Reloj Digital

EL RELOJ

OBJETIVOS:

·         Montar un circuito que funcione como un reloj, cuya cuenta sea de 12-12 horas y muestra horas, minutos y segundos

·         Montar un circuito asíncrono que tenga elementos cuyo control de tiempo provenga de la salida de otro elemento que no sea el multivibrador.

MATERIALES UTILIZADOS

·         5 Circuito integrado :  74160(Contador binario de década)

·         5 Circuito integrado :  7447(Decodificador para Display)

·         6 Display

·         2 Circuito integrado :  7474(FLIP - FLOP)

·         1 Circuito integrado :  555 (Multivibrador)

·         1 Circuito integrado :  7400 (Compuerta NAND)

·         1 Capacitor de 47 μF

·         1 potenciómetro de 50 KΩ

·         4 Resistencias de 1 KΩ

·         6 Resistencias de 220 Ω

·         1 Fuente de voltaje DC

·         Hilo conductor

PROCEDIMIENTO:

Primero se coloco el 555, para emitir una señal variable periódica, para esto se procedió a conectar los pines de la siguiente manera

·         Pin 1 (GND) se conecto a tierra

·         Pin 2 (Trigger) y pin 6 (Threshold) se connection con Hilo conductor

·         Pin 8 (Vcc) y El pin 4 (Reset) se conectaron a Vcc

·         Se conecto el capacitor de 47 μF con el terminal positivo en el pin 2 (Trigger), y el negativo en el pin 1 (GND)

·         Se conectaron los pines 8 (Vcc) y 7 (Discharge) con una resistencia de 1KΩ

·         Se coloco el potenciómetro de 10KΩ entre los pines 7 (Discharge) y 6 (Threshold) con una resistencia adicional de 1 KΩ para aumentar la resistencia máxima

·         El pin 5 (Control) no se utilizo

·         El pin 3 (Output) envía la señal de salida, se conecto a una resistencia con un led, para observar el comportamiento de la señal, y también se conecto al pin 2 del contador, para que este recibiera la señal

Las conexiones entre los elementos del reloj, se pueden dividir en tres sectores o áreas, según su función en el reloj, las cuales son, segundos, minutos y horas.  Cada área consta de dos dígitos por lo que se dividen las conexiones  en dos sub-áreas por cada sector, el sub-área de las unidades y el sub-área de las decenas

Tanto los segundos como los minutos cuentan hasta 59, y luego reinician la cuenta desde 00, por lo que las conexiones de ambas áreas es casi idéntica de modo que las conexiones indicadas a continuación, son las mismas para los minuto y los segundos exceptuando el clock de cada una, la cual al final del procedimiento para cada área, se indicara donde va el clock de cada parte.

El sub-área de las unidades cuenta del 0 al 9, mientras que el de las decenas cuenta del 0 al 5. Esto para lograr que cuente un minuto completo (o una hora en el caso de los minutos.  Las conexiones entra ambas partes e casi idéntica por, lo que primero se indicaran las conexiones iguales y luego se indicaran las diferentes

Conexiones específicas del los 74160 (contador de décadas en código binario, del 0 al 9) correspondientes al digito de las unidades:

·         Pin 2(Clock) Se conecto a la salida del 555 (pin 3) para los segundos, mientras que para los minutos, este pin se conecto al Clear del contador del digito de las decenas de los segundos(pin 1)

·         El pin 15 (RCO) se conecto al pin 12 del FLIP-FLOP 7474 (entrada 2D) para los segundos, y al pin 2 del FLIP-FLOP (entrada 1D) para los minutos

Conexiones específicas del los 74160 (contador de décadas en código binario, del 0 al 9) correspondientes al digito de las decenas:

·         Pin 2 (Clock) se conecto al pin 9 del FLIP-FLOP (salida 2Q) para los segundos, y al pin 5 del FLIP-FLOP (salida 1Q) para los minutos

·         Pin 1 (Clear) se conecto al pin 14 para los segundos, y al pin 11 para los minutos del 7400, ambas salidas de NAND

Conexiones iguales de los 74160 (contador de décadas en código binario, del 0 al 9):

·         Los pines  11, 12, 13 y 14 son las salidas QD, QC, QB, Y QA respectivamente (siendo QD la más significativa y QA la menos significativa), se conectaron a las entradas de los 7447 (Decodificadores para Display) por sus pines 1, 2, 6 y 7 siendo estos las entradas B, C, D y A respectivamente.  Más específicamente la conexión entre ambas parte fue la siguiente:

Pines del 74160	Pines del 7447	Significado de la conexión
14	7	Salida QA con entrada A
13	1	Salida QB con entrada B
12	2	Salida QC con entrada C
11	6	Salida QD con entrada D

TABLA 1

Conexiones de los 7447 (Decodificador para el Display) Son idénticos para ambos dígitos, tanto para las decenas, como para las unidades:

·         Las entradas del 7447, se conectaron a las salidas del 74160 (contador de décadas en código binario, del 0 al 9) como se indico anteriormente en la tabla 1

·         Los pines 9, 10, 11, 12, 13, 14 y 15 corresponden a las salidas e, d, c, b, a, g y f respectivamente, las cuales van a las respectivas entradas e, d, c, b, a, g y f  de los Displays

Las conexiones de las horas son diferentes debido a que deben contar del 1 al 12, en lugar del 0 al 59, por lo que su conexión fue de la siguiente manera:

Digito de las unidades para las horas:

Para el digito de las unidades, la conexión es similar a las unidades de los minutos y los segundos, pero además se utilizaron las entradas A, B, C y D y la entrada LOAD (Del contador 74160) para lograr que la cuenta al llegar a 12 horas marque luego 1 hora, debido a que en este formato de hora no existe la hora 0

Para eso las conexiones adicionales en el 74160 fueron las siguientes:

·         Pin 3 (entrada A) se conecto a Vcc)

·         Pines 4, 5 y 6 (entradas B, C y D) se conectaron a GND

·         Pin 9 (Load) se conecto al pin 3 del 7400 (salida de la NAND)

·         Las demás conexiones son iguales a las mostradas en la tabla 1

Las conexiones del 7447 (decodificador para Display) y el Display son idénticas a las de los minutos y segundos

Digito de las decenas para las horas:

El Display debía mostrar solo dos posiciones, o apagado, o encendido mostrando 1, por lo que su conexión se fijo de la siguiente manera:

Entradas b y c, se conectaron a Vcc, mientras que la entrada de alimentación K, se conecto al pin 9 del  FLIP-FLOP (Salida 2Q)

Conexiones del 7474 (FLIP-FLOP):

·         El pin 1 y el pin 13 (Clear 1 y 2)se conectaron a Vcc

·         Los pines 4 y 10 (preset 1 y 2) también se conectaron a Vcc

·         El pin 5 (salida 1Q) se conecto al pin 11 del mismo integrado(Clock 2)

·         El pin 3 (Clock 1) se conecto al pin 2 del contador de las unidades de las horas(Clock)

·         El pin 9 (2Q) se conecto mediante una resistencia al pin de alimentación K del Display

·         El pin 2 (entrada 1D) se conecto al pin 11 del 7432 (salida de la compuerta OR)

·         El pin 12 (entrada 2D) se conecto al pin 9 del 7404(salida de compuerta NOT)

Conexiones del 7404 (6 Compuertas NOT):

·         Pin 6 (salida de NOT) se conecto al pin 12 del 7432 (entrada de compuerta OR)

·         El pin 5 (entrada de la NOT anterior) se conecto al pin 9 del contador de las unidades (Entrada LOAD)

·         El pin 8 (Salida de NOT) se conecto al pin 12 del 7474 (entrada 2D del FLIP-FLOP)

·         El pin 7 (entrada de la NOT anterior) se conecto al pin 9 del 7474 (salida 2Q del FLIP-FLOP) y al pin 2 del 7400 (entrada de NAND)

Conexiones del 7432 (4Compuertas OR):

·         Pin 11 (salida de OR) se conecto al pin 2 del 7474 (Entrada 1D del FLIP-FLOP)

·         El pin 12 (Entrada de la OR anterior) se conecto al pin 6 del 7404 (salida de NOT)

·         El pin 13 (entrada de la OR anterior) se conecto al pin 15 del 74160 de las unidades (salida RCO)

Conexiones del 7400 (4 Compuertas NAND)

·         El pin 1 (Entrada de NAND) se conecto al pin 9 del 7474 de las decenas(salida 2Q)

·         El pin 2 (Entrada de NAND) se conecto al pin 13 del contador de las unidades (salida Q_B)

·         El pin 3 (Salida de la compuerta NAND) se conecto al pin 9 del contador de las unidades(Entrada LOAD) y al pin 5 del 7404 (Entrada de compuerta NOT)

Para todos los 74160 y el 7447, el pin 8 GND se conecto a tierra. Y el pin 16 Vcc se conecto a Vcc

Para todos los 7474, 7432, 7404 y 7400 el pin 7 GND se conecto a tierra y el pin 14 Vcc se conecto a Vcc

FUNCIONAMIENTO:

Son los contadores los que llevan la cuenta del tiempo, mientras que los Displays, son los encargados de mostrar de forma visual la cuenta.

Todos los Displays, excepto el de las decenas de las horas, están conectados a decodificadores 7447, debido a que las cuentas del tiempo, lo realizan contadores 74160 que muestran como salidas el conteo del tiempo, pero en forma binaria, y los decodificadores se encargan de convertir esas salidas, para que los Displays puedan mostrar un numero en código decimal.

