Numaratoare

In cadrul acestei lucrari se vor prezenta o clasa de circuite integrate numerice cunoscute sub numele de numaratoare, cit si o suita de aplicatii cu aceste circuite prin care se va cauta sa se sublinieze citeva din particularitatile acestora si se va incerca prezentarea celor mai cunoscute aplicatii care se bazeaza pe proprietatile lor.

Se va pune un accent mai mare pe numaratoarele din familia CMOS (deoarece in partea practica se vor utiliza aceste circuite) prin aceasta nepierzindu-se din generalitate datorita existentei unor circuite similare in cadrul altor familii logice (de exemplu TTL) in unele cazuri echivalente sau identice ca functionare dar si datorita difersitatii mai mari in cadrul acestei familii neintilnita in cadrul altor familii (prezenta numaratoarelor in cod JOHNSON care lipsesc familiei TTL). In unele paragrafe se vor prezenta pentru pastrarea generalitatii cu preponderenta sceme bloc, urmate de exemple cu numaratoare din familia CMOS.

Introducere.

Numaratoarele familie CMOS se pot clasifica precum in tabelul de mai jos daca se tine cont in mod principal de urmatoarele doua criterii :

Codul de operare al numaratoarelor

Modul de lucru al numaratoarelor

In cadrul numaratoarelor standard exista 3 tipuri de coduri folosite uzual :

Codul binar;

Codul zecimal codat binar (BCD);

Codul Johnson, octal sau zecimal.

in literatura mai sint amintite numaratoarele in cod Gray dar pe care nici familia TTL nici cea CMOS nu le detin acestea putind fi implementate daca avem o aplicatie care necesita un astfel de numarator intr-un PLD (Programable Logic Device).

Aceeasi clasificare putindu-se realiza si pentru familia TTL inlocuidu-se circuitele din tabel cu altele cu functionare sinonima (de exemplu 40192 cu 74LS192 care functioneaza exact cu cel CMOS si chiar mai mult cele doua au pinii in aceeasi pozitie).

Tot in tabelul antererior se observa si o clasificare in: sincrone si asincrone. Astfel un numarator este asincron cint intrarile de clock ale CBB ce compun numaratorul nu sint comandate de acelasi semnal de clock de exemplu numaratorul alaturat nu este sincron.

Dupa sensul de numarare acestea sint directe si inverse. Numaratorul care poate fi comandat sa numere intr-un sens sau in celalalt se numeste reversibil. Unele dintre aceste numaratoare au intrari individuale de clock pentru cele doua sensuri de numarare sau un singur pin de clock si unul de validare a directiei de numarare (pe un nivel incrementeaza iar pe celalalt decrementeaza).

Este prevazuta si posibilitatea conectarii in cascada. In acest scop se poate folosi iesirea cea mai semnificativa pentru comanda intrarii de clock a numaratorului care urmeaza sau exista iesiri special concepute.

Astfel:

In cazul numararii inaite iesirea e numita transport (CARRY);

In cazul numararii inapoi iesirea este denumita de imprumut (BORROW).

Totodata mai sint prezente intrari de stergere RESET (toate iesirile in 0 logic) asincron de obicei fata de semnalul de clock si totodata fiecare iesire poate fi programata asincron fata de semnalul de tact cu un nivel logic de pe o intrare cind un semnal de PRESET este activ (numai la anumite numaratpoare).

Aplicatii.

Cascadarea numaratoarelor 40192,40193

Cascadarea numaratoarelor de acest tip este prezentata in figura 2. Iesirile de transport () si imprumut () ale unui numsrstor se leaga, respectiv la intrarile de numarare inainte (CU) si numarare inapoi (CD) ale circuitului urmator ("mai semnificativ").

Si in acest caz, numaratorul global este asincron datorita existentei transportului succesiv intre numaratoarele individuale.

Intrari separate de numarare pentru circuitele 4029, 4510,4516.

Pentru aplicatiile in care numaratoarele 4029,4510,4516 trebuie sa fie comandate de doua semnale de ceas, unul de numarare inainte (CLOCK UP), celalalt de numarare inapoi (CLOCK DOWN) se poate folosi un circuit care formeaza intrarile corespunzatoare de UP/, respectiv CLOCK ca in figura 3.

Divizoare de frecventa.

Divizoare progranabile cu numaratoarele 40192, 40193.

Cu circuitele 40192, 40193 se pot realiza divizoare programabile fara circuite externe, conectind iesirea de imprumut la intrarea de comanda a incarcarii paralele si introducind semnalul de divizat pe intrarea de numarare inversa CD (vezi figura 4).

Numarul n cu care se divizeaza (n_max=9 pentru 40192, n_max=15 pentru 40193) se aplica pe intrarile de presetare. Pentru divizarea cu 10, respectiv cu 16 nu se mai conecteaza iesirea la intrarea .

Circuitul numara inapoi pina ajunge in starea 0. Pe palierul inferior al ceasului, iesirea trece in starea jos, comandind incarcarea paralela cu numarul n prezent la intrarile J₁ J₄. Odata cuurmatorul front al ceasului se reia operatiunea de numarare inapoi.

Numarul n este diferit de zero (inaintea caruia iesirea era in starea jos) astfel incit dupa schimbarea a cel putin unei linii de iesire, semnalul trece in starea sus.

Se poate intimpla ca bistabilii numaratorului sa se incarce in timpi diferiti si comutarea foarte rapida a unuia dintre ei sa determine ridicarea semnalului (respectiv ) inainte ca toti bistabilii sa isi schimbe starea in conformitate cu nivelul intrarilor de

programare respective. Pentru a se inlatura acest posibil neajuns se poate prevedea o schema cu un latch care sa mentina activ semnalul de incarcare pina la aparitia viitorului front pozitiv al ceasului. In figura 5 este prezentata o extensie la 8 biti (sau 2 cifre zecimale - pentru 40192), la care s-a introdus circuitul anterior mentionat.

Divizor de frecventa cu un numar compus.

Pentru a diviza frecventa semnalului de intrare cu un numar neprim n = k x l se pot cascada doua divizoare, unul cu un factor de divizare k si altul cu un factor l ca in figura 6.

Se mai poate utiliza si un divizor in paralel, daca factorii k si l sint primi intre ei, la iesirea portii SI din figura 7. Se obtine un semnal divizat cu n = k x l (am presupus evident ca iesirile sint active in starea sus). Formele de unda ilustreaza cazul k = 2, l = 5, deci divizorul este cu 10.

Divizoare de frecventa cu o suma de doua numere.

Pentru a diviza frecventa de semnalelor de intrare cu numarul n = k + l se folosesc un divizor programabil si un circuit care sa comute succesiv la intrarile de programare numerele k si l. In figura 8. Se poate vedea schema bloc a divizorului cu o suma de doua numere.

Presupunem ca la inceput prin multiplicatorul M se aplica la intrarile de programare ale divizorului programabil DP numarul k. Circuitul DP divizeaza cu k, dupa care comanda, prin intermediul circuitului de comutare CC si al multiplexorului M, aplicarea numarului l la intrarile de programare. Se incarca acest nou numar si circuitul divizeaza cu l. Se obtine astfel la iesirea circuitului de comanda un semnal cu frecventa f_in/(k+l) si factorul de umplere k/(k+l) sau l/(k+l).

O aplicatie este prezentata in figura 9. Circuitul reprezinta un divizor cu numere intre 17 si 32.

Este compus dintr-un numarator reversibil 40193 si un circuit basculant bistabil din capsula 4013 conectat ca bistabil T. Numaratorul este in configuratie tipica de divizor programabil. Pentru a diviza cu un anumit numar, se fixeaza intrarile J₁ J₄ conform tabelului de mai jos. Principaleleforme de unda sint tot in figura 9. Presupunem ca bistabilul este initial in starea Q = 1. Circuitul 40193 numara k impulsuri. La trecerea in starea jos a iesirii , numaratorul se incarca paralel cu numarul l, corespunzator starii Q = 1 de la intrarile sale J₁ J₄. La urmatorul impuls de ceas la intrarea CD iesirea va trece cu siguranta in 1 L,starea sus, determinind schimbarea starii bistabilului B (Q

La iesirile bistabilului se obtin semnale in antifaza de frecventa f_in/n.

Este de remarcat ca anumiti factori de divizare se pot obtine si din alte combinatii pe intrarile J₁ J₄.

Formator de semnal triunghiular cu retea R - 2R.

Circuitul este prezentat in figura 9. si aproximeaza un semnal triunghiular cu 32 de trepte pe perioada. Circuitul este compus dintr-un numarator reversibil N, un bistabil care schimba sensul de numaraae dupa o semiperioada si o retea R-2R care genereaza semnalul de iesire in trepte.

Fiecare numar binar de pe iesirile numaratorului este convertit analogic cu reteaua de rezistente. Circuitul foloseste facilitatea numaratorului 4029 de a schimba sensul de numarare in functie de nivelul logic de pe pinul . In felul acesta, pentru forme de unda de iesire simetrice, convertorul digital analog este de 4 biti, desi semnalul de iesire este aproximat cu 32 de trepte pe perioada.

Intrebari.

Concepeti un mod prin care sa se permita transformarea functionarii circuitului 40193 astfel incit sa avem un pin control al sensului de numarare si unul de clock (aplicatie inversa celei de la punctul 2.2.).

Expricati functionarea retelei rezistive R-2R.

4. Partea practica.

Verificati functionarea conforma cu catalagol a numaratoarelor : 4018 (numarator Johnson), 40192 (numarator BCD).

Realizati un divizor cu 7 cu ajutorul circuitului 40192.

Proiectati si realizati un circuit 40192 care sa previna depasirea limetelor de numarare (in momentul in care s-a ajuns la codul maximde numarare sa se ramina la acel cod si sa nu se realizeze o noua incrementare trecindu-se la codul 0; pentru valoarea maxima).