Contador Digital con Preselección

Ascendente/Descendente.

INTRODUCCIÓN.

Este artículo presenta el estudio de un contador digital ascendente/descendente hasta 100, o sea, de 00 a 99 con el que al llegar a 99 tengamos que volver a contar en descendente, para lo cual nos serviremos de los circuitos integrados de la familia HC por su disponibilidad en el actual mercado.

Recomendamos que el lector interesado en este proyecto antes de seguir se asegure de disponer de los circuitos adecuados o sus equivalentes ya que la decepción que puede sufrir al no encontrar alguno de los dispositivos suele ser decepcionante.

PROPÓSITO DEL PROYECTO.

Se trata de un dispositivo en el que, mediante un conmutador o dos entradas independientes, podamos aumentar o disminuir la cuenta que mostrará un display de 2 dígitos y 7 segmentos con el que representar los pulsos contados.

En principio, necesitamos un contador As/Des con el que además dispongamos de la preselección, de modo que en un momento dado podamos decidir desde que cuenta empezamos o hasta que cuenta deseamos que cuente. Hemos pensado en utilizar los circuitos integrados CMOS por su disponibilidad y rango de tensión de trabajo aunque se pueden utilizar los equivalentes de la serie HC o HCT, incluso si fuera el caso unos y otros indistintamente, siempre que se respete las tensiones y niveles lógicos.

Así pues, en principio utilizaremos un CD4029B como contador, un CD4511B como decodificador de BCD a 7 segmentos, las puertas de un CD4011B para realizar algunas interconexiones y un par de display de cátodo común para la presentación y además 4 zócalos de 16 pines, uno de 14 pines, dos conmutadores rotativos codificados en BCD, 5 interruptores y para el sentido de la cuenta un conmutador de dos posiciones. Veamos los detalles:

EL CD4029.

El CD4029BMS consiste en un contador ascendente/descendente de cuatro etapas binario o BCD-decimal con disposiciones para llevar el acarreo en ambos modos de conteo. Las entradas consisten en un solo reloj, CI (acarreo-in con habilitación de reloj), BD (binario/decimal), U/D (arriba/abajo), PE (preset habilitable) y cuatro entradas paralelas JAM para prefijar una cuenta. Se proporcionan salidas como Q1, Q2, Q3, Q4 y una señal de CO (acarreo salida). Cuando el pin BD está en 1 lógico, el contador cuenta en binario, de lo contrario, cuenta en decimal. Del mismo modo, el contador cuenta hacia arriba cuando la entrada U/D está en 1 lógico y viceversa.

Este circuito integrado CD4029B puede servirnos para nuestro proyecto, se trata de un contador con preajuste arriba/abajo, binario-decimal BCD a continuación se presenta el símbolo de este dispositivo. El diagrama funcional de la figura 02 es más útil y servirá para nuestros propósitos.

Como veremos la mayoría de las designaciones son simples e intuitivas. Por ejemplo, la entrada de UP/DN le dice al contador que cuente arriba si es un 1 lógico, o abajo cuando es 0 lógico. De la misma manera, un 1 lógico en la entrada BIN/DEC hace que el contador opere en el modo binario, mientras un 0 lógico lo hace en modo decimal (también llamado década). Si se conectan múltiples 4029s en forma de cascada para una cuenta de más dígitos, todos los pines del UP/DN se conectan juntos y manejados por un signo común, como en todas las líneas de BIN/DEC.

Las líneas C_OUT forman contadores sencillos en cascada y manteniendo una cuenta totalmente sincronizada. Si C_IN es 1 lógico, el contador no cuenta en absoluto. Cuando C_IN está a 0 lógico, el contador opera normalmente. Entonces, cuando el contador alcanza su cuenta terminal (9, 15, o 0 que dependen de los estados de UP/DN y BIN/DEC), C_OUT está a 0 lógico. Este se conecta a la línea de C_IN del próximo circuito integrado para habilitar el próximo de orden de magnitud superior para variar una cuenta. Entonces C_OUT vuelve de nuevo a 1 lógico. El primer circuito integrado del contador en juego, representando el dígito significante, mientras tiene su línea de C_IN conectada con tierra a 0 lógico para que siempre cuente.

La entrada de reloj, como el UP/DN y BIN/DEC, alimentan a todos los 4029s en un circuito contador extendido. Esto significa que, cualquier cosa será contada. Cualquier 4029 quedará habilitado teniendo su línea C_IN a 0 lógico y cambiará de estado la próxima cuenta cuando el reloj con el flanco de subida de 0 lógico a 1 lógico. Cualquier cambio de las líneas C_IN y C_OUT simplemente ocurrirá después de ese flanco de subida, y estará listo para el próximo pulso de reloj.

