Contador binario ascendente de 0 a 9 con 74LS163

En la práctica anterior se construyó un generador de reloj utilizando el circuito integrado NE555. En esta actividad aprovecharemos esa señal de reloj para introducir un nuevo elemento fundamental de los sistemas digitales: el contador síncrono.

Para ello utilizaremos el 74LS163, un contador binario de 4 bits que permitirá estudiar, además del conteo, el empleo de compuertas lógicas para modificar la secuencia natural de un contador.

1. El contador 74LS163

El 74LS163 es un contador binario síncrono de 4 bits. Sus salidas son:

• Q0: bit menos significativo.
• Q1: segundo bit.
• Q2: tercer bit.
• Q3: bit más significativo.

Al recibir cada flanco activo de la señal CLK, el contador puede incrementar su valor binario.

La secuencia normal es:

Decimal	Q3	Q2	Q1	Q0
0	0	0	0	0
1	0	0	0	1
2	0	0	1	0
3	0	0	1	1
4	0	1	0	0
5	0	1	0	1
6	0	1	1	0
7	0	1	1	1
8	1	0	0	0
9	1	0	0	1
10	1	0	1	0
...	...	...	...	...
15	1	1	1	1

Por tratarse de un contador de 4 bits, su capacidad natural es contar desde 0 hasta 15.

Sin embargo, muchas aplicaciones requieren solamente una cantidad determinada de estados. Un ejemplo muy común es un contador decimal, que debe recorrer únicamente los valores 0 a 9.

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2. Señales de control del 74LS163

El funcionamiento del circuito no depende únicamente del reloj. El 74LS163 posee varias entradas de control que permiten determinar qué operación debe realizarse.

Entre las más importantes encontramos:

MR — Master Reset

Es una entrada de reset síncrono y activa en nivel bajo.

Cuando se encuentra habilitada y llega el siguiente flanco de reloj, el contador retorna a:

Q3​Q2​Q1​Q0​=0000

LOAD

Permite cargar simultáneamente en el contador los valores presentes en las entradas:

D3​,D2​,D1​,D0​

También es una función síncrona y activa en nivel bajo.

ENP y ENT

Son las entradas de habilitación del conteo.

Para realizar el conteo ascendente normal deben encontrarse habilitadas. En nuestra práctica las utilizaremos en el estado correspondiente al conteo ascendente.

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3. El reloj proveniente del NE555

El contador no genera por sí mismo la señal que determina cuándo debe cambiar de estado.

Para ello reutilizaremos el generador de reloj basado en NE555 construido en la práctica anterior.

Cada flanco activo de la señal de reloj provoca el avance del contador:

NE555
  │
  │ CLK
  ▼
74LS163
  │
  ├── Q0
  ├── Q1
  ├── Q2
  └── Q3

Por ejemplo, si inicialmente tenemos:

0000

el siguiente pulso producirá:

0001

el siguiente:

0010

y así sucesivamente.

De esta manera podemos observar físicamente cómo una señal periódica procedente del NE555 se transforma en una secuencia ordenada de estados digitales.

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4. De contador binario a contador de 0 a 9

Aquí aparece uno de los conceptos más interesantes de la práctica.

El 74LS163 puede contar hasta 15, pero nosotros queremos obtener:

$$0\to 1\to 2\to 3\to 4\to 5$$ $$\to 6\to 7\to 8\to 9\to 0$$

Por lo tanto, debemos introducir una condición lógica que permita detectar el momento en que el contador llega al estado que nos interesa.

Para ello utilizaremos las salidas del propio contador y compuertas lógicas.

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5. Detectando los estados mediante compuertas

El estado decimal 10 corresponde al código:

1010​=10102​

Por tanto:

Q3​=1 Q2​=0 Q1​=1 Q0​=0

Podemos utilizar una combinación de las salidas del contador para detectar este estado.

Una solución sencilla consiste en utilizar Q3 y Q1, ya que ambas deben encontrarse en nivel alto cuando aparece el estado 1010.

