Sintesi

Il 4029 IC Up-Down Counter è un circuito integrato altamente versatile e programmabile appartenente alla serie 4000 di circuiti integrati della famiglia logica CMOS. Introdotta inizialmente da RCA nel 1968, questa serie è stata ampiamente adottata grazie alla sua ampia gamma di tensioni di alimentazione e al suo design robusto, che l'hanno resa un punto fermo nell'evoluzione dell'elettronica digitale.

. Il circuito integrato 4029 è particolarmente noto per la sua capacità di eseguire il conteggio sia binario che BCD (decimale codificato in binario), nonché per le sue capacità di conteggio verso l'alto e verso il basso, che lo rendono essenziale per applicazioni che vanno dagli orologi digitali ai sistemi digitali complessi. Prodotto da una serie di aziende importanti come Fairchild Semiconductor, Intersil Corporation, National Semiconductor e Texas Instruments, il circuito integrato 4029 ha goduto di una produzione e di un utilizzo diffusi, con ogni produttore che offre diverse opzioni di packaging e schede tecniche. Il progetto del circuito integrato include caratteristiche fondamentali come gli ingressi preimpostati, gli ingressi di clock e l'immunità ai disturbi, che garantiscono prestazioni affidabili in diversi ambienti e applicazioni. Nonostante i numerosi vantaggi, come il conteggio sincronizzato e l'elevata immunità ai disturbi, il circuito integrato 4029 presenta alcune limitazioni. Il suo tempo di propagazione più lento rispetto ai moderni circuiti logici ad alta velocità e la necessità di un'attenta disposizione dell'alimentazione quando viene utilizzato in famiglie logiche miste possono rappresentare delle sfide in applicazioni specifiche. Tuttavia, la sua capacità di operare su un'ampia gamma di tensioni di alimentazione e la sua flessibilità nelle configurazioni di conteggio lo rendono un componente prezioso in diversi progetti di elettronica digitale. Il circuito integrato 4029 continua a essere importante anche oggi, non solo in applicazioni pratiche come orologi digitali, sistemi di allarme e timer, ma anche in contesti educativi dove serve come strumento di apprendimento fondamentale per gli studenti che studiano l'elettronica digitale. La sua popolarità e la sua continua produzione sottolineano la sua importanza nella storia e nello sviluppo dei circuiti integrati logici digitali.

La storia

Il circuito integrato 4029, un contatore up-down preimpostabile, appartiene alla serie 4000 di circuiti integrati (CI) della famiglia logica CMOS, introdotta da RCA nel 1968.

. Questa serie di circuiti integrati si distingue per l'ampia gamma di tensioni di alimentazione, che si estende da 3 V a 18 V nella serie con buffer "B", che ha iniziato a sostituire la serie originale intorno al 1975. Il 4029 è dotato di funzionalità quali la conversione analogico-digitale e digitale-analogica, il conteggio binario up/down, il conteggio delle differenze e la generazione di magnitudine e segno. Nel corso della sua storia, la serie 4000, compreso il circuito integrato 4029, è stata ampiamente prodotta da quasi tutti i produttori di circuiti integrati attivi durante l'epoca iniziale. Tra questi produttori figurano nomi importanti come Fairchild Semiconductor, Intersil Corporation, National Semiconductor e Texas Instruments. Ciascun produttore ha fornito le proprie versioni della scheda tecnica e diverse opzioni di confezionamento, come pacchetti ceramici e plastici dual-in-line, pacchetti small-outline e pacchetti small-outline thin shrink. La versatilità e l'affidabilità del circuito integrato 4029 lo hanno reso una scelta popolare in diverse applicazioni, dai semplici compiti di conteggio ai complessi sistemi digitali. La sua eredità duratura è testimoniata dalla sua continua disponibilità e dal suo utilizzo nell'elettronica moderna, a dimostrazione della sua importanza nell'evoluzione dei circuiti integrati logici digitali.

Design e caratteristiche

Il circuito integrato 4029 è un versatile contatore up-down noto per le sue varie caratteristiche che supportano un'ampia gamma di applicazioni nell'elettronica digitale. Il circuito integrato facilita diverse modalità di conteggio, tra cui la conversione analogico-digitale e digitale-analogica, il conteggio binario up/down, il conteggio per differenza, la generazione di magnitudine e segno e il conteggio decennale up/down.

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Funzionalità del contatore

Il 4029 è progettato per gestire il conteggio binario e BCD (decimale a codice binario). Funziona in modalità up/down, il che lo rende adatto a diverse applicazioni di conteggio. Il contatore può essere facilmente collegato in cascata con altri contatori per aumentare il campo di conteggio. Ciò si ottiene accoppiando il pin di carry-out di un circuito integrato al pin di carry-in del circuito integrato successivo, consentendo il conteggio di incrementi o decrementi senza soluzione di continuità.

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Ingressi e uscite

Ingresso orologio

L'ingresso di clock, noto anche come impulso di clock o segnale di clock, è fondamentale per l'attivazione del circuito integrato. Nel 4029, tutti e quattro i flip-flop sono sincronizzati con lo stesso segnale di clock, assicurando un funzionamento coerente in tutto il contatore.

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Ingressi preimpostati

Il circuito integrato comprende quattro ingressi di preimpostazione (A, B, C e D), di cui A è il bit meno significativo (LSB) e D il bit più significativo (MSB). Questi ingressi consentono di precaricare il contatore con un valore specifico quando il pin di abilitazione della preimpostazione è impostato su un valore logico alto. Il pin di abilitazione preimpostato deve essere controllato logicamente per caricare correttamente i dati senza interrompere la sequenza di conteggio.

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Ingresso di preimpostazione attivo alto

L'ingresso di preselezione attivo alto viene comunemente utilizzato per caricare i dati dai terminali di preselezione. Questo pin funziona in modo asincrono con il segnale di clock, consentendo il caricamento dei dati indipendentemente dagli ingressi di clock. Per avviare il processo di conteggio, è necessario applicare un valore logico basso all'ingresso di abilitazione della preimpostazione; in caso contrario, il contatore non si incrementa.

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Caratteristiche elettriche

Alimentazione elettrica

Il circuito integrato 4029 si distingue per la capacità di funzionare in un'ampia gamma di tensioni di alimentazione, che lo rende adatto a diversi ambienti e applicazioni. La tecnologia CMOS utilizzata per la sua costruzione garantisce un basso consumo di energia e un'elevata immunità ai disturbi, particolarmente vantaggiosa per i segnali a lenta variazione o rumorosi.

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Capacità di output

Le uscite del 4029 sono progettate per pilotare direttamente gli ingressi dei gate 74LS quando sono alimentati da una tensione di +5 V, dimostrando la sua flessibilità in ambienti a logica mista. Tuttavia, è necessario prestare attenzione alla compatibilità dell'alimentazione quando si mescolano famiglie logiche diverse, come la serie 4000 e il 74HC, per evitare problemi di funzionamento.

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Immunità al rumore

Una delle caratteristiche principali della serie 4000, compreso il 4029, è la sua robusta immunità ai disturbi. Ciò è dovuto in parte agli ingressi a trigger Schmitt presenti in alcuni modelli, che forniscono isteresi e contribuiscono a filtrare il rumore dei segnali di ingresso a lenta variazione.

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Modalità operative

Il contatore up-down IC 4029 è un componente versatile in grado di funzionare in diverse modalità, che possono essere adattate a specifici requisiti di conteggio nei sistemi digitali. Queste modalità includono il conteggio binario e decadico BCD, oltre a funzionalità di conteggio verso l'alto e verso il basso.

Conteggio binario e decadale BCD

Il circuito integrato 4029 può funzionare in modalità binaria o BCD (Binary-Coded Decimal) a seconda del livello di tensione applicato al pin di ingresso BINARY/DECADE. Quando l'ingresso BINARY/DECADE è alto, il contatore funziona in modalità binaria. Al contrario, quando l'ingresso BINARY/DECADE è basso, il contatore passa alla modalità decadica.

