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Synchronzähler und der 4-Bit-Synchronzähler

Zähler

Im vorherigen Asynchronous-Binärzähler-Tutorial haben wir gesehen, dass der Ausgang einer Zählstufe direkt mit dem Takteingang der nächsten Zählstufe usw. in der Kette verbunden ist.

Dies hat zur Folge, dass der asynchrone Zähler an einer sogenannten "Propagation Delay" leidet, bei der das Zeitsignal durch jedes Flip-Flop um einen Bruchteil verzögert wird.

Jedoch mit der Synchrone Zählerist das externe Taktsignal mit dem verbundenTakteingang von JEDEM einzelnen Flip-Flop innerhalb des Zählers, so dass alle Flip-Flops gleichzeitig (parallel) zur gleichen Zeit getaktet werden, was eine feste Zeitbeziehung ergibt. Mit anderen Worten, Änderungen in der Ausgabe treten bei einer "Synchronisation" mit dem Taktsignal auf.

Das Ergebnis dieser Synchronisation ist das allesDie einzelnen Ausgangsbits ändern ihren Zustand zu genau derselben Zeit als Reaktion auf das gemeinsame Taktsignal ohne Welligkeitseffekt und daher ohne Laufzeitverzögerung.

Binärer 4-Bit-Synchron-Up-Zähler

synchroner Zähler

Es ist oben zu sehen, dass die externe UhrImpulse (zu zählende Impulse) werden jedem der JK-Flipflops in der Zählkette direkt zugeführt, und sowohl die J- als auch die K-Eingänge sind alle im Umschaltmodus miteinander verbunden, jedoch nur im ersten Flipflop, Flipflop FFA (LSB) sind sie HIGH, logisch "1", wodurch das Flip-Flop bei jedem Taktimpuls umschalten kann. Dann folgt der Synchronzähler einer vorbestimmten Folge von Zuständen als Reaktion auf das gemeinsame Taktsignal, wobei er für jeden Impuls einen Zustand vorrückt.

Die J- und K-Eingänge des Flip-Flops FFB sind direkt mit dem Ausgang Q verbundenEIN von Flipflop FFA, aber die J- und K-Eingänge vonDie Flip-Flops FFC und FFD werden von separaten UND-Gattern angesteuert, denen auch Signale von Eingang und Ausgang der vorherigen Stufe zugeführt werden. Diese zusätzlichen UND-Gatter erzeugen die erforderliche Logik für die JK-Eingänge der nächsten Stufe.

Wenn wir aktivieren, dass jedes JK-Flip-Flop basierend auf umschalten kannUnabhängig davon, ob alle vorhergehenden Flip-Flop-Ausgänge (Q) "HIGH" sind oder nicht, können wir dieselbe Zählfolge wie bei der asynchronen Schaltung erhalten, jedoch ohne den Ripple-Effekt, da jedes Flip-Flop in dieser Schaltung exakt zur selben Zeit getaktet wird .

Dann gibt es keine inhärente Ausbreitungsverzögerung inBei synchronen Zählern ist die maximale Betriebsfrequenz dieses Frequenzzählertyps viel höher als bei einer ähnlichen asynchronen Zählerschaltung, da alle Zählstufen gleichzeitig ausgelöst werden.

Timing-Diagramm des synchronen 4-Bit-Zählers

synchrone Zählwellenform

Da dieser synchrone 4-Bit-Zähler bei jedem Taktimpuls sequentiell zählt, zählen die resultierenden Ausgaben von 0 (0000) bis 15 (1111) aufwärts. Daher wird diese Art von Zähler auch als bezeichnet 4-bit synchroner Aufwärtszähler.

Wir können jedoch leicht eine erstellen 4-bit synchroner Abwärtszähler durch Verbinden der UND-Gatter mit dem Q-Ausgang vondie Flip-Flops wie gezeigt, um ein Wellenform-Zeitdiagramm in umgekehrter Reihenfolge zu erzeugen. Hier beginnt der Zähler mit allen seinen Ausgängen HIGH (1111) und zählt bei Anlegen jedes Taktimpulses auf Null (0000), bevor er sich wiederholt.

Binärer 4-Bit-Synchron-Down-Zähler

synchroner Abwärtszähler

Da durch werden synchrone Zähler gebildetFlip-Flops zusammen und eine beliebige Anzahl von Flip-Flops können miteinander verbunden oder „kaskadiert“ werden, um einen Binärzähler „Teilen durch n“ zu bilden. Die Modulo- oder MOD-Nummer gilt weiterhin für asynchrone Zähler, also eine Dekade Zähler oder BCD-Zähler mit Zählungen von 0 bis 2n-1 kann zusammen mit abgeschnittenen Sequenzen erstellt werden. Um den MOD-Wert eines synchronen Aufwärts- oder Abwärtszählers zu erhöhen, benötigen Sie lediglich ein zusätzliches Flip-Flop und ein UND-Gatter.

Dekadierter 4-Bit-Synchronzähler

Es kann auch ein 4-Bit-Dekadenzähler seinEr wird mit synchronen Binärzählern aufgebaut, um eine Zählfolge von 0 bis 9 zu erzeugen. Ein Standard-Binärzähler kann mit Hilfe einiger zusätzlicher Logik in einen Dekadenzähler (Dezimalzahl 10) umgewandelt werden, um die gewünschte Zustandsfolge zu implementieren. Nachdem der Zähler "1001" erreicht hat, wird der Zähler auf "0000" zurückgeführt. Wir haben jetzt ein Jahrzehnt oder Modulo-10 Zähler.

Dekadierter 4-Bit-Synchronzähler

Dekadenzähler

Die zusätzlichen UND-Gatter erkennen beim ZählenSequenz erreicht "1001" (Binary 10) und bewirkt, dass das Flip-Flop FF3 beim nächsten Taktimpuls wechselt. Das Flipflop FF0 schaltet bei jedem Takt um. Somit wird der Zähler zurückgesetzt und beginnt bei "0000" erneut und erzeugt einen synchronen Dekadenzähler.

Wir könnten das zusätzliche leicht umstellenUND-Gatter in der obigen Zählerschaltung, um andere Zählnummern zu erzeugen, beispielsweise einen Mod-12-Zähler, der 12 Zustände von "0000" bis "1011" (0 bis 11) zählt und dann wiederholt, um sie für Uhren usw. geeignet zu machen.

Einen synchronen Zähler auslösen

Synchrone Zähler Verwenden Sie flankengesteuerte Flip-Flops, die den Status ändernentweder bei der „positiven Flanke“ (steigende Flanke) oder der „negativen Flanke“ (fallenden Flanke) des Taktimpulses am Steuereingang, was zu einer einzigen Zählung führt, wenn der Takteingang seinen Zustand ändert

Im Allgemeinen zählen synchrone Zähler auf dieDie steigende Flanke, die den Übergang von niedrig nach hoch des Taktsignals darstellt, und die asynchronen Wellenzähler zählen auf die fallende Flanke, die den Übergang von hoch nach niedrig des Taktsignals darstellt.

synchrone Taktsignale

Es kann ungewöhnlich erscheinen, dass Ripple-Counter das verwendenfallende Flanke des Taktzyklus, um den Status zu ändern, dies macht es jedoch einfacher, Zähler miteinander zu verknüpfen, da das höchstwertige Bit (MSB) eines Zählers den Takteingang des nächsten ansteuern kann.

Dies funktioniert, weil das nächste Bit den Status ändern mussWenn das vorherige Bit von hoch nach niedrig wechselt - der Punkt, an dem ein Übertrag zum nächsten Bit erfolgen muss. Synchrone Zähler verfügen normalerweise über einen Ausbring- und einen Bring-In-Pin, um die Zähler miteinander zu verbinden, ohne dass Verzögerungen auftreten.

Synchrone Zählerzusammenfassung

Um dann einige der wichtigsten Punkte zu synchronen Zählern zusammenzufassen:

  • Synchrone Zähler kann aus Toggle- oder D-Flip-Flops hergestellt werden.
  • Synchrone Zähler sind einfacher zu entwerfen als asynchrone Zähler.
  • Sie werden als synchrone Zähler bezeichnet, da der Takteingang der Flip-Flops erfolgt
    werden alle gleichzeitig mit dem gleichen Taktsignal getaktet.
  • Durch diesen gemeinsamen Takt schalten oder wechseln alle Ausgangszustände gleichzeitig.
  • Wenn alle Takteingänge miteinander verbunden sind, gibt es keine inhärente Laufzeitverzögerung.
  • Synchrone Zähler werden manchmal als parallele Zähler bezeichnet, da die Uhr allen Flip-Flops parallel zugeführt wird.
  • Die inhärente Speicherschaltung verfolgt den gegenwärtigen Zustand der Zähler.
  • Die Zählfolge wird mit Logikgattern gesteuert.
  • Im Vergleich zu asynchronen Zählern kann ein insgesamt schnellerer Betrieb erzielt werden.

Im nächsten Tutorial zu Zählern werden wir bidirektionale Zähler betrachten, die sowohl nach oben als auch nach unten zählen können.

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