La entrada PE es la línea para habilitar el prefijado que, también es compartida por todos los 4029s del contador. Cuando esta línea es 0 lógico, el contador opera normalmente. Sin embargo, cuando el PE se vuelve 1 lógico, las señales lógicas presentes en las cuatro líneas de entradas prefijadas se copian directamente a los cuatro bits del contador, sobre escribiendo cualquier cuenta anterior. Estas entradas no siempre se usan, y muchas aplicaciones las ignoran. Hay algunas aplicaciones sin embargo que, usan estas ventajosas entradas.

Por ejemplo, si queremos contar un intervalo multi-dígito en segundos, podemos poner de entrada los prefijos al número decimal de segundos a ser contados y configurar el circuito para descontar. Cuando el contador alcanza el cero, las última línea C_OUT cae a 0 lógico y puede usarse después que la inversión prefije la cuenta de nuevo al número seleccionado, o detener la cuenta y señalar el fin del intervalo de la elección del momento adecuado.

Las cuatro salidas, mantienen la cuenta actual como un número binario o BCD, dependiendo del estado de BIN/DEC. La salida 1 (pin6), a menudo designado por Q1, es el Bit Menos Significativo (LSB), mientras la salida 4 (pin2 o Q4) es el Bit Más Significativo (MSB).

Todas las entradas y las salidas son CMOS estándar y operan de manera normal para los CI CMOS. Las especificaciones de los 4029 operan con precisión para las señales de reloj superiores a 2 MHz mínimo y típicamente 4 MHz, con una fuente de alimentación de 5 voltios. Correrá más rápidamente con tensiones de alimentación superiores.

•  La entrada de reloj (CLK) se habilita cuando la entrada de acarreo C_IN (Carry-in) está a nivel bajo L.
• Para prefijar o situar las salidas del contador asíncronamente a un estado determinado, se aplica la información a las entradas de datos (D3, D4, D12 y D13) y se coloca a nivel alto H la entrada PE (prefijo-habilitado). Esta función es independiente del estado de reloj y del contador.
• Un nivel bajo como datos de entrada, cuando en PE la señal es alta, restablece el contador a cero.
• Un nivel bajo en la patilla 9 (BIN/DEC), hará que la cuenta se realice en decimal y binario si es nivel alto.
• Un nivel alto en la patilla 10 (UP/DN), hará que el contador avance y un nivel bajo hará que retroceda.

La especial disposición de las puertas NAND en la entrada de reloj nos permite mediante un conmutador manual seleccionar el sentido de conteo ascendente o descendente del contador. La cuenta de impulsos se produce en la transición de nivel alto a nivel bajo o sea, con el flanco de bajada de la señal de reloj, además de proporcionarnos un nivel bajo en cada impulso de reloj. La posición del conmutador UP/DN, determina el sentido de conteo propiamente dicho.

EL CD4511.

Este circuito integrado CD4511, constituido por un decodificador BCD a siete segmentos (muestra del 0 hasta el 9), además integra 4 básculas cerrojo (Latch, similar el HC75) y un decodificador (74LS47) de BCD a 7 segmentos, seguido de un amplificador de corriente (Driver). Las funciones que integra el 4511, se pueden comprender mejor al ver la figura 4. Si está interesado en más información estudie el PDF.

Un nivel lógico 0 en la entrada LT, el display para su comprobación mostrará un 8, con independencia de las demás entradas. Por el contrario, un nivel L en la entrada BI y simultáneamente uno H en LT, apagará todos los segmentos, con igual independencia de las entradas BCD. Estos circuitos integrados se pueden conectar en las dos formas (sincronización por ondulación y sincronización paralelo) que se aprecian en la siguiente figura que sigue:

El circuito integrado 74LS47 de la serie TTL, también tiene estas entradas además de otras, una entrada RBI (ripple blanking input), que aplicándole un nivel bajo permitirá apagar dicho dígito, cuando le corresponda un cero no significativo (el conocido cero a la izquierda) que, presentará un nivel 0 en la salida RBO (esta patilla tiene la particularidad de ser entrada para BI y salida para RBO, para el caso de otros dígitos en cadena). Esta información se ha descrito para ayudar a comprender mejor el funcionamiento interno del CI 4511, que es el protagonista de este práctico contador digital.

Los pulsos de reloj y dirección contar (UP) y descontar (DOWN) que necesitan estos circuitos integrados es bastante compleja puesto que los cambios se producen en el flanco de bajada de los impulsos como reflejan las hojas de datos del fabricante, y el circuito que nos recomienda se sirve de puertas NAND y es el siguiente:

A la luz de las figuras 4 y 5 y las explicaciones descritas, puede tenerse una idea clara de cómo construir un contador de dos dígitos con preselección que es lo previsto y en su caso si se necesitan más dígitos, es cuestión de añadir un nuevo grupo formado por un CI 4029, un 4511 y un nuevo decodificador rotativo decimal a BCD.

