Contador de dos dígitos de siete segmentos.

Introducción.

A pesar de las nuevas técnicas y opciones de las que contamos en la actualidad, sin duda, me asalta la duda de que estamos «matando moscas a cañonazos«. Pongo un ejemplo, en ocasiones se plantean preguntas como:  Necesito un contador de dos dígitos que avance al apretar un pulsador y que al apretar otro pulsador descuente una cuenta con cada pulsación.

Como digo la duda  me asalta en cuanto que algunos desean utilizar un microcontrolador para realizar este tipo de proyecto. Utilizar un micro para cualquier proyecto no está justificado ni aún en el punto de vista del costo ni por la sencillez del mismo, disponiendo de circuitería estándar y conocimientos para cubrir este tipo de proyectos. Por este motivo…

Se presenta el estudio de un contador digital ascendente/descendente hasta 100, de 00 a 99 con el que al llegar a 99 si así lo deseamos, podamos que volver a contar en sentido descendente, para lo cual nos serviremos de los circuitos integrados de la familia CMOS (CD4000) 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 frustrante.

EL PROYECTO.

Se trata de un dispositivo en el que, mediante un par de pulsadores podamos aumentar o disminuir la cuenta que mostrará un display de 7 segmentos con el que representar los pulsos producidos por uno u otro pulsador, según su uso. Veamos los bloques implicados.

Nota. Debido a la cantidad de términos técnicos anglo-sajones empleados en la jerga técnica, para no perdernos no españolizaré algunos de los mismos.

En principio, necesitamos un contador As/Des con el que podremos realizar lo propuesto. Claro que además, sería de desear que podamos fijar un tope máximo a la cuenta o en su caso un mínimo, para que tenga más versatilidad. Esto hará que dispongamos de lo que se llama una preselección, de modo que en un momento dado podamos decidir desde que cuenta empezamos o hasta que cuenta deseamos que cuente. Considerando que cada IC, es un contador para un display, se entiende que necesitamos dos para dos dígitos.

Fig. 2 CD4018B

He pensado en utilizar los circuitos integrados CMOS por su disponibilidad y rango de tensiones de trabajo, aunque se pueden utilizar los equivalentes de la serie HC, HCT o TTL, incluso si fuera el caso unos y otros indistintamente, siempre que se respete la tensión.

Un análisis simple de las necesidades y revisando las opciones que nos ofrecen estos IC’s, podemos optar por un contador de décadas como el CD4018 que es un contador preajustable divisor por N. Las conexiones externas permiten dividir una frecuencia por 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2 . Las entradas 2, 3, 7, 9, y 12 sirven para la pre-selección, es decir, para situar el contador en un estado inicial previo para contar. Las salidas por los pines Q1 a Q4, dispone de Reset, Clock, Data y Preset-Enable.

Por supuesto que hay otras opciones, por ejemplo si disponemos del contador/divisor, los HCC4026B o el HCC4033B consisten cada uno en un contador de décadas (5 etapas Johnson) y un decodificador de salida que convierte el código a un 7 segmentos de salida decodificado para manejar un display numérico. Estos dispositivos son especialmente ventajosos en aplicaciones de visualización donde son importante una baja disipación de potencia y/o bajo recuento. Entradas comunes a ambos tipos son CLOCK, RESET yCLOCK INHIBIT, salidas comunes son; CARRY OUT y las siete salidas decodificadas (a, b, c, d, e, f, g). El HCC4026B incluye entradas/salidas adicionales para DISPLAY ENABLE IN y salida “UNGATED ‘C’ SEGMENT” (segmento C sin sincronizar). Las señales propias del HCC4033B son entrada de RIPPLE-BLANKINGK-OUT, una salidaRIPPLE-BLANKING-INPUT y entrada LAMP TEST INPUT.

Fig. 3 CD4026B y CD4033B

El siguiente sería un circuito de contador que utiliza el dispositivo CD4026B o mejor el CD4033B, tendríamos una ventaja ya que estos IC disponen de 7 salidas para atacar directamente a un display, sin embargo éstos no disponen de entradas de preselección. En la imagen se muestran los niveles de estado 1 o 0 (H o L) de cada pin.

Fig.4 Contador con el CD4033B

El contador avanza una cuenta en la transición positiva de la señal de reloj si la señal de CLOCK INHIBIT es baja. El contador avanza una cuenta a través de la línea de reloj es inhibida cuando la señal CLOCK INHIBIT es alta, esto puede servirnos en ocasiones concretas. Hay que tener en cuenta los condensadores C1 y C3, se utilizan de reset por conexión. Cuando se alimenta el circuito el tiempo de carga de estos condensadores propagan un 0 lógico, C1 a las entradas reset y C3 a la salida acarreo (Carry). Si hubiera más contadores, se utilizará un condensador de éste valor por cada contador de más. Las líneas en verde nivel 0 y en rojo nivel 1.

