Este elemento da família CMOS consiste num divisor de 2 a 10 que pode ser usado no projeto de contadores programáveis, sintetizadores de frequência, relógios e muitos outros equipamentos digitais. Neste artigo analisamos este componente, dando suas características, suas limitações e possibilidades com muitos exemplos de projetos e aplicativos. Para aqueles que trabalham com circuitos integrados CMOS, este artigo complementa outros da mesma série em que já focalizamos outros membros da família, tais como o 4066, 4046, 4017 etc.
O circuito integrado 4018 (também apresentado com siglas que designam o fabricante como CD4018, MC4018 entre outros) consiste num contador-divisor por N pré-setável, projetado para ser utilizado com outros elementos da família CMOS em equipamentos digitais diversos.
Este integrado é apresentado em invólucro DIL de 16 pinos, cujo aspecto é mostrado na figura 1.
Na figura 2 temos seu circuito equivalente interno, com a observação que o pino 16 corresponde ao Vdd variável de 5 a 16 V e o pino 8 corresponde ao Vss de 0V ou terra.
Na frequência de 1 MHz com tensão de alimentação de 5 V este integrado consome apenas 0,4mA de corrente e com tensão de 10 V seu consumo é de 0,8 mA.
Este integrado constitui-se basicamente num contador de anel, que pode ser programado externamente para produzir divisões de 2 até 10.
Na divisão por números pares, não se necessita de nenhum circuito externo adicional e na saída obtém-se um sinal quadrado, e na divisão por números ímpares, serão necessárias portas externas e o sinal não terá uma forma quadrada pura, ou seja, seu ciclo ativo não será de 1 para 1.
Para que ele funcione, é preciso fazer uma programação através da entrada IN.
Assim, na operação normal, as entradas Reset e Load são ligadas à terra e a cada pulso positivo (transição de 0 para +Vdd) do clock, o contador avança uma unidade.
As divisões são feitas com as seguintes interligações:
5 ao IN - divisão por 10
4 ao 5 ~ divisão por 9
4 ao IN - divisão por 8
3 ao 4 - divisão por 7
3 ao lN - divisão por 6
2 ao 3 - divisão por 5
2 ao IN - divisão por 4
1 ao 2 - divisão por 3
1 ao IN - divisão por 2
Na figura 3 temos todos os circuitos divisores, observando-se que para a divisão por números ímpares são usadas portas 4081 na realimentação.
Quando conectado como contador até 10, o 4018 apresenta a seguinte tabela de estados:
Internamente, o 4018 possui 5 flip-flops que podem ser conectados como um contador Johnson de 2 a 5 estágios.
Cada estágio possui saídas “bufferizadas“ complementares (Q).
Para o presset, clock, reset e data, o circuito integrado possui entradas apropriadas que são identificadas no diagrama interno.
Aplicando-se o nível HI à entrada de reset, o contador é levado à condição de entrada no pulso zero, ou seja, todas as saídas vão ao nível HI.
Para carregar o contador em paralelo, basta fazer a entrada Load positiva.
A frequência máxima de operação deste integrado com alimentação de 10 V é de 5 MHz e com 5 V de alimentação, 2,5 MHz.
APLICAÇÕES
Além dos circuitos divisores que vimos na figura 3, é possível programar o 4018 de outras formas, como mostra a figura 4.
Nesta configuração divisora por 7, por exemplo, a porta de realimentação usada é do tipo 4011 e o integrado conta normalmente até 3, quando então suas saídas 03 e 04 vão aos níveis 0 e 1.
Neste momento, o 4011 entra em ação, levando a entrada Data ao nível 0.
Nesta forma, o contador passa ao estado 1000, em lugar de 0000.
A tabela para um contador até 7 seria a seguinte:
Para um contador até 8 teríamos a seguinte tabela:
Gerador de 3 fases
Sinais defasados de 120 graus podem ser obtidos com a configuração simples mostrada na figura 5 e que emprega apenas um 4018.
O 4018 é ligado como um divisor por 6, o que significa que a frequência aplicada na entrada deve ser 6 vezes a frequência que se deseja na saída.
Os pulsos retangulares obtidos são defasados de 120 graus.
Síntese digital de sinais senoidais
As 5 saídas dos flip-flops internos ao 4018 podem ser usadas simultaneamente para a síntese de sinais a partir de um clock que produza um sinal retangular de entrada.
Parte-se, então, de um contador até 10 e as saídas dos flip-flops sintetizam cada nível de tensão em seqüência, de modo a formar uma senóide.
