Contadores síncronos

O que é um Síncrono Contador?

Um contador síncrono , em contraste com um contador assíncrono , é aquele cujos bits de saída mudam de estado simultaneamente, sem ondulação.

A única maneira de construirmos um circuito de contador a partir de flip-flops J-K é conectar todas as entradas de relógio juntas, de modo que cada flip-flop receba exatamente o mesmo pulso de relógio exatamente ao mesmo tempo:







Agora, a questão é:o que fazemos com as entradas J e K? Sabemos que ainda temos que manter o mesmo padrão de frequência de divisão por dois para contar em uma sequência binária, e que esse padrão é melhor alcançado utilizando o modo "toggle" do flip-flop, portanto, o fato de que o As entradas J e K devem ser (às vezes) “altas”, é claro.

No entanto, se simplesmente conectarmos todas as entradas J e K ao barramento positivo da fonte de alimentação como fizemos no circuito assíncrono, isso claramente não funcionaria porque todos os flip-flops alternariam ao mesmo tempo:com cada um pulso do relógio!







Vamos examinar a sequência de contagem binária de quatro bits novamente e ver se há algum outro padrão que preveja a alternância de um bit.

O projeto do circuito contador assíncrono é baseado no fato de que cada alternância de bit ocorre ao mesmo tempo que o bit anterior alterna de “alto” para “baixo” (de 1 a 0).

Uma vez que não podemos cronometrar a alternância de um bit com base na alternância de um bit anterior em um circuito contador síncrono (fazer isso criaria um efeito de ondulação), devemos encontrar algum outro padrão na sequência de contagem que pode ser usado para acionar um bit alternancia:

Examinando a sequência de contagem binária de quatro bits, outro padrão preditivo pode ser visto.

Observe que antes de um bit alternar, todos os bits anteriores são "altos:"







Esse padrão também é algo que podemos explorar ao projetar um circuito de contador.

Síncrono Contador “Up”

Se habilitarmos cada flip-flop JK para alternar com base em se todas as saídas de flip-flop anteriores (Q) são ou não "altas", podemos obter a mesma sequência de contagem que o circuito assíncrono sem o efeito de ondulação, uma vez que cada flip-flop neste circuito será cronometrado exatamente ao mesmo tempo:







O resultado é um síncrono de quatro bits Contador “para cima”. Cada um dos flip-flops de ordem superior são preparados para alternar (ambas as entradas J e K "altas") se as saídas Q de todos os flip-flops anteriores forem "altas".

Caso contrário, as entradas J e K para esse flip-flop serão ambas “baixas”, colocando-o no modo “trava”, onde manterá seu estado de saída atual no próximo pulso de clock.

Como o primeiro flip-flop (LSB) precisa alternar a cada pulso de clock, suas entradas J e K são conectadas a V _cc ou V _dd , onde eles estarão “altos” o tempo todo.

O próximo flip-flop precisa apenas "reconhecer" que a saída Q do primeiro flip-flop é alta para ficar pronto para alternar, então nenhuma porta AND é necessária.

No entanto, os flip-flops restantes devem estar prontos para alternar apenas quando todos bits de saída de ordem inferior são “altos”, portanto, a necessidade de portas AND.

Contador “inativo” síncrono

Para fazer um contador síncrono “decrescente”, precisamos construir o circuito para reconhecer os padrões de bits apropriados, prevendo cada estado de alternância durante a contagem regressiva.

Não surpreendentemente, quando examinamos a sequência de contagem binária de quatro bits, vemos que todos os bits anteriores são "baixos" antes de uma alternância (seguindo a sequência de baixo para cima):







Uma vez que cada flip-flop JK vem equipado com uma saída Q ', bem como uma saída Q, podemos usar as saídas Q' para habilitar o modo de alternância em cada flip-flop sucessivo, sendo que cada Q 'será "alto" a cada tempo em que o respectivo Q é "baixo:"

Circuito de contador com modos de contagem "para cima" e "para baixo" selecionáveis ​​

Levando essa ideia um passo adiante, podemos construir um circuito de contador com modos de contagem selecionáveis ​​entre "para cima" e "para baixo", tendo duas linhas de portas AND detectando as condições de bit apropriadas para uma sequência de contagem "para cima" e "para baixo", respectivamente, use portas OR para combinar as saídas da porta AND para as entradas J e K de cada flip-flop seguinte:





Este circuito não é tão complexo quanto pode parecer à primeira vista. A linha de entrada de controle Up / Down simplesmente permite que a coluna superior ou a coluna inferior das portas AND passem as saídas Q / Q 'para os estágios seguintes de flip-flops.