El HCC4033B tiene provisiones para borrado automático de los ceros no significativos en un número decimal de varios dígitos que se traduce en una pantalla de fácil lectura compatible con la práctica normal de la escritura. Por ejemplo, el número 0050,0700 en una pantalla de ocho dígitos se muestra como 50.07 más legible. La supresión de cero en el lado entero se obtiene conectando el terminal RBI del HCC4033B asociado con el dígito más significativo en la pantalla a una tensión de bajo nivel y conectando el terminal RBO de esa etapa al terminal RBI del HCC4033B en la posición significativa inmediatamente inferior en la pantalla.

Fig. 5 Pre-selector decimal

Tenemos varias alternativas que pueden servir para nuestro propósito. Antes de tomar una decisión, debemos estudiar las posibilidades que más se adapten a nuestro proyecto, es decir ¿nos interesa que tenga un pre-ajuste integrado o mejor que tenga salida directa a 7 segmentos? El pre-ajuste no siempre se utiliza o no interviene, pero estará disponible su uso en cualquier momento. El CD4018B, evidentemente se descarta ya que no se adapta a lo planteado.

Nos inclinamos por utilizar un CD4029B que requiere de un decodificador de BCD a 7 segmentos, unas posibles puertas NAND para realizar algunas interconexiones y un par de display de cátodo común para la presentación y además unos zócalos de 16 pines, dos conmutadores rotativos codificados en BCD, para selección de la cuenta, pulsadores y algunos componentes pasivos. Después de sopesar las opciones que permiten cada uno de los IC mencionados, decido utilizar el CD4029B convencido de aprovechar los recursos que ofrece.

De modo que vamos a utilizar un contador CD4029B preajustable arriba/abajo BCD a 7 segmentos controlador/decodificador/latch, que necesita de un controlador de 7 segmentos. El CD4511 es un controlador/decodificador BCD a siete segmentos con cerrojo (latch) que como veremos, incluye unas interesantes opciones. Sería el momento de leer las hojas de características de estos dos dispositivos, así como la tabla de la verdad del CD4511, para comprender lo que estamos haciendo. El siguiente esquema de bloques es sencillo y muestra los bloque que lo componen.

Fig. 6 Patillas CD4029B

Nos inclinamos por utilizar un CD4029B que requiere de un decodificador de BCD a 7 segmentos, unas posibles puertas NAND para realizar algunas interconexiones y un display de cátodo común para la presentación y además y algunos componentes pasivos, unos zócalos de 16 pines, conmutadores rotativos codificados en BCD, para selección de la cuenta, pulsadores. Después de sopesar las opciones que permiten cada uno de los IC mencionados, decido utilizar el CD4029B convencido de aprovechar los recursos que ofrece.

De modo que vamos a analizar un contador como es el CD4029B. El CD4029BMS se compone de un contador binario o BCD decimal de cuatro etapas ascendente/descendente con medios para preanálisis de acarreo en ambos modos de conteo. Las entradas consisten en un solo CLOCK, CARRY-IN (reloj habilitar), binario/decimal, arriba/abajo, preset-habilitar, cuatro señales JAM individuales: Q1, Q2, Q3, Q4 y se proporciona una señal acarreo de salida (CARRY OUT) como salida.

El CD4511 es un controlador/decodificador BCD a siete segmentos con cerrojo (latch), como veremos, incluye unas interesantes opciones. Sería el momento de leer (si aún no lo ha hecho) las hojas de características de estos dos dispositivos, así como la tabla de la verdad del CD4511, para comprender lo que estamos haciendo. El siguiente esquema de bloques es sencillo y muestra los bloque que lo componen.

Fig. 7 Pines CD4511B

Los tipos HCC4511B son controladores del decodificador BCD a 7 segmentos con latch (retención) construidos con lógica CMOS y dispositivos de salida de transistores bipolares NPN en una sola estructura monolítica, figura 8. Estos dispositivos combinan la disipación de baja energía en reposo y características de inmunidad de ruido del CMOS con salida de transistores bipolares npn capaces de abastecer hasta 25 mA. Esta capacidad permite a los tipos HCC4511B manejar directamente LEDs y otras pantallas. Se proporcionan pines para comprobar la pantalla, prueba de Lámparas (LT), Supresión (BL) y entradas Latch Enable o Strobe, apagado o de intensidad-modulada y Store (almacén) o Strobe un código BCD, respectivamente. Varias señales diferentes pueden ser multiplexadas y se visualizan cuando se utiliza circuitería de multiplexado externo.

Fig. 8 Driver Cátodo Común.

 Con estos circuitos a nuestro alcance, vamos a diseñar un circuito que cumpla con el objetivo propuesto. El siguiente esquema es una aproximación al esquema que necesitamos. Probaremos con un dígito para aprender como actuar ante un contador como el CD4029B. He utilizado un interruptor para la alimentación, cuatro interruptores para simular el preselector de cuenta, uno para la supresión, en realidad este no tiene demasiado sentido aquí, su utilidad está en otro campo y uno más para habilitar o no la cuenta, en realidad se comporta como un reset permanente, un pulsador para el reset y uno segundo pulsador para los pulsos de entrada a contar. Por otra parte están el conmutador Binario/Decimal que en este proyecto no tiene sentido, lo he puesto para que se vea su funcionalidad y por último otro conmutador para el conteo INCR/DECR.

