Este elemento de la familia CMOS consiste en un divisor de 2 a 10 que puede usarse en los proyectos de contadores programables, sintetizadores de frecuencia, relojes y muchos otros equipos digitales. En este artículo analizamos este componente, dando sus características, sus limitaciones y posibilidades con muchos ejemplos de proyectos y aplicaciones. Para los que trabajan con circuitos integrados CMOS, este artículo complementa otros de la misma serie en que vimos otros miembros de la familia.
El circuito integrado 4018 (también presentado con siglas que se refieren al fabricante, como CD4018, IC4018, entre otros) consiste en un contador -divisor por N ”preseteable", proyectado para ser usado con otros elementos de la familia CMOS en equipos digitales diversos.
Este integrado es presentado en cubierta DIL de 16 pinos, cuyo aspecto es mostrado en la figura 1.
En la figura 2 tenemos su circuito equivalente interno, con la observación que el pino 16 corresponde al Vdd variable de 5 a 16 V y el pin 8 corresponde al Vss de 0 V o tierra.
En la frecuencia de 1 MHz con tensión de alimentación de 5 V este integrado consume solamente 0,4 mA de corriente y con tensión de 10 V su consumo es de 0,8 mA.
Este integrado constituye básicamente un contador en anillo, que puede ser programado externamente para producir divisiones de 2 hasta 10. En la división por números pares, no se necesita ningún circuito externo adicional y en la salida se obtiene una sena] cuadrada, mientras que en la división por números impares, serán necesarias puertas externas y la señal tendrá una forma cuadrada pura.
Para que el mismo funcione, es preciso hacer una programación a través de la entrada IN. Así, en la operación normal, las entradas Reset y Load son conectadas a la tierra y a cada pulso positivo (transición de 0 para +Vdd) del clock, el contador avanza una unidad. Las divisiones son hechas por las siguientes interconexiones:
5 al IN - división por 10
4 al IIN-división por 9 (*)
4 al IN - división por 8
3 y 4 al IN – división por7 (*)
3 al IN - división por 6
2 y3 al IN- división por 5 (*)
2 al IN división por 4
1 y 2 al IN – división por 3 (*)
1 al IN - división por 2
En la fig. 3 tenemos todos los circuitos divisores, observándose que para la división por números impares se usan las puertas 4081 en la realimentación.
Cuan- do selo conecta como contador hasta 10 el 4018 presenta esta tabla de estado:
Internamente, el 4018 posee 5 flip-flops que pueden ser conectados como un contador Johnson de 2 a 5 etapas. Cada etapa posee salidas "bufferizadas" complementarias (Q). Para el preset, clock, reset y data, el circuito integrado posee entradas apropiadas que son identificadas en el diagrama interno.
Aplicando el nivel HI a la entrada de reset, el contador es llevado la condición de entrada para el pulso cero, o sea, todas las salidas van al (nivel HI). Para cargar el contador en paralelo, basta hacer la entrada Load positiva.
La frecuencia máxima de operación de este integrado con alimentación de 10 V es de 5 MHz y con 5 V de alimentación, 2,5MHz.
Aplicaciones
Además de los circuitos divisores que vimos en la figura 3, es posible programar el 4018 de otras formas (figura 4).
En esta configuración divisora por 10, por ejemplo, la puerta de realimentación usada es del tipo 4011 para obtener un divisor por 7 y el integrado cuenta normalmente hasta 3, cuando sus salidas Q3 y Q4 (ver tabla I) van a los niveles 0 y 1.
En este momento, el 4011 entra en acción, llevando la entrada Data al nivel 0.
En esta forma, el contador pasa al estado 1000, en lugar de 0000.
La tabla 2 se da para un contador hasta 7, sería la siguiente:
Para un contador normal hasta 8 tendríamos la tabla 3:
Generador de 3 fases
Se pueden obtener señales desfasadas 120 grados unas con otras con la configuración simple mostrada en la figura 5 y que emplea solamente un 4018.
El 4018 es conectado como un divisor por 6, lo que significa que la frecuencia aplicada en la entrada debe ser 6 veces la frecuencia que se desea en la salida. Los pulsos rectangulares obtenidos son desfasados entonces 120 grados.
Síntesis digital de señales senoidales
Las 5 salidas de los flip-flops internos al 4018 pueden ser usadas simultáneamente para la síntesis de señales a partir de un clock que produzca una señal rectangular de entrada.
Se parte, entonces, de un contador hasta 10 y las salidas de los flip-flops sintetizan cada nivel de tensión en secuencia, de modo de formar una senóide.