La lógica básica sería:

Q3​⋅Q1​

La salida de esta combinación puede utilizarse para generar la señal de control que determine el retorno del contador a cero.

Como MR es activa en nivel bajo, una compuerta NAND resulta particularmente conveniente:

MR=Q3​⋅Q1​​

Cuando Q3 y Q1 son ambas 1, la salida de la NAND pasa a 0, habilitando el reset síncrono.

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6. Una observación importante sobre el funcionamiento

Debemos tener presente que el MR del 74LS163 es síncrono.

Esto significa que el contador no necesariamente desaparece inmediatamente al detectarse la condición de reset. La operación se ejecuta con el siguiente flanco de reloj.

Por ello, dependiendo de cómo implementemos la lógica de control, puede existir un instante en el que aparezca el estado:

1010

antes de retornar a:

0000

Para una aplicación estrictamente decimal, también podemos aprovechar la entrada LOAD y diseñar una lógica que haga que, al llegar al estado 9:

1001

se prepare la carga de:

0000

De esta forma podemos construir un contador módulo 10 sin necesidad de utilizar todos los estados del contador.

Este detalle será especialmente interesante para que los estudiantes comprendan que un contador integrado no tiene por qué utilizar necesariamente toda su capacidad.

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7. Construcción del contador en protoboard

La práctica consistirá en reutilizar el módulo de alimentación de 5 V y el módulo de reloj con NE555 desarrollados anteriormente.

Sobre el protoboard se incorporarán:

• 74LS163.
• Compuertas lógicas necesarias para la detección.
• Fuente regulada de 5 V.
• Generador de reloj basado en NE555.
• Indicadores LED para visualizar las salidas binarias.
• Resistencias correspondientes.
• Cableado de interconexión.

La señal de reloj del módulo NE555 se conectará a la entrada CLK del 74LS163.

Las salidas:

Q0​, Q1​, Q2​, Q3​

se utilizarán para observar el número binario generado.

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8. Una práctica basada en la reutilización de módulos

Esta práctica introduce además una metodología que utilizaremos posteriormente en la asignatura.

El estudiante no debe construir nuevamente todo el circuito desde cero.

El módulo del NE555 desarrollado anteriormente pasa a convertirse en un elemento reutilizable del sistema:

┌─────────────────┐
│ MÓDULO NE555    │
│ GENERADOR CLK   │
└────────┬────────┘
         │
         │ CLK
         ▼
┌─────────────────┐
│     74LS163     │
│    CONTADOR     │
└────────┬────────┘
         │
    Q3 Q2 Q1 Q0
         │
         ▼
┌─────────────────┐
│ LÓGICA DE       │
│ CONTROL         │
└─────────────────┘

Esta forma de trabajo permitirá que los circuitos desarrollados en las primeras prácticas se incorporen progresivamente a sistemas más complejos.

El reloj que inicialmente se utilizó simplemente para hacer parpadear un LED, por ejemplo, ahora se convierte en el elemento que controla un contador. Posteriormente, ese mismo contador podrá utilizarse para construir secuenciadores, máquinas de estados, temporizadores y aplicaciones digitales más elaboradas.

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9. Objetivo de la práctica

Al finalizar la práctica, el estudiante deberá ser capaz de:

• Comprender el funcionamiento de un contador síncrono de 4 bits.
• Interpretar las entradas de control del 74LS163.
• Utilizar el NE555 como generador de reloj.
• Analizar la secuencia binaria generada por el contador.
• Utilizar compuertas lógicas para detectar determinados estados.
• Diseñar un contador de módulo 10.
• Implementar el circuito físicamente en protoboard.
• Verificar mediante instrumentos y simulación el funcionamiento del circuito.
• Comprender cómo un circuito digital previamente construido puede reutilizarse como módulo en una aplicación posterior.

La finalidad no es solamente conseguir que el contador muestre los números del 0 al 9. Lo importante es que el estudiante comprenda cómo un contador, una señal de reloj y una pequeña red de lógica combinacional pueden combinarse para construir un sistema digital con una secuencia de funcionamiento definida.