Contatore e la sua applicazione in elettronica digitale

Contatore è un dispositivo molto importante per l’elettronica. È utilizzato in molti circuiti elettronici. Un contatore digitale conta fondamentalmente impulsi di clock applicati al suo pin orologio. Possiamo usarlo con display per vedere visivamente il conteggio degli impulsi digitali. Contatore digitale con sensore viene utilizzato per, ad esempio, contare quante volte sensore attivato. Possiamo usare il sensore di conteggio del battito cardiaco per monitorare gli impulsi cardiaci utilizzando il display digitale del contatore. Questo è un esempio; ci sono molte applicazioni di contatore digitale. Ora ci sono due tipi di contatore.

1. Contatore asincrono (contatore di ripple)
2. Contatore sincrono

Contatore asincrono o contatore di Ripple

Un contatore up conta. In questo contatore gli impulsi di clock esterni vengono applicati a un solo flip-flop e altri flip-flop ottengono gli orologi dall’output “~ Q ” di quello precedente. A cui vengono applicati gli orologi esterni flip-flop l’output ‘ Q ‘ di quel flip-flop è LSB (bit meno significativo). Se non sai cosa sia LSB, leggi questo post. Esistono due tipi di contatore asincrono.

Asincrono up counter

Ora vediamo un 4 bit asincrono up counter design.

La figura sopra è un contatore asincrono a 4 bit. Può contare da 0 a 15, quindi il numero possibile di output è 16. Quindi, la sua modalità è 16 che è 24, dove 4 è il numero di infradito. Al 16 ° orologio questo contatore verrà ripristinato alla sua posizione iniziale. Consiste di quattro flip-flop di tipo D. L’ingresso ‘ D ‘ di ogni flip-flop è collegato al Q invertito (~Q) e al pin dell’orologio del prossimo flip-flop. Come puoi vedere, gli impulsi di clock esterni sono dati al primo flip-flop, ma gli impulsi di clock per altri flip-flop sono l’output “~ Q ” di quello precedente. L’uscita ‘ Q ‘ è l’uscita del contatore.

Alla condizione iniziale quando non vengono applicati orologi esterni, l’uscita “~ Q “di tutte le infradito sarà alta che è collegata all’ingresso “D”. Quando viene applicato un impulso di clock esterno, il primo flip-flop memorizzerà ” 1 “che era presente su “~Q”. Ora l’output ‘ Q ‘del primo flip-flop sarà alto e ‘~ Q ‘ sarà basso.

Al secondo orologio il primo flip-flop si resetterà e l’output ” Q “del primo flip-flop sarà basso e “~ Q ” sarà alto. Ora l’ingresso dell’orologio del secondo flip-flop ha una transizione da bassa ad alta poiché è collegato a “~ Q ” del primo flip-flop. Secondo flip-flop ripeterà tutto il processo in ogni momento ‘~Q’ uscita di cambia il suo stato dal basso verso l’alto. Questo processo si applica a tutti i flip-flop che sono collegati nel circuito. In questo modo questo circuito conta.

Vediamo la forma d’onda del contatore asincrono a 4 bit.

Se vedi attentamente la forma d’onda, noterai che gli impulsi di clock esterni si dividono ad ogni uscita. Al primo clock di uscita è dividere per 2, al secondo clock di uscita è dividere 4 e così via. Così contatore può essere utilizzato come divisore di frequenza digitale.

FN = FCLK/2N

Dove:

FN = Frequenza a QN

N = Numero di flip-flop

Possiamo scrivere la tabella di verità creando una finestra di un orologio esterno e controllando le uscite nella forma d’onda. Per esempio vedere la figura qui sotto.

Al primo orologio’ Q0 ‘uscita è ‘1’, ‘ Q1 ‘uscita è ‘0’, ‘Q2’ uscita è ‘0’ e ‘Q3’uscita è ‘0’. Ora controlliamo le uscite al secondo impulso di clock.

Al secondo orologio’ Q0 ‘uscita è ‘0’, ‘Q1’ uscita è ‘1’, ‘Q2’ uscita è ‘0’ e ‘Q3’uscita è ‘0’. Ora scriveremo la tabella della verità guardando le uscite ad ogni impulso di clock.

