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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
    IFSC - Campus São José
    CST em Telecomunicações




ELETRÔNICA DIGITAL


  CONTADORES


          Marcos Moecke




          São José - SC, 2009
CURSO DE E LE TRÔ NI CA DI GI TAL   CEFE T/ S C
SUMÁRIO

5. CONTADORES ..................................................................................................1

    5.1 CONTADORES ASSÍNCRONOS................................................................................1
                              ................................................................................1
            CONTADOR ASSÍNCRONO CRESCENTE..............................................................................1
            CONTADORES COM MÓDULO < 2N................................................................................3
            CONTADORES DE DÉCADA...........................................................................................4
            CONTADOR ASSÍNCRONO DECRESCENTE...........................................................................4
            CONTADOR ASSÍNCRONO ASCENDENTE-DESCENDENTE..........................................................5
            ATRASOS DE PROPAGAÇÃO DE CONTADORES ASSÍNCRONOS...................................................6
    5.2 CONTADORES SÍNCRONOS...................................................................................6
                            ...................................................................................6
            CONTADOR SÍNCRONO ASCENDENTE...............................................................................7
            CONTADORES SÍNCRONOS DECRESCENTES.........................................................................7
            CONTADORES COM CARGA PARALELA.............................................................................7
            CONTADOR SÍNCRONO CRESCENTE-DECRESCENTE...............................................................8
    5.3 APLICAÇÕES COM CONTADORES...........................................................................9
                                 ...........................................................................9
            CONTADORES BCD..................................................................................................9
            CONTADORES COMO DIVISORES DE FREQÜÊNCIA.................................................................9
    5.4 CIRCUITOS INTEGRADOS DE CONTADORES............................................................10
                                          ............................................................10
            14
            14
                     14
    5.5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..........................................................................19
                                  ..........................................................................19
    5.6 EXERCÍCIOS...................................................................................................20
                  ...................................................................................................20
CURSO DE E LE TRÔ NI CA DI GI TAL   CEFE T/ S C
CURSO DE E LE TRÔ NI CA DI GI TAL                                           CEFE T/ S C




5.           CONTADORES


Os flip-flops têm funções ilimitadas em sistemas digitais. Podemos associá-los e utilizá-
los como contadores, registradores, e muitos outros circuitos.
Os contadores são classificados basicamente em dois grandes grupos:
             •   assíncronos – possuem um sinal de clock que é dividido até o último FF.
             •   síncronos – utilizam um sinal de clock comum a todos os FF.
Também existe um grupo especial denominado “Contadores em Anel” que são obtidos
diretamente dos registradores de deslocamento.


5 .1       Contadores assíncronos


Estes contadores também são conhecidos como seriais ou contadores por pulsação (rip-
ple counter). Tal nome advém do fato dos flip-flops (FF) do contador não serem dispara-
dos diretamente pelo sinal de clock. Cada FF é disparado pela saída do FF anterior. Esta
característica torna estes contadores limitados em termos de velocidade, pois o tempo
de ativação (tempo de resposta) é dado aproximadamente pela soma dos tempos de
atraso de propagação de cada FF. Também podem ocorrer glitches (pulsos não deseja-
dos), se usado decodificadores para indicar a ocorrência de uma determinada saída
(contagem).
Contador assíncrono crescente

Um circuito típico de um contador assíncrono crescente construído com FF do tipo JK é
mostrado na Fig. 5-1. Os FF JK estão com ambas entradas J e K permanentemente em nível
alto, estando configuradas portanto como FF tipo T. Cada FF é disparado pela saída Q do FF ante-
rior.




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                            Fig. 5-1 Contador assíncrono crescente


            Clock

                     0      1   0       1   0   1   0   1   0   1       0   1   0   1   0   1    0

                     0      0   1       1   0   0   1   1   0   0       1   1   0   0   1   1    0

                     0      0   0       0   1   1   1   1   0   0       0   0   1   1   1   1    0

                     0      0   0       0   0   0   0   0   1   1       1   1   1   1   1   1    0

           Est o
              ad
                         Fig. 5-2 Diagrama de tempo do contador assíncrono crescente

                    clock           D           C       B           A       Decimal     Estado
                       0            0           0       0           0          0           0
                       1            0           0       0           1          1           1
                       2            0           0       1           0          2           2
                       3            0           0       1           1          3           3
                       4            0           1       0           0          4           4
                       5            0           1       0           1          5           5
                       6            0           1       1           0          6           6
                       7            0           1       1           1          7           7
                       8            1           0       0           0          8           8
                       9            1           0       0           1          9           9
                      10            1           0       1           0         10          10
                      11            1           0       1           1         11          11
                      12            1           1       0           0         12          12
                      13            1           1       0           1         13          13
                      14            1           1       1           0         14          14
                      15            1           1       1           1         15          15
                      16            0           0       0           0          0           0
                      17            0           0       0           1          1           1
                      18            0           0       1           0          2           2

                          Fig. 5-3 Estados do contador assíncrono crescente MOD-16

O contador tem como conteúdo (estado interno) a contagem do número de transições negativas do
clock, de forma que quando ocorre uma transição o conteúdo é incrementado de uma unidade. O
conteúdo do contador é dado pelo número binário DCBA, onde A é o bit LSB (bit menos significativo)
e D é o bit MSB (bit mais significativo).
O modulo (MOD) de um contador é o seu número de estados distintos, portanto, o módulo de um
contador com N FF pode ser no máximo o número de possíveis saídas ( 2N ). A Fig. 5-3 mostra os
estados de contagem de um contador assíncrono com 4 FF (4 bits). Podemos perceber que após 16
transições de clocks o contador reinicia a contagem. Por isso, este contador é de MOD-16, ou seja,
tem 16 estados distintos (00002 até 11112).
Nos contadores assíncronos, a freqüência do clock é dividida por 2 em cada FF, ou seja: na saída A
temos clock/2, e na saída D temos clock/16. Portanto, os contadores assíncronos são divisores de
freqüência e no último FF a freqüência de clock é dividida pelo módulo do contador.
Contadores com módulo < 2 N

Para obter um contador com módulo menor do que 2N é necessário adicionar um circuito decodifica-
dor para reiniciar a contagem antes de chegar ao valor máximo (ou mínimo). A Fig. 5-4 mostra um

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contador MOD-6. Se não houvesse a porta NAND ligada nas entradas CLR dos FF o módulo do
contador seria 8. A seqüência de estados do contador MOD-6 é mostrada nas Fig. 5-5 e Fig. 5-6.
Note que na transição do 6º clock o estado do contador passa temporariamente pelo estado (1102),
o qual faz com que a saída da porta NAND passe para o estado BAIXO, causando o CLR nos FF, e
conseqüentemente levando o contador para o estado (0002).




