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LO BUENO
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UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP
CIRCUITOS DIGITALES Pgina 1
TIPOS DE CIRCUITOS
En un archivo de Word elabora una investigacin sobre tres circuitos del tipo:
Codificador, decodificador, comparador y contador y sus aplicaciones. Explica
detalladamente cmo funcionan dichos circuitos.
CODIFICADORES
Los codificadores nos permiten compactar la informacin, generando un cdigo de
salida a partir de la informacin de entrada. Y como siempre, lo mejor es verlo con un
ejemplo.
Imaginemos que estamos diseando un circuito digital que se encuentra en el interior de
una cadena de msica. Este circuito controlar la cadena, haciendo que funcione
correctamente.
Una de las cosas que har este circuito de control ser activar la radio, el CD, la cinta o
el Disco segn el botn que haya pulsado el usuario. Imaginemos que tenemos 4
botones en la cadena, de manera que cuando no estn pulsados, generan un 0 y
cuando se pulsa un 1 (Botones digitales). Los podramos conectar directamente a
nuestro circuito de control la cadena de msica, como se muestra en la figura 1.1. Sin
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embargo, a la hora de disear el circuito de control, nos resultara ms sencillo que cada
botn tuviese asociado un nmero. Como en total hay 4 botones, necesitaramos 2 bits
para identificarlos. Para conseguir esta asociacin utilizamos un codificador, que a partir
del botn que se haya pulsado nos devolver su nmero asociado:
Figura 1.1: Circuito de control de una cadena de msica, y 4 botones de seleccin de lo que se
quiere escuchar.
Fijmonos en las entradas del codificador, que estn conectadas a los botones. En cada
momento, slo habr un botn apretado, puesto que slo podemos escuchar una de las
cuatro cosas.
Bien estaremos escuchando el CD, bien la cinta, bien la radio o bien un disco, pero no
puede haber ms de un botn pulsado1. Tal y como hemos hecho las conexiones al
codificador, el CD tiene asociado el nmero 0, la cinta el 1, la radio el 2 y el disco el 3
(Este nmero depende de la entrada del codificador a la que lo hayamos conectado).
A la salida del codificador obtendremos el nmero del botn apretado. La tabla de
verdad ser as:
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El circuito de control de la cadena ahora slo tendr 2 bits de entrada para determinar el
botn que se ha pulsado. Antes necesitbamos 4 entradas. El codificador que hemos
usado tiene 4 entradas y 2 salidas, por lo que se llama codificador de 4 a 2. Existen
codificadores de mayor nmero de entradas, como el que vamos a ver en el siguiente
ejemplo.
Imaginemos que ahora queremos hacer un circuito para monitorear la situacin de un
tren en una va. En una zona determinada, la va est dividida en 8 tramos. En cada uno
de ellos existe un sensor que indica si el tren se encuentra en ese tramo (el sensor
devuelve 1) o fuera de l (valor 0). Se ve claramente que cuando uno de los sensores
est activado, porque que el tren se encuentre en ese tramo, el resto de sensores
devolvern un 0 (No detectan al tren).
Si conectamos todas las entradas de los sensores a un codificador de 8 a 3, lo que
tendremos es que a la salida del codificador saldr un nmero que indica el tramo en el
que se encuentra el tren. El circuito de control que conectemos a las salidas de este
codificador slo necesita 3 bits de entrada para conocer el tramo en el que est el tren, y
no es necesario 8 bits. Su diseo ser ms simple!!. La tabla de verdad es:
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1. CODIFICADORES SIN PRIORIDAD:
Son aquellos que cuando se les aplican dos o ms seales de entrada presentan una
salida que no corresponde a la codificacin de una seal de entrada; Un ejemplo de
codificador sin prioridad se puede realizar con una matriz de diodos como el de la figura:
Al activar el interruptor del nmero decimal, la salida es su cdigo en binario
decimal (cdigo BCD).
Si estn activados dos o ms interruptores a la vez el cdigo ser incorrecto, ya
que conducirn todos los diodos activados.
2. CODIFICADORES CON PRIORIDAD:
Son aquellos en los que las salidas representan el cdigo binario correspondiente a la
entrada activa que tenga mayor valor decimal (prioridad ascendente), en caso de que
varias entradas estn activadas simultneamente. Cuando la entrada que acta sobre la
salida es la menor de todas las entradas activadas, se denomina prioridad descendente.
En l se incluye la lgica necesaria para asegurar que cuando dos o ms entradas son
activadas al mismo tiempo, el cdigo de salida corresponder al de la entrada que tiene
asociado el mayor de los nmeros En la siguiente figura tenemos como ejemplo de
codificador con prioridad ascendente el circuito integrado TTL 74148, que tiene 8 (23)
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lneas de entrada (0 a 7), y 3 lneas de salida. La relacin de pines de este integrado es
la siguiente:
0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7: entradas activas a niveles bajos (0V).
EI: entrada de inhibicin que debe estar a nivel bajo (0V) para que se realice la
codificacin.
C, B y A: en las salidas aparecen, activas tambin a nivel bajo (0V), los datos
codificados en binario de tres bits (4-2-1).
E0: que, en nivel bajo, indica que ninguna de las entradas es activa (sirve para
distinguir entre las situaciones de activacin de la entrada 0 y ninguna entrada
activa, ya que en ambos casos las salidas estn a nivel alto).
GS: que pasa a nivel bajo cuando alguna de las entradas es activa.
3. CIRCUITOS DE N BITS EN BASE A CIRCUITOS DE 4 BITS
Hay dos mtodos para conseguir un codificador de N a 2 N bits en base a codificadores
de M a 2M bits, siendo N > M. El primero de los mtodos es en cascada y el segundo en
paralelo.
Desarrollo en cascada de un codificador 16 a 4 en base a codificadores 8 a 3.
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Desarrollo en paralelo de un codificador 16 a 4 en base a codificadores 8 a 3.
APLICACIONES:
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DECODIFICADOR
Un decodificador es un circuito integrado por el que se introduce un nmero y se activa
una y slo una de las salidas, permaneciendo el resto desactivadas. Y como siempre, lo
mejor es verlo con un ejemplo sencillo. Imaginemos que queremos realizar un circuito de
control para un semforo. El semforo puede estar verde, amarillo, rojo o averiado.
En el caso de estar averiado, se activar una luz interna azul, para que el tcnico sepa
que lo tiene que reparar.
A cada una de estas luces les vamos a asociar un nmero. As el rojo ser el 0, el
amarillo el 1, el verde el 2 y el azul (averiado) el 3 (Ver figura 1.2).
Para controlar este semforo podemos hacer un circuito que tenga 4 salidas, una para
una de las luces. Cuando una de estas salidas est a 1, la luz correspondiente estar
encendida. Sin embargo, ocurre que NO PUEDE HABER DOS O MAS LUCES
ENCENDIDAS A LA VEZ.
Por ejemplo, no puede estar la luz roja y la verde encendidas a la vez!!!!.
Figura 1.2: El semforo que se quiere controlar
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Figura 1.3: Circuito de control del semforo, usando un decodificador de 2 a 4
Si utilizamos un decodificador de 2 a 4, conseguiremos controlar el semforo
asegurndonos que slo estar activa una luz en cada momento. Adems, el circuito de
control que diseemos slo tiene que tener 2 salidas. El nuevo esquema se muestra en
la figura 1.3.
El funcionamiento es muy sencillo. Si el circuito de control enva el nmero 2 (E1 = 1, E0
= 0), _se encender la luz verde (que tiene asociado el nmero 2) y slo la luz verde!!!.
Un decodificador activa slo una de las salidas, la salida que tiene un nmero igual al
que se ha introducido por la entrada. En el ejemplo del semforo, si el circuito de control
enva el nmero 3, se activa la salida O3 y se encender la luz azul (y slo esa!!).
A la hora de disear el circuito de control, slo hay que tener en cuenta que cada luz del
semforo est conectada a una salida del decodificador y que por tanto tiene asociado
un nmero diferente.
1. DECODIFICADORES BINARIOS BSICOS.
Cuando se quiere determinar cundo por ejemplo aparece 1001 en las entradas de un
circuito digital.
Todas las entradas de la puerta AND estn a nivel ALTO ya que dicha puerta produce
una salida a nivel ALTO.
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2. EL DECODIFICADOR DE 4 BITS DECODIFICADOR 1 DE 16.
Se utiliza para poder decodificar todas las combinaciones de 4 bits. Para cualquier
cdigo dado en las entradas solo se activa una de las posibles diecisis salidas.
Si requerimos una salida a nivel bajo, el decodificador de puede implementar con
puertas NAND e inversores, uno por cada salida.
A continuacin se muestra la tabla de verdad de un decodificador 1 de 16 con salidas
activas a nivel alto.
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3. EL DECODIFICADOR BCD A DECIMAL.
Convierte cada cdigo BCD en uno de los diez posibles dgitos decimales.
El mtodo de implementacin es el mismo que para un decodificador 4 a 16, pero con la
diferencia de que las salidas son solo 10.
Obtendremos salidas activas a nivel ALTO y BAJO implementando las funciones con
puertas AND y NAND respectivamente.
APLICACIONES
Los decodificadores se emplean fundamentalmente para seleccionar los diferentes
puertos de E/S (entrada/salida) y as la computadora pueda comunicarse con los
diferentes dispositivos externos (perifricos). Estos decodificadores son conocidos como
decodificador de direcciones de puertos.
Direccionar una localidad de memoria, conversin de datos binarios,
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Ejemplos:
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COMPARADOR
Un circuito digital comparador realiza la comparacin de dos palabras A y B de N bits
tomadas como un nmero entero sin signo e indica si son iguales o si una es mayor que
otra en tres salidas A = B, A > B y A < B. Solo una de estas salidas estar a 1 y las
dems estarn a 0 dependiendo de los valores de las entradas.
Un comparador es un circuito analgico que monitorea dos entradas de voltaje. Uno es
llamado voltaje de referencia (Vref) y el otro voltaje de entrada (Vin). Cuando Vin se
incrementa por encima o se reduce por debajo de Vref, la salida (Vout) del comparador
cambia de estado entre bajo y alto.
Algunos circuitos integrados (como el IC-339, IC-311 etc.) se han diseado
especficamente como comparadores otros como el IC-741 aunque son en
realidad amplificadores operacionales pueden ser usados como comparadores. Estos
chips (generalmente con 8 patas) tienen una entrada para Vref, otra para Vin, una de
salida Vout, una para el voltaje de alimentacin (Vcc) y otra deTierra.
El esquema que sigue es un diagrama de como conectar un circuito integrado del tipo
IC-741 como comparador.
Como puede observarse el voltaje de alimentacin se conecta a la pata nmero 7 y la 4
a tierra. Las patas 2 y 3 son las patas de entrada de los voltajes a comparar, y el voltaje
de salida se obtiene por la pata 6.
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En este caso cuando Vin exceda a Vref la salida pasa de alto voltaje (casi Vcc) a bajo
voltaje (pequeo remanente de voltaje), no exactamente o voltios. Por tal motivo se
habla de los estados alto y bajo.
1. CIRCUITO COMPARADOR SIMPLE NO INVERSOR.
El primer circuito a realizar en esta segunda prctica de laboratorio se trata de un circuito
comparador simple no inversor utilizando un amplificador operacional. Tambin se
emplear un transistor NPN para disparar un LED dependiendo de la comparacin
realizada en el amplificador a partir de la temperatura tomada en un NTC. Este circuito a
montar en el laboratorio se muestra en la siguiente imagen.
El circuito realiza una comparacin de los niveles de tensin que el amplificador
operacional posee en sus entradas y har que el transistor Q conduzca o no
(encendiendo el LED o apagndolo) dependiendo de la salida. El amplificador dar una
salida alternante entre los valores de aproximadamente 11V y -11V (VCC y VEE con un
error de 1V) no invertida dependiendo si el valor de referencia (entrada + o no inversora
del amplificador) es mayor o menor, respectivamente, del valor proporcionado en la
entrada de comparacin (entrada o inversora del amplificador).
