CONTATORI ELETTRONICI INTRODUZIONE
I contatori elettronici vengono realizzati utilizzando una catena di flip-flop con ingressi di clock di tipo NET (Negative Edge Trigged). In base al numero di stadi utilizzati, l’insieme delle uscite per esempio QA, QB, Qn produce ad ogni impulso di clock un numero binario equivalente al numero di impulsi ricevuti. Un contatore a tre stadi è detto modulo a 8 in quanto è in grado di contare da 0 a 7 23 = 8. La numerazione binaria ottenuta all’uscita dei flip-flop va interpretata da sinistra verso destra, ovvero Qn, QB, QA dove l’uscita del primo QA è il bit meno significativo (LSB) mentre Qn è il bit più significativo (MSB).
CONTATORE 4-BIT RIPPLE
I contatori elettronici 4-BIT RIPPLE vengono realizzati attraverso quattro flip flop JK Negative Edge Trigged in configurazione toggle in cui l’uscita di un flip-flop rappresenta l’ingresso di clock del successivo (Ripple). Essendoci 4 moduli il circuito conterà 16 impulsi da 0 a 15 24 = 16. Si tratta di un contatore asincrono in quanto il segnale di clock non è fornito a tutti gli stadi nello stesso istante.
FUNZIONAMENTO
- All’impulso di clock numero 9 il valore ottenuto dalle 4 uscite è: 1001
- All’impulso di clock numero 15 il valore ottenuto dalle 4 uscite è: 1111
Questo tipo di flip-flop realizza un contatore in avanti ed è chiamato UP-COUNTER. È anche possibile con questa configurazione utilizzare l’uscita Q̅ per realizzare un contatore all’indietro DOWN-COUNTER semplicemente collegando l’uscita Q̅ al successivo ingresso di clock.
CONTATORI ELETTRONICI UP/DOWN
Nei contatori elettronici è possibile scambiare l’uscita Q e Q̅ attraverso un circuito per impostare il conteggio in avanti UP o all’indietro DOWN.
In funzione dell’interruttore viene abilitato il passaggio del clock (diretto Q o invertito Q̅). Quando l’interruttore è aperto la parta AND in alto è abilitata, mentre il livello logico all’uscita dell’inverter inibisce la AND inferiore. La situazione inversa si ha abilitando l’interruttore. Questo circuito va posto fra ogni stadio e l’interruttore deve agire contemporaneamente su tutti gli inverter presenti negli scambiatori.
CONTATORI ELETTRONICI SINCRONI
La sincronizzazione consiste nel fornire al circuito un segnale di clock nello stesso istante. Tuttavia se applicassimo simultaneamente un segnale di clock ad un contatore asincrono e non attraverso le uscite, ogni flip flop commuterebbe nello stesso istante non realizzando il conteggio voluto. Affinché un contatore sincrono si comporti nel modo voluto bisogna disattivare i flip-flop che non devono commutare la propria uscita in funzione del numero previsto, lasciandoli nello stato di memorizzazione e fornendo agli ingressi J e K un livello 0.
COMMUTAZIONE INGRESSI J, K
Per ottenere ciò si usano due porte AND le quali forniscono sequenzialmente lo stato logico 1 agli ingressi J e K solo quando devono commutare l’uscita. I flip-flop sono di tipo master-slave, le uscite conservano l’ultimo stato acquisito prima del successivo fronte di clock, in tal modo si preservano le porte AND attive.
FUNZIONAMENTO
Ipotizziamo che QA E QB siano a livello 1, in tale situazione la AND 1 è abilitata che a sua volta abilita il terzo flip-flop (J=K=1). Al successivo fronte di salita anche il terzo flip-flop potrà cambiare il suo stato, mentre QA e QB non modificheranno il loro stato fino al fronte di discesa, nel quale anche il terzo flip-flop aggiornerà la sua uscita e la conserverà fino alla successiva abilitazione. Il segnale di clock in ordine crescente ed in multipli di due va a controllare le due porte AND per l’abilitazione dei flip-flop. Dalla numerazione binaria si vede che il terzo flip-flop deve essere abilitato solo per i numeri 4-8-12, mentre il quarto in corrispondenza del numero 8. Durante la fase di conteggio i due flip-flop che non sono abilitati risiedono negli stati di memorizzazione, quindi non variano le proprie uscite. Nella fase 2 entrambe le porte AND sono attive in modo da produrre il numero 8. In questa situazione il terzo flip-flop inverte l’uscita da 1 a 0 mentre il quarto da 0 a 1.
CONTATORE MODULO 10
Per realizzare il contatore occorre catturare la sequenza 1010 (10) basta quindi collegare QB e QD ad una porta NAND che resetti il contatore. In tutte le altre combinazioni (da 0 a 9) l’uscita della NAND è a livello logico 0 inibendo il reset del contatore.
APPROFONDIMENTO AI
CONTATORE 4 BIT RIPPLE
L’immagine mostra un contatore binario asincrono (o ripple counter) a 4 bit realizzato con flip-flop JK. Ecco una spiegazione dettagliata del funzionamento dello schema circuitale e della temporizzazione:
1. Schema Circuitale del Contatore
•Il circuito è composto da quattro flip-flop JK (QA, QB, QC, QD), ciascuno con ingressi J e K collegati ad alta tensione (+5V). Questa configurazione fa sì che i flip-flop si comportino come contatori, poiché entrambi gli ingressi J e K sono “set” a 1, quindi il flip-flop si alterna tra 0 e 1 a ogni impulso di clock.
•L’uscita Q di ogni flip-flop rappresenta uno dei bit del contatore:
•QA = Bit 0
•QB = Bit 1
•QC = Bit 2
•QD = Bit 3
•Gli impulsi di clock per ogni flip-flop, tranne il primo, vengono generati dall’uscita Q del flip-flop precedente. Questo significa che ogni flip-flop cambia stato solo quando l’uscita del flip-flop precedente passa da 1 a 0 (bordo di discesa).
•Le uscite QA, QB, QC, e QD sono collegate a LED che indicano il conteggio in binario.
2. Temporizzazione e Funzionamento del Contatore
•Il clock principale ha una frequenza di 1 Hz, quindi un ciclo completo dura 1 secondo.
•Ogni flip-flop rappresenta un bit del conteggio binario, incrementando di potenza di 2 ogni volta che il contatore avanza.
•A ogni impulso di clock, il flip-flop QA (Bit 0) cambia stato, mentre QB (Bit 1) cambia solo quando QA ritorna a 0, QC cambia quando QB ritorna a 0, e così via. Questo crea un effetto “ripple” o a cascata.
3. Analisi della Sequenza Temporale
Nella tabella temporale in basso:
•CK rappresenta gli impulsi del clock.
•QA alterna tra 1 e 0 a ogni impulso di clock, rappresentando il Bit 0 (l’unità più bassa del conteggio).
•QB cambia solo quando QA completa un ciclo (dopo due impulsi di clock), rappresentando il Bit 1.
•QC cambia ogni volta che QB completa un ciclo (ogni quattro impulsi di clock), rappresentando il Bit 2.
•QD cambia ogni volta che QC completa un ciclo (ogni otto impulsi di clock), rappresentando il Bit 3.
Questa configurazione permette di contare da 0 a 15 (0000 a 1111 in binario) utilizzando i 4 bit, come si vede nei valori dell’uscita.
4. Osservazioni sul Funzionamento
•Questo tipo di contatore è chiamato “asincrono” perché i flip-flop non sono sincronizzati da un clock comune; invece, il cambio di stato è innescato dall’uscita del flip-flop precedente.
•Questo contatore può essere utilizzato in applicazioni che richiedono un conteggio sequenziale binario.
•Poiché i flip-flop sono collegati in cascata, si crea un piccolo ritardo tra l’impulso iniziale e l’aggiornamento dell’ultimo bit (QD), motivo per cui viene chiamato “ripple counter”.
In sintesi, il contatore in figura è un contatore a 4 bit che conta da 0 a 15 in binario. Ogni bit cambia stato in modo asincrono in funzione dello stato del bit precedente, creando il conteggio binario e visualizzandolo tramite i LED collegati a ciascun bit.
CONTATORE UP/DOWN
Questo schema rappresenta un contatore UP/DOWN che utilizza flip-flop di tipo JK e alcune porte logiche per eseguire il conteggio in entrambe le direzioni. Ecco una spiegazione dettagliata del funzionamento del circuito:
Componenti principali
1. Flip-Flop JK: Nel circuito ci sono due flip-flop di tipo JK, ciascuno con ingressi J e K. Gli ingressi J e K determinano il comportamento del flip-flop:
•Quando J e K sono entrambi a livello alto (1), il flip-flop cambia stato.
•Quando J è alto e K è basso, il flip-flop si imposta (Q=1).
•Quando J è basso e K è alto, il flip-flop si resetta (Q=0).
•Quando J e K sono entrambi bassi, lo stato del flip-flop non cambia.
2. Ingressi AND e OR: Sono utilizzate delle porte logiche AND e OR per combinare i segnali dei flip-flop e generare l’input per il conteggio verso l’alto o verso il basso.
3. Oscillatore (1 Hz): Questo generatore di impulsi a 1 Hz fornisce l’impulso di clock per il contatore, il che significa che il contatore si aggiorna una volta al secondo.
4. Interruttore UP/DOWN: Questo interruttore, associato a una resistenza e a un buffer/invertitore, permette di selezionare la modalità del contatore (conta in salita o in discesa).
Funzionamento del Circuito
1. Selezione della modalità UP/DOWN:
•Quando l’interruttore è in una posizione, il segnale risultante (dopo l’invertitore) indirizza il circuito verso il conteggio in salita.
•Nell’altra posizione, il segnale viene invertito, e il circuito esegue il conteggio in discesa.
2. Conteggio in salita (UP):
•Quando il circuito è in modalità di conteggio in salita, la configurazione delle porte logiche AND e OR abilita gli ingressi J e K del primo flip-flop a ricevere l’impulso in modo tale che, a ogni impulso di clock, l’uscita Q del primo flip-flop cambia stato.
•Questo cambiamento viene poi trasmesso al secondo flip-flop, permettendogli di cambiare stato solo quando il primo flip-flop raggiunge una specifica condizione (ad esempio, passando da 1 a 0).
•Il risultato è un conteggio binario progressivo.
3. Conteggio in discesa (DOWN):
•Quando l’interruttore è nella posizione per il conteggio in discesa, il segnale viene invertito, e le porte logiche AND e OR configurano gli ingressi in modo che i flip-flop eseguano un conteggio decrescente.
•In questa modalità, il primo flip-flop cambia stato come nel caso del conteggio in salita, ma il segnale viene combinato in modo tale da causare un decremento del conteggio globale.
Riassunto del Funzionamento
•Il circuito usa il flip-flop JK e la combinazione di porte logiche per ottenere un contatore bidirezionale.
•La posizione dell’interruttore determina la direzione del conteggio, mentre l’oscillatore fornisce il segnale di clock.
•La configurazione del circuito permette di visualizzare il conteggio in un formato binario, con i flip-flop che si alternano tra gli stati di conteggio per fornire una sequenza crescente o decrescente.
CONTATORE SINCRONO
Questo contatore sincrono a 4 bit è realizzato utilizzando flip-flop di tipo J-K in configurazione master-slave. Il circuito funziona come un contatore binario, incrementando il conteggio di uno ad ogni impulso di clock. Vediamo in dettaglio il funzionamento del circuito e le fasi di attivazione:
Struttura del circuito
1. Flip-Flop J-K: Ogni flip-flop (denotato come QA, QB, QC e QD) ha ingressi J e K, che sono impostati a 1 per consentire il toggling (commutazione) del flip-flop ad ogni impulso di clock.
2. Ingressi di clock: I flip-flop sono sincronizzati tramite un impulso di clock a 1 Hz, e la configurazione master-slave garantisce che il cambiamento degli stati avvenga solo sul fronte dell’impulso.
3. Porte logiche AND: Sono presenti due porte AND nel circuito, che abilitano i flip-flop successivi solo quando determinate condizioni sono soddisfatte, garantendo il conteggio in sequenza binaria.
Funzionamento del circuito
Il circuito segue uno schema di conteggio binario sincrono, aggiornando il conteggio di uno ad ogni impulso. Analizziamo le fasi del conteggio e come le porte AND intervengono.