                           Fig. 5-4 Contador assíncrono com módulo < 2N



                        clock




                       Est o
                          ad

                      Fig. 5-5 Diagrama de tempo do contador com módulo < 2N


                     clock       C        B        A     Decimal    Estado
                       0         0        0        0        0          0
                       1         0        0        1        1          1
                       2         0        1        0        2          2
                       3         0        1        1        3          3
                       4         1        0        0        4          4
                       5         1        0        1        5          5
                       *6        1        1        0        6          6
                       *6        0        0        0        0          0
                       7         0        0        1        1          1
                       8         0        1        0        2          2
                      Fig. 5-6 Estados do contador assíncrono crescente MOD-6

O diagrama de transição de estados do contador de 3 bits MOD-6 é mostrado na Fig. 5-7. No diagra-
ma de transição as linhas contínuas indicam a passagem pelos estados estáveis (0002→1012) e as
linhas tracejadas indicam a passagem pelos estados temporários (1102). O estado (1112) embora
possível não é atingível.




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                                                           000
                                    estado não
                                     atingível   111        0        001
                                                                 1


                                estado
                                           110 6
                              temporário                              2 010



                                                       5         3
                                                 101                 011
                                                           4
                                                           100

                  Fig. 5-7 Diagrama de transição de estados de um contador MOD-6

Para a construção de um contador módulo X menor que o módulo máximo, o procedimento a ser se-
guido deve seguir as seguintes etapas:
              • Determinar o menor número N de FF tal que 2N ≤ X.
                 Exemplo: MOD-12 → N = 16.
              • Conectar a porta NAND nas entradas assíncronas CLR de todos os FF. Se 2N =
                 X, não é necessário conectar nada a entrada CLR ;
              • Conectar as saídas que estarão em ALTO na contagem X, na porta NAND.
                 Exemplo: 12 = 11002 D = 1 e C = 1, conectar D e C a porta NAND.
Contadores de década

Os contadores de década (ou decádico) são contadores que possuem 10 estados distintos, não im-
portando a seqüência de contagem. Quando um contador decádico realiza a contagem em seqüên-
cia binária crescente de 00002 a 10012 (0 a 9), ele é chamado de contador BCD.
Contador assíncrono decrescente

Os contadores que contam progressivamente a partir do zero são denominados contadores crescen-
tes (ou ascendentes). Já os contadores que contam do valor máximo até zero são chamados de-
crescentes (ou descendentes). A Fig. 5-8 mostra a configuração para um contador decrescente
construído com FF do tipo JK. A configuração é semelhante a do contador crescente, com
a única diferença de cada FF é disparado pela saída Q no lugar de Q .




                            Fig. 5-8 Contador assíncrono decrescente

A Fig. 5-9 mostra o diagrama de tempo das saídas do contador, enquanto que a Fig. 5-10 mostra a
contagem das transições do clock e os estados correspondentes ao contador. O diagrama de esta-
dos do contador decrescente é mostrado na Fig. 5-11(b), enquanto que o diagrama do contador
crescente é mostrado na Fig. 5-11(a). Note que nos dois diagramas o contador passa por todos os
estados.




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                       Fig. 5-9 Diagrama de tempo do contador assíncrono decrescente

                           Clock        C       B        A      Decimal   Estado
                              0         0        0        0        0         0
                              1         1        1        1        7         1
                              2         1        1        0        6         2
                              3         1        0        1        5         3
                              4         1        0        0        4         4
                              5         0        1        1        3         5
                              6         0        1        0        2         6
                              7         0        0        1        1         7
                              8         0        0        0        0         0
                              9         1        1        1        7         1
                             10         1        1        0        6         2
                           Fig. 5-10 Estados do contador assíncrono decrescente MOD-8

                                   000                                     000

                       111          0           001              001        0         111
                             7                                         7
                                            1                                     1



                 110   6                                   001   6
                                                  2 010                                 2 110



                             5             3                           5          3
                       101                      011              011                  101
                                    4                                      4
                                   100                                     100


                                  (a) crescente                            (b) decrescente

                 Fig. 5-11 Diagrama de transição de estados do contador MOD-8.


Contador assíncrono ascendente-descendente

O contador assíncrono ascendente-descendente, também chamado de reversível, é uma combina-
ção dos contadores anteriormente vistos. Ele tem os FF conectados conforme mostra a Fig. 5-12.
Nesta configuração a lógica de portas permite que o contador tenha dois modos de operação distin-
tos:
             •    Modo de contagem ascendente: UP = 1 e DOWN = 0. Os FF B e C são dispara-
                  dos pelas saídas não complementares do FF anterior ( Q )
             •    Modo de contagem descendente: UP = 0 e DOWN = 1. Os FF B e C são dispa-
                  rados pelas saídas complementares do FF anterior ( Q )


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                           UP




                  CLK




                          D W
                           O N
                          Fig. 5-12 Contador assíncrono ascendente-descendente


Atrasos de propagação de contadores assíncronos

Em um contador assíncrono cada FF é disparado pela saída de um FF anterior. Essa característica
traz como desvantagem o acumulo dos tempos de atraso de propagação. Isso pode ser visto na Fig.
5-13. Ao passar por um FF, o sinal de clock sofre um atraso de propagação t PD e esse efeito é so-
mado até o último FF, gerando um atraso total de N ᄡ tPD , onde N é o número de FF.