Se a linha de controle Para cima / Para baixo estiver "alta", as portas AND superiores serão habilitadas e o circuito funcionará exatamente da mesma forma que o primeiro ("para cima") circuito do contador síncrono mostrado nesta seção.

Se a linha de controle Up / Down for definida como “baixa”, as portas AND inferiores serão habilitadas e o circuito funcionará de forma idêntica ao segundo circuito (contador “down”) mostrado nesta seção.

Para ilustrar, aqui está um diagrama que mostra o circuito no modo de contagem "ascendente" (todos os circuitos desativados mostrados em cinza em vez de preto):





Aqui, mostrado no modo de contagem "decrescente", com a mesma cor cinza representando os circuitos desativados:





Os contra-circuitos para cima / para baixo são dispositivos muito úteis. Uma aplicação comum é no controle de movimento da máquina, onde dispositivos chamados de codificadores de eixo rotativo converter a rotação mecânica em uma série de pulsos elétricos, esses pulsos "cronometrando" um circuito contador para rastrear o movimento total:







Conforme a máquina se move, ela gira o eixo do codificador, criando e interrompendo o feixe de luz entre o LED e o fototransistor, gerando pulsos de relógio para incrementar o circuito do contador.

Assim, o contador integra, ou acumula, o movimento total do eixo, servindo como uma indicação eletrônica de quanto a máquina se moveu.

Se tudo o que nos interessa é rastrear o movimento total e não nos importamos com as mudanças na direção de movimento, este arranjo será suficiente.

No entanto, se desejarmos que o contador incremente com uma direção de movimento e decremento com a direção reversa do movimento, devemos usar um contador para cima / para baixo e um circuito codificador / decodificador com a capacidade de discriminar entre diferentes direções.

Se redesenharmos o codificador para ter dois conjuntos de pares de LED / fototransistor, esses pares alinhados de forma que seus sinais de saída de onda quadrada sejam 90 ^o fora de fase um com o outro, temos o que é conhecido como saída em quadratura codificador (a palavra "quadratura" simplesmente se refere a 90 ^o separação angular).

Um circuito de detecção de fase pode ser feito de um flip-flop tipo D, para distinguir uma sequência de pulso no sentido horário de uma sequência de pulso no sentido anti-horário:







Quando o codificador gira no sentido horário, a onda quadrada do sinal de entrada “D” conduzirá a onda quadrada da entrada “C”, o que significa que a entrada “D” já estará “alta” quando a transição “C” de “baixo” para “Alto”, portanto configurando o flip-flop tipo D (tornando a saída Q “alta”) com cada pulso de clock.

Uma saída Q “alta” coloca o contador no modo de contagem “Up” e quaisquer pulsos de clock recebidos pelo clock do codificador (de qualquer LED) irão incrementá-lo.

Por outro lado, quando o codificador inverte a rotação, a entrada "D" ficará para trás da forma de onda de entrada "C", o que significa que será "baixo" quando a forma de onda "C" passar de "baixo" para "alto", forçando o D - digite flip-flop em redefinir estado (tornando a saída Q “baixa”) com cada pulso de clock.

Este sinal “baixo” comanda o circuito do contador para diminuir a cada pulso de clock do codificador.

Este circuito, ou algo muito parecido, está no coração de cada circuito de medição de posição baseado em um sensor codificador de pulso.

Essas aplicações são muito comuns em robótica, controle de máquinas-ferramenta CNC e outras aplicações que envolvem a medição de movimento mecânico reversível.



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