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ESCUELA PROFESIONAL DE ING. DE SISTEMAS E INFORMÁTICA
UNIVERSIDAD TEGNOLÓGICA DE LOS ANDES
Diseño y Funcionamiento de contadores Asíncronos y Síncronos
Contadores Asíncronos
Un contador es un circuito secuencial el cual cambia de estado de acuerdo una secuencia establecida por el diseño. Un contador, está construido con base de Flip-Flops. El número de Flip-Flops utilizados indica el número de bits del contador, es decir, cada Flip-Flop representa un bit dentro de la secuencia de conteo.
El termino asíncrono indica que los eventos no poseen una relación temporal fija entre ellos y que no necesariamente ocurren en el mismo instante de tiempo. Esto indica que en un contador asíncrono los Flip-Flops no comparten la misma señal de reloj.
Contador Asíncrono de 2 Bits
Para obtener un contador asíncrono, se debe usar 2 Flip-Flops J-K flanco de bajada. Se debe conectar de la misma forma que un divisor de frecuencia. Entonces se debe conectar la señal de reloj a la entrada de reloj del primer Flip-Flop cuya salida se considera Q0. Esta salida entonces será el reloj del siguiente Flip-Flop cuya salida se denominara Q1. Las entradas J y K deben estar en 1 lógico. La siguiente figura muestra la implementación del contador y los oscilogramas que dan como resultado de su funcionamiento.
En los oscilogramas, se puede apreciar que en cada flanco de bajada del reloj, bascula Q0 y en cada flanco de bajada de Q0 bascula Q1. Analizando los valores de Q0 y Q1 en cada periodo de reloj, se nota que las salidas Q0 y Q1 forman estados que se pueden representar en una tabla denominada tabla de secuencia. El la figura anterior, se muestra que en cada basculación existe un tiempo de retardo de propagación que equivale a 30 nseg que es el tiempo de retardo de un Flip-Flop J-K.
Funcionamiento Contador Asíncrono de 4 Bits
 El funcionamiento de este circuito se basa en cuatro puntos importantes:
Los pulsos de reloj sólo son aplicados a la entrada CP (Clock, reloj) del primer Fip-Flop. Teniendo en cuenta que es un FF tipo "J-K", y que estas dos entradas se encuentran en un nivel alto (Conectadas a V+), el FF realizará la función de complemento o "Toggle", conmutando sus salidas con cada pulso de la señal de reloj. El cambio puede ser controlado por transiciones positivas o negativas de la señal de reloj, esto depende únicamente del tipo de entrada del FF. La salida del primer FF (Primer BIT) actúa como pulso de reloj para el siguiente FF (Segundo BIT), y así sucesivamente hasta llegar al cuarto FF. De esta manera se logra que un FF sólo pueda cambiar de estado cuando el anterior le proporcione la transición correcta a su entrada.
Las salidas de los FF representan el número binario de 4 BITS, Obteniendo del primer FF el LSB (Dígito menos significativo), y del último el MSB (Dígito más significativo). Al comenzar la cuenta, teóricamente las salidas de los FF deben estar en cero, esto nos da e número 0000, esto puede lograrse con las entradas de "Restablecer" (RESET), las cuáles no son mostradas en el diagrama. La tabla 1, muestra la secuencia de conteo desde el número 0000 al 1111.
Funcionamiento
Una vez que ha llegado el quinceavo pulso de entrada, el contador se encontrará en la cuenta máxima para 4 BITS, es decir 1111, al llegar el siguiente pulso, el contador volverá a la posición original de 0000, Esto supone un ciclo completo del contador y se conoce como el "reciclado" de la cuenta.
Cambio del primer FF = Señal de reloj
Cambio del segundo FF = Primer FF + Señal de reloj
Cambio del tercer FF = Segundo FF + Primer FF + Señal de reloj
Cambio del cuarto FF = Tercer FF + Segundo FF + Primer FF + Señal de reloj.
Funcionamiento
Contadores asíncronos integrados 
en un solo chip
En este diagrama podemos observar una conexión muy parecida a la de la figura anterior, el integrado cuenta con cuatro FF tipo "J-K", cada una de las salidas de los FF representa un BIT, desde Q0 (LSB), hasta Q3 (MSB).
Número MOD :En los casos anteriores, los dos contadores pueden darnos una salida de 4 BITS, es decir, cuentan desde el 0000 hasta el 1111, Para efectos prácticos, estos contadores son denominados Contadores "MOD 16", Ya que presentan 16 estados diferentes en la cuenta. 