Los pulsos del 555 están sincronizados para que ocurran cada segundo, estos al estar conectados al Clock del contador de las unidades de los segundos, logran que la cuenta cambie cada segundo.  La cuenta se realiza del 0 al 9 en código binario. La salida RCO envía un pulso cuando la cuenta llega a 9, este pulso es que va a entrar al clock de las decenas, para logra que la cuenta aumente en uno, por cada diez cuentas del digito de las unidades.  Sin embargo este pulso no se puede enviar directamente al clock de las decenas, debido a que como el pulso es enviado cuando la cuenta de las unidades llega a 9, si se conecta directamente el pulso al clock, seria en 9 que las decenas contarían un pulso y no en 0, lo cual está mal, debido a que debería cambiar en 0, para tener una cuenta normal, si la cuenta cambia en 9 la secuencia resultante de los segundos seria: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 , 7, 8, 19, 10, 11, 12, 13,14, 15, 16, 17, 18, 29, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 , 27, 28, 39, 30, 31, 32, 33,34, 35, 36, 37, 38, 49 ……

Para lograr que la cuenta de las decenas cambie en el momento indicado, basta con retrasar el pulso del RCO usando el FLIP-FLOP, este retiene el pulso en el tiempo 9 y luego lo envía al clock  de las decenas en el tiempo 0 en las unidades, logrando así una cuenta normal.

De esta forma el digito de las unidades contara automáticamente del 0 al 9 para que ocurra un cambio en las decenas, pero estas no deben contar igual debido a que los relojes no cuentan más de 60 segundos, pero tomando en cuenta que la cuenta empieza en 00, los sesena segundos terminan cuando la cuenta llega a 59 y de allí deben volver a empezar en 00, es por eso que las decenas deben contar hasta 5 y para esto se usa una compuerta NAND cuyas entradas provienen del mismo contador, las cuales se colocan en el segundo y tercer bit de la cuenta, para que cuando esta llegue a 0110 (seis en binario)la compuerta tenga como entrada los dos unos y arroje como salida un cero la cual va al Clear del contador para reiniciar la cuenta, esto ocasiona que en el momento justo en el que las decenas van a cambiar a 6, en ese mismo momento (no instantáneamente, pero tan rápido que el numero en el Display no alcanza a mostrar el 6) se reinicie la cuenta y entonces esta va a  mostrar cero.

El comportamiento de los minutos es igual al de los segundos, pero en lugar de conectar el clock del contador de las unidades al 555, se conecto a el Clear del contador de las decenas de los segundos, esto con el fin de que en el mismo momento en el que la cuenta de los segundos pase de 59 a 00, en los minutos la cuenta aumente en uno.

Aparte de eso entre los segundos y los minutos no hay diferencia, de modo que los minutos también necesitan un FLIP-FLOP para retrasar el pulso de las unidades hacia las decenas, y una compuerta NAND para reiniciar la cuenta después del minuto 59

Para las horas hay que tomar en cuenta que estas cuentan hasta 12 y no hasta 59 como ocurre con los segundos y los minutos, además de que al llegar a 12, la cuento no reinicia en 00 sino que empieza desde 1, y también ocurre que durante la cuenta entre 1 y 9 las decenas no muestran 0 sino que estarán apagadas, de modo que no muestran ningún numero

Para que las horas tengan este comportamiento, el contador de las unidades se conecta casi igual al de los minutos y los segundos, pero ahora hay que tomar en cuenta que cuando la cuenta llega a 12, las unidades están en 2, pero deben pasar a 1, para esto se coloca el numero 0001 (uno en binario) en las entradas del contador, y se conecta la salida de una compuerta NAND (que se explicara más adelante) en la entrada del Load del mismo contador para que cada vez que las horas cambien estando en las 12, a las unidades por medio del load ingresen el 1 proveniente de las entradas fijas.

Para las decenas el numero 1 se fijo en el Display, y la entrada de alimentación de este se conecto a un FLIP-FLOP que estaba conectado de manera que cada puso de CLOCK este cambiara su valor guardado por el valor opuesto, ocasionando un encendido-apagado del Display.

Este FLIP-FLOP tiene por entrada el resultado de una compuerta OR, que es la suma de los valores 1001 (9: Obtenido del RCO de las unidades) y el 1100 (12: Obtenido de una compuerta NAND) pero pasando primero por un negador

La compuerta NAND que arroja un cero cada vez que la cuenta esta en doce, tiene por entradas, el valor de salida del FLIP-FLOP de las decenas que arroja 1 Cuando está entre las 10 y las 12, y el segundo bit de las unidades cuyo valor decimal es 2.

De este modo las horas contaran del 1 al 9 sin mostrar ningún valor en las decenas, luego, contara 10, 11 y 12 usando ambos Displays y de allí pasara a  1 nuevamente