Conforme havíamos prometido na Revista n° 182, apresentamos nesse artigo o projeto de um Cronômetro Digital inteiramente baseado no MÓDULO CONTADOR publicado naquela edição. De características modulares, esse instrumento pode ser expandido conforme a necessidade do usuário, registrando desde horas até décimos ou centésimos de segundo, sendo apresentado em duas versões: uma com oscilador a cristal e a outra utilizando como clock o sinal de rede elétrica.
Nota: Artigo da Revista Saber Eletrônica 188 de 1988.
O cronômetro que nos propomos a descrever possui excelente precisão e confiabilidade, sendo compatível com tipos comerciais e de laboratório. Do mesmo modo que os outros projetos dessa série (que se iniciou com o Módulo Contador), nos preocupamos em elaborar um circuito funcional, didático e com componentes discretos de fácil aquisição.
Como todo bom cronômetro, o nosso é controlado por meio de chaves de contato momentâneo (teclas) que exercem até duas funções cada. Essas teclas são:
• LAP - inibe a contagem nos displays, sendo que internamente (nos contadores) ela continua normal. Pressionando-se esta tecla uma vez os displays são paralisados e pressionando-se novamente eles voltam a acompanhar a contagem.
• RESET - zera todo o cronômetro, para o início de uma nova operação.
• START/STOP - uma única tecla que dispara e paralisa a contagem.
CARACTERÍSTICAS DO CRONOMETRO
- Alimentação através da rede local ou bateria de 9V.
- Utilização de circuitos integrados CMOS.
- Três teclas de controle: LAP, RESET e START/STOP.
- Led indicador para a função LAP.
- Entrada para controle START/STOP através de comando externo.
- Reset automático ao ligar o circuito.
O CIRCUITO
O funcionamento e as características do Módulo Contador SE-MC1 já foram apresentados na Revista n° 182, motivo pelo qual não iremos repetir. No entanto, para facilitar a compreensão e "refrescar a memória", resumimos na tabela 1 as funções de cada entrada de controle do módulo.
Para o cronômetro, iniciaremos a análise de funcionamento com a separação do circuito em seus blocos integrantes, descrevendo a função de cada um e os componentes utilizados. Como temos duas versões para o cronômetro (com oscilador a cristal ou com sincronismo da rede elétrica), mostramos na figura 1 o diagrama de blocos para os dois tipos de circuito.
Em ambos os casos nosso objetivo é gerar sinais de 1Hz (um pulso por segundo) e 1/60Hz (um pulso a cada minuto). Esses sinais serão os pulsos de clock para os módulos contadores, que registrarão minutos e segundos.
O bloco denominado "circuito de controle" é constituído por duas células de memória (flip-flops tipo D) que armazenam os comandos de LAP (paralização da contagem apenas nos displays) e START/STOP (disparo e paralização da contagem); há ainda o RESET (zeramento), que não necessita de memória auxiliar. As saídas desse bloco de controle agem, no módulo contador, sobre as entradas de Enable dos decodificadores, Enable dos contadores e Leitura Paralela dos contadores, respectivamente.
Na figura 2 temos o diagrama esquemático completo para o cronômetro com sincronismo da rede local.
A tensão da rede elétrica (110/220V) é abaixada por um transformador de 6+6V x 500mA e, antes da retificação que dará origem à fonte de alimentação, é aplicada a um filtro passa-baixas (composto por R1 e C1) que se encarrega de eliminar as harmônicas de alta frequência e outros sinais que poderiam interferir no funcionamento do circuito. A seguir o sinal da rede passa por duas portas E, com as entradas curto-circuitados, que funcionam como buffer e transformam a senoide em onda quadrada (função de Schmitt Trigger). As portas E são da família CMOS e pertencem ao integrado CD4081.
Já devidamente tratado, o sinal de 60Hz é aplicado ao integrado CD4040, que em conjunto com algumas portas E exerce a função dos dois blocos de divisão por 60. Esse integrado é composto por 12 flip-flops tipo D em cascata e, num invólucro DIL de 16 pinos, apresenta disponível a saída de todos os flip-flops, a entrada de clock do primeiro e o reset comum, nos possibilitando dividir a frequência de um sinal por qualquer número inteiro de 2 a 4096.
Para escolher as saídas adequadas a cada divisão (e depois passá-las por portas E) é necessário ter conhecimento da arquitetura interna do chip em questão. No quadro Informações Adicionais damos essa estrutura e algumas dicas para o projeto de divisores de frequência.
Uma vez efetuadas as divisões necessárias, aplicamos o sinal de 1 Hz à entrada de clock de um módulo contador e o de 1/60Hz à do outro. Assim, o módulo M1 incrementará uma unidade de contagem a cada segundo até que, decorridos 60s, um pulso é gerado no pino 3 do integrado CI-2, fazendo com que M2 avance uma unidade e M1 seja zerado (através dos pinos de Reset — 4 e 15). Observe então que M1 conta de 0 a 59, registrando os segundos, e M2 de 0 a 99, marcando os minutos.
Caso haja necessidade da contagem de horas ou décimos de segundo, basta repetir as ligações de M1 e M2 para um outro módulo contador, que será ligado antes (para décimos de segundo) ou depois (para horas) dos já existentes. O sinal de clock para o módulo acrescentado deve ser obtido através de divisões sucessivas feitas pelo CD4040, conforme já explicado.
A chave S1 (de contato momentâneo) serve de reset para o cronômetro, zerando todos os contadores de Ml" e M2. O resistor R7 garante que as entradas de reset de cada módulo estejam aterradas enquanto S1 não for pressionada; o capacitor C8 é responsável pelo reset automático ao ligar o circuito.
Para a função START/STOP temos a chave S3 (também de contato momentâneo), que ao ser pressionada gera um pulso de clock para o correspondente flip-flop D. Na configuração de divisor de frequência por 2, esse biestável complementa sua saída a cada pulso completo de clock, o que nos permite dizer que se trata de uma célula básica de memória.
A saída Q desse flip-flop é levada à entrada de enable dos contadores. Como essa entrada é ativada com nível lógico "1", quando 0=1 a contagem estará paralisada e quando Q=0 o funcionamento será normal. Veja que através de uma única chave (S3) realizamos as funções de disparo e paralização da contagem.
Por meio do jaque J1 podemos comandar o disparo e paralização do cronômetro através de um sinal externo, o que é muito interessante em aplicações científicas (experimentos mecânicos, por exemplo) em que se exige grande precisão.
Temos ainda o recurso LAP, que permite paralisar a contagem apenas nos decodificadores. Essa função é muito utilizada quando precisamos efetuar leituras intermediárias ao longo de uma cronometragem, sem interferir na mesma. O LAP é ativado e desativado através da chave S2 (contato momentâneo), por meio de um flip-flop D que comanda as entradas de enable dos decodificadores; com Q=0 o funcionamento é normal e com Q=1 os decodificadores estão paralisados. O led 1 indica quando o LAP está ativado.
Os flip-flops utilizados são da família CMOS e estão no integrado CD4013.
As redes RC formadas por R3/C4 e R5/C6 são responsáveis pelo reset e set dos flip-flops ao ligar a alimentação: um pulso na entrada SET leva a saída a "1" e um pulso em RST leva Q a "0". Com isso, ao ligar o circuito o enable dos decodificadores estará desativado e o enable dos contadores ativado (contagem paralisada).
No caso do circuito com oscilador a cristal a única diferença é quanto à geração do sinal de sincronismo. Conforme observamos pelo diagrama esquemático da figura 3, essa versão utiliza maior número de componentes e tem seu custo acrescido.
A nível de precisão e confiabilidade as duas versões são iguais, pois o sinal da rede elétrica é extremamente preciso quanto à frequência. Imagine quantos equipamentos comerciais e industriais de precisão utilizam o sincronismo da rede e que teriam seu funcionamento afetado se ela oscilasse em frequência!
Por isso, a única vantagem oferecida pela versão a cristal está na possibilidade de ser alimentada com uma bateria de 9V, constituindo-se num equipamento portátil e independente de interrupções no fornecimento de energia elétrica.
MONTAGEM
Na figura 4 damos o desenho da placa de circuito impresso para a versão com sincronismo da rede elétrica e mostramos as ligações dessa placa com os módulos contadores.
Por ser de dupla face devemos tomar cuidados especiais ao confeccioná-la e realizar a montagem, observando que se os furos não forem metalizados alguns componentes deverão ser soldados dos dois lados da placa.
Além das recomendações convencionais deve-se observar o seguinte:
— Utilizar soquetes com pinos torneados para todos os integrados;
— O regulador de tensão deve ser dotado de um pequeno dissipador de calor;
— Atenção ao soldar os componentes polarizados;
— Confira toda a montagem antes de ligar o aparelho, e em especial as ligações entre as 3 placas.
PROVA E USO
Para testar o cronômetro basta ligá-lo à rede elétrica e acionar S4 (interruptor geral); com isso os displays deverão acender e permanecer num determinado número, estando o led apagado. Caso o led esteja aceso o problema pode estar no transistor Q1 ou no setor de S2 (flip-flop D e demais componentes). Se os números não se fixarem nos displays o problema pode estar no setor que envolve S3 e seu flip-flop.
A seguir pressione S3: a contagem deve se iniciar, partindo do número que estava nos displays. Acionando S2 a contagem deve ser paralisada nos displays, mas não internamente nos contadores; pressionando-se novamente, a contagem continua em tempo real. Se isso não acontecer verifique as ligações da placa do cronômetro com os módulos ou então o flip-flop correspondente a S2.
Para a instalação do aparelho uma sugestão interessante é acondicioná-lo numa caixa independente dos módulos. Isso proporcionará aos leitores que possuem os módulos contadores SE-MC1 a versatilidade e economia de ter na bancada vários equipamentos digitais que utilizam a mesma placa base: cada vez que o usuário quiser determinado aparelho basta efetuaras ligações de sua placa com o módulo contador (lembre-se que essas ligações são rápidas e fáceis, pois utilizamos bornes com parafusos).
APLICAÇÕES
Várias são as aplicações científicas para um cronômetro digital de bancada como o apresentado, sendo desnecessário enumerarmos todas elas. Entretanto, para que você possa ter uma ideia, preparamos um circuito com sensores ópticos que, em conjunto com o cronômetro descrito, é capaz de registrar com precisão o tempo decorrido entre dois eventos, como por exemplo a partida e chegada de um veículo qualquer. Em competições automobilísticas ou experiências de física (principalmente mecânica) esse circuito pode ser usado com sucesso.
Na figura 5 temos o diagrama esquemático do aparelho em questão.
Os fototransistores (TIL 78) conduzem quando expostos à luz, saturando os transistores BC548 e aterrando os pinos 13 e 5 do integrado TTL 7413, que é formado por duas portas NÃO-E Schmitt Trigger de 4 entradas. Com essas entradas aterradas temos nível "1" nos pinos 6 e 8, respectivamente SET e RESET do flip-flop D (integrado TTL 7474), que desse modo continuará no estado em que se encontra (lembre-se que na família TTL as entradas são acionadas com "O", e não com "1"!).
Ao ser interrompida a iluminação de um dos fototransistores (quando da partida do veículo, por exemplo) a saída da porta NAO-E correspondente (ver pinagem dos integrados na figura 6) irá para "0".
Se for o transistor Q1 teremos "O" no pino 6 de CI-1, o que ativará a entrada de SET do flip-flop (CI -2), cuja saída passará para "1", disparando o cronômetro.
Quando o veículo passar por Q2, interrompendo o feixe de luz que incide sobre esse componente, teremos "O" no pino 8 de CI-1 e na entrada de reset do flip-flop, que desse modo comutará sua saída para "O", paralisando o cronômetro. As entradas de dados (D) e de clock (CK) do flip-flop são irrelevantes nesse circuito, por isso optamos por deixá-las constantemente em "1'. Essa irrelevância é explicada pelo fato de que os comandos SET e RESET agem diretamente na saída do biestável, independente de quaisquer dados ou sinal de clock: um pulso de SET leva sempre Q a “1” e um pulso de RESET sempre resultará em Q = 0.
INFORMAÇOES ADICIONAIS
CD4040- CONTADOR BINÁRIO DE 12 ESTÁGIOS
O CD4040 é um contador binário de 12 estágios com uma entrada de clock (CK), uma entrada de reset (MR) e 12 saídas bufferizadas (QO a Q11). O contador avança uma unidade a cada transição descendente (de "1" para "0") do sinal de clock. Aplicando nível "1" na entrada de reset todos os estágios do contador são zerados, forçando todas as saídas (QO a Q11) a "0" independente da entrada de clock. Sua frequência máxima de operação é de 25MHz, para uma alimentação de 10V.
Esse integrado é muito utilizado como divisor de frequência, tendo capacidade para dividir por até 4096 (21 2 Para escolher a saída adequada a cada divisão basta lembrar que os pesos das saídas são 2, 22, 23, 211, ',12 e que podemos associá-las, com portas E ou NÃO-E, para obter a divisão por qualquer número inteiro de 2 a 4096.