                        Fig. 5-13 Atrasos de propagação em contadores assíncronos

Para que um contador assíncrono funcione de modo confiável é necessário que o atraso total de
propagação seja menor que o período de clock usado ( Tclock ᄡ N ᄡ tPD ), ou ainda, em termos de fre-
                             1
qüência máxima, que fmax =        .
                           N ᄡtPD


5 .2       Contadores síncronos


Como vimos, o atraso de propagação dos FF dos contadores assíncronos limita a sua freqüência
máxima. Esse problema pode ser resolvido fazendo com que os FF mudem o estado de suas saí-
das no momento em que ocorre a transição de clock. Essa configuração caracteriza os contadores
chamados de síncronos, sendo mostrada na Fig. 5-14.




V .2 004                                                                                 P ág .6
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Contador síncrono ascendente




                               Fig. 5-14 Contador síncrono ascendente

A análise da lógica do circuito do contador mostra que os FF do tipo JK somente estão no estado
TOOGLE (J = 1 e K = 1) quando todas as saídas dos FF anteriores estão em nível ALTO. Como o si-
nal de clock é comum a todos os FF, o atraso de propagação do contador será o atraso de um FF
somado ao atraso das portas AND
                                 atraso total = tPD (FF ) + tPD ( AND ) .
Desta forma nesse tipo de contador o atraso não depende do número de bits, mas apenas da tecno-
logia utilizada. Por outro lado, como o atraso de propagação é menor, o contador síncrono pode tra-
balhar com freqüências maiores que o contador assíncrono.
Contadores síncronos decrescentes

Do mesmo modo que os contadores assíncronos, os contadores síncronos podem contar de forma
decrescente. Para isso devemos basta usar as saídas Q no lugar vez das saídas Q na lógica de ha-
bilitação das entradas J e K.
Contadores com carga paralela

Os contadores podem contar a partir de um valor predeterminado pelo usuário. Nesses contadores o
estado inicial de cada FF pode ser determinado através das entradas CLR (Q→0) e PRE (Q→1). A
Fig. 5-15 mostra circuito de inicialização de um FF. Quando LOAD é BAIXO, o FF funciona normal-
mente. Quando LOAD é ALTO, o valor de D é armazenado na saída do FF através das entradas as-
síncronas (que não dependem do clock).




                                      Fig. 5-15 Circuito de carga

Se fizermos isso para cada flip-flop do contador poderemos predeterminar o valor inicial a ser incre-
mentado. Esse processo é conhecido como carga paralela porque é realizado simultaneamente em
todos os FF do contador. Um exemplo prático de um contador síncrono crescente-decrescente de
MOD-16 com carga paralela é o 74LS193/74HC193. O circuito de carga pode ser utilizado tanto nos
contadores síncronos como nos assíncronos.



V .2 004                                                                           P ág .7
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Contador síncrono crescente-decrescente

A construção de um contador síncrono crescente-decrescente é feita de forma semelhante a mostra-
da para o contador assíncrono.
Para analisar um contador síncrono crescente-decrescente com carga paralela, utilizamos o circuito
integrado 74LS193, o qual possui as seguintes características:
              • É um contador síncrono de 4 bits e módulo 16, com saídas QA, QB, QC, QD
              • As entradas DOWN e UP são entradas de clock. A aplicação do sinal a uma des-
                sas entradas determina se a contagem será crescente ou decrescente;
              • A entrada assíncrona de CLR (limpar) zera o contador (00002);
              • A entrada assíncrona LOAD (carregar) permite determinar o valor inicial de conta-
                gem (DCBA) através das entradas A, B, C e D. .
              • As saídas CARRY (vai um) e BORROW (empresta um) indicam o reinicio da
                contagem crescente (15→0) e decrescente(0→15), respectivamente.




                                    LOAD



                              Fig. 5-16 Diagrama funcional do 74LS193




V .2 004                                                                         P ág .8
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5 .3       Aplicações com contadores


Contadores BCD

Os contadores BCD são bastante usados em circuitos onde pulsos devem ser contados e mostrados
em um display. A Fig. 5-17 mostra um arranjo de contadores BCD que realiza a contagem de 000 a
999.




                                 Fig. 5-17 Contador BCD de 000 a 999

Inicialmente todos os contadores estão em 0 e o display mostra 000. A cada borda de descida do
clock, o contador de unidades é incrementado e o valor do contador é mostrado no display. Quando
o valor atinge 009 (10012), a próxima transição de descida do clock fará com que o contador de uni-
dades retorne para 0. Nesse momento ocorrerá uma transição de 1 para 0 (borda de descida) da sa-
ída D desse contador, a qual está ligada a entrada de clock do contador de dezenas. Essa transição
da saída D do contador de unidades faz com que o contador de dezenas seja incrementado e o dis-
play passa a mostrar o valor 010. As contagens prosseguem até atingir 999. Nesse estado com
mais uma transição de descida do clock os contadores reiniciam com 000.
Contadores como divisores de freqüência

Uma outra aplicação de contadores é geração digital de um sinal de clock de menor freqüência ( fclk )
a partir de uma onda quadrada de freqüência superior ( fosc ). Usando a característica de divisão de
freqüência dos contadores, determina-se a contagem N que o contador deve realizar
                                              N = fosc / fclk .
Em seguida configura-se o contador para realizar N contagens. O sinal de saída do último estágio
do contador é um sinal que tem a freqüência desejada ( fclk ). Esse sinal pode não ser uma onda
quadrada, mas isso pode ser resolvido fazendo uma contagem N / 2 , seguido de um divisor por 2
(FF do tipo T).
Exemplo:
Deseja-se obter uma freqüência de 1Hz (1 segundo), a partir de um sinal digital com freqüência de
60Hz obtido a partir da rede de energia elétrica.
N = fosc / fclk = 60 /1 = 60
Se não houver nenhuma restrição quanto a forma do sinal, basta dividimos diretamente o sinal de
60Hz por 60 e obter o sinal de 1 Hz.

