環(huán)形計數(shù)器的種類、工作原理及應(yīng)用特性

環(huán)形計數(shù)器是使用移位寄存器構(gòu)成的時序邏輯電路。根據(jù)時鐘脈沖，相同的數(shù)據(jù)在計數(shù)器中循環(huán)。

目前，環(huán)形計數(shù)器有兩種類型，即普通環(huán)形計數(shù)器和約翰遜計數(shù)器(Johnson counter)，本文就環(huán)形計數(shù)器種類、工作原理及應(yīng)用特性進(jìn)行簡單的介紹。

4位環(huán)形計數(shù)器

4位環(huán)形計數(shù)器是觸發(fā)器的級聯(lián)連接，其中最后一個觸發(fā)器的輸出連接到第一個觸發(fā)器的輸入。在環(huán)形計數(shù)器中，如果任何階段的輸出為1，則其提醒為0。環(huán)形計數(shù)器在整個電路中傳輸相同的輸出。

這意味著如果第一個觸發(fā)器的輸出為1，則將其轉(zhuǎn)移到下一級，即第二個觸發(fā)器。通過將輸出轉(zhuǎn)移到下一級，第一個觸發(fā)器的輸出變?yōu)?。這個過程將持續(xù)到環(huán)形計數(shù)器的所有級。如果在環(huán)形計數(shù)器中使用n個觸發(fā)器，“1”每n個時鐘周期循環(huán)一次。

4位環(huán)形計數(shù)器的電路圖如下圖所示：

在這里，使用D觸發(fā)器設(shè)計了環(huán)形計數(shù)器。這是一個Mod 4環(huán)形計數(shù)器，它有4個串聯(lián)的D觸發(fā)器。時鐘信號被施加到每個觸發(fā)器的時鐘輸入，同時RESET脈沖被施加到所有觸發(fā)器的CLR輸入。

操作過程如下：

最初，環(huán)形計數(shù)器中的所有觸發(fā)器通過應(yīng)用CLEAR信號復(fù)位為0。在應(yīng)用時鐘脈沖之前，將PRESET脈沖應(yīng)用到觸發(fā)器，觸發(fā)器將值“1”分配給環(huán)形計數(shù)器電路。對于每個時鐘信號，數(shù)據(jù)在環(huán)形計數(shù)器的所有4個觸發(fā)器級之間循環(huán)。

這種4級環(huán)形計數(shù)器稱為Mod 4環(huán)形計數(shù)器或4位環(huán)形計數(shù)器。為了在環(huán)形計數(shù)器中正確循環(huán)數(shù)據(jù)，必須向計數(shù)器加載所需的值，例如全0或全1。

4位環(huán)形計數(shù)器中的數(shù)據(jù)循環(huán)

眾所周知，環(huán)形計數(shù)器類似于串聯(lián)的移位寄存器。下圖顯示了四級觸發(fā)器作為我們的移位寄存器的并行串行，數(shù)據(jù)輸入為Da、Db、Dc和Dd。

通過傳遞復(fù)位信號，觸發(fā)器最初處于復(fù)位狀態(tài)。當(dāng)PRESET應(yīng)用于環(huán)形計數(shù)器時，電路的輸入變?yōu)?。該輸入連接到該系列中的第一個觸發(fā)器，因此觸發(fā)器QA設(shè)置為1，其余觸發(fā)器的所有其他輸出將為低電平。

如果將觸發(fā)器“A”的數(shù)據(jù)輸入設(shè)為低電平，則數(shù)據(jù)脈沖為010。然后對于第二個時鐘信號，第一個觸發(fā)器的輸出將再次發(fā)生變化，然后是“B”的輸出' 會變高。這意味著數(shù)據(jù)脈沖001出現(xiàn)。

這樣，隨著第一個觸發(fā)器的時鐘信號和輸入發(fā)生變化，其他觸發(fā)器的輸出也會發(fā)生變化。由于最后一個觸發(fā)器的輸出串聯(lián)連接到第一個觸發(fā)器的輸入，數(shù)據(jù)序列在環(huán)形計數(shù)器中旋轉(zhuǎn)或循環(huán)。

4位環(huán)形計數(shù)器真值表

下圖簡單說明4 位環(huán)形計數(shù)器的真值表：

當(dāng)CLEAR輸入CLR=0時，所有觸發(fā)器都設(shè)置為1。當(dāng)CLEAR輸入CLR=1時，環(huán)形計數(shù)器開始運(yùn)行。對于一個時鐘信號，計數(shù)器開始運(yùn)行。在下一個時鐘信號上，計數(shù)器再次重置為0000。環(huán)形計數(shù)器有4個序列：0001、0010、0100、1000。

4位環(huán)形計數(shù)器時序圖

4位環(huán)形計數(shù)器的時序圖將解釋時鐘信號改變了計數(shù)器每一級的輸出，因此CLK信號將幫助數(shù)據(jù)從一個觸發(fā)器循環(huán)到另一個觸發(fā)器。由于4位環(huán)形計數(shù)器(4級或4個觸發(fā)器)在一個時鐘信號內(nèi)循環(huán)預(yù)設(shè)數(shù)字，每個觸發(fā)器的輸出頻率是主時鐘頻率的1/4。

4位環(huán)形計數(shù)器狀態(tài)圖

4位環(huán)形計數(shù)器的狀態(tài)圖如上圖所示，它表示對于一個時鐘信號，預(yù)設(shè)數(shù)字(在這種情況下，預(yù)設(shè)數(shù)字為1)的位置正在從LSB改變?yōu)镸SB。

