數位電子學/同步裝置/計數器

概述

計數器是一種裝置，它根據時鐘或其他脈衝輸入生成一些模式化的二進位制值。有三種簡單的計數器型別：環形、非同步和同步。

計數器型別

環形計數器

如果移位暫存器的輸出反饋到輸入，則會形成環形計數器。只要應用時鐘脈衝，移位暫存器中包含的資料模式就會迴圈。例如，在下圖中，資料模式將在每個四個時鐘脈衝後重復。但是，我們必須載入資料模式。全 0 或全 1 不算。這種情況下持續的邏輯電平是否有用？

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我們為以下配置為環形計數器的並行輸入/序列輸出移位暫存器提供資料載入功能。可以載入任何隨機模式。最通用的模式是單個 1。

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在移位之前將二進位制 1000 載入到上面的環形計數器中，可以得到一個可視的模式。對於 4 級示例，單個級的資料模式在每個四個時鐘脈衝後重復。所有四個級的波形看起來都一樣，除了從一個級到下一個級有一個時鐘時間的延遲。見下圖。

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上面的電路是一個除以 4 的計數器。將時鐘輸入與任意一個輸出進行比較，可以看出頻率比為 4:1。我們需要多少級才能得到一個除以 10 的環形計數器？十級將在每個十個時鐘脈衝後迴圈 1。

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上面顯示了另一種將環形計數器初始化為 1000 的方法。移位波形與上面的波形相同，在每個四個時鐘脈衝後重復。初始化要求是環形計數器相對於傳統計數器的缺點。至少在加電時必須進行初始化，因為無法預測觸發器加電後的狀態。理論上，初始化不應該再需要了。在實際應用中，觸發器最終可能會被噪聲破壞，破壞資料模式。像傳統的同步二進位制計數器這樣的“自校正”計數器更可靠。

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上面的二進位制同步計數器只需要兩個級，但需要譯碼門。環形計數器有更多級，但它是自譯碼的，節省了上面的譯碼門。環形計數器的另一個缺點是它不是“自啟動”的。如果我們需要譯碼後的輸出，環形計數器看起來很有吸引力，特別是如果大部分邏輯在一個單一的移位暫存器封裝中。如果不是，傳統的二進位制計數器在沒有譯碼器的情況下更不復雜。

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從同步二進位制計數器譯碼後的波形與之前的環形計數器波形相同。計數器序列為 (QA QB) = (00 01 10 11)。

非同步計數器

非同步計數器是最簡單的計數器型別。它們無非是連線成鏈的觸發器，以將彼此的輸出頻率除以二。結果是一個二進位制計數。它們被稱為非同步計數器，因為新的計數會透過它們“級聯”。非同步計數器的主要缺點是，由於新的計數“級聯”透過觸發器，所有計數位的到達時間不同。

同步計數器

同步計數器是由觸發器和邏輯閘組成的簡單的狀態機。它們有兩部分，由觸發器組成的暫存器和由邏輯閘組成的譯碼器。暫存器是由一組簡單的觸發器組成，它們都在同一個時間被時鐘觸發。透過這種方式，它們可以儲存計數器的輸出值，直到下一個時鐘週期。譯碼器對當前計數進行譯碼，併為觸發器生成下一個計數的正確值。例如，在一個簡單的向上計數器中，譯碼器總是輸出當前計數加一。同步計數器的主要優點是，它們的輸出的所有位都同時變化。