V .2 004                                                                           P ág .9
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                                       60 Hz          Contador           1 Hz

                                                       MOD-60

No entanto, para obter um sinal quadrado de 1 Hz, é necessário dividimos primeiro o sinal de 60Hz
por 30 e em seguida dividir esse sinal por 2 para obter o sinal de 1Hz.
                         60 Hz        Contador           2 Hz         FF tipo T         1 Hz

                                       MOD-30                         (Divisor 2)




5 .4           Circuitos integrados de contadores


Existem vários circuitos integrados de contadores, tanto TTL como CMOS. Nos Datasheet os conta-
dores assíncronos são simplesmente identificados como COUNTERS, enquanto que os contadores
síncronos são identificados como SYNCHRONOUS COUNTERS. A seguir são mostrados as pina-
gens e os diagramas de alguns contadores.
           •   74XX90     – Contador assíncrono decádico
           •   74XX92     – Contador assíncrono divisor por doze
           •   74XX93     – Contador assíncrono binário de 4 bits
           •   74XX73     – 2 FF do tipo JK para construir contadores síncronos ou assíncronos.
           •   CD4040     – Contador assíncrono binário de 12 bits
           •   74XX163    – Contador síncrono binário de 4 bits
           •   74XX169    – Contador síncrono binário de 4 bits crescente-decrescente
           •   74XX190    – Contador síncrono decádico de 4 bits crescente-decrescente
           •   74XX390    – Duplo contador assíncrono decádico
           •   74XX393    – Duplo contador assíncrono binário de 4 bits




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5 .5       Referências bibliográficas


           1. Baú, N.. Apostila de Eletrônica Digital: Contadores, ETFSC,1999.

           2. Montebeller, S.J. Apostila de Eletrônica II, FACENS.

           3. Digital Logic: Pocket Data Book, Texas Instruments, 2003.

           4. Digital Logic: Datasheet, Texas Instruments, 2003.




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5 .6         Exercícios

1.         Para o contador mostrado abaixo determine e o seu módulo e a tabela funcional? Qual tipo de con-
                                tador ele representa: síncrono ou assíncrono?



                            CLR
                                                                         A
                            CLK




                                                                         B




                                                                         C




                                                Tabela funcional

2.         Para o contador mostrado abaixo determine e o seu módulo e a tabela funcional? Qual tipo de con-
                                tador ele representa: síncrono ou assíncrono?



                 clkB



                 clkA             clk                                                clk
                                                 clk           clk



                 clr




                                            A              B         C         D


                                                Tabela funcional
                                    Clock   Contagem   C         B   A
                                      0         0      0         0   0
                                      1
                                      2
                                      3
                                      4
                                      5
                                      6
                                      7
                                      8
                                      9
                                     10
                                     11
                                     12


V .2 004                                                                                   Pá g.20
CURSO DE E LE TRÔ NI CA DI GI TAL                                                     CEFE T/ S C
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3.      Configure utilizando o contador de 4 bits, um contador de MOD-11. Faça o seu diagrama de estados
 e sua tabela funcional. Utilize o diagrama em blocos abaixo. Lembre-se que a entrada CLR é assíncrona.




                                          D     C   B   A


                                          CLK

                                           CLR




 4.        Qual o modulo do contador (CD4040) configurado na figura abaixo? Lembrete: o CLR é ativo ALTO.

                                                          CLK
                                                        (100kHz)




                               +5V




                                                                         0V




5.     Na questão anterior qual é a freqüência do sinal CLR?

6.     Na questão anterior qual é a freqüência do sinal do pino QE?

7.     Configure utilizando os contadores de 4 bits, um contador de MOD-60. Utilize o diagrama em blocos
abaixo. Lembre-se que as entradas CLR são assíncronas.



                 D     C   B    A                                  D   C      B   A


                 CLK                                           CLK

                   CLR                                             CLR




V .2 004                                                                                 Pá g.21
CURSO DE E LE TRÔ NI CA DI GI TAL                                                  CEFE T/ S C

8.     Configure um contador de MOD-60 usando o CI 74LS393. Utilize o diagrama abaixo. O CLK corres-
ponde as entradas A (pinos 13 e 1). Acrescente as portas (E, OU, INVERSORAS) que forem necessárias para
configurar corretamente o contador. Lembrete: 1) alimenta corretamente o CI. 2) as entradas CLR do 74L-
S393 são assíncronas. Se puder verifique o funcionamento usando um simulador de circuitos (EWB 5.2 ou
MULTISIM 2001)., ou montando o circuito no Laboratório de Alunos.




9.     Na questão anterior qual será a freqüência do sinal CLR se o clock for de 1,8MHz?

10.    Na questão anterior qual será a freqüência do sinal da saída QB do segundo contador se o clock for
de 1,8MHz?

11.    Configure o contador 74LS163 para realizar a contagem crescente de 0 a 15 MOD-16. Faça o diagra-
ma de estados correspondentes.




12.    Configure o contador 74LS163 para realizar a contagem crescente de 0 a 12 MOD-13. Faça o diagra-
ma de estados correspondentes. Lembrete: a entrada CLR do 74LS163 é síncrona.




V .2 004                                                                               Pá g.22
CURSO DE E LE TRÔ NI CA DI GI TAL                                                  CEFE T/ S C




13.    Configure o contador 74LS163 para realizar a contagem crescente entre 6 (0110) e 12 (1100) incluindo
os dois extremos. Faça o diagrama de estados correspondentes.




14.     Configure o contador 74LS190 para realizar a contagem decrescente de 15 a 0 MOD-16. Faça o dia-
grama de estados correspondentes. Lembrete: a entrada CTEN deve estar em alto para que a contagem
ocorra.




V .2 004                                                                               Pá g.23
CURSO DE E LE TRÔ NI CA DI GI TAL                                                    CEFE T/ S C

15.    O que deve ser feito no circuito anterior para que o contador conte em ordem crescente?

16.   Faça um diagrama em blocos representando os contadores utilizados para obter a freqüência de
360Hz a partir de um sinal digital de 28,8kHz. Quais circuitos comerciais de contadores você utilizaria para
implementar este divisor de freqüência?

17.    Faça um diagrama em blocos representando os contadores utilizados para obter as freqüências de
480Hz e 1440Hz a partir de um sinal digital de 28,8kHz.

18.    Faça um diagrama em blocos representando os contadores utilizados para obter uma onda quadrada
de 4250Hz a partir de um sinal digital de 1,44MHz. Se não for possível obter o valor exato, obtenha o valor
mais próximo possível e informe qual é o valor da freqüência obtida.

19.     Implemente o circuito projetado na questão anterior utilizando FF JK para o divisor por 2 e o 74L-
S393 para a outra divisão. Acrescente as portas (E, OU, INVERSORAS) que forem necessárias para configu-
rar corretamente o contador.