Por lo que el número MOD, siempre es igual al número de estados que podemos obtener del contador antes que recicle su cuenta. 
La siguiente tabla nos muestra
los diferentes números MOD.
Número MOD = 2 (N)
Lo que puede traducirse como "El número MOD es igual a 2 multiplicado a la (N) potencia". El número "N" es el número de FF que deseemos ocupar.
Por ejemplo, ¿cuál será el número MOD de un contador con 6 FF (6 BITS)?
Entonces: MOD = 2 (6)
MOD = 2 multiplicado a la sexta potencia
MOD = 2*2*2*2*2*2
MOD = 64
Contadores con Número MOD diferente a 2 (N)
¿Cómo encontrar el número de FF que se necesitan para un contador que no sea un MOD 4 o MOD 8?
Por ejemplo:
Si necesitáramos hacer un contador MOD 6. ¿Cómo podríamos lograr esto?
Debido a la naturaleza de los números binarios, no se puede lograr de manera "Común" un número MOD que es diferente a los obtenidos por medio de la fórmula anterior.
En estos casos, lo que hacemos es crear un contador con el número MOD más cercano hacia arriba, En este caso, el más cercano es el MOD 8. Y hacer que el contador omita los estados que no son necesarios.
Es decir:
El funcionamiento de este circuito es básicamente el mismo que hemos visto hasta ahora, pero al agregar una compuerta NAND como control de las entradas de RESET, podemos hacer que nuestro contador se recicle al llegar al número que deseemos. Cada una de las entradas está conectada a la salida de un FF, dependiendo de cuáles BITS sea, la compuerta ordenará el RESET a todos los FF, enviando la cuenta a cero o "reciclándola".
En este caso, una de las entradas de la compuerta NAND está conectada a la salida Q1 (Segundo BIT), y la otra a Q2 (Tercer BIT), por lo que solamente habrá un pulso de RESET a la salida en la compuerta cuando sus dos entradas se encuentren en el estado ALTO. Por lo que la compuerta actuará cuando esté presente el número seis (110), enviando la cuenta nuevamente a cero (000).
Dirección de la cuenta en los contadores de rizo.
Hasta ahora sólo hemos visto contadores asíncronos que siempre elevan el número de la cuenta, pero ¿Cómo lograr que el contador funcione restando la cuenta? La solución es muy sencilla, simplemente se alimentan los FF con las salidas Negadas o Invertidas de los FF, no importa el número MOD de un contador, si se toman las salidas Negadas como reloj para los siguientes FF, la cuenta siempre será hacia abajo.
Contadores Síncronos
Los contadores síncronos se diferencian de los asíncronos en que la señal de reloj va a ser común a todos los biestables, lo que va a motivar que todos los cambios se produzcan a la vez, solventando de esta forma los problemas que presentaban los asíncronos enunciados en el apartado anterior. Como inconveniente, necesitan una lógica adicional conectada a las entradas de los biestables; lógica que vamos a tener que diseñar siguiendo un proceso que en ocasiones puede resultar largo y laborioso.
Al comparar el circuito síncrono y el asíncrono, podremos observar diferencias muy marcadas:
En este circuito, todas las entradas de reloj (CP) están conectadas a un mismo punto, logrando así que la señal de reloj sea la misma para todos los FF del contador.
Únicamente el primer BIT (FF) tiene sus entradas "J-K" conectadas a V+, y por consiguiente, será el único que se complemente (Toggle) libremente, los demás dependen de una combinación en las salidas para poder complementarse.
Para diseñar un contador síncrono se deben seguir los siguientes pasos:
1. Dibujar la tabla de transiciones donde se refleje el cambio de estado de los biestables al llegar la señal de reloj. Por ejemplo: En un contador BCD, después del 0001 vendrá el 0010, después del 0111 el 1000, después del 1001 el 0000, etc. 
2. Decidir el tipo de biestable que usaremos para implementar el contador.Se puede hacer con cualquiera de los existentes: RS, JK, T o D. 
3. A partir de la tabla de excitación del biestable elegido, completar la tabla con las entradas de los biestables para cada una de las transiciones del contador. 