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Conteggio su e giù

La direzione del conteggio (verso l'alto o verso il basso) è controllata dal pin di ingresso UP/DOWN. Un segnale alto sull'ingresso UP/DOWN fa salire il conteggio del contatore, mentre un segnale basso lo fa scendere.

. Questa caratteristica consente al circuito integrato di contare sequenze di eventi sia crescenti che decrescenti, rendendolo adatto a una serie di applicazioni come la misurazione di intervalli di tempo e il conteggio di eventi.

Clock parallelo e Ripple

È possibile configurare più circuiti integrati 4029 in modalità di clock parallelo o di ripple-clocking per estendere la gamma e le capacità di conteggio. Il clock parallelo fornisce un controllo sincrono e determina una risposta più rapida da parte di tutte le uscite di conteggio, mentre il ripple-clocking consente tempi di salita e discesa dell'ingresso di clock più lunghi.

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Abilitazione preset e ingressi JAM

Il circuito integrato 4029 include una funzione di abilitazione preimpostata che consente di impostare il contatore in modo asincrono su qualsiasi stato in base agli ingressi JAM (A, B, C, D). Quando l'ingresso di abilitazione preimpostata è alto, i valori degli ingressi JAM vengono caricati nel contatore, impostandone immediatamente lo stato.

. Questa funzione è particolarmente utile per le applicazioni che richiedono il caricamento di un conteggio predefinito prima di avviare il processo di conteggio.

Flessibilità funzionale

Il circuito integrato 4029 è stato progettato all'insegna della flessibilità funzionale e offre una serie di modalità operative che possono essere personalizzate attraverso i vari controlli di ingresso. Questa adattabilità lo rende un componente prezioso per numerose applicazioni digitali, tra cui sveglie, timer, indicatori di luce lampeggiante e altro ancora.

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Applicazioni

Il circuito integrato 4029, un contatore up-down, è un componente versatile utilizzato in vari progetti di elettronica digitale. Una delle sue applicazioni principali è negli orologi digitali, dove funziona come parte del meccanismo di misurazione del tempo. Ad esempio, in un progetto di orologio digitale, l'IC 4029 lavora insieme ad altri componenti come gli IC 4013 e 4060 per generare un'uscita accurata a 1Hz per il cronometraggio.

. Il contatore può essere configurato per incrementare o decrementare il conteggio, essenziale per impostare l'ora. Gli utenti spesso incorporano pulsanti per incrementare i minuti e le ore, utilizzando i segnali di clock inviati a specifici pin dell'IC 4029. Il circuito integrato 4029 è anche parte integrante di progetti che richiedono funzionalità di temporizzazione e conteggio precise. Ad esempio, viene utilizzato insieme al circuito integrato 4060, che fornisce una divisione di frequenza, consentendo al 4029 di contare in modo prevedibile e preciso. L'oscillatore integrato nel circuito integrato 4060 e il contatore a ripple a 14 stadi facilitano una serie di applicazioni, tra cui orologi digitali e circuiti di temporizzazione, fornendo un'uscita di frequenza stabile. Questa combinazione è utile per creare orologi a batteria con indicazione di ore, minuti e secondi che siano efficienti dal punto di vista energetico e compatti. Inoltre, il circuito integrato 4029 è utile in ambito didattico per insegnare i concetti dell'elettronica digitale. La sua configurazione semplice e la compatibilità con altri circuiti logici standard lo rendono uno strumento eccellente per gli studenti che imparano a conoscere i contatori, i flip-flop e la progettazione di circuiti digitali. Il circuito integrato può essere facilmente integrato in vari progetti, consentendo agli studenti di sperimentare il conteggio up-down e di esplorare i principi della logica digitale.

Specifiche tecniche

Il circuito integrato 4029 è di tipo ad alta tensione, in grado di funzionare con una tensione nominale di 20V

. È caratterizzato da un funzionamento a media velocità, con una velocità tipica di 8 MHz a una capacità di carico (CL) di 50pF e una tensione di alimentazione (VDD - VSS) di 10V. Il circuito integrato può essere utilizzato in due modalità di clock: il clock parallelo multi-pacchetto per una risposta di uscita sincrona ad alta velocità e il ripple clocking per tempi di salita e discesa dell'ingresso di clock più lenti. Questo circuito integrato include gli ingressi "Preset Enable" e "Jam" individuali, che consentono il conteggio binario o il conteggio su/giù della decade. Il contatore può funzionare in modalità binaria quando l'ingresso BINARY/DECADE è alto e in modalità decade quando l'ingresso BINARY/DECADE è basso. La direzione del conteggio è controllata dall'ingresso UP/DOWN, dove il contatore conta verso l'alto quando l'ingresso è alto e conta verso il basso quando l'ingresso è basso. Per un collegamento efficiente, è possibile disporre più pacchetti in configurazioni di clock parallelo o di ripple clocking, con il clock parallelo che fornisce risposte più rapide e il ripple clocking che consente tempi di salita e discesa dell'ingresso di clock più lunghi. Il circuito integrato emette decimali a codifica binaria (BCD) in modalità decadica e offre caratteristiche di uscita simmetriche standardizzate. È stato accuratamente testato per garantire una corrente di quiescenza massima a 20 V e offre valori nominali parametrici a 5 V, 10 V e 15 V. La corrente d'ingresso massima è specificata a 1µA a 18V sull'intero intervallo di temperatura del pacchetto e a 100nA a 18V e +25°C. Inoltre, il margine di rumore sull'intera gamma di temperature del package è di 1V a VDD = 5V, 2V a VDD = 10V e 2,5V a VDD = 15V. Il circuito integrato 4029 soddisfa tutti i requisiti dello standard provvisorio JEDEC n. 13B per le "Specifiche standard per la descrizione dei dispositivi CMOS della serie 'B'". Il circuito integrato è disponibile in vari contenitori a 16 conduttori, tra cui Braze Seal DIP H4X, Frit Seal DIP H2F e Ceramic Flatpack H6W.

Vantaggi e limiti

Il contatore up-down IC 4029, parte della famiglia di logiche della serie 4000, offre diversi vantaggi e limiti nelle sue applicazioni.

Vantaggi

Uno dei principali vantaggi del circuito integrato 4029 è la sua capacità di conteggio sincrono. A differenza dei contatori ripple, che possono presentare glitch dovuti alla propagazione sequenziale del segnale di clock, le uscite del 4029 cambiano esattamente insieme a ogni impulso di clock. Questo comportamento sincronizzato lo rende particolarmente adatto a collegare le uscite a porte logiche senza il rischio di errori di temporizzazione.

. Inoltre, il circuito integrato 4029 offre flessibilità nel conteggio. Collegando le uscite appropriate all'ingresso di reset, l'utente può configurare il contatore per contare fino a qualsiasi valore inferiore al suo massimo (9 o 15), utilizzando se necessario una porta AND. Questa versatilità ne consente l'uso in una varietà di applicazioni che richiedono intervalli di conteggio specifici. Inoltre, il circuito integrato 4029 fa parte della famiglia di logiche della serie 4000, nota per la sua robustezza e la capacità di sopportare tensioni di ingresso più elevate (fino a +15 V) rispetto ad altre famiglie di logiche. Ciò lo rende adatto all'interfacciamento con diversi livelli di tensione senza circuiti aggiuntivi di spostamento di livello.

Limitazioni

Tuttavia, il circuito integrato 4029 presenta anche alcune limitazioni. Il tempo di propagazione della porta all'interno di questo circuito integrato è significativamente più lungo di quello dei circuiti logici più moderni ad alta velocità. Di conseguenza, non è adatto ad applicazioni che richiedono un funzionamento ad alta velocità.

. Un'altra limitazione riguarda la disposizione dell'alimentazione per le famiglie logiche miste. Se un circuito comprende sia circuiti integrati della serie 4000 che di altre famiglie come 74LS o 74HCT, l'alimentazione deve essere adatta a tutti i componenti. In particolare, l'uscita di un 74LS non può pilotare in modo affidabile un ingresso della serie 4000 a meno che non si utilizzi una resistenza di pull-up di 2,2kΩ, il che aumenta la complessità del circuito.

Confronto con altri contatori

Il CD4029 è un versatile contatore sincrono, programmabile e preimpostabile a 4 bit up/down, progettato per modalità di conteggio sia binarie che decennali (BCD), che lo rendono adattabile a diverse applicazioni di conteggio. È caratterizzato da un'ampia gamma di tensioni di alimentazione, un'elevata immunità ai disturbi e una compatibilità TTL a bassa potenza, che lo distinguono da altri contatori come le serie 4020, 4024 e 4040. Il CD4029 può essere paragonato direttamente a contatori come l'IC 74193, grazie alle sue funzionalità simili in termini di capacità di conteggio up/down e di ingressi preimpostabili. Tuttavia, una differenza notevole è rappresentata dall'esclusivo pin del CD4029 che consente di selezionare le modalità di conteggio binarie e BCD, non presenti nel 74193.

. A differenza dei modelli CD4020, CD4024 e CD4040, che sono contatori binari a ondulazione, il CD4029 offre un funzionamento sincrono. I contatori ripple-carry avanzano di un conteggio sulla transizione negativa di ogni impulso di ingresso e possono introdurre glitch dovuti a lievi ritardi nelle uscite del contatore che rispondono a un impulso di clock. Si tratta di una differenza fondamentale perché il CD4029 evita questi glitch impiegando il conteggio sincrono, garantendo operazioni più precise e affidabili nelle applicazioni che richiedono temporizzazione e conteggio stabili. Inoltre, la capacità del CD4029 di funzionare come contatore binario o BCD offre una notevole flessibilità. Quando l'ingresso binario/decadale è a "1" logico, il contatore funziona in modalità binaria, altrimenti in modalità decadale. Inoltre, il contatore può contare in aumento quando l'ingresso up/down è a "1" logico e in diminuzione quando è a "0" logico. In termini di applicazioni, il CD4029 trova impiego nelle sveglie, nei timer AC, nei timer delle telecamere, negli indicatori di luce lampeggiante delle automobili e nei controlli di parcheggio. Viene inoltre impiegato in scenari in cui è necessario contare il tempo assegnato a un processo o a un evento specifico dal programmatore. Questa versatilità e facilità d'uso nelle applicazioni pratiche distinguono ulteriormente il CD4029 dagli altri contatori.

Circuiti integrati correlati

Il circuito integrato CD4029 fa parte della più ampia serie di circuiti integrati CD4000, che comprende vari tipi di componenti logici digitali e analogici. Come il CD4029, altri contatori di questa serie sono i 4518 e 4520. Questi contatori possono essere collegati tra loro in una configurazione di ripple counter, anche se il conteggio sincrono può richiedere porte logiche aggiuntive per evitare glitch causati da lievi ritardi nelle uscite del contatore.

. Anche i chip logici standard come il 74160, il 74190 e il 7490 presentano analogie funzionali con il CD4029, offrendo funzionalità per le modalità di conteggio binarie e BCD (decade). La differenza principale tra il CD4029 e altri contatori come l'IC 74193 risiede nell'esclusiva configurazione dei pin del CD4029, che gli consente di passare dalla modalità di conteggio binaria a quella BCD. La famiglia di logiche della serie 4000, a cui appartiene il CD4029, comprende chip costruiti con transistor a canale N e P in modalità enhancement. Questi chip sono caratterizzati da un'elevata tensione di alimentazione (da 5 a 20 V) e da un'elevata immunità ai disturbi. Sono inoltre dotati di protezione contro le scariche statiche mediante diodi di bloccaggio. Un altro componente correlato che vale la pena menzionare è il 7456, che fa parte della serie 7400. Questa serie contiene chip logici classici che implementano funzioni di divisione di frequenza, tra cui la divisione intero-n utilizzando flip-flop D. Queste configurazioni mantengono la coerenza di frequenza e di fase con la sorgente anche in presenza di variazioni ambientali come la temperatura. Questi circuiti integrati forniscono opzioni versatili per varie applicazioni di logica digitale, assicurando che i progettisti possano scegliere il circuito integrato più adatto alle loro esigenze specifiche.