El valor de la entrada + se encuentra fijado por los valores de resistencias R2 y R3, pero
el de la entrada se halla conectado a un sensor resistivo de temperatura NTC
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(Negative Temperature Coefficient). Como se vio en la prctica de simulacin, un sensor
NTC reduce su resistencia al aumentar su temperatura y viceversa (vase el manual de
la prctica de simulacin para ms informacin del elemento NTC). Por lo tanto,
dependiendo de la temperatura que detecte el NTC, aumentar o disminuir su
resistencia, haciendo que cambie la tensin en la entrada , y que la comparacin del
amplificador conmute entre los valores 12V. El diodo conducir o no, haciendo que al
transistor Q le llegue o no una corriente de base para que conduzca (modo saturacin) o
no (modo corte). Al conducir, el LED se encender.
2. CIRCUITO COMPARADOR MEDIANTE REALIMENTACIN POSITIVA.
El segundo circuito a realizar en esta segunda prctica de laboratorio se trata de un
Trigger de Schmitt. Un Trigger de Schmitt es un comparador que tiene dos umbrales de
tensin de entrada diferentes gracias al uso de una realimentacin positiva. A la
existencia de dos umbrales de comparacin se denomina histresis.
Principalmente, el Trigger de Schmitt usa la histresis para prevenir el ruido que podra
tener la seal de entrada y que puede causar cambios de estado si los niveles de
referencia y entrada son parecidos. En la Figura, se muestra el funcionamiento de un
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Trigger de Schmitt simtrico, que compara la seal de entrada UE con dos niveles de
tensin UTL (Low-Bajo) y UTH (High-Alto).
El funcionamiento es el siguiente: inicialmente, mientras el valor de la entrada UE sea
menor que UTH (UEUTL), la salida conmuta a USL. Finalmente, cuando UE sea menor que UTL
(UE>UTL), entonces la salida volver al estado de USH. A continuacin se muestra una
imagen del funcionamiento mencionado.
Para implementar el Trigger de Schmitt en esta prctica se utilizar un amplificador
operacional realimentado positivamente. Los niveles de conmutacin de la salida sern
en este caso de VCC para USH, y VEE para USL (despreciando la cada de
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aproximadamente 1V dentro del operacional), dependiendo si el valor de voltaje en la
entrada inversora es menor que UTH (valor determinado por R2, R3 y USH=VCC) o
mayor que UTL (valor determinado por R2, R3 y USL=VEE). En la prctica, se propone
que el nivel de tensin en la entrada inversora est determinado por un elemento LDR
(Light Dependent Resistor), que posee una resistencia variable en funcin de la luz que
capte del entorno. El LDR utilizado es el NSL-19M51, cuyo data sheet se proporciona
con el material de la prctica. Al igual que el circuito anterior, la comparacin se podr
verificar con el encendido de un LED en la salida del amplificador operacional, activado
mediante un transistor NPN.
3. COMPARADOR INVERSOR CON HISTRESIS O COMPARADOR
REGENERATIVO
En este comparador la seal de entrada Ve puede oscilar entre una gama de valores
antes que la salida cambie de estado. En principio si Ve < 0, la salida Vo satura a
positivo. Si queremos cambiar de estado la salida deberemos aplicar una Ve mayor que
VR2. Esta tensin deber ser:
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Una vez superada Vp, el operacional saturara a negativo por lo cual para volver a
cambiar su estado deberemos aplicar una tensin ms negativa que la VR2. Es decir:
El resultado es que mientras la seal de entrada est entre los valores de Vv y Vp la
salida no cambiar de estado. - Comparador no inversor con histresis.
Supongamos:
Vsal = + Vsat
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APLICACIN:
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CONTADOR
En electrnica digital un contador (en ingls, counter) es un circuito
secuencial construido a partir de biestables y puertas lgicas capaz de almacenar y
contar los impulsos (a menudo relacionados con una seal de reloj), que recibe en
la entrada destinada a tal efecto, asimismo tambin acta como divisor de frecuencia.
Normalmente, el cmputo se realiza en cdigo binario, que con frecuencia ser el binario
natural o el BCD natural (contador de dcadas).
Los contadores son sistemas secuenciales con una sola entrada de impulsos a contar,
cuyo estado interno en cada instante representa el nmero de impulsos que se han
aplicado.