Fig. 9 Tabla CD4511

La entrada de pulsos es un punto a tener en cuenta, este tema está muy descrito, sin embargo, he de insistir las señales deben estar bien conformadas lo que nos permitirá obtener una cuenta sin errores. Es recomendable utilizar si es posible una puerta Triger-Smitch para escuadrar los pulsos si proceden de un circuito exterior, en nuestro caso ya se ha previsto la puerta IC5.

Fig. 10 Contador 1 digto CD4029B

Ahora que ya hemos aprendido a utilizar estos contadores, es el momento de abordar el proyecto final del contador. Este contador tiene un rango de frecuencias bajo que comprende desde 0Hz 40MHz. con una tensión desde 0V a 5V, por supuesto que los chips CMOS admiten tensiones superiores y pueden funcionar bien a 12V, pero eso es una cuestión que no abordaremos aquí.

Las entradas de CLOCK y UP/DOWN se utilizan directamente en la mayoría de las aplicaciones CD4029B. En aplicaciones donde se proveen entradas de CLOCK UP yCLOCK DOWN, la conversión para entradas de CLOCK y UP/DOWN puede ser fácilmente realizada con el uso del circuito de la figura 11.

Fig. 11 Esquema puertas reloj up-down

Las entradas de conteo, cambian con transiciones positivas de CLOCK UP o CLOCK DOWN en el CD4029B. Para configurar las puertas en la figura diagrama de tiempos, cuando la entrada cuenta avanza el CLOCK DOWN debe mantenerse Alta y viceversa, cuando descuenta, la entrada CLOCK UP debe mantenerse Alta.

Fig. 12 Diagrama de tiempos

 Antes de continuar con el proyecto en la imagen que sigue, se muestra esquemáticamente como conectar una cadena de contadores con reloj paralelo, esta forma permite una mayor velocidad de transmisión.

Fig. 13 Contadores reloj-paralelo

EL CIRCUITO.

El siguiente esquema corresponde al contador de dos dígitos con posibilidad de contar y descontar según la posición del conmutador para tal fin. Dispone de un interruptor de Power y uno habilitar este, para una puesta a cero permanente si hiciera falta. He añadido un generador de impulsos alrededor del 555 que se activa con el interruptor reloj, he incluido el conmutador BI/DEC, uno para UP/DOWN, un pulsador de RESET y otro para los impulsos de Conteo. Por supuesto los preselectores para su función si hiciera falta.

Fig. 14 Contador dos digitos con CD4029B

Una señal Alta PRESET ENABLE, permite obtener información sobre las entradas JAM para preajustar el contador a cualquier estado, de forma asíncrona con el reloj. Una señal Baja en cada línea JAM, cuando la señal de PRESET-ENABLE es Alta, reinicia el contador a cero su cuenta. El contador avanza una cuenta en la transición positiva del reloj cuando las señales CARRY-IN y PRESET ENABLE son bajas.

El avance se inhibe cuando la señal CARRY-IN o PRESET ENABLE son Altos. La señal de CARRY-OUT es normalmente Alto y pasa a nivel Bajo cuando el contador alcanza su cuenta máxima en el modo INC o la cuenta mínima en el modo DEC proporciona la señal de CARRI-IN es bajo. La señal de CARRY-IN en el estado Bajo por lo tanto se puede considerar un CLOCK ENABLE. El terminal CARRY-IN debe estar conectado a VSS cuando no esté en uso.

El contador cuenta en el modo binario cuando la entrada BINARIO/DECIMAL es alta. El contador cuenta en el modo década, cuando la entrada BINARIO/DECIMAL es baja. El contador cuenta hacia arriba cuando la entrada de arriba/abajo es alta, y hacia abajo cuando la entrada de arriba/abajo es baja. Múltiples IC se pueden conectar en paralelo o bien una sincronización o una disposición de ondulación-clocking como se muestra en la figura 13. El reloj paralelo proporciona un control síncrono y por lo tanto la respuesta más rápida de todas las salidas de conteo.

Esta es una aplicación para demostrar como construir un contador con unos pocos componentes a bajo costo que en muchas ocasiones nos proporciona una satisfacción comprobar que no todos los componentes que hemos ido acumulando a lo largo de los años en un viejo cajón.

Espero que haya aclarado algunos conceptos respecto de los versátiles circuitos CMOS.

ANEXO.

A la vista de los reiterados comentarios sobre este tipo de contadores, he considerado añadir unas notas y esquemas para intentar poner un poco de luz al tema. Una vez visto como funciona el esquema de la figura 10, que representa una unidad de conteo, es cuestión de añadir una segunda unidad de conteo.

Es decir: