Comment fonctionne un compteur Johnson CD 4017

Le compteur Johnson 4017 est un circuit intégré rapide à 5 étages, qui fonctionne comme un compteur/décodeur décimal synchrone, avec dix sorties entièrement décodées (Q0 à Q9). Ces dix sorties s’activent séquentiellement, une à la fois, en passant à l’état “HAUT”, tandis que toutes les autres sorties restent à l’état “BAS”. Ce changement d’état se produit à chaque nouvel front monté du signal d’horloge externe.

Les compteurs à anneau sont couramment utilisés dans les circuits numériques pour générer une séquence de sorties, le compteur à anneau le plus simple étant créé à partir de registres à décalage série en entrée, série en sortie (SISO). La seule différence est que la sortie du dernier flip-flop est reconnectée à l’entrée du premier flip-flop, ce qui permet à un seul bit (ou zéro) de circuler autour de l’anneau.

Un compteur Johnson est fondamentalement un registre à décalage circulant qui utilise un « retour » afin que la sortie du dernier flip-flop soit reconnectée d’une manière ou d’une autre au premier flip-flop, produisant ainsi une séquence particulière d’états de comptage.

Étant donné que le compteur Johnson est basé sur un registre à décalage, nous pouvons construire un circuit de base à 4 bits en utilisant des flip-flops JK en les configurant comme des registres à décalage avec retour inversé. Le changement d’état de tous les flip-flops JK est initié par un signal d’horloge commun, créant ainsi une séquence de comptage unique.

Compteur Johnson 4 bits de base utilisant des flip-flops JK

Ce compteur Johnson est constitué de quatre flip-flops (FFA, FFB, FFC, et FFD) connectés en série, avec les sorties d’un flip-flop alimentant le suivant, décalant ainsi les données d’un bit à la fois à chaque cycle d’horloge. La sortie Q de chaque flip-flop est directement connectée à l’entrée J du prochain dispositif. De même, la sortie not-Q (Q) est connectée à l’entrée K du dispositif suivant.

Cependant, les deux sorties Q et Q du dernier flip-flop JK (FFD) sont inversées et renvoyées comme entrées au premier flip-flop JK, FFA, afin d’obtenir le comportement d’anneau tordu ou de marche requis. Ainsi, cela fonctionne comme un compteur Johnson à anneau tordu.

Synchronisé par un signal d’entrée d’horloge commun (CLK), le circuit avance à chaque front montant pour générer chacun des états de sortie. Au départ, toutes les sorties Q sont réglées sur zéro (BAS). Lorsque J = 0 et K = 1, chaque flip-flop se réinitialise, produisant la sortie Q = 0 et Q = 1. Lorsque J = 1 et K = 0, chaque flip-flop se règle et la sortie change en Q = 1 et Q = 0, et ainsi de suite.

Table de vérité pour le compteur à anneau Johnson

Nous pouvons voir à partir de la table de vérité qu’un état HAUT est décalé le long de chaque sortie. La fréquence de la sortie à Q_D est donc le signal d’horloge divisé par 2n. Ce type de configuration de compteur numérique est connu sous le nom de compteur divisé par 2n, ou plus communément compteur à anneau tordu.

Le compteur Johnson CD 4017

Nous avons vu ci-dessus que différents types de flip-flops synchronisés peuvent être connectés ensemble pour former des Registres à décalage et des Compteurs à anneau où la sortie “Q” d’un flip-flop alimente l’entrée du flip-flop suivant dans la chaîne.

Tous les signaux d’horloge des flip-flops sont connectés ensemble, leur permettant de changer d’état simultanément. C’est-à-dire que tous les flip-flops sont synchronisés au même moment.

Une variation très utile d’un compteur à anneau tordu disponible en tant que circuit intégré est le compteur Johnson CD 4017. Ce dispositif à 5 étages utilise un décodage interne pour produire un effet de ripple à partir de ses sorties entièrement décodées.

Le CMOS CD4017 (ou le 74HC4017) est essentiellement un registre à décalage circulant entièrement décodé, souvent appelé compteur Johnson, qui compte de 0 à 9 de manière cyclique. Il dispose de dix sorties décodées (Q0 à Q9), chacune passant à l’état HAUT de manière séquentielle lors de chaque impulsion d’horloge. Ainsi, les sorties du compteur Johnson 4017 sont effectivement des sorties uniques parmi 10.

Ensuite, à chaque front montant de l’horloge d’entrée (CLK), l’une des dix sorties passe à l’état “HAUT” (logique “1”) dans l’ordre séquentiel de 1 à 10 (toutes les autres neuf sorties sont BAS) avec chaque sortie capable de piloter de petites charges, telles que des LEDs et des transistors.

Compteur Johnson 4017

Le CD 4017 est configuré comme un compteur décimal avec ses broches d’inhibition (INH) et de réinitialisation mises à la terre (0V). Ainsi, les sorties du compteur CD 4017 s’incrémentent ou avancent pas à pas à chaque nouvelle impulsion d’horloge. Il est clair que la vitesse à laquelle l’une des dix sorties (Q0 à Q9) passe à l’état HAUT dépend de la fréquence d’entrée de l’horloge (CLK).

Nous pouvons utiliser ces sorties décodées pour produire toute une gamme de circuits de séquençage LED sous forme d’affichage “point de lumière” ou “poursuite de lumière”, déplaçant une LED éclairée autour de l’anneau de dix.

Circuit LED du compteur Johnson CD 4017

Les 10 LEDs peuvent être disposées dans la forme que vous souhaitez, formant une ligne droite, un cercle (LEDs rotatives) ou toute autre forme décorative pour votre projet scolaire.

Décodage du compteur Johnson 4017

Le compteur Johnson 4017 possède dix états distincts, de 1 à 10, avant de répéter sa séquence de sortie tous les 10 cycles. Ainsi, il peut être classé comme un compteur Johnson MOD-10 où chaque sortie de Q0 à Q9 produit un signal carré à chaque un dixième de la fréquence d’entrée de l’horloge.

Nous pouvons également décoder les sorties de ce compteur décimal 4017 pour créer un compteur décimal “divisé par-N” avec “N” sorties décodées, où “N” peut être n’importe quel nombre compris entre 2 et 10.

Compteur divisé par-N

En utilisant le commutateur S1 pour sélectionner la broche de sortie requise et la renvoyer à la broche de réinitialisation du 4017 (broche 15), des séquences de comptage inférieures à dix du signal d’horloge d’entrée peuvent être obtenues. Dans cet exemple simple, lorsque la broche 7 passe à l’état HAUT, la séquence de comptage est réinitialisée à zéro. Ainsi, la séquence de sortie est de 1 à 3 (de 0 à 2) en faisant de cela un compteur à anneau divisé par 3.

Avantage ici, par rapport à un circuit diviseur composé de flip-flops JK ou D, ce circuit diviseur décimal 4017 est plus simple et plus flexible, surtout lorsque le nombre de division n’est pas une puissance entière de 2. Cependant, même si cela fonctionnera, il est préférable d’utiliser des portes logiques supplémentaires pour produire une impulsion de réinitialisation propre en utilisant à la fois le signal d’horloge d’entrée et la broche de sortie sélectionnée.

Cascading de compteurs Johnson 4017

Une des caractéristiques utiles du compteur décimal CD 4017 à 5 étages est sa capacité à diviser une fréquence d’horloge d’entrée par 10 ou moins à l’aide de sa logique de décodage interne pour produire un comptage avec mod-10. Cependant, à mesure que le module augmente, le nombre d’étapes nécessaires pour décoder la sortie augmente également.

Nous pouvons créer des modules de division de fréquence décimale pour diviser par 100 ou des puissances plus élevées de 10 simplement en cascade des compteurs décimaux 4017 individuels. Par exemple, si nous mettons en cascade trois compteurs décimaux CD 4017, nous pouvons créer des divisions décimales allant de ƒ_IN/10 à ƒ_IN/1000 sur ses 30 broches de sortie.

Compteurs en cascade

Si nous fournissons au premier compteur 4017 un signal d’horloge d’entrée de 1 kHz, la dernière sortie Q₉ sur le troisième compteur 4017 produira un signal de 1 Hz. Ainsi, pour trois compteurs CD 4017 connectés en cascade, ƒ_IN/1000 = 1000Hz/1000 = 1Hz. Notez qu’en mettant en cascade des compteurs Johnson 4017, la séquence “1 parmi 10” ne s’étend pas à “1 parmi 20”, “1 parmi 30” ou plus, mais s’étend par multiples de 10.

Par conséquent, en sélectionnant la broche de sortie appropriée, nous pouvons créer un compteur de pulse décimal divisé par n de toute valeur entière que nous voulons, de 2 à 30 dans notre exemple. Ainsi, en utilisant la caractéristique de commutation du compteur 4017, chaque sortie change d’état de BAS à HAUT dans l’ordre, un affichage numérique décimal comptant ou une roue de roulette pourrait être réalisé en utilisant 30 LEDs.

Résumé du tutoriel

Nous avons ici vu dans ce tutoriel sur le compteur décimal CD 4017 que le compteur Johnson est essentiellement un registre à décalage avec la sortie complémentaire du dernier flip-flop reconnectée à l’entrée du premier flip-flop afin de produire une séquence de comptage particulière de zéro à neuf, puis se réinitialisant à nouveau à zéro.

Le compteur Johnson CD 4017 est un compteur à anneau synchrone ou un circuit diviseur d’impulsions d’entrée d’horloge, où les entrées d’horloge (CLK) de tous les flip-flops sont connectées ensemble, permettant au même front d’horloge de déclencher simultanément tous les flip-flops connectés en série, éliminant ainsi tout retard de propagation.

Nous avons également vu que deux ou plusieurs circuits intégrés CD4017 peuvent être mis en cascade pour produire des séquences de comptage décimales plus grandes ou des circuits de division d’impulsions avec une division “n” fois la fréquence. Chaque compteur produit une division de ƒ_IN/10.

Enfin, le compteur Johnson CD 4017 est un moyen très flexible et simple de produire des séquences de comptage décimales, et si des diodes électroluminescentes (LED) sont connectées aux broches de sortie Q0 à Q9, le nombre d’impulsions d’horloge peut être vu visuellement.