Ασύγχρονος μετρητής

Τι είναι ένας μετρητής;

Ένας μετρητής είναι μια συσκευή που μπορεί να μετρήσει οποιοδήποτε συγκεκριμένο συμβάν με βάση το πόσες φορές συμβαίνει το συγκεκριμένο συμβάν. Σε ένα ψηφιακό σύστημα λογικής ή υπολογιστές, αυτός ο μετρητής μπορεί να μετρήσει και να αποθηκεύσει τον αριθμό των ωρών που συνέβησαν ένα συγκεκριμένο συμβάν ή διαδικασία, ανάλογα με ένα σήμα ρολογιού. Ο πιο συνηθισμένος τύπος μετρητή είναι το διαδοχικό ψηφιακό κύκλωμα λογικής με μία είσοδο ρολογιού και πολλαπλές εξόδους. Οι έξοδοι αντιπροσωπεύουν δυαδικούς ή δυαδικούς κωδικούς δεκαδικών αριθμών. Κάθε παλμός ρολογιού είτε αυξάνει τον αριθμό είτε μειώνει τον αριθμό.

Τι είναι το ασύγχρονο;

Το ασύγχρονο σημαίνει απουσία συγχρονισμού. Κάτι που δεν υπάρχει ή συμβαίνει ταυτόχρονα. Στη ροή υπολογιστών ή τηλεπικοινωνιών, το Asynchronous σημαίνει τον έλεγχο του χρονισμού λειτουργίας στέλνοντας έναν παλμό μόνο όταν η προηγούμενη λειτουργία έχει ολοκληρωθεί αντί να την στέλνει σε τακτά χρονικά διαστήματα.

Ασύγχρονος μετρητής

Τώρα καταλάβαμε ότι αυτό είναι αντίθετο και ποια είναι η έννοια της λέξης Ασύγχρονη . Ένας ασύγχρονος μετρητής μπορεί να μετρήσει χρησιμοποιώντας ασύγχρονη είσοδο ρολογιού. Οι μετρητές μπορούν να γίνουν εύκολα χρησιμοποιώντας σαγιονάρες. Καθώς η μέτρηση εξαρτάται από το σήμα ρολογιού, στην περίπτωση ενός ασύγχρονου μετρητή, παρέχονται bit αλλαγής κατάστασης ως σήμα ρολογιού στα επόμενα flip-flops. Αυτά τα Flip-flops συνδέονται σειριακά μεταξύ τους και ο παλμός του ρολογιού κυματίζει μέσω του μετρητή. Λόγω του παλμού ρολογιού κυματισμού, συχνά ονομάζεται μετρητής κυματισμού. Ένας ασύγχρονος μετρητής μπορεί να μετρήσει 2 ⁿ - 1 πιθανές καταστάσεις μέτρησης.

Ασύγχρονος περικομμένος μετρητής και μετρητής δεκαετιών

Καθώς υπάρχει ένας μέγιστος αριθμός εξόδου για ασύγχρονους μετρητές όπως το MOD-16 με ανάλυση 4-bit, υπάρχουν επίσης δυνατότητες χρήσης ενός βασικού ασύγχρονου μετρητή σε μια διαμόρφωση ότι η κατάσταση μέτρησης θα είναι μικρότερη από τον μέγιστο αριθμό εξόδου τους. Οι μετρητές Modulo ή MOD είναι ένας από αυτούς τους τύπους μετρητών. Η διαμόρφωση έγινε με τέτοιο τρόπο ώστε ο μετρητής να μηδενιστεί ξανά σε μια προκαθορισμένη τιμή και να έχει περικομμένες ακολουθίες.

Έτσι, εάν ένας μετρητής με τον συγκεκριμένο αριθμό αναλύσεων (Ανάλυση n-bit) ονομάζεται ως πλήρης μετρητής ακολουθίας και από την άλλη πλευρά, εάν μετράται λιγότερο από τον μέγιστο αριθμό, καλείται ως περικομμένος μετρητής.

Για να επωφεληθείτε από τις ασύγχρονες εισόδους στο flipflop, ο ασύγχρονος μετρητής περικομμένος μπορεί να χρησιμοποιηθεί με συνδυαστική λογική.

Ο ασύγχρονος μετρητής Modulo 16 μπορεί να τροποποιηθεί χρησιμοποιώντας πρόσθετες λογικές πύλες και μπορεί να χρησιμοποιηθεί με τρόπο που η έξοδος θα δώσει μια έξοδο μετρητή δεκαετίας (διαιρούμενη με 10), η οποία είναι χρήσιμη για τον υπολογισμό τυπικών δεκαδικών αριθμών ή σε αριθμητικά κυκλώματα. Αυτός ο τύπος μετρητών ονομάζεται μετρητές δεκαετιών.

Οι μετρητές δεκαετιών απαιτούν επαναφορά στο μηδέν όταν η έξοδος φτάσει σε δεκαδική τιμή 10.

