Experimento 6 - Comparador de magnitude de 1 bit

 Um comparador de magnitude tem três saídas. Ele também compara se dois números são idênticos. Além disso, ele informa qual número é maior.

Primeiro, olhe para um comparador de 1 bit . A tabela verdade foi expandida por dois resultados e, portanto, o diagrama do circuito se torna muito mais complicado .

x y x<y x=y x>e 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 Tabela verdade de um comparador de magnitude de 1 bit .

Diagrama de circuito de um comparador de magnitude de 1 bit .

Com o circuito mostrado você constrói o comparador de magnitude de 1 bit .

Circuito de um comparador de magnitude de 1 bit . ( Ampliar )

Como você pode ver, um comparador de magnitude de 1 bit é significativamente mais complicado do que o comparador de identidade de um bit correspondente.

© Direitos de autor. 2020: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 14/06/2023 

Experimento 5 - Contador Mod-6 e mod-10

Em muitas aplicações, você precisa de um contador com um número bem definido de estados e, muitas vezes, o número de estados não é 2, 4, 8, etc., mas, por exemplo, 6 estados...

Em um contador mod-6 , você está usando um contador de 3 bits que na verdade tem 8 estados. No entanto, quando o contador atinge o sétimo estado ( Q2 = 1 , Q1 = 1 , Q0 = 0 ), você força o contador a retornar ao estado ( Q2 = 0 , Q1 = 0 , Q0 = 0 )...

Para isso, você usa uma porta AND , cuja saída é conectada com as entradas RESET dos flip-flops...

Diagrama de circuito do contador mod-6.

Entrada SET/RESET O flip-flop JK no C-MOS 4027 tem, além das entradas J e K , uma entrada SET (S) e RESET (R) cada... SET (S)- define a saída Q = 1 RESET (R)- define a saída Q = 0

Estados de ilustração do contador binário Mod-6.

Com o circuito mostrado você percebe facilmente que o contador agora produz apenas 6 estados ...

Circuito contador mod-6. ( Ampliar )

Você encontra um contador mod-6 em muitas aplicações onde o tempo é "contado".

Além disso, você encontra em muitas aplicações um contador mod-10 ...

Um lugar especial entre os contadores é o contador mod -10. O contador mod -10 passa por 10 estados antes de começar de novo e, portanto, é interessante quando o sistema numérico decimal é usado...

Em um contador mod-10 , você está usando um contador de 4 bits que na verdade tem 8 estados. No entanto, quando o contador atinge o sétimo estado ( Q3 = 1 , Q2 = 0 , Q1 = 1 , Q0 = 0 ), você força o contador novamente a retornar ao estado ( Q3 = 0 , Q2 = 0 , Q1 = 0 , Q0 = 0 )...

Para isso, você usa uma porta AND , cuja saída é conectada com as entradas RESET dos flip-flops...

Diagrama de circuito do contador mod-10.

Estados de ilustração do contador binário Mod-10.

Com o circuito mostrado você percebe facilmente que o contador agora produz apenas 10 estados ...

Circuito contador mod-10. ( Ampliar )

Você encontra um contador mod-10 em muitas aplicações que conta no sistema numérico decimal .

© Direitos de autor. 2023: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 15/05/2023

Experimento 4 - Contador Johnson

 Um contador de Johnson, também conhecido como contador de Moebius, é uma forma especial de contador de anel...

Com um contador Johnson, a saída invertida do último flip-flop é conectada à entrada do primeiro flip-flop...

Diagrama de circuito do contador de Johnson.

Ilustração dos estados do contador Johnson.

Dê uma olhada no diagrama do circuito. O contador Johnson mostrado consiste novamente em quatro flip-flops D. Com Reset você define o contador para ( 0000 ) . Depois disso, o contador Johnson em cada sinal de clock passa por oito estados ( contador mod-8 )...

Contador do circuito Johnson. ( Ampliar )

Agora você continua com as aplicações dos contadores...

© Direitos de autor. 2023: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 15/05/2023

Experimento 3 - Contador de Anéis

Em um contador de anel, a saída do último flip-flop é conectada à entrada do primeiro flip-flop. O contador de anel é basicamente um registrador de deslocamento e, portanto, também é chamado de registrador de deslocamento de anel...

Em um contador de anel, a informação é deslocada a cada sinal de clock Clk por uma posição ou flip-flop. Uma vez que a informação alcança o último flip-flop , no próximo sinal de clock ela é empurrada de volta para o primeiro flip-flop ...

Diagrama de circuito do contador de anéis.

Ilustração dos estados do contador de anéis.

Dê uma olhada no diagrama do circuito. O contador de anel mostrado consiste em quatro flip-flops D. Com Reset você define o contador para ( 1000 ) . Depois disso, o contador de anel em cada sinal de clock passa por quatro estados ( contador mod-4 )...

Contador de anéis de circuito. ( Ampliar )

Os contadores de anel são flexíveis e fáceis de construir. Eles são frequentemente usados ​​como divisores de frequência (mais sobre isso depois...).

© Direitos de autor. 2023: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 15/05/2023

Experimento 2 - Contador Binário de 4 bits

Você encontra contadores em uma grande variedade de dispositivos. Pense no seu despertador digital ou outros circuitos de temporização. Mas também em estacionamentos, contagem de tráfego e diferentes aplicações em seus contadores de carros são usados. Aqui você aprenderá como construiu um contador simples de 4 bits.

Um contador simples de 4 bits consiste em quatro flip-flops D , como mostrado abaixo.

Diagrama de circuito de um contador

O resultado é apresentado no sistema binário , onde Q0 é o bit menos significativo e Q3 o mais alto. O contador começa em (0000) e adiciona 1 ao número armazenado com cada sinal de clock Clk ...

Decimal Binário Q3 Q2 Q1 Q0 0  0000 0 0 0 0 1  0001 0 0 0 1 2  0010 0 0 1 0 3  0011 0 0 1 1 4  0100 0 1 0 0 5  0101 0 1 0 1 6  0110 0 1 1 0 7  0111 0 1 1 1 8  1000 1 0 0 0 9  1001 1 0 0 1 10  1010 1 0 1 0 11  1011 1 0 1 1 12  1100 1 1 0 0 13  1101 1 1 0 1 14  1110 1 1 1 0 15  1111 1 1 1 1 Tabela de resultados de um contador de 4 bits.

O contador conta até 15 (1111) . No próximo ciclo de clock, o contador quer exibir o número 16 (10000) . O bit mais alto é omitido e o contador começa novamente em 0 (0000) .

Esta é apenas uma configuração possível . Você também pode construir o contador usando flip-flops JK ou T. Além disso, há contadores em muitos designs diferentes, eles contam para frente, para trás ou em sequências numéricas arbitrárias.

Com dois C-MOS IC's 4013, agora você é capaz de construir o contador de 4 bits. Você usa um botão de pressão como entrada Clk . Tais circuitos são usados, por exemplo, na contagem de tráfego.

Circuito de um Contador. ( Ampliar )

Reduzindo o "Retorno de Contato" No circuito você adicionou o capacitor C1 . Ele suaviza o sinal do interruptor de botão de pressão e, portanto, reduz o "Contact Bounce" . Realize o experimento uma vez com e outra sem capacitor ...

No próximo experimento, você substitui o botão de pressão S1 ( Clk ) por um sinal de relógio simples.

Agora você adiciona um relógio ao circuito de contagem. O gerador de relógio produz um sinal de relógio periódico, que você usa no lugar do interruptor de botão de pressão. Tal circuito você encontra, em princípio, em qualquer relógio digital.

Diagrama de circuito do relógio.

O diagrama do circuito mostra a estrutura do relógio. Ele é composto de duas portas NOT, um capacitor e um resistor. Como ele funciona exatamente não é importante neste ponto. Mais importante, ele fornece um sinal de relógio periódico com uma frequência de cerca de 1 Hertz .

Agora o circuito adiciona a cada segundo 1 ao valor armazenado e faz isso incansavelmente de 0 a 15 , repetidamente.

Contador de circuito com relógio. ( Ampliar )

Por enquanto é o suficiente sobre contador

© Direitos de autor. 2023: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 15/05/2023

Experimento 1 - Registrador de deslocamento

 Um registrador de deslocamento é uma maneira de salvar dados. Eles podem ser encontrados em chips de computadores modernos em grandes números. Descubra como eles funcionam e como construir um usando flip-flops.

A estrutura de um shift register é muito similar à de um contador. Mas enquanto o contador gera novos dados a cada clock, o propósito de um shift register é armazenar dados. O diagrama de circuito de um shift register com flip-flop D é mostrado abaixo.

Diagrama de circuito Registrador de deslocamento.

Com cada sinal de clock Clk , a informação Data é armazenada em Q3 . Simultaneamente, a informação que estava armazenada naquele momento em Q3 , agora é armazenada em Q2 , a informação de Q2 para Q1 .... e assim por diante. Toda a informação é deslocada por uma posição em cada sinal de clock.... daí o nome shift register .

Para entender corretamente como um registrador de deslocamento funciona, construa-o usando os flip-flops D ...

O design de um registrador de deslocamento é muito semelhante ao do contador do experimento 15. Você também precisa de dois CIs C-MOS 4013 para construir um registrador de deslocamento de 4 bits.

Com o circuito mostrado, você se familiariza com a operação de um registrador de deslocamento .

Registrador de deslocamento de circuito. ( Ampliar )

Em computadores, registradores de deslocamento são usados ​​em todos os lugares onde dados seriais precisam ser convertidos em dados paralelos e vice-versa. Mas para isso você encontra mais informações em um tópico separado.

Mas mesmo em aplicações aparentemente cotidianas, como uma luz acesa em uma vitrine de loja, você encontra um registrador de deslocamento.

Este é, por enquanto, o último experimento nesta introdução aos flip-flops.

© Direitos de autor. 2023: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 15/05/2023

Experimento 9 - Conversão de Flip-Flops D

Agora você conheceu todas as quatro classes de flip-flops e suas diferenças. Neste ponto, você pode se surpreender ao saber que você realmente precisa de apenas uma classe. Todas as outras classes, você pode criar por conversão.

Suponha que você tenha apenas um flip-flop D disponível.

1. Flip-Flop RS

Circuito de um Flip-Flop RS construído com um Flip-Flop D.

2. Flip-Flop JK

Circuito de um Flip-Flop JK construído com um Flip-Flop D.

3. Flip-Flop T

Circuito de um Flip-Flop T construído com um Flip-Flop D.

Na verdade, essa conversão de um flip-flop D em outras classes de flip-flop não é apenas um exercício no papel. No desenvolvimento de circuitos integrados e chips de computador, flip-flops tipo D são usados ​​principalmente, que são então convertidos nos flip-flops desejados usando portas lógicas.

Mas chega de flip-flop individuais ...

© Direitos de autor. 2023: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 15/05/2023

Experimento 8 - Flip-Flop Toggle com Clock (T-Clock)

 Em eletrônica digital, fala-se de quatro classes de flip-flops. Até agora você conheceu três classes. A última classe é o chamado flip-flop T.

O flip-flop T tem ao lado da entrada Clk também a entrada T ou Toggle ...

• Enquanto T estiver definido como 1 , o flip-flop alterna em cada borda ascendente de Clk entre os resultados.
• Se T = 0 , o resultado é armazenado.

Símbolo T Flip-Flop em um Diagrama de Circuito.

Circuito de um Flip-Flop T. ( Ampliar )

Isso provavelmente soa familiar para você. Lembre-se do flip-flop JK do último experimento...

• Se J = K = 1 , o flip-flop muda em cada borda ascendente de Clk entre os resultados.
• Se J = K = 0 , o resultado é armazenado.

Então você só precisa garantir que J seja sempre o mesmo que K. A maneira mais fácil é conectar o botão T às entradas J e K.

Portanto, você pode usar o circuito flip-flop JK do último experimento.

O flip-flop T, cujo símbolo e tabela-verdade são mostrados na figura ao lado é disparado na borda de descida do clock e possui apenas uma entrada de controle síncrona, a entrada T, que representa a palavra Toggle (troca). Quando ocorre uma borda de descida do clock, a saída Q inverte seu valor lógico presente na saida Q, se a entrada T estiver ativada (1), caso t seja 0 a saída manterá seu valor.

© Direitos de autor. 2023: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 15/05/2023

Experimento 7 - Flip-flop JK com Clock (JK-Clock)

 Latches com um sinal de clock não necessariamente alternam todos ao mesmo tempo. Tudo o que você precisa são latches, que alternam em um ponto específico, por exemplo, bordas. Você consegue isso pelos chamados circuitos mestre-escravo.

Quando você aplica o sinal de clock à entrada E de um flip-flop, você certamente notou uma coisa. O tempo em que o sinal é 1 , é relativamente longo. Pode realmente acontecer que o flip-flop aberto mude de estado várias vezes dentro de um ciclo de clock.

Sinal de relógio.

Seria vantajoso se o flip-flop mudasse seu estado apenas em uma borda, quando o sinal de clock mudasse de 0 para 1 ou vice-versa.

Abaixo, um circuito mestre-escravo (JK) é mostrado. Ele resulta em um flip-flop disparado por borda com as entradas D e Clk (para CLOCK ). Este novo flip-flop muda de estado somente em uma borda ascendente .

Circuito Mestre-Escravo para um Flip-Flop acionado por borda.

Observação... Assim que uma trava é acionada por borda, os circuitos são chamados de flip-flops . A partir de agora todos os experimentos serão em torno de flip-flops .

Uma explicação de como exatamente um circuito mestre-escravo funciona vai longe demais neste ponto. No entanto, você também pode construir outros circuitos mestre-escravo resultando em uma comutação flip-flop acionada por borda em bordas decrescentes .

Agora é hora de experimentar flip-flops acionados por borda.

 Até agora você conheceu duas classes de flip-flops: o RS e o D flip-flop. A maior diferença entre eles é o número de entradas e como você alterna entre os estados. Aqui você aprenderá sobre uma nova classe de flip-flops: o JK flip-flop.

O flip-flop JK é muito similar ao flip-flop RS . A entrada J se comporta como a entrada S , a entrada K como a entrada R. A única diferença é quando J e K simultaneamente mudam para 1. Em um flip-flop RS o resultado neste caso não é definido.

Em um flip-flop JK , por outro lado, quando J e K são ambos iguais a 1 , o resultado muda para cada pulso Clk .

Você pode descobrir isso por si mesmo. Use o C-MOS IC 4027 , no qual você encontra um flip-flop JK pré-programado...

Símbolo JK Flip-Flop em Diagramas de Circuito.

Circuito de um Flip-Flop JK . ( Ampliar )

Tabela verdade JK com Clock.

O flip-flop J-K na figura ao lado é disparado por borda de subida do sinal de clock e possui as entradas J e K que controlam o estado lógico do flip-flop. O modo de comutação (toggle mode) ocorre quando J = K = 1, fazendo com que o flip-flop mude para o estado lógico oposto no instante da borda de subida do sinal de clock. A tabela-verdade para esse flip-flop é a mesma do flip-flop S-R com clock, exceto para a condição J = K = 1, onde Q = Q0 e a saída Q terá seu valor invertido. 

No próximo experimento, você aprenderá sobre outra classe de flip-flop .

© Direitos de autor. 2023: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 15/05/2023

Experimento 6 - Flip-flop Data com porta Enable (D-E Latch)

Você se lembra do latch RS do experimento anterior? O resultado do latch RS não é definido quando as entradas R e S saltam simultaneamente para 1. Com um truque simples você torna isso impossível. No entanto, isso tem consequências.

Com uma porta NOT simples você previne que R e S troquem simultaneamente para 1 . O diagrama do circuito mostra como. Agora o antigo sinal de entrada R é sempre o oposto da antiga entrada S e você fica com uma única entrada, que é renomeada para D (para " DATA ").

Diagrama de circuito D Trava.

Símbolo D Trava em diagramas de circuito.

Lembra da tabela verdade para o latch RS do experimento anterio? Com ​​o latch D você previne não apenas o estado indefinido ( R =1, S =1 ), mas também a condição na qual o último resultado é armazenado ( R =0, S =0 ).

Circuito de uma trava D. ( Ampliar )

Na verdade, a trava D perdeu sua memória. Q sempre segue D ! A trava D, estritamente falando, não é uma trava! Convença-se com o circuito mostrado. No próximo experimento, você devolve a memória ao circuito.

Como você pode devolver a memória ao latch D? Para fazer isso, você está adicionando a entrada ENABLE do circuito.

O ENABLE é adicionado ao latch D , como mostrado no diagrama do circuito. Semelhante ao latch RS-E no experimento 4, ele muda o comportamento do latch...

Diagrama de circuito com trava em D.

Símbolo de trava D no diagrama de circuito.

• Enquanto E = 0 , a trava está aberta e você alterna entre os dois resultados usando D.
• Assim que E = 1 , você fecha a trava e o último resultado é armazenado. Agora a entrada D não influencia mais o resultado........ até que E volte para 0 .

Circuito de uma trava D com portão . ( Ampliar )

Experimente fazer isso algumas vezes com o circuito mostrado. Embora você tenha introduzido a entrada E como uma medida paliativa, a partir de agora ela desempenha um papel central . No próximo experimento, você começa a entender o porquê.

Durante o tempo em que uma trava está aberta, as entradas podem influenciar o resultado a qualquer momento. Em aplicações modernas, onde muitas travas trabalham juntas, isso não é mais desejável. Você quer que todas as travas encontrem seus resultados exatamente ao mesmo tempo.

Para conseguir isso você precisa de duas coisas...

• um sinal síncrono e
• uma trava, que altera seu resultado somente em um ponto específico no tempo.

O papel de um sinal síncrono é assumido pelo sinal de clock. Ele alterna em intervalos periódicos entre os estados 0 e 1 ...

Sinal de relógio.

O ciclo de clock é o tempo de uma transição de 0 para 1 para o próximo. A taxa de clock ou frequência é o número de ciclos por segundo e é medida em Hertz (Hz) .

Agora, se você conectar o sinal de clock à entrada E , o latch é aberto e fechado periodicamente. E se você conectar vários latch ao mesmo sinal de clock, eles são abertos e fechados sincronizadamente .

Na próxima etapa, você aprenderá o que é uma trava acionada por borda .

O C-MOS IC 4013 contém dois flip-flops D acionados por borda .

Com o circuito mostrado, você conhece um flip-flop D disparado por borda . Você não usa um sinal de clock apropriado, no entanto, um interruptor de botão de pressão ( Clk ) pode ilustrar o princípio tão bem.

Símbolo D Flip-Flop acionado por borda em diagramas de circuitos.

Circuito de um flip-flop D. Neste circuito você conecta as entradas não utilizadas R e S (Pin 8,10) a 0V usando o resistor R1. ( Ampliar )

Com o botão de pressão D , você controla a entrada D dos flip-flops. O flip-flop comuta no momento preciso em que você aperta o botão de pressão Clk . O sinal Clk salta de 0 para 1 na borda ascendente. Em todas as outras situações, o flip-flop permanece fechado.

Tabela verdade D com Clock.

O flip-flop D, cujo símbolo e tabela-verdade são mostrados na figura ao lado é disparado na borda de subida do clock e possui apenas uma entrada de controle síncrona, a entrada D, que representa a palavra data (dado). Quando ocorre uma borda de subida do clock, a saída Q assume o mesmo valor lógico presente na entrada D. 

Além do flip-flop D , existem mais classes de flip-flops...

© Direitos de autor. 2023: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 15/05/2023