En principio conectaremos los conmutadores rotativos a las patillas de preselección de cada contador y el común a positivo. Conectaremos las cuatro puertas del CD4011B como se aprecia en el esquema de la figura 2 y el conmutador como se ve en sus entradas con el punto común como entrada de los pulsos a contar. Esto sería la primera parte, para poder probar si todo está correcto aún debemos conectar el interruptor PE de preselección, dado que no tenemos una entrada de PAC (puesta a cero o reset), este interruptor nos puede servir dado el caso, con poner a 00 ambos y pulsando PE, todo se reinicia.

En cuanto al interruptor BIN/DEC no es estrictamente necesario si decidimos que las cuentas se hagan bien en binario o decimal, para lo cual si queremos que sea en decimal utilizaremos la resistencia a masa y si es en binario, directamente a positivo. Ahora ya se puede probar si funciona el contador, mediante una sonda se pueden probar las salidas BCD del contador CD4029B.

A continuación conectaremos los dos decodificadores similares a los mostrados arriba, éstos están codificados decimal a BCD, como ya se ha comentado el común se conectará al +Vcc y los tres interruptores que se ven a las salidas conectaremos las siete resistencias de drenaje para controlar la corriente de paso y evitar la destrucción del CD4511, por fin conectaremos los dos display de cátodo común y ya disponemos de nuestro contador de dos dígitos visto en la figura 6.

Volviendo a la figura 5, puede observarse que se han habilitado unas líneas que indican ‘a otros dígitos‘, teniendo esto presente a la hora de realizar el diseño de la placa de circuito impreso, podemos disponer de estos contactos para añadir en el futuro nuevos dígitos al contador.

APLICACIÓN.

Una vez hemos construido el contador se supone que le damos una aplicación que puede ser activar un segundo dispositivo, como un relé u otro elemento, cuando se alcanza una cuenta determinada.

Por ejemplo: Para controlar las espiras del devanado de un transformador que utiliza un motor con velocidad controlada y un sistema que controla las vueltas que da, mediante un disco similar al mostrado que hemos dispuesto en el mismo eje del motor. A este disco le hemos practicado un agujero a través del cual hacemos pasar un haz de luz emitida por un LED infrarrojo (IR) y al otro lado del disco se encontrará el receptor del LED (IR), lo que nos proporcionará un impulso por vuelta que utilizaremos para avanzar el número de vueltas que haya girado el motor.

Para activar el dispositivo mencionado, es decir para detener el motor, podemos utilizar una de las dos opciones siguientes:

• La salida de acarreo (patilla 7 del 4029B), es la mejor y más práctica, o
• La salida por coincidencia (esta está pensada, para otras aplicaciones).

Salida de coincidencia que obtendremos de un circuito en el que utilizaremos un nuevo circuito comparador de los bits que nos interese, los circuitos integrados pueden variar dependiendo de las condiciones prefijadas.

Un ejemplo de los que pretendemos describir puede ser el siguiente esquema:

Podemos utilizar puertas AND (4081, 4 puertas AND de 2 entradas) o NAND (4011, 4 puertas NAND de 2 entradas) como se aprecia en la figura 8, también se puede utilizar un circuito especializado conocido por comparador de magnitud 4 bits, como el 4085B (HC85, 74LS85), lea las características de este comparador, le ayudará a comprender como puede utilizarlo.

Con distintas combinaciones para obtener las codificaciones que estimemos necesarias, para nuestro propósito y a su salida se puede acoplar un relé con un transistor para activarlo, dicha salida puede aprovecharse para inhibir el contador has ser atendido, por ejemplo. En este caso la salida permanecerá activa mientras no cambie la cuenta del contador.

AÑADIDO.

No obstante, dada la posibilidad ofrecida por los distintos fabricantes de circuitos integrados como, las distintas posibilidades que nos presenta la extensa familia CMOS y sus derivados, podemos obtener un contador digital de las prestaciones que más nos interesen y este es el principal motivo por el que vamos a describir un nuevo formato de contador. Recuérdese la importancia de asegurar las existencias de dichos dispositivos antes de disponerse a realizar un proyecto.

Algunos circuitos integrados de la firma Motorola, como son el MC14553B, contador BCD de tres dígitos por una parte y el MC14543B, decodificador BCD a siete segmentos, actualmente los presentan otras firmas. El esquema práctico del contador ascendente para tres dígitos se puede apreciar en la siguiente figura 14.

La observación de ambos circuitos integrados MC14553B y MC14543B y la descripción hecha para los mencionados en la figura 4, nos permite entender la similitud de las funciones de las patillas entre ellos, por lo que no entraremos en detalle.