V .2 004                                                                                  Pá g.24

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  • 1. MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO IFSC - Campus São José CST em Telecomunicações ELETRÔNICA DIGITAL CONTADORES Marcos Moecke São José - SC, 2009
  • 2. CURSO DE E LE TRÔ NI CA DI GI TAL CEFE T/ S C
  • 3. SUMÁRIO 5. CONTADORES ..................................................................................................1 5.1 CONTADORES ASSÍNCRONOS................................................................................1 ................................................................................1 CONTADOR ASSÍNCRONO CRESCENTE..............................................................................1 CONTADORES COM MÓDULO < 2N................................................................................3 CONTADORES DE DÉCADA...........................................................................................4 CONTADOR ASSÍNCRONO DECRESCENTE...........................................................................4 CONTADOR ASSÍNCRONO ASCENDENTE-DESCENDENTE..........................................................5 ATRASOS DE PROPAGAÇÃO DE CONTADORES ASSÍNCRONOS...................................................6 5.2 CONTADORES SÍNCRONOS...................................................................................6 ...................................................................................6 CONTADOR SÍNCRONO ASCENDENTE...............................................................................7 CONTADORES SÍNCRONOS DECRESCENTES.........................................................................7 CONTADORES COM CARGA PARALELA.............................................................................7 CONTADOR SÍNCRONO CRESCENTE-DECRESCENTE...............................................................8 5.3 APLICAÇÕES COM CONTADORES...........................................................................9 ...........................................................................9 CONTADORES BCD..................................................................................................9 CONTADORES COMO DIVISORES DE FREQÜÊNCIA.................................................................9 5.4 CIRCUITOS INTEGRADOS DE CONTADORES............................................................10 ............................................................10 14 14 14 5.5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..........................................................................19 ..........................................................................19 5.6 EXERCÍCIOS...................................................................................................20 ...................................................................................................20
  • 4. CURSO DE E LE TRÔ NI CA DI GI TAL CEFE T/ S C
  • 5. CURSO DE E LE TRÔ NI CA DI GI TAL CEFE T/ S C 5. CONTADORES Os flip-flops têm funções ilimitadas em sistemas digitais. Podemos associá-los e utilizá- los como contadores, registradores, e muitos outros circuitos. Os contadores são classificados basicamente em dois grandes grupos: • assíncronos – possuem um sinal de clock que é dividido até o último FF. • síncronos – utilizam um sinal de clock comum a todos os FF. Também existe um grupo especial denominado “Contadores em Anel” que são obtidos diretamente dos registradores de deslocamento. 5 .1 Contadores assíncronos Estes contadores também são conhecidos como seriais ou contadores por pulsação (rip- ple counter). Tal nome advém do fato dos flip-flops (FF) do contador não serem dispara- dos diretamente pelo sinal de clock. Cada FF é disparado pela saída do FF anterior. Esta característica torna estes contadores limitados em termos de velocidade, pois o tempo de ativação (tempo de resposta) é dado aproximadamente pela soma dos tempos de atraso de propagação de cada FF. Também podem ocorrer glitches (pulsos não deseja- dos), se usado decodificadores para indicar a ocorrência de uma determinada saída (contagem). Contador assíncrono crescente Um circuito típico de um contador assíncrono crescente construído com FF do tipo JK é mostrado na Fig. 5-1. Os FF JK estão com ambas entradas J e K permanentemente em nível alto, estando configuradas portanto como FF tipo T. Cada FF é disparado pela saída Q do FF ante- rior. V .2 004 P ág .1
  • 6. CURSO DE E LE TRÔ NI CA DI GI TAL CEFE T/ S C Fig. 5-1 Contador assíncrono crescente Clock 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 Est o ad Fig. 5-2 Diagrama de tempo do contador assíncrono crescente clock D C B A Decimal Estado 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 2 0 0 1 0 2 2 3 0 0 1 1 3 3 4 0 1 0 0 4 4 5 0 1 0 1 5 5 6 0 1 1 0 6 6 7 0 1 1 1 7 7 8 1 0 0 0 8 8 9 1 0 0 1 9 9 10 1 0 1 0 10 10 11 1 0 1 1 11 11 12 1 1 0 0 12 12 13 1 1 0 1 13 13 14 1 1 1 0 14 14 15 1 1 1 1 15 15 16 0 0 0 0 0 0 17 0 0 0 1 1 1 18 0 0 1 0 2 2 Fig. 5-3 Estados do contador assíncrono crescente MOD-16 O contador tem como conteúdo (estado interno) a contagem do número de transições negativas do clock, de forma que quando ocorre uma transição o conteúdo é incrementado de uma unidade. O conteúdo do contador é dado pelo número binário DCBA, onde A é o bit LSB (bit menos significativo) e D é o bit MSB (bit mais significativo). O modulo (MOD) de um contador é o seu número de estados distintos, portanto, o módulo de um contador com N FF pode ser no máximo o número de possíveis saídas ( 2N ). A Fig. 5-3 mostra os estados de contagem de um contador assíncrono com 4 FF (4 bits). Podemos perceber que após 16 transições de clocks o contador reinicia a contagem. Por isso, este contador é de MOD-16, ou seja, tem 16 estados distintos (00002 até 11112). Nos contadores assíncronos, a freqüência do clock é dividida por 2 em cada FF, ou seja: na saída A temos clock/2, e na saída D temos clock/16. Portanto, os contadores assíncronos são divisores de freqüência e no último FF a freqüência de clock é dividida pelo módulo do contador. Contadores com módulo < 2 N Para obter um contador com módulo menor do que 2N é necessário adicionar um circuito decodifica- dor para reiniciar a contagem antes de chegar ao valor máximo (ou mínimo). A Fig. 5-4 mostra um V .2 004 P ág .2