另外，4位環(huán)形計數(shù)器優(yōu)點(diǎn)是，可以使用D和JK觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)，它是一個自解碼電路。但其缺點(diǎn)是，15個狀態(tài)中只有4個是有效狀態(tài)。

約翰遜(Johnson)計數(shù)器

約翰遜計數(shù)器是環(huán)形計數(shù)器的改進(jìn)型。在這種情況下，最后一級觸發(fā)器的反相輸出連接到第一個觸發(fā)器的輸入。如果使用n觸發(fā)器來設(shè)計約翰遜計數(shù)器，則稱為 2n位 約翰遜計數(shù)器或Mod 2n約翰遜計數(shù)器。

這是約翰遜計數(shù)器的一個優(yōu)勢，它只需要環(huán)形計數(shù)器使用的觸發(fā)器數(shù)量的一半，即可設(shè)計相同的Mod。

4位環(huán)形計數(shù)器和約翰遜計數(shù)器的主要區(qū)別在于，在4位環(huán)形計數(shù)器中，將最后一個觸發(fā)器的輸出直接連接到第一個觸發(fā)器的輸入。但是在約翰遜計數(shù)器中，將最后一級的反相輸出連接到第一級輸入。

約翰遜計數(shù)器也稱為Twisted Ring Counter，帶有反饋功能。在約翰遜計數(shù)器中，第一個觸發(fā)器的輸入與最后一個觸發(fā)器的反相輸出相連。約翰遜計數(shù)器的設(shè)計方式克服了環(huán)形計數(shù)器的局限性，主要是減少了設(shè)計電路所需的觸發(fā)器數(shù)量。

與環(huán)形計數(shù)器類似，約翰遜計數(shù)器中的時鐘信號同時連接到每個觸發(fā)器的時鐘輸入。

工作過程如下：

用D觸發(fā)器設(shè)計的約翰遜計數(shù)器如下圖所示，它有四個階段，即四個觸發(fā)器串聯(lián)或級聯(lián)。最初零/空值被饋送到約翰遜計數(shù)器，在施加時鐘信號時，輸出將依次變?yōu)椤?000”、“1100”、“1110”、“111”、“0111”、“0011”、”0001“、”0000“，該序列將重復(fù)用于下一個時鐘信號。

約翰遜計數(shù)器通過傳遞四個0和四個1產(chǎn)生一個特殊模式，因此它通過向上計數(shù)產(chǎn)生一個特定模式。

約翰遜計數(shù)器真值表

下圖解釋了約翰遜計數(shù)器的真值表：

上面狀態(tài)圖表明數(shù)據(jù)如何在每個時鐘脈沖中從一個觸發(fā)器傳輸?shù)搅硪粋€觸發(fā)器。4級約翰遜環(huán)形計數(shù)器通過改變反饋連接用作分頻器，所以它們也可以用作分頻器電路。

約翰遜計數(shù)器時序圖

約翰遜計數(shù)器的時序圖將解釋時鐘信號改變計數(shù)器每一級的輸出，使CLK信號幫助數(shù)據(jù)從一個觸發(fā)器循環(huán)到另一個觸發(fā)器。

當(dāng)CLR=0時，觸發(fā)器的所有輸出和輸入都預(yù)設(shè)為0(清零)，但最右邊FF的數(shù)據(jù)輸入設(shè)置為1。

當(dāng)CLR=1時，約翰遜計數(shù)器開始運(yùn)行。在每個時鐘沿，最后一個觸發(fā)器 (1) 的輸出左移到第三個觸發(fā)器。由于第一個觸發(fā)器連接到串行輸入即1，因此第三個觸發(fā)器的輸入為1。

在下一個循環(huán)中，QA=0，因此0在后半個循環(huán)中以環(huán)形形式旋轉(zhuǎn)。約翰遜計數(shù)器有8個序列：0001、0011、0111、1111、1110、1100、1000和0000。

約翰遜計數(shù)器的優(yōu)點(diǎn)是，它比環(huán)形計數(shù)器有更多的輸出。約翰遜計數(shù)器的缺點(diǎn)是，15個狀態(tài)中只有8個能夠被使用。

主要應(yīng)用

環(huán)形計數(shù)器用于對連續(xù)循環(huán)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計數(shù)。

可用于通過將AND&OR邏輯門連接到環(huán)形計數(shù)器電路來檢測一組信息中的各種數(shù)值或各種模式。

2級、3級和4級環(huán)形計數(shù)器用于分頻電路，分別作為2分頻、3分頻和4分頻電路。

3級約翰遜計數(shù)器用作3相方波發(fā)生器，可產(chǎn)生120°相移。

5級約翰遜計數(shù)器電路通常用作同步十進(jìn)制 (BCD) 計數(shù)器，也用作分頻器電路。

2級約翰遜計數(shù)器也稱為“正交振蕩器”，用于產(chǎn)生4級單獨(dú)輸出，這些輸出彼此異相90°。該正交發(fā)生器用于產(chǎn)生4相定時信號。

總結(jié)

簡單來說，環(huán)形計數(shù)器是由一個移位寄存器和一個組合反饋邏輯電路閉環(huán)構(gòu)成，反饋電路的輸出接向移位寄存器的串行輸入端，反饋電路的輸入端根據(jù)移位寄存器計數(shù)器類型的不同，可接向移位寄存器的串行輸出端或某些觸發(fā)器的輸出端。

常見的環(huán)形計數(shù)器有4位環(huán)形計數(shù)器和翰遜計數(shù)器兩種，其應(yīng)用也是非常的廣泛，可應(yīng)用于多種電子電路當(dāng)中。