CRONMETRO DIGITAL

CIRCUITOS DIGITAIS Trabalho sobre a construo de UM

CRONMETRO DIGITAL

UNIP Campus Rangel

Novembro/2014

Introduo

Os Flip Flop so os mais importantes elementos de memria, podendo ser combinados entre si e com uma lgica externa a fim de exercer inmeras funes nos diversos tipos de sistemas digitais. Uma delas so os contadores, que podem ser montados em diversas configuraes, sendo um uso comum a construo decontadores de tempo, entre eles os cronmetros digitais, o que ser exposto nesse trabalho atravs da demonstrao das caractersticas e propriedades dos contadores sequenciais assncronos.Tal cronmetro ser configurado de modo a exibir os minutos, segundos e centsimos de segundos, de 000000 a 595999. Para isso necessrio utilizarmos configuraes lgicas de modo que os flip flops operem adequadamente, fazendo uma contagem precisa e correta.

O primeiro passo para a montagem do cronmetro digital foi escolher o modelo adequado para a implementao do circuito. Considerando a sequencia de contagem do cronmetro, se viu necessria a montagem de blocos de contagem menores, que interligados operam como um nico circuito. So quatro contadores que avanam sua contagem a cada ciclo completo do contador anterior. Ao contador de centsimo de segundos foi ligado um gerador de sinal configurado para 100Hz com tenso de 5Vpp e duty cicle de 50% (onda quadrada). Este gerador de sinal ser o controlador de clock do cronmetro.O projetoPara a execuo do crinmetro digital foi definido que seria usado um conjunto de contadores assncronos, ligados em bloco para controlar um conjunto de displays de sete segmentos, e cada bloco seria ligado em cascata. Comandando o primeiro contador, um gerador de funo seria responsvel pelo clock do sistema, sendo que os clocks seguintes seriam dados pelos contadores na sequncia.

Fig. 1 Diagrama do bloco de contadores.O pulso de clockO corao do circuito de qualquer tipo de timer o gerador do pulso de clock. com base na frequncia de pulso gerada por ele que todo o circuito vai funcionar. Poderamos montar um circuito com o oscilador integrado 555, mas visto que foi decidido que a montagem seria virtual, no simulador MultisimTM, optamos por usar o gerador de funo do prprio programa, ajustando o mesmo para a frequncia de 100Hz, visando controlar o bloco de contagem dos centsimos de segundo. Para obter-se uma onda o mais prximo da onda quadrada necessria para o cronmetro, o duty cicle foi ajustado para 50%, o que faz com que o sinal tenha a mesma durao em nvel lgico alto quanto em nvel lgico baixo. Com uma tenso de 5Vpp, o gerador consegue acionar tranquilamente o primeiro Flip Flop do bloco de contadores. Para uma maior preciso na contagem, o tempo de subida e descida foi ajustado para 5ns.

Fig. 2 Gerador de funo virtual.Contagem de zero a dezPara a montagem dos blocos de contagem foram usados Flip flops genricos do tipo JK, com Preset e Clear.

Fig. 3 Flip Flop genrico tipo JK.Ao receber os pulsos de clock, o primeiro Flip Flop (Q0) gera uma contagem a partir de zero, enviando ao Flip Flop seguinte (Q1) uma informao de clock a cada dois pulsos de clock que recebe, e este envia, a cada dois pulsos de Q0, um pulso para o clock de Q2, que repete o processo em relao a Q3. Quando Q0 recebe o dcimo pulso de clock direcionado atravs de uma lgica combinacional para o zero atravs do reset. Neste momento, o mesmo pulso enviado para o primeiro contador do bloco seguinte, aumentando sua contagem em um bit.

Fig. 4 Diagrama simplificado do esquema de contagem de 0 a 9.Neste momento o processo se repete, agindo em cascata at chegar ao ltimo bloco de contadores, o de dezenas de minutos. Abaixo a tabela de estados do bloco de contadores de 0 a 9Tabela de estados do contador de zero a nove

CK

Q0

Q1

Q2

Q3

0101010101010101

0011001100110011

0000111100001111

0000000011111111

0123456789101112131415

StartReset

Note-se que, apesar de a contagem ir de zero a dez, o contador mostrar de zero a 9, voltando a zero. Pode parecer um pouco confuso a princpio, mas o que fazermos corriqueiramente, de forma totalmente natural, sem perceber. Quando contamos at dez, acrescentamos uma casa esquerda, depois do nove, o qual volta a ser zero. Atravs da lgica combinacional, o que fazemos simplesmente ensinar ao contador a fazer esse processo. Em vez de mostrar o dez (ou no caso do display, a letra A), ele nos mostra o zero de novo e mostra o um em outro display, repetindo o processo e acrescentando um no display de dezena a cada volta. Abaixo a montagem virtual do bloco de contadores de 0 a 9Fig. 5 Contador de 0 a 9.Contagem de zero a seis importante lembrar que a contagem deve ir de 000000 a 595900, o que nos traz um detalhe na concepo do circuito: o contador de dezenas de segundos e o de dezenas de minutos deve ir somente at cinco, seguindo a lgica de funcionamento do cronmetro. No momento do sexto pulso, o bloco deve ser zerado e tambm neste momento o boco seguinte deve aumentar sua contagem em um bit. Para contornar isso, a lgica combinacional foi modificada para resetar o bloco e mandar o pulso para o bloco seguinte no 6 pulso:

