Lección 6

El Contador Digital

13/02/06

Introducción.

En electrónica es bastante frecuente verse necesitado de contabilizar eventos y por tanto se requiere utilizar un contador, en nuestro caso se tratará de un contador electrónico digital. Por otra parte, en nuestros días estamos rodeados de dispositivos que disponen de algún tipo de contador digital, incluso en la mayoría de los electrodomésticos vienen equipados con uno. Un contador digital, básicamente consta de una entrada de impulsos que se encarga de conformar (escuadrar) las señales, de manera que el conteo de los pulsos no sea alterado por señales no deseadas, las cuales pueden falsear el resultado final. Estos impulsos son acumulados en un contador propiamente dicho cuyo resultado, se presenta mediante un visor que puede estar constituido por una serie de sencillos dígitos de siete segmentos o en su caso mediante una sofisticada pantalla de plasma.

Nosotros empezaremos por considerar un circuito de entrada que nos permita tomar la señal motivo del conteo, para lo cual hemos de pensar en la forma de tomar la señal a medir, de modo que le demos a ésta una forma adecuada que nos asegure una cuanta correcta.

Para que el mencionado circuito sea lo más universal posible es importante:

  • Tener la entrada de alta impedancia (Z). Nuestro circuito no debería absorber demasiada señal para no inducir errores.

  • Dicha señal, la deberemos escuadrar de forma segura.

El circuito constará de un separador de corriente continua mediante un condensador cerámico de baja capacidad (47nf/400V), para detectar las señales de alta frecuencia, separando la alta tensión, si es el caso. La salida, se conectará a un diferenciador constituido por una puerta lógica, para una mayor seguridad dicha puerta será un disparador Schmitt (triger Schmitt). Si utilizamos un transistor, éste debe ser de alta velocidad, similar al 2N2222. En la figura 01, se presenta el esquema sinóptico de un contador de dos dígitos formado por dos contadores (74HCT192 o 74LS192), dos decodificadores (74HCT48 o 74LS48) y sus correspondientes visualizadores (display) MAN74 o FND500.

sinoptico
Fig. 01 Esquema sinóptico

Adaptador de señal.

El circuito de la figura 02, representa la entrada descrita, en la figura 03, más elaborada, se aprecia el circuito de entrada completo que, puede servirnos en la mayoría de los casos, en la figura 04, se presenta un nuevo circuito con mejores prestaciones, al que se le a añadido el mencionado disparador Schmitt, formado por la puerta de alta velocidad 74HCT14 (6 inversores Schmitt). En el cual resaltamos el punto (A) ya que en él, los impulsos detectados aún no están totalmente escuadrados, como ocurre con los obtenidos a su salida.

Circuito separador de entrada
Fig. 02
Circuito de entrada 1
Fig. 03

Circuito de entrada 2
Fig. 04

En la figura 02, se pueden apreciar dos componentes, el condensador separa la tensión continua y el resistor que eleva la impedancia lo suficiente para nuestro cometido. En la figura 03, se propone un circuito que utiliza un transistor como seguidor de emisor con un limitador de tensión a 6V, mediante el diodo zener, al que le sigue un nuevo transistor separador que mejora la salida, permitiendo así, un mayor impedancia de entrada, algo imprescindible en estos casos y una alimentación con un amplio margen.

En la figura 04, los limitadores de tensión son los dos diodos D1 y D2, su punto común como se aprecia, está conectado a la base de un transistor mediante un divisor de tensión formado por R2 y R4 y la salida del transistor T1 como seguidor de emisor, nos da la señal que utilizaremos para el contador, no obstante, se ha intercalado un inversor o puerta triger-Schmitt para escuadrar al máximo dicha señal.

El contador.

Hasta aquí, hemos visto cómo detectar y escuadrar los impulsos que posteriormente se han de contar, un paso importante. Ahora, trataremos el que considero corazón del contador propiamente dicho, es decir, la parte del circuito que se encarga de contar, almacenar y acumular cada pulso de la cuenta al siguiente y si es el caso cambiar de década, pero será mejor empezar por el principio.

Más adelante analizaremos en profundidad los circuitos que componen un contador, en estos momentos nos centraremos en lo que se necesita para construir un contador unido a un visor, en el que se muestre los totales contados.

El circuito básico que se use, dependerá de la tecnología disponible, esto lo podemos apreciar mejor en la tabla siguiente:

FAMILIA

TIPO

 Frec. Vol. Decodificador Relación V/C
TTL   74LS192 32 MHz 5,5 74LS48 + velocidad + consumo
CMOS   CD4510B 4 MHz 3 ÷12 CD4511  - velocidad  - consumo
HCTLS 74HCTLS192  54 MHz. 3 ÷ 6 74HC48 + velocidad - consumo

El circuito digital 74LS192 contador decimal.

Atendiendo a que la velocidad es muy importante y en cualquier momento se puede requerir esta capacidad, nos centraremos en la opción de la serie 74HCTLS192 o en su defecto por la 74LS192 ya que se trata del mismo dispositivo, lo único que cambia es el consumo, la tensión de trabajo y poco más.

El dispositivo 'LS192, constituye un contador asíncrono reversible con entrada paralela, preparado para efectuar el conteo decimal en código binario BCD, que además dispone de preselección de carga.

Para cargar las salidas a un determinado estado, se aplican los datos a las entradas DA, DB, DC y DD y se aplica el nivel bajo L a la patilla 11 'load', esta operación de carga es independiente del reloj y del estado del contador. Por ejemplo: cargar el preselector a 9, esto quiere decir que en las líneas de datos pondremos los siguientes niveles: 1001, donde DA1, DB0, DC0 y DD1, es decir DA-DD al positivo y DB-DC al negativo.  

En la figura 07, se muestra la disposición de las patillas de este circuito integrado. Para más información, a cerca del funcionamiento de este dispositivo, 74HCT192 puedes pulsar sobre este enlace, donde se presenta una aplicación y la configuración de las señales de entrada y salida E/S en modo serie o cascada.

fig604.jpg
Fig. 07

El circuito de la figura 08, es una aplicación práctica que, se complementará añadiendo 3 puertas NAND correspondientes a un 74LS00, una de ellas conectada a su vez como inversor, o sea, sus dos entradas unidas además de unos pocos elementos, como 1 pulsador de puesta a cero PAC,  4 preselectores, 1 conmutador arriba-abajo 'Up-Down' y unas resistencias de 1k5 de 1/4 W. También se puede hacer que el contador se ponga a una determinada cuenta de forma automática, esto lo dejo para que se investigue por quien este interesado. 

Obsérvese que, las entradas ABCD, están forzadas a positivo (permanentemente conectadas a +Vcc mediante sendas resistencias [1k W]), esto es necesario, si queremos que no haya saltos en la cuenta, debidos a diversas señales e interferencias espúreas que, suelen afectar bastante a los circuitos integrados cuando no se utiliza este método, además recomiendo, aunque no se muestra en el circuito, aplicar un condensador cerámico tipo lenteja de 100nf/100V (marcados como 104), a los pines de alimentación de cada circuito integrado del montaje.

Contador de 1 dígito, fig606.gif
Fig. 08
Esquema del contador para 1 dígito.

Como se desprende del circuito, para incrementar el número de dígitos, tan solo habrá que añadir otros tantos contadores como dígitos se deseen y conectarlos en serie o cascada, prescindiendo de las subsiguientes puertas de los nuevos contadores, o sea, las salidas Sc y Sb a las respectivas entradas Eu y Ed del siguiente contador, conectando las patillas de carga del mismo modo a sus respectivos interruptores, de igual forma todas las patillas de puesta a creo, utilizaran el mismo y único pulsador de PAC.

Por otra parte, se encuentran los CD4511 o el 74LS48, convertidores o decodificadores de BCD a 7 segmentos, el primero se trata de un dispositivo de la serie CMOS por ser el más típico al igual que por ser compatible con los HCT y el segundo de la serie TTL. Esto es si se decide utilizar los dígitos a 7 segmentos led de ánodo común, como el MAN72 o FND500, pongo por caso.

En la figura 09, se presenta la imagen correspondiente al circuito impreso visto por la cara de los componentes, el cual puede utilizarse para generar la placa de circuito impreso, atención, obsérvese el punto indicando la patilla 1, de cada circuito integrado en el circuito impreso. 


Fig. 09

Nota.- Si alguien desea hacer una adaptación para presentar la cuenta del contador para tres dígitos mediante un display del tipo plasma, ésta página está abierta a sugerencias y aportaciones de los lectores.

Contador Digital con preselección.

El contador que abordaremos en esta sección, estará dotado de un preselector que nos permitirá indicarle que cuenta máxima debe hacer y de este modo a su salida dispondremos de un pulso, con el que podremos ejecutar una orden, bien con la ayuda de un relé o mediante una señal luminosa u otro sistema digital al que le indiquemos cuando debe realizar una nueva función.

El contador digital que proponemos, permitirá realizar la cuenta aditiva y regresiva, dependiendo de lo que en cada momento necesitemos en nuestro programa de trabajo. La utilidad de un contador digital que cuente en ambos sentidos, tiene una mayor ventaja si le añadimos un sistema que nos permita utilizar la señal de fin de cuenta para que a la salida podamos poner en marcha o parar un proceso que dependa directamente de dicha cuenta.

Basándonos en el circuito integrado que hemos visto en la segunda parte, como es el 74LS192, si vemos el circuito de la figura 08 y la descripción que allí se hace, podemos deducir que para cada década (dígito), son necesarios los mismos componentes, es decir:

1- Display de 7 segmentos (tener en cuenta su polaridad), ánodo común o cátodo común.
1- Decodificador de 7 segmentos con la salida para ánodo o cátodo común (el 74LS48 es de salida H y el 74LS47 de salida L).
1- Un contador decimal bidireccional (up/down) con preselector en paralelo, como el 74LS192.
1- Un preselector decimal codificado en BCD (a ser posible rotativo, esto último no es imprescindible).

En esencia poco más tendremos que añadir, si bien deberemos tener en cuenta los siguientes puntos:

- En primer lugar, tendremos en cuenta cuantos dígitos vamos a disponer, en nuestro caso dos.
- Los preselectores que necesitaremos dependerá de los dígitos que hayamos considerado.
- Los display que utilicemos, si utilizamos los comerciales de 1" (una pulgada) o los fabricamos nosotros mediante dos o  tres lámparas por segmento o tubos fluorescentes de encendido rápido.
- La corriente de consumo del equipo también dependerá de estos elementos, tengamos en cuenta que los dispositivos implicados en cada dígito se repiten para cada década y puede ser considerable.
- Por último, sería conveniente disponer de un tablero de control desde el cual, deberemos poder manejar los diferentes pulsadores, conmutador de avance o retroceso o los distintos selectores.

En principio y solo en principio, podemos estar ante un control de tanteo de un marcador de un evento deportivo, esto se tratará en otra lección que ya tenemos previsto poner a disposición de los interesados. En este momento, vamos a continuar con nuestro contador digital de dos décadas para alcanzar una cuenta máxima de 100 (tener en cuenta que el 00, también es una cuenta), o si apuramos el sistema, podremos llegar con dos dígitos hasta 1000, pero no 1001.

Ahora presentamos el circuito de la figura 07 de la anterior sección, para mayor comprensión, en ella podemos diferenciar tres partes fundamentales:

Figura 7 - Contador digital con preselector -fig606.gif-

Fig. 08 Contador digital con preselector.

Un punto muy importante a considerar con mucha atención es la parte encerrada en un cuadro que hemos denominado 'Control de cuenta', esta sencilla disposición de estas tres puertas NAND (que pueden pertenecer a un 74LS00), un conmutador de dos posiciones y una resistencia de 1k, son la parte esencial de comando del contador en la forma más simple y que al mismo tiempo nos permite la mayor garantía de buen funcionamiento.

Otro punto de los tres enumerados es el formado por el preselector y el propio contador decimal 74LS192. Estas dos piezas son las responsables de la que podemos considerar forma concreta de conteo particular al que podemos dar lugar, basándonos en la disposición exacta del preselector.

Veamos con detalle lo que queremos decir con la posición del preselector, si utilizamos uno pequeño de los llamados 'switch dual-in line' de 4 u 8 contactos que van en un dispositivo similar a un circuito integrado, como los representados en la figura 08, hemos de tener en cuenta que el usuario ha de conocer muy bien contar en binario, ya que no todos son capaces de hacer una conexión adecuada con soltura.

CUENTA

D

C

B

A

5

0

1

0

1

7

0

1

1

1

9

1

0

0

1

3

0

0

1

1

4

0

1

0

0

8

1

0

0

0

6

0

1

1

0

Naturalmente para nosotros es bastante sencillo de comprender este sistema de contar y fácilmente podemos deducir que un 1 significa que el contacto en cuestión, según la citada figura, lo tendremos que dejar al 'aire' como decimos en el argot de la electrónica, en cambio para cada 0 (cero), deberemos poner en contacto cerrado cada contacto que le corresponda. Obsérvese la disposición que le hemos dado a los contactos (DCBA), esto es debido al peso que corresponde a cada línea de entrada al circuito integrado y que se debe respetar escrupulosamente para su buena comprensión.

Fig. 8 - Codificador 10 a BCD Fig. 8 - Detalle de construcción del deco 10 a BCD

Fig. 10 Detalle eléctrico de un decodificador 10 a BCD y muestra real.

En la figura 10, mostramos las características de construcción de un decodificador rotativo decimal a BCD. Los cuatro círculos concéntricos pretenden ser cada uno un contacto en el que los tramos de mayor espesor representa las pistas de contacto de la escobilla que unirá cada uno con el eje central el cual se conectará a masa en nuestro caso, obsérvese que cada línea se conecta a través de una resistencia de 1k al positivo. Comparemos las dos imágenes de la figura 10 y observemos la similitud que existe entre ambas.

Visto el decodificador, resultará más sencillo comprender cómo actúa sobre el circuito contador decimal integrado en el dispositivo 74LS192, al que lo conectaremos en las entradas denominadas de preselección. Para cargar las salidas a un determinado estado, se aplicará la información a las entradas de datos (patillas 15,1,10 y 9), esto nos permite preseleccionar el inicio de la cuenta. Conectamos la entrada de carga (patilla 11) a nivel bajo L. Esta función de carga es independiente de la entrada de reloj y del estado del contador. El 74LS193 es un contador similar al que se describe 74LS192, la diferencia es que el 74LS193 realiza un conteo en binario puro.

En este dispositivo contador, (las entradas que no reciben impulsos, deben permanecer a nivel alto H), dispone de dos entradas independientes de reloj, la de conteo (subida 'Up', patilla 5) y la de descuento (bajada 'down', patilla 4). La patilla 14 'puesta cero' PAC, es la que nos permite situar el contador a 0, al aplicarle un nivel alto H. Las salidas del contador cambian de estado durante la transición del nivel L al nivel H en cualquiera de ellas.

La salida de descuento ('borrow' patilla 13) nos presenta un impulso de la misma duración que el de entrada cuando el contador alcanza la cuenta mínima (estado 0). La salida de acarreo ('carry', patilla 12) nos dará un impulso de la misma duración que el de entrada al alcanzar la cuenta máxima (estado 9). Estas dos líneas nos sirven para interconectar con otros contadores en serie o cascada, permitiendo el acarreo o descuento en las respectivas décadas.

De manera que cuando hemos cargado el número de partida en el preseleccionador, debemos cargar dicha cuenta con un impulso L en la patilla de carga (pin 11), devolviéndolo al estado H. Es decir, cada vez que se lleva a L esta patilla, se iniciará la cuenta desde ese número preseleccionado.

El Reloj Digital.

El contador que abordaremos en esta sección, como indica el título, se trata de un reloj. Ahora, podemos abordar la realización de un reloj digital desde dos perspectivas: El tradicional reloj que nos muestre los dígitos desde el 1 al 12 o el reloj de números binarios para complacer a los entusiastas de este tipo menos visto y sin embargo no menos atractivo.  

En principio el planteamiento es el mismo: un generador de pulsos, un contador/divisor por 10, un contador/divisor por 12, un contador/divisor por 6 y si queremos un preselector para una alarma. En un caso usaremos, displays y en el otro caso unos diodos LED para representar los bits. Propongo usar los circuitos integrados de la serie CMOS, por sus características, en caso de disponer de los clásicos TTL, el lector debe encontrar los equivalentes.

Reloj digital con diodos LED.

Dependiendo de las exigencias que le pidamos, el generador de impulsos debe ser de décimas de segundo como ya hemos visto en base de tiempos y el 'segundo método' en la lección 2, donde podemos aprender cómo conseguir fácilmente los pulsos de 10Hz/s y 1Hz/s. Ver imagen.

Base de Tiempos de 10 Hz y 1Hz.

Los Contadores.

CD4520B Divisor BinarioComo ya he apuntado, son necesarios dos tipos de contadores, las unidades y las decenas de segundos minutos y horas. Para todos usaremos un contador decimal, el cual como ya veremos mediante una combinación de puertas podemos adaptarlo a nuestras necesidades. Otra cuestión a tener en cuenta es, reducir al máximo los componentes utilizados y aprovechar todos sus recursos. 

Como contador vamos a usar un doble contador Binario como puede ser el CD4520B o el 74LS393, el cual se muestra en la figura de la derecha, este contador por sus características como veremos, lo podemos configurar como divisor por 10 y como divisor por 6, ambos son los que necesitamos. 

La figura de la izquierda muestra el contador por diez para los segundos, se puede apreciar el pulsador para poner la cuenta a "0" para sincronizar la hora, este pulsador pone a cero los segundos y las décimas de segundo al mismo tiempo. En la figura de la derecha se muestra el conexionado del mismo contador para dividir por seis para la cuenta de las decenas de segundo para los 60 segundos . 

De este modo aprovechamos ambos contadores contenidos en el mismo dispositivo y reducimos al mínimo los circuitos integrados que intervienen en el montaje.

El esquema que se muestra a continuación muestra la configuración para construir un reloj digital, constituido por 20 diodos LED,  el conocido como reloj binario, diodos dispuestos de forma que se puede leer la hora sumando los bits de cada columna. Si, es un tanto extraño para la mayoría, sin embargo hay muchos que les gustan las cosas personalizadas (como algunos dicen "tuneadas").

Reloj con 20 LED
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La figura siguiente muestra la disposición de los 20 diodos LED en un panel que dispondremos para su presentación.

Disposición de los 21 LEDs para el reloj de lectura binaria.

Lista de componentes.

La lista de componentes para construir este reloj digital de lectura binaria es la siguiente:

1

CD4022B - Divisor 

1

CD4017B - Divisor decimal Johnson

1

CD4093B - 4 Puertas NAND Schmit Trigger

3

CD4520B - Doble divisor Binario

2

CD4081B - 4 Puertas AND

10

1N4148 - Diodos pequeña señal

21

LED ROJO - 5m/m de Alta luminosidad 

1

LED VERDE - 5m/m de Alta luminosidad

1

BC549C - Transistor universal NPN

2

Diodos Zener de 5'1V 0'5Watios

3

Pulsadores NO (Normalmente abiertos)

1

Conmutador dos posiciones (para 50 o 60 Hz)

1

Interruptor de red.

1

Transformador de red de 220-240 / 9 + 9 Voltios 500mA

1

Porta Fusible con fusible de 0'5A

3

Resistencias de 10KOhms 5% 0'5 W

21

Resistencias de 100Ohms 5% 0'5W 

4

Resistencias de 2K2Ohms 5% '05W

LECTURA.

La lectura de este tipo de reloj, se efectúa sumando el peso de cada LED encendido en cada columna, de modo que en la imagen que se muestra debajo, la hora indicada es mostrada como: 13:50:25

Imagen real del reloj de 21 LEDs para lectura binaria.

En la foto que sigue (no es mía, aunque sirve al caso), se aprecia un nuevo ejemplo en un montaje más personalizado y con más detalle. 

 Fotografía de un reloj de lectura binaria.

Reloj con Dígitos.

Para los interesados en lo tradicional, pueden usar el mismo circuito de base para adaptarlo a los visualizadores de 7 segmentos, debe realizarse un cambio en el esquema mostrado más arriba, en el dual puede apreciarse los puntos dispuestos a la salida de cada divisor, justo antes de las resistencias de 100 Ohmios limitadores de los diodos LED, estos puntos se han previsto en el esquema como referencia para este proyecto.Diagrama del latch, decodificador y driver del CD4511B

Este es el punto o mejor dicho, estos son los puntos donde conectaremos las entradas BCD de los decodificadores que se encargarán de convertir las cuentas de binario a decimal de los divisores. Los circuitos integrados que se deben usar vienen condicionados por el tipo de display disponible en el mercado, así pues, para unos displays de cátodo común se debe usar el CD4511 (es el mas habitual) y si se trata de la serie TTL, puede ser el 74LS47 para los visualizadores de ánodo común o 74LS48 para los de cátodo común. 

Usaré el CD4511, especialmente por que el mismo dispositivo lleva incorporado un sistema de enganche (latch) para retener la cuenta hasta la siguiente actualización (esto se hace más necesario para contadores de gran velocidad, ya que en estas condiciones sería del todo imposible leer la visualización) , un decodificador BCD a 7 segmentos y un amplificador o driver, lo que reduce al mínimo el espacio físico. Este dispositivo como se ha dicho, requiere de un visualizador (display) de cátodo común para visualizar los dígitos en el panel.

En la imagen de abajo, para obtener una mayor claridad se han eliminado ciertas líneas, creo que se pueden seguir con facilidad y su exclusión nos permite una mejor comprensión del circuito general, en dicha imagen se puede apreciar la disposición de los CD4511 y los correspondientes visualizadores. Esta es la versión con 6 displays, en caso de usar sólo 4 displays, deben conectarse a los CD4511 correspondientes (horas y minutos).

Disposición de los decodificadores y visualizadores para el reloj.
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Los terminales en rojo de la figura, son los que no se usan en el caso del reloj binario, en cambio son necesarios para este caso del reloj con displays.

Ahora uniendo los dos esquemas electrónicos, dispondremos del circuito del reloj digital con displays que es la segunda opción que podemos obtener de un reloj. En la figura que sigue puede verse el circuito completo.

Circuito completo para el reloj.
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El circuito está constituido por dos contadores dobles en código BCD, cada uno maneja las unidades y decenas de las horas y de los minutos. El circuito integrado 4518B dispone de estos dos contadores, también posee dos entradas de reloj y dos inhibidores además de sus respectivos terminales de reset independientes.

Estará dotado de un preselector que nos permitirá indicarle que cuenta máxima debe hacer y a su salida dispondremos de un pulso, con el que podremos ejecutar una orden bien con la ayuda de un relé o mediante una señal luminosa u otro sistema digital al que le indiquemos que nueva función debe realizar .

En otro apartado se pretende hacer el mismo reloj usando un microcontrolador PIC, para mas adelante.

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   Creado: Ago. 21, 2000
Revisado: 14-08-2004