Orologio	Q3	Q2	Q1	Q0	equivalente Decimale di uscita binaria
0	0	0	0	0	0
1	0	0	0	1	1
2	0	0	1	0	2
3	0	0	1	1	2
4	0	1	0	0	4
5	0	1	0	1	5
6	0	1	1	0	6
7	0	1	1	1	7
8	1	0	0	0	8
9	1	0	0	1	9
10	1	0	1	0	10
11	1	0	1	1	11
12	1	1	0	0	12
13	1	1	0	1	13
14	1	1	1	0	14
15	1	1	1	1	15
16(0)	0	0	0	0	0

Come puoi vedere che questo contatore conta da 0 a 15, quindi questo è un contatore up e la tabella sopra è la tabella di verità di 4 bit up counter.

Contatore down asincrono

Un contatore down fa il conto alla rovescia e come già sappiamo che gli impulsi di clock esterni sono dati a un solo flip-flop nel contatore asincrono. In questo contatore prendiamo le uscite dall’uscita’ ~Q’.

Come si può vedere che abbiamo appena cambiare le posizioni di uscita per farlo giù contatore. Considerando che tutto il circuito resto è simile al contatore up. Ora vediamo la sua forma d’onda di uscita.

Possiamo trovare la tabella della verità usando il metodo precedente; abbiamo usato per trovare la tabella della verità del contatore.

Orologio	Q3	Q2	Q1	Q0	equivalente Decimale di uscita binaria
0	1	1	1	1	15
1	1	1	1	0	14
2	1	1	0	1	13
3	1	1	0	0	12
4	1	0	1	1	11
5	1	0	1	0	10
6	1	0	0	1	9
7	1	0	0	0	8
8	0	1	1	1	7
9	0	1	1	0	6
10	0	1	0	1	5
11	0	1	0	0	4
12	0	0	1	1	3
13	0	0	1	0	2
14	0	0	0	1	1
15	0	0	0	0	0
16(0)	1	1	1	1	15

Contatore sincrono

Nel contatore sincrono gli impulsi di clock esterni sono dati a tutte le infradito. Ma usiamo la logica aggiuntiva in questo contatore. Esistono due tipi di contatore sincrono e contatore asincrono.

Sincrono up counter

Come sappiamo che un up counter conta fino. Esistono due tipi di contatore sincrono.

1. Contatore sincrono con ripple carry

Vediamo il design di un contatore sincrono a 4 bit con ripple carry.

Diagramma di temporizzazione (timing forma d’onda) e la tabella di verità è lo stesso asincrono up contatore. Come si può vedere che ha E cancello ad ogni flip flop tranne il primo che è LSB flip flop. Ogni porta E ha due ingressi. Uscita di ogni E cancello sono uscita AND’ed di precedenti tutte le infradito ed è ingresso del prossimo flip-flop. Per dare AND’ed uscita del precedente tutte le infradito al prossimo E cancello, uscita del precedente e cancello è dato al prossimo il prossimo e cancello. Questo tipo di contatore è chiamato “ripple carry counter”.

Ora capiamo il funzionamento di questo contatore. Si può vedere che tutti JK flip-flop è configurato come T flip flop. L’input del primo flip flop T è fisso che è alto (1) e l’output è dato al prossimo input flip flop e al primo E al gate. L’output del secondo flip flop è dato al primo E al gate e l’output del primo E del gate è dato al prossimo input flip flop. Quindi questa sequenza viene ripetuta per tutte le prossime infradito.

Mentre diamo impulsi di clock a questo circuito, il primo flip flop si attiva e la sua uscita diventa alta. Ora l’ingresso del secondo ingresso è alto e come prossimo impulso di clock è dato poi secondo flip flop si attiva e diventa alto. Primo flip flop sarà anche passare al secondo orologio e diventerà basso. Al terzo orologio, il primo flip flop si attiva e diventa alto, ma poiché l’input del secondo flip flop era basso, non si attiva e rimarrà alto. Ora il primo E gate è ora attivo e il suo output sarà alto, che è l’input del terzo flip flop. Al quarto impulso di clock è dato, primo e secondo flip-flop sarà basso e terzo flip flop sarà toggle e diventerà alta. Questo processo si ripeterà per tutte le infradito.

2. Sincrono up counter senza ripple carry counter

Vediamo il design di un 5 bit sincrono up counter senza ripple carry.