Αν μετρήσουμε 0-9 (10 βήματα) ο δυαδικός αριθμός θα είναι -

Αριθμός μετρήσεων	Δυάδικος αριθμός	Δεκαδική τιμή
0	0000	0
1	0001	1
2	0010	2
3	0011	3
4	0100	4
5	0101	5
6	0110	6
7	0111	7
8	1000	8
9	1001	9

Έτσι, όταν η έξοδος φτάσει στα 1001 (BCD = 9), πρέπει να γίνει επαναφορά του μετρητή. Για να επαναφέρετε τον μετρητή, πρέπει να τροφοδοτήσουμε αυτήν την κατάσταση πίσω στην είσοδο επαναφοράς. Μετρητής που μετρά 0000 (BCD = 0) έως 1001 (BCD = 9), αναφέρεται ως BCD ή Δυαδικός κωδικοποιημένος δεκαδικός μετρητής.

Διάγραμμα χρονισμού του ασύγχρονου μετρητή δεκαετίας και του πίνακα αλήθειας

Στην παραπάνω εικόνα, ένας βασικός ασύγχρονος μετρητής χρησιμοποιείται ως διαμόρφωση μετρητή δεκαετίας χρησιμοποιώντας 4 JK Flip-Flops και μία πύλη NAND 74LS10D. Ο ασύγχρονος μετρητής μετρά προς τα πάνω σε κάθε παλμό ρολογιού ξεκινώντας από 0000 (BCD = 0) έως 1001 (BCD = 9). Κάθε έξοδος JK flip-flop παρέχει δυαδικό ψηφίο και το δυαδικό out τροφοδοτείται στο επόμενο flip-flop ως είσοδος ρολογιού. Στην τελική έξοδο 1001, που είναι 9 στα δεκαδικά, η έξοδος D που είναι το πιο σημαντικό bit και η έξοδος A που είναι ένα λιγότερο σημαντικό bit, και οι δύο βρίσκονται στη Λογική 1. Αυτές οι δύο έξοδοι συνδέονται μέσω της εισόδου 74LS10D. Όταν ληφθεί ο επόμενος παλμός ρολογιού, η έξοδος του 74LS10D επαναφέρει την κατάσταση από Logic High ή 1 σε Logic Low ή 0.

Σε μια τέτοια περίπτωση, όταν το 74LS10D αλλάξει την έξοδο, τα 74LS73 JK Flip-flops θα επανέλθουν καθώς η έξοδος της πύλης NAND είναι συνδεδεμένη σε είσοδο 74LS73 CLEAR. Όταν επαναφέρετε τα flip-flops, η έξοδος από D σε A έγινε 0000 και η έξοδος της πύλης NAND επανήλθε στη Logic 1. Με τέτοια διαμόρφωση, το άνω κύκλωμα που φαίνεται στην εικόνα έγινε Modulo-10 ή μετρητής δεκαετίας.

Ο πίνακας αλήθειας του μετρητή δεκαετίας εμφανίζεται στον επόμενο πίνακα-

Σφυγμός ρολογιού	Δεκαδική τιμή	Έξοδος - Δ	Έξοδος - Γ	Έξοδος - Β	Έξοδος - Α
1	0	0	0	0	0
2	1	0	0	0	1
3	2	0	0	1	0
4	3	0	0	1	1
5	4	0	1	0	0
6	5	0	1	0	1
7	6	0	1	1	0
8	7	0	1	1	1
9	8	1	0	0	0
10	9	1	0	0	1
11	0	0	0	0	0

Η παρακάτω εικόνα δείχνει το διάγραμμα χρονισμού και την κατάσταση εξόδου 4 στο σήμα ρολογιού. Ο παλμός επαναφοράς εμφανίζεται επίσης στο διάγραμμα.

Δημιουργία ασύγχρονου μετρητή, παραδείγματος και χρηστικότητας

Μπορούμε να τροποποιήσουμε τον κύκλο μέτρησης για τον ασύγχρονο μετρητή χρησιμοποιώντας τη μέθοδο που χρησιμοποιείται στην περικοπή της εξόδου μετρητή. Για άλλους κύκλους μέτρησης, μπορούμε να αλλάξουμε τη σύνδεση εισόδου σε όλη την πύλη NAND ή να προσθέσουμε άλλες διαμορφώσεις πύλης λογικής.

Όπως συζητήσαμε προηγουμένως, ότι ο μέγιστος συντελεστής μπορεί να εφαρμοστεί με n αριθμό flip-flops είναι 2 ⁿ. Για αυτό, εάν θέλουμε να σχεδιάσουμε έναν περικομμένο ασύγχρονο μετρητή, θα πρέπει να βρούμε τη χαμηλότερη ισχύ των δύο, η οποία είναι είτε μεγαλύτερη είτε ίση με το επιθυμητό συντελεστή μας.

Για παράδειγμα, εάν θέλουμε να μετρήσουμε το 0 έως το 56 ή το mod - 57 και να το επαναλάβουμε από το 0, ο υψηλότερος απαιτούμενος αριθμός flip-flops είναι n = 6 το οποίο θα δώσει μέγιστο συντελεστή 64. Εάν επιλέξουμε λιγότερους αριθμούς flip-flops το Το μέτρο δεν θα είναι αρκετό για να μετρήσει τους αριθμούς από το 0 έως το 56. Εάν επιλέξουμε το n = 5 το μέγιστο MOD θα είναι = 32, το οποίο είναι ανεπαρκές για την καταμέτρηση.

