Contadores Anel e Contadores Johnson: Projeto, Operação e Aplicações Práticas

Um contador anel é um tipo especial de registrador de deslocamento onde a saída do último estágio é realimentada para o primeiro. Quando pulsos de clock são aplicados, o padrão de dados circula indefinidamente.

Por exemplo, em um contador anel de quatro estágios, o padrão repete a cada quatro pulsos de clock, mas o registrador deve primeiro ser carregado com uma palavra de dados. Carregar um único "1" (ex: 1000) é o mais comum e fornece um padrão facilmente visualizado.

Após carregar 1000, a forma de onda de cada estágio é idêntica exceto por um atraso de um ciclo de clock, como mostrado abaixo.

Esta configuração atua como um divisor por 4; comparando a entrada de clock com qualquer saída mostra uma razão de frequência 4:1.

Dividindo por Fatores Arbitrários

Para alcançar um contador divisor por 10, dez estágios são necessários. Um único "1" circulará a cada dez pulsos de clock.

Requisitos de Inicialização

Contadores anel devem ser inicializados na ligada porque o estado inicial de cada flip-flop é indefinido. Uma vez inicializado, o padrão deve persistir; porém, ruído pode corromper o estado ao longo do tempo, potencialmente quebrando a sequência.

Um contador binário síncrono convencional pode auto-corrigir e portanto é frequentemente mais confiável em operação de longo prazo.

Comparação com Contadores Convencionais

O contador binário usa dois estágios e requer portas decodificadoras, enquanto o contador anel é auto-decodificável mas precisa de mais estágios. Se saídas decodificadas são necessárias e a maior parte da lógica reside em um único encapsulamento de registrador de deslocamento, um contador anel pode ser atraente; caso contrário, o contador binário mais simples é preferível.

As formas de onda decodificadas de um contador binário síncrono correspondem às do contador anel: (QA QB) cicla por 00, 01, 10, 11.

Contadores Johnson

Também conhecido como contador anel de cauda invertida (switch-tail), o contador Johnson supera várias limitações do contador anel. Ao realimentar o complemento (Q′) do último estágio para o primeiro, um contador Johnson requer apenas metade dos estágios para uma dada razão de divisão.

Por exemplo, um contador Johnson de quatro estágios divide o clock de entrada por oito, enquanto um contador anel de quatro estágios divide por quatro.

Contadores Johnson são tipicamente limpos para todos zeros na ligada para estabelecer um estado conhecido.

Quando um único "1" é introduzido, o contador progride através de uma sequência de quatro zeros seguidos por quatro uns, produzindo um ciclo de oito estados.

Geração de Saídas Multifásicas

Um contador Johnson de quatro estágios produz quatro fases sobrepostas de ciclo de trabalho 50%. Um contador Johnson de três estágios, acionado por clock de 360 Hz, gera três ondas quadradas defasadas em 120° a 60 Hz.

Decodificação dos Estados

Cada estado de um contador Johnson pode ser decodificado com portas simples de duas entradas. Para um contador de 4 estágios, oito estados são decodificados usando oito portas AND de duas entradas.

Apenas portas decodificadoras de 2 entradas são necessárias independentemente do comprimento do contador. Inverter as entradas das portas AND pode simplificar a lógica, mas o diagrama abaixo segue de perto o datasheet do CD4022B.

As oito saídas decodificadas (G0–G7) cada uma permanece ativa alta por um período de clock dentro do ciclo de 8 clocks. Por exemplo, G0 está alta quando QA e QD estão ambas baixas.

Estados Proibidos e Correção de Erro

Como um registrador de deslocamento de 4 estágios pode representar 16 estados binários, apenas oito são válidos para o contador Johnson. Os oito restantes são proibidos. O CD4022B inclui um detector de estado proibido composto por duas portas NOR.

Na prática, o contador é resetado na ligada para evitar entrar em estado proibido. Se um estado proibido for encontrado (ex: 010), as portas NOR forçam a próxima entrada a zero, convertendo o estado para um permitido (ex: 000).

Após alguns clocks, qualquer estado proibido será corrigido. Porém, para aplicações críticas, sempre resete o contador na ligada.

Dispositivos Contador Johnson

Circuitos integrados com saídas decodificadas estão disponíveis tanto para a série 4000 quanto para a família 74HC. O CD4017 oferece dez saídas decodificadas (módulo-10), enquanto o CD4022 fornece oito saídas decodificadas (módulo-8). As variantes 74HC operam em tensões mais baixas (2 V–6 V) e entregam maior drive de saída.

• Contador Johnson CD4017 com 10 saídas decodificadas (CD4022 contador Johnson com 8 saídas decodificadas)
• Contador Johnson 74HC4017, 10 saídas decodificadas

Aplicações Práticas

A Figura 1 demonstra um 74HC4017 acionando dez LEDs, um iluminando a cada quinto de segundo ao redor de um anel. A capacidade de saída de 4 mA do 74HC4017 (VOH = 4,6 V a 4 mA) é suficiente para acender LEDs, embora correntes típicas de LED sejam 10–20 mA.

Um timer 555 fornece os pulsos de clock; um buffer adicional pode ser inserido se o 555 não puder acionar confiavelmente a entrada de clock do contador.

Contadores Johnson também podem gerar ondas quadradas trifásicas. Selecionando P1 = QA, P2 = QC, P3 = QB', as saídas ficam 120° separadas. Filtragem passa-baixa e amplificação podem transformar estas em ondas senoidais trifásicas para fontes de alimentação ou acionamento de motores.

Para motores de passo trifásicos, as saídas sobrepostas são decodificadas em formas de onda não sobrepostas (P0, P1, P2) adequadas para drivers ICs como ULN2003 ou pares Darlington discretos.

Usando um único CD4017, o contador pode ser resetado após a terceira contagem, garantindo que cada estado dure um período completo de clock antes do próximo reset.

Planilhas Relacionadas

• Planilha de Contadores
• Planilha de Registradores de Deslocamento