Contador síncrono programable de 2 bits con 74LS107 para prácticas en protoboard
Contador síncrono programable de 2 bits con 74LS107 para prácticas en protoboard
Introducción
En el desarrollo de las prácticas de Sistemas Lógicos Programables, los contadores digitales constituyen una de las aplicaciones fundamentales de los flip-flops. A partir de ellos es posible comprender conceptos como sincronización, división de frecuencia, secuencias binarias y diseño de circuitos secuenciales.
Una de las dificultades habituales para el estudiante consiste en realizar, sobre un protoboard, todas las conexiones necesarias entre los flip-flops, las entradas J y K, el reloj y las salidas. Un error de conexión puede provocar que el circuito no funcione correctamente, aun cuando el diseño lógico sea adecuado.
Con el propósito de simplificar esta etapa del aprendizaje se diseñó un módulo de contador síncrono programable de 2 bits basado en el circuito integrado 74LS107. El módulo integra las conexiones fundamentales del contador en una pequeña PCB que puede conectarse directamente a un protoboard.
Una característica especialmente importante del diseño es que el estudiante puede seleccionar el sentido de conteo ascendente o descendente mediante una sencilla modificación en la PCB: seleccionar mediante soldadura la señal Q o Q̅ del primer flip-flop para controlar las entradas J y K del segundo flip-flop.
De esta manera, el mismo módulo permite estudiar las dos modalidades de conteo sin necesidad de reconstruir completamente el circuito.
Objetivo del módulo
El objetivo principal del módulo es proporcionar al estudiante una implementación práctica y reutilizable de un contador síncrono binario de dos bits, reduciendo la cantidad de conexiones que debe realizar manualmente en el protoboard.
El módulo permite disponer de:
- Dos flip-flops JK contenidos en un 74LS107.
- Una entrada común de CLK.
- Entradas J y K configuradas para el funcionamiento como contador.
- Salidas A y A̅ correspondientes al primer bit.
- Salidas B y B̅ correspondientes al segundo bit.
- Alimentación de +5 V.
- Conexión de GND.
- Indicadores LED asociados a los estados lógicos.
- Selección del sentido de conteo mediante una conexión por soldadura.
- Conexión directa al protoboard mediante terminales.
La finalidad no es únicamente obtener un contador funcional, sino disponer de una herramienta didáctica reutilizable que permita al estudiante concentrarse en el análisis y funcionamiento de los circuitos secuenciales, en lugar de invertir una cantidad considerable de tiempo en realizar conexiones repetitivas.
Fundamento teórico: contador síncrono
En un contador síncrono, todos los flip-flops reciben el mismo pulso de reloj. Por lo tanto, el cambio de estado de los diferentes bits se produce de manera sincronizada con el reloj.
Esta característica lo diferencia de un contador asíncrono o de rizo, en el cual la salida de un flip-flop puede utilizarse como señal de reloj del siguiente. En ese caso aparecen retardos de propagación acumulados.
La teoría mostrada en la figura proporcionada explica precisamente esta diferencia: en un contador síncrono o paralelo, todos los flip-flops se disparan simultáneamente mediante la señal de reloj.
En el módulo desarrollado, ambos flip-flops del 74LS107 reciben la misma señal CLK. La lógica aplicada a las entradas J y K determina si cada flip-flop debe cambiar de estado o permanecer en el estado actual.
El circuito integrado 74LS107
El elemento central del módulo es el 74LS107, circuito integrado que contiene dos flip-flops JK.
El funcionamiento de un flip-flop JK puede resumirse de la siguiente manera:
| J | K | Próximo estado |
|---|---|---|
| 0 | 0 | Mantiene el estado |
| 0 | 1 | Reset |
| 1 | 0 | Set |
| 1 | 1 | Conmuta |
Para utilizar un flip-flop JK como elemento de conteo, una de las configuraciones más importantes es:
J = K = 1
En esta condición, el flip-flop cambia de estado cada vez que recibe el flanco activo del reloj.
En el contador de dos bits, el primer flip-flop actúa como bit menos significativo, mientras que el segundo constituye el bit más significativo.
Por comodidad, en el módulo se identifican las salidas como:
- A → salida Q del primer flip-flop.
- A̅ → salida negada del primer flip-flop.
- B → salida Q del segundo flip-flop.
- B̅ → salida negada del segundo flip-flop.