Μπορούμε να καταρρίψουμε δύο ή περισσότερους μετρητές κυματισμού 4-bit και να διαμορφώσουμε κάθε άτομο ως σχηματισμούς " διαιρούμενο με 16" ή " διαιρούμενο με 8" για να λάβουμε MOD-128 ή περισσότερο καθορισμένο μετρητή.

Στο τμήμα 74LS, το 7493 IC θα μπορούσε να διαμορφωθεί με τέτοιο τρόπο, όπως εάν διαμορφώσουμε το 7493 ως μετρητή " διαιρούμενο με 16 " και διαδοχικά άλλα chipset 7493 ως μετρητή " διαιρούμενο με 8 ", θα λάβουμε τη συχνότητα " διαίρεση με 128" διαιρών.

Άλλα ICs όπως το 74LS90 προσφέρουν προγραμματιζόμενο κυματισμό ή διαχωριστικό που μπορεί να διαμορφωθεί ως διαιρέστε με 2, διαιρέστε με 3 ή διαιρέστε με 5 ή άλλους συνδυασμούς επίσης.

Από την άλλη πλευρά, το 74LS390 είναι μια άλλη ευέλικτη επιλογή που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για μεγάλο διαχωρισμό με αριθμό από 2 έως 50.100 και άλλους συνδυασμούς επίσης.

Διαχωριστές συχνότητας

Μία από τις καλύτερες χρήσεις του ασύγχρονου μετρητή είναι να το χρησιμοποιήσετε ως διαχωριστικό συχνότητας. Μπορούμε να μειώσουμε τη συχνότητα υψηλού ρολογιού σε μια χρησιμοποιήσιμη, σταθερή τιμή πολύ χαμηλότερη από το πραγματικό ρολόι υψηλής συχνότητας. Αυτό είναι πολύ χρήσιμο στην περίπτωση ψηφιακών ηλεκτρονικών, εφαρμογών που σχετίζονται με χρονισμό, ψηφιακών ρολογιών, διακοπών γεννητριών πηγών.

Ας υποθέσουμε ότι χρησιμοποιούμε το κλασικό χρονόμετρο NE555 IC που είναι Monostable / Astable Multivibrator, που λειτουργεί στα 260 kilohertz και η σταθερότητα είναι +/- 2%. Μπορούμε εύκολα να προσθέσουμε έναν " διαιρούμενο από 2" μετρητή κυματισμού 18-bit και να έχουμε σταθερή έξοδο 1 Hz που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία καθυστέρησης 1 δευτερολέπτου ή 1 δευτερολέπτου του παλμού που είναι χρήσιμο για ψηφιακά ρολόγια.

Αυτό είναι ένα απλό κύκλωμα για την παραγωγή σταθερής συχνότητας ή χρονισμού από μια ασταθή πηγή διαιρώντας τη συχνότητα χρησιμοποιώντας μετρητή κυματισμού. Οι ακριβέστεροι ταλαντωτές κρυστάλλου μπορούν να παράγουν ακριβή υψηλή συχνότητα εκτός από τις γεννήτριες σημάτων.

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα του ασύγχρονου μετρητή

Οι ασύγχρονοι μετρητές μπορούν να κατασκευαστούν εύκολα χρησιμοποιώντας flip-flops τύπου D. Μπορούν να υλοποιηθούν χρησιμοποιώντας το κύκλωμα μετρητή " divide by n ", το οποίο προσφέρει πολύ μεγαλύτερη ευελιξία σε εφαρμογές που σχετίζονται με το μεγαλύτερο εύρος μέτρησης, και ο περικομμένος μετρητής μπορεί να παράγει οποιοδήποτε αριθμό μέτρου.

Όμως, παρά αυτά τα χαρακτηριστικά, ο ασύγχρονος μετρητής προσφέρει ορισμένους περιορισμούς και μειονεκτήματα.

Κατά τη χρήση του ασύγχρονου μετρητή, απαιτείται ένας επιπλέον συγχρονισμός εξόδου flip-flops για τον συγχρονισμό των flipflops. Επίσης, για την περικοπή της ακολουθίας, όταν δεν είναι ίση με, απαιτείται επιπλέον λογική ανάδρασης.

Κατά την καταμέτρηση μεγάλου αριθμού bit, λόγω του συστήματος αλυσίδας, η καθυστέρηση διάδοσης κατά διαδοχικά στάδια έγινε πολύ μεγάλη που είναι πολύ δύσκολο να ξεφορτωθεί. Σε μια τέτοια περίπτωση, οι σύγχρονοι μετρητές είναι πιο γρήγοροι και αξιόπιστοι. Υπάρχουν επίσης σφάλματα μέτρησης στον ασύγχρονο μετρητή όταν εφαρμόζονται υψηλές συχνότητες ρολογιού.