  • 7. CURSO DE E LE TRÔ NI CA DI GI TAL CEFE T/ S C contador MOD-6. Se não houvesse a porta NAND ligada nas entradas CLR dos FF o módulo do contador seria 8. A seqüência de estados do contador MOD-6 é mostrada nas Fig. 5-5 e Fig. 5-6. Note que na transição do 6º clock o estado do contador passa temporariamente pelo estado (1102), o qual faz com que a saída da porta NAND passe para o estado BAIXO, causando o CLR nos FF, e conseqüentemente levando o contador para o estado (0002). Fig. 5-4 Contador assíncrono com módulo < 2N clock Est o ad Fig. 5-5 Diagrama de tempo do contador com módulo < 2N clock C B A Decimal Estado 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 2 0 1 0 2 2 3 0 1 1 3 3 4 1 0 0 4 4 5 1 0 1 5 5 *6 1 1 0 6 6 *6 0 0 0 0 0 7 0 0 1 1 1 8 0 1 0 2 2 Fig. 5-6 Estados do contador assíncrono crescente MOD-6 O diagrama de transição de estados do contador de 3 bits MOD-6 é mostrado na Fig. 5-7. No diagra- ma de transição as linhas contínuas indicam a passagem pelos estados estáveis (0002→1012) e as linhas tracejadas indicam a passagem pelos estados temporários (1102). O estado (1112) embora possível não é atingível. V .2 004 P ág .3
  • 8. CURSO DE E LE TRÔ NI CA DI GI TAL CEFE T/ S C 000 estado não atingível 111 0 001 1 estado 110 6 temporário 2 010 5 3 101 011 4 100 Fig. 5-7 Diagrama de transição de estados de um contador MOD-6 Para a construção de um contador módulo X menor que o módulo máximo, o procedimento a ser se- guido deve seguir as seguintes etapas: • Determinar o menor número N de FF tal que 2N ≤ X. Exemplo: MOD-12 → N = 16. • Conectar a porta NAND nas entradas assíncronas CLR de todos os FF. Se 2N = X, não é necessário conectar nada a entrada CLR ; • Conectar as saídas que estarão em ALTO na contagem X, na porta NAND. Exemplo: 12 = 11002 D = 1 e C = 1, conectar D e C a porta NAND. Contadores de década Os contadores de década (ou decádico) são contadores que possuem 10 estados distintos, não im- portando a seqüência de contagem. Quando um contador decádico realiza a contagem em seqüên- cia binária crescente de 00002 a 10012 (0 a 9), ele é chamado de contador BCD. Contador assíncrono decrescente Os contadores que contam progressivamente a partir do zero são denominados contadores crescen- tes (ou ascendentes). Já os contadores que contam do valor máximo até zero são chamados de- crescentes (ou descendentes). A Fig. 5-8 mostra a configuração para um contador decrescente construído com FF do tipo JK. A configuração é semelhante a do contador crescente, com a única diferença de cada FF é disparado pela saída Q no lugar de Q . Fig. 5-8 Contador assíncrono decrescente A Fig. 5-9 mostra o diagrama de tempo das saídas do contador, enquanto que a Fig. 5-10 mostra a contagem das transições do clock e os estados correspondentes ao contador. O diagrama de esta- dos do contador decrescente é mostrado na Fig. 5-11(b), enquanto que o diagrama do contador crescente é mostrado na Fig. 5-11(a). Note que nos dois diagramas o contador passa por todos os estados. V .2 004 P ág .4
  • 9. CURSO DE E LE TRÔ NI CA DI GI TAL CEFE T/ S C Fig. 5-9 Diagrama de tempo do contador assíncrono decrescente Clock C B A Decimal Estado 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 7 1 2 1 1 0 6 2 3 1 0 1 5 3 4 1 0 0 4 4 5 0 1 1 3 5 6 0 1 0 2 6 7 0 0 1 1 7 8 0 0 0 0 0 9 1 1 1 7 1 10 1 1 0 6 2 Fig. 5-10 Estados do contador assíncrono decrescente MOD-8 000 000 111 0 001 001 0 111 7 7 1 1 110 6 001 6 2 010 2 110 5 3 5 3 101 011 011 101 4 4 100 100 (a) crescente (b) decrescente Fig. 5-11 Diagrama de transição de estados do contador MOD-8. Contador assíncrono ascendente-descendente O contador assíncrono ascendente-descendente, também chamado de reversível, é uma combina- ção dos contadores anteriormente vistos. Ele tem os FF conectados conforme mostra a Fig. 5-12. Nesta configuração a lógica de portas permite que o contador tenha dois modos de operação distin- tos: • Modo de contagem ascendente: UP = 1 e DOWN = 0. Os FF B e C são dispara- dos pelas saídas não complementares do FF anterior ( Q ) • Modo de contagem descendente: UP = 0 e DOWN = 1. Os FF B e C são dispa- rados pelas saídas complementares do FF anterior ( Q ) V .2 004 P ág .5
  • 10. CURSO DE E LE TRÔ NI CA DI GI TAL CEFE T/ S C UP CLK D W O N Fig. 5-12 Contador assíncrono ascendente-descendente Atrasos de propagação de contadores assíncronos Em um contador assíncrono cada FF é disparado pela saída de um FF anterior. Essa característica traz como desvantagem o acumulo dos tempos de atraso de propagação. Isso pode ser visto na Fig. 5-13. Ao passar por um FF, o sinal de clock sofre um atraso de propagação t PD e esse efeito é so- mado até o último FF, gerando um atraso total de N ᄡ tPD , onde N é o número de FF. Fig. 5-13 Atrasos de propagação em contadores assíncronos Para que um contador assíncrono funcione de modo confiável é necessário que o atraso total de propagação seja menor que o período de clock usado ( Tclock ᄡ N ᄡ tPD ), ou ainda, em termos de fre- 1 qüência máxima, que fmax = . N ᄡtPD 5 .2 Contadores síncronos Como vimos, o atraso de propagação dos FF dos contadores assíncronos limita a sua freqüência máxima. Esse problema pode ser resolvido fazendo com que os FF mudem o estado de suas saí- das no momento em que ocorre a transição de clock. Essa configuração caracteriza os contadores chamados de síncronos, sendo mostrada na Fig. 5-14. V .2 004 P ág .6