In questo ingresso contatore di E cancello è in aumento come flip-flop aumenta. Perché non diamo l’output di precedente E successivo E gate invece stiamo dando direttamente tutte le precedenti infradito a E gate. Quindi, all’aumentare del numero di flip flop, aumenta anche il numero di input E gate. Questo tipo di flip flop è chiamato “senza ripple carry counter”. Il funzionamento di questo contatore è lo stesso spiegato in precedenza.

Contatore down sincrono

Sappiamo che per convertire un contatore up in contatore down dobbiamo solo cambiare la posizione di uscita in infradito. Quindi, vediamo il circuito per entrambi i tipi di contatore sincrono.

1. Sincrono giù contatore con ripple carry

Vediamo il circuito logico per sincrono giù contatore con ripple carry.

Quindi, come puoi vedere, abbiamo cambiato l’uscita dall’uscita ‘ Q ‘all’uscita’ ~ Q ‘ per ottenere un contatore verso il basso.

2. Sincrono giù contatore senza ripple carry

Vediamo il circuito logico per sincrono giù contatore senza ripple carry.

Quindi, come puoi vedere anche in questo contatore, abbiamo cambiato l’uscita dall’uscita ‘ Q ‘all’uscita’ ~ Q ‘ per ottenere un contatore verso il basso.

Tipo speciale di contatore

Ci sono alcuni tipi speciali di contatore disponibili e sono “Ring counter” e “Johnson counter”. Vediamoli uno per uno.

Contatore ad anello

Questo è un tipo speciale di contatore sincrono. È un contatore di tipo shift, quindi è anche chiamato contatore shift. In questo contatore i dati si spostano da destra a sinistra o da sinistra a destra. Vediamo il circuito logico del contatore ad anello.

Come puoi vedere, l’output dell’ultimo flip-flop è l’input per il primo flip flop, l’output del primo flip-flop è l’input per il secondo flip-flop e così via. Quindi i dati si sposteranno da sinistra a destra. In questo contatore il flip-flop più a destra o più a sinistra è inizialmente impostato su ‘ 1 ‘ e tutte le altre flip-flop sono cancellate. Ad ogni impulso di clock questo ‘ 1 ‘ verrà spostato. Ora vediamo la tabella verità del contatore anello.

Il passo di conteggio del contatore dell’anello sarà 20, 21, 22….2N-1. dove N è il numero di flip flop.

FOUT = FCLK/N

Johnson counter

Questo è anche un tipo speciale contatore sincrono. Abbiamo dovuto preimpostare un flip-flop nel contatore anello, ma in Johnson contatore feedback è dato forma” ~ Q ” uscita dell’ultimo flip-flop. Dobbiamo solo cancellare tutte le infradito.

Come puoi vedere, l’output” ~Q ” dell’ultimo flip-flop è l’input per il primo flip flop, l’output del primo flip-flop è l’input per il secondo flip-flop e così via. Quindi i dati si sposteranno da sinistra a destra. In questo contatore non dobbiamo inizialmente impostare LSB o MSB flip flop a ‘1’, dobbiamo solo cancellare tutte le infradito. Al primo impulso di clock ‘ 1 ‘che si trova su “~Q3” verrà spostato e verrà memorizzato in Q0 fino a quando “~Q3” non è “0”. Ora vediamo la tabella verità di Johnson counter.

Clock	~K3	K3	K2	K1	K0
1	1	0	0	0	0
2	1	0	0	0	1
3	1	0	0	1	1
4	1	0	1	1	1
5	0	1	1	1	1
6	0	1	1	1	0
7	0	1	1	0	0
8	0	1	0	0	0
9	1	0	0	0	0

Applicazioni del contatore

• Conteggio digitale pulse
• a divisione di Frequenza
• orologi Digitali
• Analogico convertitore digitale (ADC)

Alcuni chip contatore (contatore IC)

1. 74HC161: – Si tratta di un 4 bit sincrono BCD (Binary Coded Decimal) contatore con reset asincrono. È prodotto da Texas Instruments (TI).
2. 74HC163: – È un contatore binario sincrono a 4 bit con reset asincrono e carico sincrono. È prodotto da Texas Instruments (TI).
3. 74HC191: – È un contatore binario sincrono a 4 bit su/giù con reset asincrono e carico sincrono. È prodotto da NXP.
4. 74HC160:-Si tratta di un 4 bit pre-impostabile sincrono BCD contatore con asincrono reset. È prodotto da NXP.
5. CD4017B: – È un decade counter sincrono a 4 stadi con uscite decodificate (0-9). Per maggiori informazioni clicca qui.