Las proporciones que cada salida contribuye al nivel de serial senoidal es dada por la siguiente relación:
De esta forma, cuando la salida Q1 está activada, tenemos un nivel 1,618 de tensión en la salida. Cuando las salidas Q1 y Q2 están activadas, tenemos 2,618.
Cuando QI, Q2 y Q3 están activadas, tenemos 3,618. Cuando las 4 salidas están activadas, tenemos 5,236 del nivel máximo de tensión. Este es el pico positivo. A partir de ahí, con la desactivación de la salida 1 y manteniéndose las salidas Q2, Q3 y Q4 activadas, tenemos 3,618 y después, solamente con Q4 activada, volvemos al nivel mínimo de 1,618.
Las formas de onda sucesivas y sintetizadas pueden ser vistas en la figura 6.
Evidentemente, la forma de onda pura obtenida en la salida del integrado posee transiciones abruptas en 10 puntos, que deben ser removidas si queremos una senóide perfecta. Esto se consigne con un filtro pasa-bajos que retira las armónicas altas de la señal, llevando la salida a una forma más suave que caracteriza la senóide.
El circuito completo con el filtro aparece en la figura 7.
Este circuito puede producir señales en la banda de 500 a 2.500 Hz. La intensidad de la serial de salida es de 0,8 Vpp, para una alimentación de 5 V.
Senóides con menos puntos de síntesis se pueden obtener con divisiones por 6 u 8, como muestran los circuitos de la figura 8.
Dado electrónico
Una aplicación ”recreativa" del 4018 aparece en la figura 9, en que tenemos un dado electrónico.
Cada uno de los 4018 excita 7 LEDs que son dispuestos en la configuración que recuerda la faz de un dado. Dos puertas de un 4011 complementan el circuito para obtener la configuración necesaria a los efectos deseados.
El clock consiste en un 555, que produce un número aleatorio de pulsos cuando se activa el interruptor de presión.
Cuando se suelta este interruptor de presión, los LEDs pararán en una configuración que depende del número de pulsos y que, por lo tanto, es imprevisible. La alimentación del circuito puede hacerse con tensiones de 6 ó 9 V.
Vea que los 4018 son conectados de modo que formen contadores hasta 6, ya que éste es el número de faces de un dado y por lo tanto, el número de combinaciones de cada uno.
Vea también que el segundo módulo excitado por el primero, de modo de garantizar que el conteo no sea del mismo número de ciclos siempre y prolongando así las combinaciones por secuencia.
El integrado usado debe ser el 4018B, porque los tipos A (antiguas) no consiguen excitar convenientemente los LEDs.
Contadores programables y contadores divisores por N
Una aplicación más compleja del 4018 es como divisor programable de 2 a 999, mostrado en la figura 10.
La frecuencia obtenida en la salida de este circuito será la frecuencia de entrada dividida por un número entero N, que podemos ajustar para valores entre 2 y 999 (el circuito puede ser expandido para hacer divisiones por números mayores, como por ejemplo 9999 o 99999. respectándose la velocidad máxima de operación de los integrados).
Las llaves de 1 polo x 10 posiciones lijan los dígitos del número por el cual se hace la división. La tabla 5 muestra las conexiones que se hacen (al Vdd o tierra) para cada dígito del conteo.
Los resistores en las salidas pueden tener valores entre 10 k y 1 M. Todas las entradas no usadas del 4018 son conectadas a la lógica 1, y las entradas no usadas del 4002 deben ser conectadas a la lógica 0.
Las llaves de programa son conectadas de tal forma que, en la posición 9, tenemos la posición de conteo 0 del contador y en la posición 8, tenemos el conteo 1, y así en adelante. De esta forma, el contador cuenta hasta el valor programado, cuando resetea, comenzando un nuevo conteo.
La frecuencia máxima de entrada sugerida para este circuito es de 4MHz. Para una configuración más rápida, que puede admitir hasta 6MHz en la entrada tenemos el circuito de la figura 11.
En este arreglo periférico se usan CMOS como el 4011, 4000 y 4013. En la figura 12 tenemos detalles de llaves de programación rotativas usadas en los proyectos indicados, según RCA.
Los resistores conectados al Vdd tienen por finalidad prevenir fluctuaciones de las entradas en las conmutaciones. Para los casos en que no existe espacio para los resistores o bien se desea su eliminación, existe la posibilidad de la conexión mostrada en (b) y también en (c).
Originale 1991 (revisado 2017)