Estructura del contador de dos bits
El circuito está formado esencialmente por dos etapas:
CLK → Flip-Flop A → Flip-Flop B
Sin embargo, a diferencia de un contador asíncrono, ambos flip-flops reciben directamente el mismo CLK.
El primer flip-flop tiene sus entradas J y K configuradas para que funcione como un divisor de frecuencia por dos:
J₁ = K₁ = 1
Por lo tanto, cada pulso de reloj hace que la salida A cambie de estado.
El segundo flip-flop también puede trabajar en modo de conmutación:
J₂ = K₂
pero la señal aplicada a estas entradas es seleccionada a partir de una de las salidas del primer flip-flop.
Aquí aparece la característica principal del módulo.
Selección del sentido de conteo mediante Q o Q̅
Para que un contador de dos bits pueda funcionar en sentido ascendente o descendente, es necesario modificar la condición que determina cuándo debe cambiar el segundo bit.
En el diseño desarrollado, esta modificación se realiza directamente en la PCB mediante una selección por soldadura.
El estudiante puede seleccionar entre:
Q del primer flip-flop → J₂ y K₂
o
Q̅ del primer flip-flop → J₂ y K₂
Es decir, las entradas J y K del segundo flip-flop pueden recibir la señal directa o la señal negada proveniente del primer flip-flop.
Esta solución permite convertir el módulo en un contador ascendente o descendente sin modificar el circuito integrado ni realizar un nuevo cableado sobre el protoboard.
Funcionamiento como contador ascendente
Cuando se selecciona la salida Q (A) del primer flip-flop para controlar las entradas J y K del segundo, el circuito puede utilizarse como contador binario ascendente.
La secuencia de estados es:
00 → 01 → 10 → 11 → 00 → ...
Considerando:
- A como bit menos significativo.
- B como bit más significativo.
La secuencia puede representarse de la siguiente manera:
| Pulso de CLK | B | A | Decimal |
|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 1 | 1 |
| 2 | 1 | 0 | 2 |
| 3 | 1 | 1 | 3 |
| 4 | 0 | 0 | 0 |
Por tanto, el módulo funciona como un contador MOD-4.
La frecuencia de cambio del bit A es la mitad de la frecuencia de reloj, mientras que el bit B cambia a una frecuencia cuatro veces menor que el reloj de entrada.
Funcionamiento como contador descendente
Si en lugar de utilizar Q se selecciona Q̅ del primer flip-flop para controlar las entradas J y K del segundo, se invierte la condición de conmutación de la segunda etapa.
En este caso, la secuencia puede ser:
00 → 11 → 10 → 01 → 00 → ...
o, expresada decimalmente:
0 → 3 → 2 → 1 → 0 → ...
Por tanto, el mismo circuito físico puede comportarse como un contador descendente.
Esta posibilidad constituye una de las características más interesantes desde el punto de vista didáctico, porque permite al estudiante observar cómo una modificación muy pequeña en la lógica de control produce un cambio completo en la secuencia de estados.
Programación del sentido de conteo
Es importante aclarar que en este caso el término "programable" se utiliza en el sentido de configurable mediante un puente de soldadura, y no en el sentido de un dispositivo programable digitalmente.
La PCB incorpora puntos de conexión que permiten seleccionar la señal que será llevada a las entradas J y K del segundo flip-flop.
La selección puede realizarse de la siguiente manera:
Configuración ascendente
Q del primer flip-flop → J₂, K₂
Configuración descendente
Q̅ del primer flip-flop → J₂, K₂
Por esta razón, el estudiante puede realizar inicialmente el montaje como contador ascendente y posteriormente, con una sencilla modificación en la placa, comprobar experimentalmente el funcionamiento como contador descendente.
Diseño de la PCB
Una de las ventajas principales del proyecto es que el circuito no se limita a una simulación en software.
Se desarrolló una PCB de propósito educativo, diseñada específicamente para ser utilizada junto con un protoboard.
En las imágenes del diseño se puede observar que las pistas se han organizado para concentrar las conexiones fundamentales alrededor del 74LS107.
La placa dispone de puntos de conexión para las señales principales, de manera que el estudiante no necesita identificar individualmente todas las conexiones internas del integrado cada vez que desarrolla una práctica.
La zona de selección es particularmente importante, ya que permite establecer físicamente qué señal será utilizada para controlar el segundo flip-flop.
Conexiones disponibles para el estudiante
En la parte de conexión del módulo se han dispuesto terminales que permiten acceder a las señales principales del contador.