4. Obtener y simplificar las funciones e implementar un contador
Funcionamiento del Contador Síncrono
observemos por un momento la secuencia de conteo de este circuito:
Como podemos observar en la gráfica, el primer BIT siempre cambia de estado con cada pulso de reloj, el segundo cambia cada dos, el tercero cada cuatro, y el cuarto cada ocho.
En los contadores asíncronos, este efecto es automático y no hay que preocuparse por él, pero en el caso de los contadores síncronos, tenemos que forzar a cada FF a complementarse de manera precisa y controlada Para que este cambio se lleve a cabo, se utilizan las dos compuertas, tomemos como ejemplo la compuerta de dos entradas, solamente cuando sus dos entradas se encuentren en el estado alto (BIT 1 = 1 y BIT 2 =1), la salida será alta, y por lo tanto "J-K" del tercer FF también, al llegar el pulso del reloj, este podrá complementarse
Ventajas de los Contadores Síncronos
La principal ventaja de este tipo de contadores sobre los asíncronos radica en que todos los FF sin importar cuántos sean, cambian al mismo tiempo, sincronizados por la señal de reloj.
Una ventaja derivada de la primera es que el tiempo de propagación se reduce al mínimo, ya que el conteo sólo debe propagarse por una o dos compuertas y un FF (Ya que cambian al mismo tiempo, y no dependen de otro FF para operar). Por lo que el retardo de estos contadores va a ser mucho menor al de un contador asíncrono con el mismo número de FF (BITS).
Contadores síncronos de cuenta Ascendente/Descendente
Con anterioridad vimos como un contador asíncrono "normal" (Conteo ascendente) podía ser modificado para hacer el conteo descendente.
 En el caso de los contadores síncronos es la misma mecánica.
 La siguiente figura nos muestra un contador MOD 8, con controles separados de cuenta ascendente/descendente.
Contadores síncronos con entradas de preestablecer
Una gran necesidad en un circuito contador es la capacidad de poder modificar la cuenta a voluntad del usuario, (de otra manera tendríamos que esperar a que llegara al número deseado de manera autónoma). La gran mayoría de circuitos contadores integrados en un solo chip cuentan con uno o más tipos de entradas de control para este fin.
El funcionamiento del contador en general es el mismo que habíamos visto antes, ero con la ventaja de que podemos enviar el contador a un número arbitrario en el momento que lo necesitemos. Para este efecto, el número a cargar se pone en las entradas de datos de carga en paralelo, en formato binario.
Contadores síncronos (paralelos) integrados en un chip
Para evitar lo complejo y obsoleto de los contadores discretos (Circuitos con FF y compuertas lógicas), se utilizan los contadores integrados en un solo chip, en el mercado se puede conseguir una amplia gama de modelos con diferentes características, como Números MOD, entradas de pre-establecimiento, etc. Un contador síncrono MOD 16 pre-fijable y reset asíncrono y con salidas de acarreo.
Descripción del funcionamiento de las entradas / salidas
Entrada CPU: Esta entrada sólo responderá a las TP (Transiciones positivas) de la señal de reloj, se puede identificar claramente por la falta de un círculo o una línea debajo del símbolo de la entrada. Y su propósito es el de enviar los pulsos de reloj para activar la cuenta Ascendente.
Entrada CPD: Esta entrada sólo responderá a las TP (Transiciones positivas) de la señal de reloj, se puede identificar claramente por la falta de un círculo o una línea debajo del símbolo de la entrada. Y su propósito es el de enviar los pulsos de reloj para activar la cuenta Descendente.
Entrada PL: Esta entrada sólo será activa al estar en el estado BAJO, se puede identificar claramente por el pequeño círculo o una línea debajo del símbolo de la entrada. Y su propósito es el de enviar los pulsos para activar la carga de un número paralelo pre-establecido.
Entrada MR: Esta entrada sólo será activa al estar en el estado BAJO se puede identificar claramente por el pequeño círculo o una línea debajo del símbolo de la entrada. Esta entrada es la encargada de activar el RESET general, enviando todas las salidas al estado BAJO, es decir, al número 0000.
Contador de anillo
Un tipo de contadores que funcionan de manera especial son los llamados "Registros de corrimiento", el contador de anillo o "registro de corrimiento circulante" es el más sencillo de ellos. Este nombre se toma de la manera en la que está conectado el circuito contador, Cada FF transfiere el estado presente en su entrada al siguiente FF con cada pulso de la entrada de reloj, y el último FF regresa ese estado al primero, cerrando así el "Anillo".