  • 11. CURSO DE E LE TRÔ NI CA DI GI TAL CEFE T/ S C Contador síncrono ascendente Fig. 5-14 Contador síncrono ascendente A análise da lógica do circuito do contador mostra que os FF do tipo JK somente estão no estado TOOGLE (J = 1 e K = 1) quando todas as saídas dos FF anteriores estão em nível ALTO. Como o si- nal de clock é comum a todos os FF, o atraso de propagação do contador será o atraso de um FF somado ao atraso das portas AND atraso total = tPD (FF ) + tPD ( AND ) . Desta forma nesse tipo de contador o atraso não depende do número de bits, mas apenas da tecno- logia utilizada. Por outro lado, como o atraso de propagação é menor, o contador síncrono pode tra- balhar com freqüências maiores que o contador assíncrono. Contadores síncronos decrescentes Do mesmo modo que os contadores assíncronos, os contadores síncronos podem contar de forma decrescente. Para isso devemos basta usar as saídas Q no lugar vez das saídas Q na lógica de ha- bilitação das entradas J e K. Contadores com carga paralela Os contadores podem contar a partir de um valor predeterminado pelo usuário. Nesses contadores o estado inicial de cada FF pode ser determinado através das entradas CLR (Q→0) e PRE (Q→1). A Fig. 5-15 mostra circuito de inicialização de um FF. Quando LOAD é BAIXO, o FF funciona normal- mente. Quando LOAD é ALTO, o valor de D é armazenado na saída do FF através das entradas as- síncronas (que não dependem do clock). Fig. 5-15 Circuito de carga Se fizermos isso para cada flip-flop do contador poderemos predeterminar o valor inicial a ser incre- mentado. Esse processo é conhecido como carga paralela porque é realizado simultaneamente em todos os FF do contador. Um exemplo prático de um contador síncrono crescente-decrescente de MOD-16 com carga paralela é o 74LS193/74HC193. O circuito de carga pode ser utilizado tanto nos contadores síncronos como nos assíncronos. V .2 004 P ág .7
  • 12. CURSO DE E LE TRÔ NI CA DI GI TAL CEFE T/ S C Contador síncrono crescente-decrescente A construção de um contador síncrono crescente-decrescente é feita de forma semelhante a mostra- da para o contador assíncrono. Para analisar um contador síncrono crescente-decrescente com carga paralela, utilizamos o circuito integrado 74LS193, o qual possui as seguintes características: • É um contador síncrono de 4 bits e módulo 16, com saídas QA, QB, QC, QD • As entradas DOWN e UP são entradas de clock. A aplicação do sinal a uma des- sas entradas determina se a contagem será crescente ou decrescente; • A entrada assíncrona de CLR (limpar) zera o contador (00002); • A entrada assíncrona LOAD (carregar) permite determinar o valor inicial de conta- gem (DCBA) através das entradas A, B, C e D. . • As saídas CARRY (vai um) e BORROW (empresta um) indicam o reinicio da contagem crescente (15→0) e decrescente(0→15), respectivamente. LOAD Fig. 5-16 Diagrama funcional do 74LS193 V .2 004 P ág .8
  • 13. CURSO DE E LE TRÔ NI CA DI GI TAL CEFE T/ S C 5 .3 Aplicações com contadores Contadores BCD Os contadores BCD são bastante usados em circuitos onde pulsos devem ser contados e mostrados em um display. A Fig. 5-17 mostra um arranjo de contadores BCD que realiza a contagem de 000 a 999. Fig. 5-17 Contador BCD de 000 a 999 Inicialmente todos os contadores estão em 0 e o display mostra 000. A cada borda de descida do clock, o contador de unidades é incrementado e o valor do contador é mostrado no display. Quando o valor atinge 009 (10012), a próxima transição de descida do clock fará com que o contador de uni- dades retorne para 0. Nesse momento ocorrerá uma transição de 1 para 0 (borda de descida) da sa- ída D desse contador, a qual está ligada a entrada de clock do contador de dezenas. Essa transição da saída D do contador de unidades faz com que o contador de dezenas seja incrementado e o dis- play passa a mostrar o valor 010. As contagens prosseguem até atingir 999. Nesse estado com mais uma transição de descida do clock os contadores reiniciam com 000. Contadores como divisores de freqüência Uma outra aplicação de contadores é geração digital de um sinal de clock de menor freqüência ( fclk ) a partir de uma onda quadrada de freqüência superior ( fosc ). Usando a característica de divisão de freqüência dos contadores, determina-se a contagem N que o contador deve realizar N = fosc / fclk . Em seguida configura-se o contador para realizar N contagens. O sinal de saída do último estágio do contador é um sinal que tem a freqüência desejada ( fclk ). Esse sinal pode não ser uma onda quadrada, mas isso pode ser resolvido fazendo uma contagem N / 2 , seguido de um divisor por 2 (FF do tipo T). Exemplo: Deseja-se obter uma freqüência de 1Hz (1 segundo), a partir de um sinal digital com freqüência de 60Hz obtido a partir da rede de energia elétrica. N = fosc / fclk = 60 /1 = 60 Se não houver nenhuma restrição quanto a forma do sinal, basta dividimos diretamente o sinal de 60Hz por 60 e obter o sinal de 1 Hz. V .2 004 P ág .9
