida de 3792 pps é aplicada à entrada, qual será o valor da contagem apresentada? Qual será o erro da medida? Para que o erro fosse de 0,1 Hz, qual teria que ser o intervalo de amostragem? Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prof. Daniel Batista

61 Frequencímetro: produzindo um intervalo de amostragem

62 Frequencímetro completo

63 Frequencímetro completo

64 Aplicações de Contadores: Relógio Digital Uma das aplicações clássicas de contadores é o relógio digital: Capítulo 7 Prof. Daniel Batista

65 Relógio Digital: seção horas Note que este contador é de 1 a 12. Ele não usa o reset, mas sim, o #PL.

66 Circuitos Integrados de Registadores Os registradores em geral podem ser classificados como: Entrada paralela / Saída paralela Entrada serial / Saída serial Entrada paralela / Saída serial Entrada serial / Saída paralela Estes registradores são essenciais para o funcionamento de barramentos em computadores. Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prof. Daniel Batista

67 Entrada paralela / Saída paralela 174

68 Exemplo 14 Como configurar o 174 para operar como um contador em anel tipo Johnson com inicialização em ? Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prof. Daniel Batista

69 Entrada serial / Saída serial 4731

70 Exemplo 15 Uma aplicação clássica do 4731 é atrazar um sinal digital por 64 ciclos de clock. Ele funciona como um tipo de memória FIFO de 1 bit.

71 Entrada paralela / Saída serial O CI 165 tem tanto entrada serial (Ds) quanto paralela (P1.. P7) via SH/#LD. Existe um entrada de clock e uma inibidora de clock. A saída pode ser direta ou invertida. 165

72 Exemplo 16 Se conectarmos #Q7 em Ds e efetuarmos uma carga inicial de no 165, qual será a frequência de saída no pino Q7, considerando que o clock de entrada é 200 khz? Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prof. Daniel Batista

73 Entrada serial / Saída paralela 164

74 Exemplo 17 Confira o funcionamento do circuito à seguir:

75 Exemplo 17: Solução

76 Referências [1] TOCCI, R. J.; Widmer, N. S.; Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações, 8ª Edição, Ed. Pearson Capítulo 7. Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prof. Daniel Batista