Entre ellas se encuentran:
- +5 V → alimentación del circuito TTL.
- GND → referencia común.
- CLK → entrada de pulsos de reloj.
- A → salida Q del primer flip-flop.
- A̅ → salida negada del primer flip-flop.
- B → salida Q del segundo flip-flop.
- B̅ → salida negada del segundo flip-flop.
Esta distribución facilita enormemente el análisis del circuito en el protoboard.
El estudiante puede conectar, por ejemplo, un generador de pulsos o un circuito de reloj previamente desarrollado a la entrada CLK y observar directamente las salidas A y B mediante LEDs, instrumentos de medición o circuitos posteriores.
Indicadores LED
El módulo no incorpora LEDs directamente en la PCB, con el propósito de mantener disponibles y accesibles las señales de salida para que el estudiante pueda utilizarlas según las necesidades de cada práctica.
Las salidas correspondientes a los estados lógicos A, A̅, B y B̅ se encuentran disponibles en los terminales indicados del módulo. A partir de estos puntos, el estudiante puede conectar externamente LEDs para visualizar el comportamiento de los flip-flops.
Para realizar esta conexión se debe utilizar una resistencia limitadora de corriente de 330 Ω en serie con cada LED, evitando conectar el LED directamente a la salida del circuito integrado.
De esta manera, por ejemplo, se puede conectar:
Salida A → resistencia de 330 Ω → LED
y realizar conexiones equivalentes para A̅, B y B̅, según lo requiera la experiencia.
Al aplicar pulsos de reloj:
CLK → A → B
el estudiante puede observar visualmente los cambios de estado de los flip-flops:
- A cambia de estado con cada ciclo de reloj.
- B cambia a una frecuencia menor.
- La combinación de A y B representa un número binario.
- La secuencia de estados se repite cada cuatro pulsos, característica de un contador de dos bits.
Esta configuración permite que los LEDs sean opcionales y externos al módulo, dando al estudiante libertad para decidir qué señales desea visualizar.
Además de la observación mediante LEDs, en una práctica de laboratorio el estudiante puede conectar un osciloscopio o analizador lógico a los terminales correspondientes para comparar las señales CLK, A y B, relacionando así la señal temporal con la secuencia binaria generada por el contador.
El contador como divisor de frecuencia
Además de realizar conteo, los flip-flops del 74LS107 permiten observar el principio de división de frecuencia.
Si la frecuencia de reloj es:
fCLKel primer flip-flop, configurado para conmutar en cada pulso, produce una señal con frecuencia aproximadamente igual a:
El segundo flip-flop realiza una división adicional por dos, por lo que:
Por ejemplo, si se aplicara un reloj de:
se obtendría aproximadamente:
y:
Esto permite que el mismo módulo sea utilizado no solamente para estudiar contadores, sino también para introducir al estudiante en el concepto de división de frecuencia mediante circuitos secuenciales.
Simplificación del trabajo en el protoboard
Una de las principales razones para desarrollar este módulo es reducir la complejidad del montaje práctico.
Cuando un estudiante implementa directamente un contador con flip-flops en un protoboard debe realizar numerosas conexiones:
- alimentación del integrado;
- tierra;
- reloj;
- conexiones J;
- conexiones K;
- realimentaciones;
- salidas Q;
- salidas Q̅;
- resistencias;
- LEDs;
- selección de la lógica de conteo.
Cada conexión adicional representa una posibilidad de error.
Un cable colocado en una fila incorrecta, una entrada J o K sin conexión apropiada o una alimentación mal distribuida puede hacer que el circuito presente un comportamiento aparentemente inexplicable.
La PCB desarrollada preconecta gran parte de estas relaciones eléctricas.
Así, el estudiante puede concentrarse en las conexiones que realmente son relevantes para la práctica:
alimentación + reloj + entradas/salidas requeridas.
De un montaje complejo a un módulo reutilizable
La diferencia puede apreciarse conceptualmente de la siguiente manera.
Montaje convencional
74LS107 + cables + conexiones J/K + LEDs + resistencias + selección de sentido + alimentación
requiere una cantidad considerable de cableado sobre el protoboard.
Utilizando el módulo
Módulo contador síncrono → +5 V + GND + CLK + salidas
La mayor parte de la lógica interna ya se encuentra implementada en la PCB.
Esto permite que el estudiante dedique más tiempo a:
- analizar la tabla de estados;
- interpretar las formas de onda;
- comprobar la secuencia binaria;
- estudiar la sincronización;
- comparar conteo ascendente y descendente;
- realizar mediciones;
- integrar el contador con otros circuitos.
Ventaja didáctica de la selección mediante soldadura
La posibilidad de seleccionar el sentido mediante soldadura tiene además un importante valor pedagógico.
No se trata simplemente de ofrecer al estudiante un circuito que "ya funciona". Por el contrario, la PCB permite que éste intervenga directamente sobre la lógica del circuito.
El estudiante puede realizar una primera configuración:
Q → J₂/K₂
y comprobar:
00 → 01 → 10 → 11
Posteriormente puede modificar el puente:
Q̅ → J₂/K₂
y observar:
00 → 11 → 10 → 01
De esta manera se establece una relación directa entre:
conexión física → lógica de control → estado del flip-flop → secuencia de conteo.
Este aspecto resulta especialmente importante en una asignatura de Sistemas Lógicos, porque permite pasar de la teoría de las tablas de verdad y diagramas de estados a una comprobación física sobre hardware.
Integración con otras prácticas
Otra ventaja del módulo es su carácter reutilizable.
Una vez comprobado el contador, éste puede integrarse posteriormente con otros circuitos desarrollados durante la asignatura.
Por ejemplo:
Fuente de 5 V → Generador de reloj → Contador síncrono → Decodificador → Display
o:
Fuente de 5 V → CLK → Contador → Lógica combinacional → Máquina de estados
También puede utilizarse como bloque dentro de prácticas relacionadas con:
- divisores de frecuencia;
- contadores MOD-N;
- circuitos secuenciales;
- displays de 7 segmentos;
- decodificadores;
- temporizadores;
- generadores de secuencias;
- máquinas de estados;
- sistemas digitales de control.
Por tanto, el módulo no debe considerarse una práctica aislada, sino un bloque funcional que puede formar parte de sistemas digitales de mayor complejidad.
Comparación entre el montaje tradicional y el módulo desarrollado
| Característica | Montaje tradicional | Módulo desarrollado |
|---|---|---|
| 74LS107 | Sí | Sí |
| Alimentación | Cableada manualmente | Incorporada |
| Señal CLK | Cableada | Terminal disponible |
| Conexiones J/K | Manuales | Preconfiguradas |
| Salidas Q/Q̅ | Cableadas | Terminales disponibles |
| LEDs | Montaje adicional | Integrados |
| Selección de sentido | Modificación de cables | Puente de soldadura |
| Posibilidad de errores de cableado | Alta | Reducida |
| Reutilización | Limitada | Alta |
| Uso en protoboard | Sí | Diseñado específicamente para ello |
Aplicación en el laboratorio
Durante una práctica, el procedimiento puede simplificarse considerablemente.
1. Alimentación
Conectar:
+5 V → +5 V
GND → GND
2. Señal de reloj
Conectar el generador de pulsos a:
CLK → salida del reloj
3. Selección del sentido
Antes de utilizar el módulo, determinar la modalidad de conteo:
Q → J/K del segundo FF → contador ascendente
o
Q̅ → J/K del segundo FF → contador descendente
La selección se realiza mediante el puente correspondiente de la PCB.
4. Observación
Observar las salidas:
A, A̅, B y B̅
y comprobar la secuencia de estados.
5. Verificación
Comparar la secuencia observada con la tabla teórica y, si se dispone del instrumento, observar simultáneamente CLK, A y B en un osciloscopio o analizador lógico.
Una herramienta para aprender, no solamente para conectar
El verdadero valor del módulo no está únicamente en que permite construir un contador de manera rápida.
Su principal aportación consiste en separar dos niveles de aprendizaje.
En una primera etapa, el estudiante puede utilizar el módulo como un bloque funcional para comprender el comportamiento de un contador:
CLK → estados binarios → conteo ascendente/descendente
Posteriormente, una vez comprendido su funcionamiento, puede analizar el interior del circuito y estudiar por qué la selección entre Q y Q̅ modifica la secuencia.
De esta manera, el módulo permite avanzar progresivamente desde:
conectar → observar → medir → analizar → diseñar.
Esto resulta particularmente útil en las primeras prácticas de circuitos secuenciales, donde una excesiva cantidad de cableado puede distraer al estudiante del objetivo conceptual de la experiencia.
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