  • 14. CURSO DE E LE TRÔ NI CA DI GI TAL CEFE T/ S C 60 Hz Contador 1 Hz MOD-60 No entanto, para obter um sinal quadrado de 1 Hz, é necessário dividimos primeiro o sinal de 60Hz por 30 e em seguida dividir esse sinal por 2 para obter o sinal de 1Hz. 60 Hz Contador 2 Hz FF tipo T 1 Hz MOD-30 (Divisor 2) 5 .4 Circuitos integrados de contadores Existem vários circuitos integrados de contadores, tanto TTL como CMOS. Nos Datasheet os conta- dores assíncronos são simplesmente identificados como COUNTERS, enquanto que os contadores síncronos são identificados como SYNCHRONOUS COUNTERS. A seguir são mostrados as pina- gens e os diagramas de alguns contadores. • 74XX90 – Contador assíncrono decádico • 74XX92 – Contador assíncrono divisor por doze • 74XX93 – Contador assíncrono binário de 4 bits • 74XX73 – 2 FF do tipo JK para construir contadores síncronos ou assíncronos. • CD4040 – Contador assíncrono binário de 12 bits • 74XX163 – Contador síncrono binário de 4 bits • 74XX169 – Contador síncrono binário de 4 bits crescente-decrescente • 74XX190 – Contador síncrono decádico de 4 bits crescente-decrescente • 74XX390 – Duplo contador assíncrono decádico • 74XX393 – Duplo contador assíncrono binário de 4 bits V .2 004 Pá g.10
  • 15. CURSO DE E LE TRÔ NI CA DI GI TAL CEFE T/ S C V .2 004 Pá g.11
  • 16. CURSO DE E LE TRÔ NI CA DI GI TAL CEFE T/ S C V .2 004 Pá g.12
  • 17. CURSO DE E LE TRÔ NI CA DI GI TAL CEFE T/ S C V .2 004 Pá g.13
  • 18. CURSO DE E LE TRÔ NI CA DI GI TAL CEFE T/ S C V .2 004 Pá g.14
  • 19. CURSO DE E LE TRÔ NI CA DI GI TAL CEFE T/ S C V .2 004 Pá g.15
  • 20. CURSO DE E LE TRÔ NI CA DI GI TAL CEFE T/ S C V .2 004 Pá g.16
  • 21. CURSO DE E LE TRÔ NI CA DI GI TAL CEFE T/ S C V .2 004 Pá g.17
  • 22. CURSO DE E LE TRÔ NI CA DI GI TAL CEFE T/ S C V .2 004 Pá g.18
  • 23. CURSO DE E LE TRÔ NI CA DI GI TAL CEFE T/ S C 5 .5 Referências bibliográficas 1. Baú, N.. Apostila de Eletrônica Digital: Contadores, ETFSC,1999. 2. Montebeller, S.J. Apostila de Eletrônica II, FACENS. 3. Digital Logic: Pocket Data Book, Texas Instruments, 2003. 4. Digital Logic: Datasheet, Texas Instruments, 2003. V .2 004 Pá g.19
  • 24. CURSO DE E LE TRÔ NI CA DI GI TAL CEFE T/ S C 5 .6 Exercícios 1. Para o contador mostrado abaixo determine e o seu módulo e a tabela funcional? Qual tipo de con- tador ele representa: síncrono ou assíncrono? CLR A CLK B C Tabela funcional 2. Para o contador mostrado abaixo determine e o seu módulo e a tabela funcional? Qual tipo de con- tador ele representa: síncrono ou assíncrono? clkB clkA clk clk clk clk clr A B C D Tabela funcional Clock Contagem C B A 0 0 0 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 V .2 004 Pá g.20
  • 25. CURSO DE E LE TRÔ NI CA DI GI TAL CEFE T/ S C 13 14 15 3. Configure utilizando o contador de 4 bits, um contador de MOD-11. Faça o seu diagrama de estados e sua tabela funcional. Utilize o diagrama em blocos abaixo. Lembre-se que a entrada CLR é assíncrona. D C B A CLK CLR 4. Qual o modulo do contador (CD4040) configurado na figura abaixo? Lembrete: o CLR é ativo ALTO. CLK (100kHz) +5V 0V 5. Na questão anterior qual é a freqüência do sinal CLR? 6. Na questão anterior qual é a freqüência do sinal do pino QE? 7. Configure utilizando os contadores de 4 bits, um contador de MOD-60. Utilize o diagrama em blocos abaixo. Lembre-se que as entradas CLR são assíncronas. D C B A D C B A CLK CLK CLR CLR V .2 004 Pá g.21
  • 26. CURSO DE E LE TRÔ NI CA DI GI TAL CEFE T/ S C 8. Configure um contador de MOD-60 usando o CI 74LS393. Utilize o diagrama abaixo. O CLK corres- ponde as entradas A (pinos 13 e 1). Acrescente as portas (E, OU, INVERSORAS) que forem necessárias para configurar corretamente o contador. Lembrete: 1) alimenta corretamente o CI. 2) as entradas CLR do 74L- S393 são assíncronas. Se puder verifique o funcionamento usando um simulador de circuitos (EWB 5.2 ou MULTISIM 2001)., ou montando o circuito no Laboratório de Alunos. 9. Na questão anterior qual será a freqüência do sinal CLR se o clock for de 1,8MHz? 10. Na questão anterior qual será a freqüência do sinal da saída QB do segundo contador se o clock for de 1,8MHz? 11. Configure o contador 74LS163 para realizar a contagem crescente de 0 a 15 MOD-16. Faça o diagra- ma de estados correspondentes. 12. Configure o contador 74LS163 para realizar a contagem crescente de 0 a 12 MOD-13. Faça o diagra- ma de estados correspondentes. Lembrete: a entrada CLR do 74LS163 é síncrona. V .2 004 Pá g.22
  • 27. CURSO DE E LE TRÔ NI CA DI GI TAL CEFE T/ S C 13. Configure o contador 74LS163 para realizar a contagem crescente entre 6 (0110) e 12 (1100) incluindo os dois extremos. Faça o diagrama de estados correspondentes. 14. Configure o contador 74LS190 para realizar a contagem decrescente de 15 a 0 MOD-16. Faça o dia- grama de estados correspondentes. Lembrete: a entrada CTEN deve estar em alto para que a contagem ocorra. V .2 004 Pá g.23
  • 28. CURSO DE E LE TRÔ NI CA DI GI TAL CEFE T/ S C 15. O que deve ser feito no circuito anterior para que o contador conte em ordem crescente? 16. Faça um diagrama em blocos representando os contadores utilizados para obter a freqüência de 360Hz a partir de um sinal digital de 28,8kHz. Quais circuitos comerciais de contadores você utilizaria para implementar este divisor de freqüência? 17. Faça um diagrama em blocos representando os contadores utilizados para obter as freqüências de 480Hz e 1440Hz a partir de um sinal digital de 28,8kHz. 18. Faça um diagrama em blocos representando os contadores utilizados para obter uma onda quadrada de 4250Hz a partir de um sinal digital de 1,44MHz. Se não for possível obter o valor exato, obtenha o valor mais próximo possível e informe qual é o valor da freqüência obtida. 19. Implemente o circuito projetado na questão anterior utilizando FF JK para o divisor por 2 e o 74L- S393 para a outra divisão. Acrescente as portas (E, OU, INVERSORAS) que forem necessárias para configu- rar corretamente o contador. V .2 004 Pá g.24