As proporções que cada saída contribui para o nível de sinal senoidal é dada pela seguinte relação:
Q1 - 1,618
Q2 - 1,000
Q3 - 1,000
Q4 - 1,618
Desta forma, quando a saída Q1 está ativada, temos um nível 1,000 de tensão na saída.
Quando as saídas Q1 e Q2 estão ativadas, temos 2,618.
Quando Q1, Q2 e Q3 estão ativadas, temos 2,618.
Quando as 4 saídas estão ativadas, temos 5,236 do nível máximo de tensão. Este é o pico positivo.
A partir daí, com a desativação da saída 1 e mantendo-se as saídas Q2, Q3 e Q4 ativadas, temos 3,618.
Numa etapa seguinte, com as saídas Q3 e Q4 ativadas, temos 2,618 e depois, somente com Q4 ativada, voltamos ao nível mínimo de 1,000.
As formas de onda sucessivas e sintetizadas podem ser vistas na figura 6.
Evidentemente, a forma de onda pura obtida na saída do integrado possui transições abruptas em 10 pontos, que devem ser removidas se quisermos uma senóide perfeita.
Isso se consegue com um filtro passa-baixas que retira as harmônicas altas do sinal levando a saída a uma forma mais suave, que caracteriza a senóide.
O circuito completo com o filtro é mostrado na figura 7.
Este circuito pode produzir sinais na faixa de 500 a 2500 Hz.
A intensidade do sinal de saída é de 0,8 V\pp, para uma alimentação de 5 V.
Senóides com menos pontos de síntese podem ser obtidas com divisões por 6 ou 8, conforme mostram os circuitos da figura 8.
Dado eletrônico Uma aplicação “recreativa” do 4018 é mostrada na figura 9, em que temos um “dado eletrônico“.
Cada um dos 4018 excita 7 LEDs que são dispostos na configuração que lembra a face de um dado.
Duas portas de um 4011 complementam o circuito para se obter a configuração necessária aos efeitos desejados.
O “clock” consiste num 555, que produz um número aleatório de pulsos quando o interruptor de pressão é ativado.
Quando este interruptor é solto, os LEDs pararão numa configuração que de- pende do número de pulsos e, portanto, é imprevisível.
A alimentação do circuito pode ser feita com tensões de 6 ou 9 V.
Veja que os 4018 são ligados de modo a formar contadores até 6, já que este é o número de faces de um dado e, portanto, o número de combinações de cada um.
Veja também que o segundo módulo é excitado pelo primeiro, de modo a se garantir que a contagem não seja do mesmo número de ciclos sempre e prolongando, assim, as combinações por sequência.
O integrado usado deve ser o 4018B, porque os tipos A (antigos) não conseguem excitar convenientemente os LEDs.
Contadores programáveis e contadores divisores por N
Uma aplicação mais complexa do 4018 é como um divisor programável de 2 a 999, mostrado na figura 10.
A frequência obtida na saída deste circuito será a frequência de entrada dividida por um número inteiro N, que podemos ajustar para valores entre 2 e 999 (o circuito pode ser expandido para se fazer divisões por números maiores, como por exemplo 9999 ou 99999, respeitando-se, é claro, a velocidade máxima de operação dos integrados).
As chaves de 1 pólo x 10 posições fixam os dígitos do número pelo qual se faz a divisão.
A tabela mostra as conexões que são feitas (ao Vdd ou terra) para cada dígito da contagem.
Os resistores nas saídas podem ter valores entre 10 k e 1 M.
Todas as entradas não usadas do 4018 são ligadas à lógica 1, e as entradas não usadas do 4002 devem ser ligadas à lógica 0.
As chaves de programa são ligadas de tal forma que, na posição 9, temos a posição de contagem 0 do contador e, na posição 8, temos a contagem 1, e assim por diante.
Desta forma, o contador conta até o valor programado, quando então resseta, começando nova contagem.
A frequência máxima de entrada sugerida para este circuito é de 4 MHz.
Para uma configuração mais rápida, que pode admitir até 6 MHz na entrada, temos o circuito da figura 11.
São usados neste arranjo periféricos CMOS como o 4011, 4000 e 4013.
A tabela de posições das chaves é dada a seguir.
Na figura 12 temos detalhes de chaves de programação rotativas usadas nos projetos indicados, segundo a RCA.
Os resistores conectados ao Vdd têm por finalidade prevenir flutuações das entradas nas comutações.
Para os casos em que não existir espaço para os resistores ou então se desejar sua eliminação, existe a possibilidade da ligação mostrada em (b) e também em (c).