Si los impulsos ocurren a intervalos de tiempo conocidos, un contador puede utilizarse
como un instrumento de medida de tiempos.
Fundamentalmente estn constituidos por biestables sincronizados por flancos que
sern realimentados de diferentes formas.
Existen bsicamente dos tipos de contadores:
Contadores Sncronos.
Contadores Asncronos.
CARACTERSTICAS DE LOS CONTADORES
Frecuencia mxima de los impulsos a contar: Esta ser la mayor frecuencia (rapidez
de pulsos a contar) que es capaz de seguir el contador. Este valor depender de la
tecnologa utilizada en su fabricacin y del diseo del contador.
Cdigo de contaje: El cdigo binario utilizado para realizar el contaje de los impulsos
puede ser cualquiera. Si el contador est integrado en un C.I. dicho cdigo vendr
especificado en sus hojas de caractersticas.
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Capacidad de contaje o Mdulo del contador: El nmero de estados diferentes por lo
que pasa un contador antes de volver a su estado inicial se denomina mdulo del
contador o capacidad de contaje, este parmetro determina el nmero de biestables que
ha de tener el contador.
Si N es el nmero de impulsos a contar, el nmero de biestables (n) ha de
cumplir:
2n-1
N 2n
Modo de funcionamiento: Los contadores pueden ser sncronos o asncronos.
Los asncronos son aquellos en los que las entradas de reloj que los gobiernan no
actan simultneamente en todos los flip-flops sino secuencialmente, es decir, los
impulsos a contar no se aplica a las entradas de reloj de todos los flip-flops a la
vez, sino generalmente slo a la del primero, y las entradas de reloj del resto son
gobernadas por las salidas del biestable precedente.
Los sncronos son aquellos en los que los impulsos a contar se aplican a todas las
entradas de reloj de todos los biestables a la vez.
En general los contadores sncronos son ms rpidos que los asncronos, pero
ms complejos, adems los asncronos presentan el problema de adquirir
transitoriamente estados indeseados.
No es obligatorio que los contadores agoten todas las posibles combinaciones.
El contaje no tiene porque realizase de forma ordenada.
Existen contadores crecientes y decrecientes.
Existen tambin contadores programables en los que mediante entradas
paralelas puedo cargar la cifra inicial pudiendo ser a su vez esta carga sncrona
o asncrona.
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CLASIFICACIN DE LOS CONTADORES
1. CONTADORES SNCRONOS
Su caracterstica distintiva es que la seal de cuenta se aplica a todos los biestables
simultneamente. Este hecho significa que todos los biestables conmutarn a la vez y,
por tanto, no ocurrirn situaciones transitorias exteriores al cdigo. Por otra parte al
conmutar todos los biestables a un tiempo, la frecuencia mxima de trabajo ser, en
general, mayor que en los contadores asncronos. El retardo implicado en la
conmutacin ser el de un solo biestable.
Para el diseo de un contador de este tipo puede seguirse el proceso de diseo indicado
en el apartado sobre contadores asncronos, pero nosotros vamos a utilizar la teora de
Autmatas Finitos para realizarlos, teniendo en cuenta que:
Siempre lo haremos por Moore
Que cada estado interno se corresponde con un estado del contador (coinciden
las salidas del contador con la de los biestables que lo forman).
La nica seal de entrada es la del reloj.
2. CONTADORES CRECIENTES
Veamos cual sera el proceso para realizar contadores sncronos binarios crecientes de
mdulos: 2, 4 y 8.
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Como resulta un circuito muy sencillo evitaremos realizar la tabla de estados y
asignaremos los cdigos que sern coincidentes con los estados de salida:
3. CONTADORES DECRECIENTES. REVERSIBLES
Los circuitos diseados a manera de ejemplo en los apartados anteriores, cuentan en
sentido creciente, es decir, van tomando estados correspondientes a cifras de mayor
orden de magnitud conforme se aplican los impulsos de avance.
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Puede disearse un tipo de contador tal que su contenido decrezca conforme le llegan
los impulsos de cuenta. El proceso de diseo es igual que para los contadores
crecientes.