Fase Numero 1
•All’inizio, il contatore è allo stato 0000.
•La porta AND 1 abilita il terzo flip-flop (QC), impostando i suoi ingressi J = K = 1 . Questo permette al flip-flop QC di commutare al prossimo impulso di clock.
•Lo stato passa quindi da 0000 a 0010.
Fase Numero 2
•Dopo il primo aggiornamento, il circuito è nello stato 0010.
•La porta AND 1 abilita nuovamente il terzo flip-flop (QC).
•Contemporaneamente, AND 1 + AND 2 abilitano anche il quarto flip-flop (QD), impostando i suoi ingressi J = K = 1 .
•Il contatore passa da 0011 a 0100.
Fase Numero 3
•Ora il contatore è nello stato 0111.
•La porta AND 1 abilita il terzo flip-flop (QC) per l’ultima volta in questa sequenza, ponendo di nuovo J = K = 1 .
•Il conteggio continua fino al massimo valore raggiungibile (stato 1111).
Descrizione del Conteggio
•Il contatore avanza in sequenza binaria, passando attraverso tutti gli stati rappresentati nella tabella in basso.
•Ad ogni impulso di clock, i flip-flop cambiano stato in base alle condizioni imposte dalle porte AND, che garantiscono l’incremento binario corretto.
Questo circuito è un contatore sincrono, perché tutti i flip-flop sono sincronizzati dal segnale di clock, e i cambiamenti di stato avvengono simultaneamente in base agli ingressi determinati dalle porte logiche.
CONTATORE ASINCRONO DECIMALE
Il circuito mostrato è un contatore asincrono decimale (o contatore BCD), che utilizza flip-flop di tipo J-K per contare fino a 10 (da 0000 a 1001 in binario) e poi si resetta a zero per ricominciare il conteggio. Ecco una spiegazione dettagliata del funzionamento:
Componenti principali
1. Flip-Flop J-K: Ogni blocco verde rappresenta un flip-flop J-K. Ogni flip-flop ha ingressi J e K, che servono a controllare il cambiamento di stato, e un’uscita Q. In questo circuito, tutti i flip-flop sono configurati in modalità “toggle”, dove J = K = 1. Questo significa che ogni volta che ricevono un impulso di clock, il loro stato cambia (0 diventa 1, e 1 diventa 0).
2. Clock Asincrono (1 Hz): Il circuito viene alimentato da un generatore di clock a 1 Hz. Questo significa che ad ogni impulso (1 volta al secondo), il primo flip-flop cambia stato.
3. Porte logiche: La porta logica AND verde è usata per rilevare la condizione 1010 in binario (ovvero 10 in decimale) sulle uscite dei flip-flop. Quando questa condizione è soddisfatta, si genera un segnale di reset che riporta tutti i flip-flop a zero, ricominciando il conteggio da capo.
Funzionamento passo per passo
1. Conteggio:
•Il primo flip-flop (QA) riceve l’impulso di clock a 1 Hz. Ad ogni impulso, il suo stato cambia, contando i secondi.
•Ogni flip-flop successivo (QB, QC, QD) cambia stato quando il flip-flop precedente passa da 1 a 0. Questo effetto a cascata genera un contatore binario asincrono, in cui ciascun flip-flop rappresenta un bit.
2. Condizione di reset:
•Le uscite dei flip-flop sono collegate alla porta AND. La porta AND è configurata per rilevare la combinazione 1010 (uscite QA, QB, QC, QD rispettivamente).
•Quando le uscite dei flip-flop formano 1010, la porta AND si attiva e invia un segnale di reset a tutti i flip-flop. Questo riporta il conteggio a zero, iniziando un nuovo ciclo.
3. Ripetizione del ciclo:
•Dopo il reset, il contatore riprende a contare da zero con il prossimo impulso di clock e ripete il ciclo fino a raggiungere nuovamente 1010.
Quando il contatore raggiunge il valore 1010 (10 in decimale), il circuito si resetta automaticamente e ricomincia da 0000.
Conclusione
Questo contatore decimale asincrono è utile per contare impulsi fino a 10, per applicazioni dove è necessario un conteggio limitato.
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