Fig. 6 Diagrama simplificado do esquema de contagem de 0 a 5.O bloco seguinte, no caso o de unidade de minutos, um contador de zero a nove, sendo que no dcimo pulso ele envia o sinal de clock para o bloco seguinte, outro contador de zero a cinco. Este contador responsvel apenas por zerar a si mesmo, pois no h mais blocos de contadores aps ele, e para zerar o circuito no necessrio nenhuma informao adicional, visto que cada blocoj possui uma lgica para zerar a si mesmo. Abaixo tabela de estados do contador de zero a cinco.Tabela de estados do contador de zero a cinco

CK

Q0

Q1

Q2

Q3

0101010101010101

0011001100110011

0000111100001111

0000000011111111

0123456789101112131415

StartReset

Fig. 7 Contador de 0 a 5

Comandos adicionaisIsso resolvido hora de acrescentar os comandos de start, stop, lap time e reset. Comando start/stopO comando de start/stop poderia ser feito de duas maneiras: uma chave liga-desliga na alimentao geral do circuito, ou uma chave liga-desliga na sada do gerador de funo, controlando o pulso de clock. Porm, durante a montagem, notou-se um atraso no incio da contagem quando se usava a chave controlando a alimentao. Isso se deve ao fato de a alimentao (pelo menos no simulador) no iniciar imediatamente, o que nos levou a optar pelo controle no clock, atravs de S3.Este tipo de montagem gera uma resposta mais rpida do circuito, interferindo menos na leitura dos resultados.

Comando resetPara o circuito de reset, foi acrescentado um push button, o qual no seu estado desacionado est enviando um sinal de nvel alto e ao ser acionado manda um sinal de nvel baixo a um conjunto de portas NOR, que nesse momento enviam um sinal de reset a todos os blocos, zerando a contagem.

Fig. 8 Comandos adicionais

Estas portas NOR fazem parte do circuito combinacional de cada bloco, trabalhando no reset da contagem quando cada bloco chega ao seu limite, e tambm resetando o conjunto ao receber o pulso de nvel lgico baixo de S1.

Comandos lap timeO comando de Lap time deveria proporcionar uma pausa para leitura do display, porm sem parar a contagem e ao ser acionado novamente, deveria mostrar a contagem atual, no mesmo display. Porm, no foi possvel executar a leitura no mesmo conjunto de displays, pois nenhuma das solues por ns encontrada atendia ao projeto, ocasionando uma srie de problemas de funcionamento. A soluo encontrada foi elaborar mais um conjunto de contadores - sendo estes sncronos e montados com Flip Flops tipo Data - e lig-los a outro conjunto de displays. A chave push button S2 mantm um sinal de nvel lgico baixo na entrada de clock dos Flip Flops e, ao ser acionada, envia um pulso de nvel lgico alto, o que faz com que os Flip Flops enviem a ltima informao recebida para o conjunto de adicional displays, o qual exibe o tempo da contagem no momento do acionamento.Fig. 9 Circuito Lap

Circuito final

Interligando os blocos de contadores de tempo, os comandos, os circuitos combinacionais e os blocos de contadores do circuito lap time, chega-se ao circuito final do cronmetro digital.

Fig. Circuitos interligados

ConclusoApesar do tema proposto para este trabalho parecer relativamente simples (inicialmente), encontramos algumas dificuldades para a montagem do circuito no Multisim, software utilizado para a simulao, tais como: uso das ferramentas do programa, configuraes, biblioteca de componentes, etc.

Aps uma melhor compreenso do funcionamento do software e suas particularidades, com o circuito do cronmetro j basicamente montado, tivemos problemas para elaborar o sistema de memorizao do tempo (lap time), entretanto, estes problemas foram resolvidos com o uso de um sistema auxiliar contendo 7 flip flops tipo D, conforme descrito acima em Comandos .

Diante de todas estas informaes, notamos a importncia do conhecimento acerca de flip flop para a montagem do circuito final do cronmetro. Salientamos, tambm, que o aprendizado obtido ser certamente de grande valia e imprescindvel para o restante do curso.

BibliografiaIDOETA, IVAN V., CAPUANO, FRANCISCO G. Elementos de eletrnica Digital. 38 edio, So Paulo rica, 1989.GARCIA, P A ; MARTINI, J S C. Eletrnica digital : teoria e laboratrioEditora: EricaLEACH, D P ; MALVINO, A P. Eletronica digital : principios e aplicaoes : logica sequencial

Editora: McGraw-Hill