4. CONTADORES ASNCRONOS
En los contadores asncronos solamente uno de los biestables recibe la seal de reloj
exterior, al correspondiente a la cifra menos significativa, y las salidas de unos
biestables se conectan a las entradas de otros; son las conmutaciones de unos
biestables las que hacen bascular a los dems. No todos los biestables conmutan a la
vez ya que se acumularn retardos a medida que la seal va pasando de unos a otros.
La mxima velocidad de trabajo del contador vendr limitada por estos efectos.
Tendremos presente la tabla de funcionamiento de los distintos tipos de Bi estables.
En los contadores asncronos es usual utilizar biestables tipo T para su implementacin.
Veamos algunos ejemplos de diseo de contadores asncronos.
5. CONTADORES PRE DISPONIBLES
El trmino pre disponible se refiere a la cualidad que poseen ciertos contadores de poder
adquirir un estado directamente, mediante una carga en paralelo, normalmente a travs
de las entradas asncronas de los biestables que forman el contador.
El inters de estos contadores radica en la posibilidad de obtener un contador de mdulo
variable al tomar como estado de partida uno cualquiera de los posibles. En efecto, si un
contador creciente de mdulo N se predispone en M, de forma que cada vez que supera
el estado N toma como siguiente estado el M (en lugar de 0) resulta que se habr
transformado en un contador de mdulo N-M.
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6. CONTADORES PROGRAMABLES
Se refiere el ttulo a contadores que pueden seguir ms de una secuencia en funcin de
alguna entrada adicional que condiciona la secuencia de cuenta.
Podemos suponer un contador con dos secuencias de cuenta que a su vez pueden ser
totalmente independientes (excepto el estado inicial) o pueden compartir algn estado.
En cuanto a la entrada auxiliar necesaria para seguir una u otra secuencia, puede ser
que deba permanecer validada durante toda la secuencia, o solamente en el momento
en que se debe decidir por una de las dos secuencias.
Tomemos como ejemplo un contador decimal que posee una entrada de seal auxiliar E,
de forma que si E = 0 recorra la secuencia de nmeros pares, y si E = 1 recorra la de los
nmeros impares. El estado de partida ser el 0000. Las secuencias son independientes
como se puede deducir del enunciado.
Este problema puede resolverse de dos maneras. Una de ellas considerando que
mientras E = 0 solo son posibles los estados 2, 4, 6, 8 y durante el tiempo que E = 1 la
secuencia ser 1, 3, 5, 7, 9. La otra sera que ambos parten del mismo punto y en
funcin del valor que toma E en ese instante se toma una u otra secuencia. Los
diagramas de flujo para ambos casos seran:
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El mtodo de diseo de este tipo de contadores es en todo similar al visto anteriormente,
con la particularidad de incluir entradas adicionales.
7. Contadores en anillo
Un contador en anillo consta de tantos biestables como smbolos existen en la base
elegida. De todos estos biestables solo uno est a nivel alto y los restantes a nivel bajo o
viceversa.
Con cada impulso de cuenta este nivel alto (o bajo) se va desplazando cclicamente. Se
dice que el contador se encuentra en estado n, cuando el biestable Bn posee el nivel
activo respecto a los dems. Para realizar su sntesis puede procederse como en los
casos anteriores sin embargo su estructura es tan sencilla que en la prctica se
construyen mediante registros de desplazamiento en los que la salida del registro se
conecta a la entrada del mismo, y cargando el registro con el valor deseado al inicio.
As un contador en anillo de mdulo 4 sera el mostrado.
La ventaja de los contadores en anillo est en la posibilidad de realizar contadores
decimales de lectura directa sin necesidad de decodificador. El inconveniente es el
nmero de biestables utilizados.
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8. CONTADOR BIQUINARIO
Es un contador en anillo de cinco etapas al que se aade un biestable (normalmente tipo
T) que cambia de estado cada cinco impulsos de avance. Con los impulsos de avance,
del 0 al 4, el biestable permanece a cero, y del 5 al 9 pasa a la tabla de funcionamiento y
el circuito.
La ventaja respecto del contador en anillo es que se produce un ahorro del 40% de
biestables, en cambio, ahora es necesario decodificar las salidas.
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APLICACIN: