数字电子-计数器

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计数器是一种时序电路。用于计数脉冲的数字电路称为计数器。计数器是触发器应用最广泛的领域之一。它是一组带有时钟信号的触发器。计数器有两种类型。

  • 异步或行波计数器
  • 同步计数器

异步或行波计数器

2位行波向上计数器的逻辑图如图所示。使用了触发(T)触发器。但是我们也可以使用JK触发器，J和K永久连接到逻辑1。外部时钟应用于触发器A的时钟输入，QA输出应用于下一个触发器的时钟输入，即FF-B。

逻辑图

Logic Diagram of Asynchronous or ripple counters

操作

序号 条件 操作
1 最初让两个FF都处于复位状态 QBQA = 00最初
2 第一个负时钟沿后

一旦应用第一个负时钟沿，FF-A将翻转，QA将等于1。

QA连接到FF-B的时钟输入。由于QA已从0变为1，FF-B将其视为正时钟沿。QB没有变化，因为FF-B是负边沿触发的FF。

第一个时钟脉冲后，QBQA = 01。
3 第二个负时钟沿后

在第二个负时钟沿到达时，FF-A再次翻转，QA = 0。

QA的变化对FF-B起到了负时钟沿的作用。因此它也将翻转，并且QB将为1。

第二个时钟脉冲后，QBQA = 10。
4 第三个负时钟沿后

在第三个负时钟沿到达时，FF-A再次翻转，QA从0变为1。

由于这是一个正向变化，FF-B对此没有响应并保持不活动。因此QB不改变，并继续等于1。

第三个时钟脉冲后，QBQA = 11。
5 第四个负时钟沿后

在第四个负时钟沿到达时，FF-A再次翻转，QA从0变为1。

QA的这个负向变化对FF-B起到了时钟脉冲的作用。因此它翻转以将QB从1变为0。

第四个时钟脉冲后，QBQA = 00。

真值表

Truth Table of Asynchronous or ripple counters

同步计数器

如果“时钟”脉冲同时应用于计数器中的所有触发器，则此类计数器称为同步计数器。

2位同步向上计数器

FF-A的JA和KA输入连接到逻辑1。因此FF-A将作为触发触发器工作。JB和KB输入连接到QA。

逻辑图

Logic Diagram of Synchronous counter

操作

序号 条件 操作
1 最初让两个FF都处于复位状态 QBQA = 00最初。
2 第一个负时钟沿后

一旦应用第一个负时钟沿，FF-A将翻转，QA将从0变为1。

但在应用负时钟沿的瞬间，QA，JB = KB = 0。因此FF-B不会改变其状态。所以QB将保持为0。

第一个时钟脉冲后，QBQA = 01。
3 第二个负时钟沿后

在第二个负时钟沿到达时，FF-A再次翻转，QA从1变为0。

但此时QA为1。所以JB = KB= 1，FF-B将翻转。因此QB从0变为1。

第二个时钟脉冲后，QBQA = 10。
4 第三个负时钟沿后

在应用第三个下降时钟沿时，FF-A将从0翻转到1，但FF-B没有状态变化。

第三个时钟脉冲后，QBQA = 11。
5 第四个负时钟沿后

在应用下一个时钟脉冲时，QA将从1变为0，QB也将从1变为0。

第四个时钟脉冲后，QBQA = 00。

计数器的分类

根据计数进度的不同，同步或异步计数器分类如下：

  • 向上计数器
  • 向下计数器
  • 向上/向下计数器

向上/向下计数器

向上计数器和向下计数器组合在一起得到向上/向下计数器。还提供了一个模式控制(M)输入来选择向上或向下模式。需要设计和使用组合电路在每对触发器之间，以实现向上/向下操作。

向上/向下计数器的类型

向上/向下计数器有两种类型：

  • 向上/向下行波计数器
  • 向上/向下同步计数器

向上/向下行波计数器

在向上/向下行波计数器中，所有FF都以触发模式工作。因此可以使用T触发器或JK触发器。LSB触发器直接接收时钟。但是每个其他FF的时钟是从前一个FF的(Q = Q bar)输出获得的。

  • 向上计数模式(M=0) - 如果要实现向上计数，则前一个FF的Q输出连接到下一级的时钟。对于此模式，模式选择输入M处于逻辑0 (M=0)。
  • 向下计数模式(M=1) - 如果M = 1，则前一个FF的Q bar输出连接到下一个FF。这将使计数器在计数模式下工作。

示例

3位二进制向上/向下行波计数器。

  • 3位 - 因此需要三个FF。
  • 向上/向下 - 所以模式控制输入是必要的。

  • 对于一个波纹向上计数器，前一个触发器的Q输出连接到下一个触发器的时钟输入。
  • 对于一个波纹向上计数器，前一个触发器的Q输出连接到下一个触发器的时钟输入。
  • 对于一个波纹向下计数器，前一个触发器的Q非输出连接到下一个触发器的时钟输入。
  • 让前一个触发器的Q和Q非输出的选择由模式控制输入M控制，使得如果M=0，则向上计数。所以将Q连接到CLK。如果M=1，则向下计数。所以将Q非连接到CLK。

方框图

Block Diagram of Up/Down counters

真值表

Truth Table of Up/Down counters

操作

序号 条件 操作
1 情况1 − M=0（向上计数模式）

如果M=0且M非=1，则图中的与门1和3将被使能，而与门2和4将被禁用。

因此，QA连接到触发器B的时钟输入，QB连接到触发器C的时钟输入。

这些连接与普通向上计数器的连接相同。因此，当M=0时，电路作为向上计数器工作。
2 情况2 − M=1（向下计数模式）

如果M=1，则图中的与门2和4被使能，而与门1和3被禁用。

因此，QA非连接到触发器B的时钟输入，QB非连接到触发器C的时钟输入。

这些连接将产生一个向下计数器。因此，当M=1时，电路作为向下计数器工作。

模计数器（MOD-N计数器）

2位波纹计数器称为MOD-4计数器，3位波纹计数器称为MOD-8计数器。因此，一般来说，n位波纹计数器称为模N计数器。其中，模数=2n。

模的类型

  • 2位向上或向下（MOD-4）
  • 3位向上或向下（MOD-8）
  • 4位向上或向下（MOD-16）

计数器的应用

  • 频率计数器
  • 数字时钟
  • 时间测量
  • 数模转换器
  • 分频电路
  • 数字三角波发生器。
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