Estudos PDF

2ELE064 – Circuitos Digitais I Contadores Assíncronos e Síncronos Prof. Newton da Silva Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prentice Hall  Organização...

2ELE064 – Circuitos Digitais I Contadores Assíncronos e Síncronos Prof. Newton da Silva Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prentice Hall  Organização Contadores Assíncronos Contadores Assíncronos / Divisão de Frequência Atraso de Propagação em Contadores Assíncronos Limitações dos Contadores Assíncronos Contadores Síncronos (Paralelos) Contadores Síncronos Comerciais Contadores de Módulo < 2N Contadores Síncronos Decrescentes e Crescentes Contadores com Carga Paralela Circuitos Integrados de Contadores Síncronos Decodificação de um Contador Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prentice Hall  Introdução Agora que já se conhece os Flip-Flops e Latchs básicos, tais como o SR, JK, D, e o funcionamento de suas entradas síncronas e assíncronas, podem-se construir estruturas mais complexas, tais como contadores, registradores e outras máquinas síncronas e assíncronas diversas. Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prentice Hall  Contadores Assíncronos Contador assíncrono: 1. Os pulsos de clock são aplicados apenas em CLK do FF A (primeiro FF). 2. A saída “A” do FF A funciona como CLK do FF B e da mesma forma para o FF C e D. 3. As saídas dos FFs D, C, B e A, nesta ordem, representam um número binário de quatro bits com contagem sequencial de 0000 a 1111 em um contador com (4 FFs) e assim por diante. 4. O ciclo de contagem possui módulo 16 (4 FFs) 2N, onde N = no de FFs Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prentice Hall  Contadores Assíncronos O contador assíncrono é assim denominado pelo fato das saídas dos FFs não mudarem simultaneamente. Por exemplo, quando há uma mudança de 1111 para 0000, todos os FFs mudam de estado devido a borda de descida do anterior. O último muda com um delay 4x maior que o delay do primeiro. Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prentice Hall  Contadores Assíncronos Contador Assíncrono de 4 bits, módulo 16 Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prentice Hall  Contadores Assíncronos / Divisão de Frequência Os contador assíncrono pode ser utilizado para dividir o clock de entrada por 2N, basta utilizar N FFs aninhados. O sinal de saída do ultimo FF tem o valor de frequência igual à do clock de entrada divida pelo módulo do contador. Um contador módulo 16 (4 FFs) tem uma frequência 1/16 da frequência do clock de entrada. Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prentice Hall  Contadores Assíncronos / Divisão de Frequência Divisão de frequência por 2 de cada FF. Valores de frequência: A = ½ CLOCK; C = 1/8 CLOCK; B = ¼ CLOCK; D = 1/16 CLOCK. Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prentice Hall Atraso de Propagação em Contadores Assíncronos Em virtude do tempo de atraso de propagação de cada FF (tpd), o segundo FF não responderá por in intervalo de tempo tpd após o primeiro FF receber uma transição ativa do clock. O terceiro FF, por um intervalo de tempo de 2xtpd e assim por diante. Os atrasos de propagação de acumulam em um intervalo de tempo Nxtpd Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 4 Prentice Hall  Atraso de Propagação em Contadores Assíncronos Pulsos a cada 1000 ns Após a borda: A comuta de estado em 50 ns, B em 100 ns e C 150 ns. Na quarta borda de descida da Entrada, C vai Tolerável! para nível alto Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 4 Prentice Hall  Atraso de Propagação em Contadores Assíncronos Pulsos a cada 100 ns Após a borda: A comuta de estado em 50 ns, B em 100 ns e C 150 ns. Na quarta borda de descida da Não Entrada, C não Tolerável! vai para nível alto, A Condição somente depois de C=1 A=B=0 => Erro de contagem 150 ns Não existe Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 4 Prentice Hall  Limitações do Contadores Assíncronos O tempo de propagação (20 ns) pode ser um fator limitante quando se cascateia muitos FFs. O período entre os pulsos de entrada (Tclock) deve ser maior que o atraso de propagação total do contador => Tclock > Nxtpd (N=número de FFs). A frequência máxima (fmáx) pode ser calculada por fmáx= 1/ Tclock. Não são úteis para frequências muito elevadas especialmente um grande número de bits. Ex. FF JK 74LS112=> tpd= 24 ns =>fmáx (4 FFs) = 10, 4 MHz Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 4 Prentice Hall  Contadores Síncronos (Paralelos) O mesmo sinal de clock é aplicado em todos os FFs, evitando assim os delays da ligação em cascata. Todos os FFs são disparados simultaneamente. As entradas JK ou D após o primeiro FF, são acionadas por uma combinação lógica. O Circuito de um contador síncrono em geral, é mais complexo do que o de um contador assíncrono, requer um circuito maior. Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 4 Prentice Hall  Contadores Síncronos (Paralelos) Contador Síncrono de módulo 16 O FF A muda de estado em cada borda de descida do clock. O FF B muda de estado em cada borda de descida do clock quando a saída A=1, função implementada com J=K=A. Apenas quando A=1, J=K=1. O FF C muda de estado em cada borda de descida do clock quando as saídas A=B=1. O sinal lógico AB é conectado às entradas J e K. De modo análogo o FF D muda de estado quando A=B=C=1. Cada FF tem suas entradas J e K conectadas de modo que estejam em nível alto apenas quando as saídas de todos os FFs de mais baixa ordem estiverem em nível alto. Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 4 Prentice Hall  Contadores Síncronos (Paralelos) Contador Síncrono de módulo 16 Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 4 Prentice Hall  Contadores Síncronos (Paralelos) Todos os FFs mudam de estados simultâneamente. Os atrasos de propagação dos FFs não são somados para se obter o atraso total. O tempo total de resposta é o tempo de resposta de 1 mais o tempo para os novos níveis lógicos se propagarem em uma única porta AND. Atraso total = tpd (FF) + tpd (porta AND) O atraso total não depende do número de FFs e é muito menor que o atraso de um contador assíncrono. Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 4 Prentice Hall  Contadores Síncronos Comerciais Os CIs síncronos mais comuns são: – 74160/162: contadores síncronos decádicos. – 74161/163: contadores síncronos de módulo 16. Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prentice Hall  Contadores de Módulo < 2N O contador básico está limitado ao valor do módulo igual a 2N, onde N=número de FFs. Pode-se modificar o contador básico para gerar um módulo menor que 2N, fazendo com que o contador pule estados. O método mais comum faz uso do CLR dos FFs e de lógica adicional. Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prentice Hall  Contadores de Módulo < 2 N A saída da porta NAND está conectada às entradas de cada FF. Enquanto estiver em nível alto, não terá efeito, mas quando for para nível baixo ocorrerá um CLEAR em todos os FFs e o contador vai a 000. As entradas na porta NAND são as saídas B e C logo, quando B=C=1 a saída da porta NAND = 0. Essa condição ocorre quando o contador passa do estado 101 para 110 (borda de descida do pulso 6 que reseta o contador). Ressetado o contador, a saída da NAND retorna para o nível alto = 1. O nível 110 é temporário, apenas para o reset da contagem. A forma da onda retangular em C, não é simétrica, apresenta apenas 1/3 do ciclo alto e a do sinal B apresenta spike ou glitch (muito estreito ) pela ocorrência momentânea do estado 110. O contador conta de 000 a 101 (zero a cinco), pula 110 e 111, passa por 6 estados, contador de modulo 6 e em termos de clock, o sinal em C é 1/6 do sinal de entrada. Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prentice Hall  Contadores de Módulo < 2N Sequência de Contagem Contador Síncrono Módulo 6 110 é Estado Temporário para resetar o contador Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prentice Hall  Contadores de Módulo < 2N Sequência de Contagem Contador Assíncrono Módulo 6 110 é Estado Temporário para resetar o contador Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prentice Hall  Contadores de Módulo < 2 N Diagrama de Transição de Estados Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prentice Hall  Contadores de Módulo < 2 N Qualquer valor de módulo pode ser obtido alterando-se as entradas da porta NAND. Nos exemplos apresentados, as entradas da porta NAND são as saídas B e C logo, quando B=C=1 a saída da porta NAND = 0. Alterando-se as entradas para as saídas A, B e C, a saída da porta NAND será igual a zero quando A=B=C=1, ou seja, o estado temporário passa a ser 111 e contador conta de 000 até 110 (zero a 6). No valor igual a 7 ele é resetado e desta forma tem-se um contador de módulo 7. Acrescentado-se mais FFs é possível construir contadores com maior valor de contagem ou maior módulo, por exemplo 4 FFs => modulo 16, 5 FFs => modulo 32 e assim por diante. Para se obter um valor de módulo < 2N em um determinado contador de modulo M, basta acrescentar uma porta NAND com o número de entradas necessário para à saídas dos respectivos FFs de modo a se obter a condição de reset. Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prentice Hall  Contadores de Módulo < 2 N Contador Síncrono de 0 a 9 (módulo 10) DCBA 0 0 00 0 0 01 0 0 10 0 0 11 0 1 00 0 1 01 0 1 10 0 1 11 1 0 00 Estado Temporário, 1 0 0 1 Valor para Reset => 1 0 1 0 B=D=1 Para contar de 0 a 9 são necessários 4 FFs => 24 = 16 Na contagem 1010 (10) o contador deve ser resetado, logo, sinais B e D são conectados na entrada da porta NAND. Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prentice Hall  Contadores de Módulo < 2 N Contador Assíncrono de 0 a 9 (módulo 10) DCBA 0 0 00 0 0 01 0 0 10 0 0 11 0 1 00 0 1 01 0 1 10 0 1 11 1 0 00 Estado Temporário, 1 0 0 1 Valor para Reset => 1 0 1 0 B=D=1 Para contar de 0 a 9 são necessários 4 FFs => 24 = 16 Na contagem 1010 (10) o contador deve ser resetado, logo, sinais B e D são conectados na entrada da porta NAND. Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prentice Hall  Contadores Síncronos Decrescentes e Crescentes Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prentice Hall  Contadores Síncronos Decrescentes e Crescentes Contador Síncrono Decrescente Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prentice Hall  Contadores Síncronos Decrescentes e Crescentes A entrada Controla se as entradas JK serão acionadas pelas saídas normais ou invertidas dos FFs. Em nível alto a contagem é crescente e em nível baixo, decrescente. Transição de Estados Diagrama no tempo Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prentice Hall  Contadores com Carga Paralela Disponíveis na forma de Cis, podem ser inicializados com qualquer valor de contagem inicial de forma assíncrona (independente do sinal de clock) ou síncrona (na transição ativa do sinal de clock). A operação de inicialização é denominada de carga paralela. O contador é carregado com a contagem desejada a qualquer instante, bastando que ela seja aplicada nas entradas paralelas de dados P2, P1e P0 juntamente com um pulso de nível baixo em Os níveis de P2, P1e P0 são transferidos para Q2, Q1e Q0 independente- mente das entradas J,K e CLK. Enquanto estiver em nível baixo o CLK estará desabilitado. Quando retorna a nível alto, o FFs respondem ao CLK e prosseguem a operação de contagem. Exemplos de CIs contadores que possuem a lógica adicional para efetuar carga assíncrona são 74190, 74191, 74192 e 74193 e, com carga síncrona, 74160, 74161, 74161, 74163 (TTL ou CMOS) Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prentice Hall  Contadores com Carga Paralela Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 4 Prentice Hall  Circuitos Integrados de Contadores Síncronos Séries 74160 – a 74163 (ALS ou HC) São contadores de 4 bits autorecicláveis (voltam a zero) Saídas QD (MSB), QC, QB, QA (LSB) Clock ativado por uma borda de subida em CLK 74160 e 74162 são contadores de módulo 10 74161 e 74163 são contadores de módulo 16 Clear assíncrono 74160 e 74161 ( = 0 não depende do CLK) Clear síncrono 74162 e 74163 ( = 0 mais sinal de CLK) Carga paralela de dados síncrona ( =1 e = 0 + CLK) Para contagem, =1, e =1, ENT=ENP =1 A saída RCO com ENT=1 indica o final da contagem 9 ou 15. Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 4 Prentice Hall  Circuitos Integrados de Contadores Síncronos Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 4 Prentice Hall  Circuitos Integrados de Contadores Síncronos Exemplo 1 de contagem Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 4 Prentice Hall  Circuitos Integrados de Contadores Síncronos Exemplo 1 de contagem Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 4 Prentice Hall  Circuitos Integrados de Contadores Síncronos Séries 74190 – a 74191 (LS ou HC) São contadores de 4 bits autoregressívos Saídas QD (MSB), QC, QB, QA (LSB) Clock ativado por uma borda de subida em CLK 74190 é um contador de módulo 10 (crescente/descrescente) 74191 é um contador de módulo 16 (crescente/decrescente) Ambos com carga assíncrona em nível baixo =0 Para contagem, = 0, =1e controla o sentido se = 0 (crescente) , =1 (decrescente), borda de subida de CLK Ambo reciclam automaticamente ao final da contagem Saídas de estado terminal MAX/MIN e (imita o CLK) Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 4 Prentice Hall  Circuitos Integrados de Contadores Síncronos Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 4 Prentice Hall  Circuitos Integrados de Contadores Síncronos Exemplo 2 de contagem Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 4 Prentice Hall  Circuitos Integrados de Contadores Síncronos Exemplo 2 de contagem Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 4 Prentice Hall  Circuitos Integrados de Contadores Síncronos Múltiplos Estágios Contagem de 0 255 (8 bits) Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 4 Prentice Hall  Circuitos Integrados de Contadores Síncronos Associação de 2 Cis 74163 para formar um contador de 0 a 255 Com = 0 limpa ambos estágios e = 0, carrega os 8 bits O bloco estágio 1 (baixar ordem) e o estágio 2 (alta ordem) Q0 (LSB) e Q7 (MSB) EM habilita o contador, usar RCO e ENT torna a conexão simples Clock síncrono em ambos os blocos Quando TC1 = 1 o estágio 2 conta CIs adicionais podem ser colocados em cascata Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 4 Prentice Hall  Decodificando um Contador Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prentice Hall  Decodificando um Contador Exemplo 3: Contador módulo 16, liga uma carga quando a contagem atingir o valor igual a 8 e desliga com valor igual a 14. DCBA 0 0 00 0 0 01 0 0 10 0 0 11 0 1 00 0 1 01 0 1 10 0 1 11 1 0 00 1 0 01 Valor = 8 1 0 10 1 0 11 1 1 00 1 1 01 1 1 10 Valor = 14 1 0 1 0 Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prentice Hall  Exercícios Sugeridos Tocci, 11a Ed. Cap 7. Seções 7.1 a 7.9 Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer Capítulo 7 Prentice Hall