同期カウンター

カウンターとは？

カウンターは、特定のイベントが発生した回数に基づいて特定のイベントをカウントできるデバイスです。デジタルロジックシステムまたはコンピューターでは、このカウンターは、クロック信号に応じて、特定のイベントまたはプロセスが発生した回数をカウントして保存できます。最も一般的なタイプのカウンタは、単一のクロック入力と複数の出力を備えたシーケンシャルデジタル論理回路です。出力は、2進数または2進数でコード化された10進数を表します。各クロックパルスは、数を増やすか、数を減らします。

同期とは、一般的に、時間に基づいて他の人と調和しているものを指します。同期信号は同じクロックレートで発生し、すべてのクロックは同じ基準クロックに従います。

非同期カウンターの以前のチュートリアルでは、そのカウンターの出力が次の後続のカウンターの入力に直接接続されてチェーンシステムを作成していることを確認しました。このチェーンシステムにより、カウント段階で伝搬遅延が発生し、カウント遅延が発生します。同期カウンタでは、すべてのフリップフロップのクロック入力が同じソースを使用し、同時に同じクロック信号を生成します。そのため、同じソースからの同じクロック信号を同時に使用しているカウンタは、同期カウンタと呼ばれます。

同期アップカウンター

上の画像では、同期アップカウンターである基本的な同期カウンターの設計が示されています。4ビット同期アップカウンタ（バイナリで0000）0からカウントを開始し、インクリメントまたは（バイナリ1111）15に上向きにカウントした後、リセットを取得することにより、新たな計数サイクルを開始します。その動作周波数は、同じ範囲の非同期カウンターよりもはるかに高くなっています。また、すべてのフリップフロップまたはカウンタステージがパラレルクロックソースにあり、クロックがすべてのカウンタを同時にトリガーするという理由だけで、同期カウンタに伝搬遅延はありません。

外部クロックは、すべてのJKフリップフロップに同時に並列に直接提供されます。回路を見ると、この4ビット同期カウンタの最下位ビットである最初のフリップフロップFFAは、JピンとKピンを介してロジック1の外部入力に接続されています。この接続により、ロジック1信号のHIGHロジックは、クロックパルスごとに最初のフリップフロップの状態を変更します。

次のステージでは、JとKの入力ピンである2番目のフリップフロップFFBが、最初のフリップフロップの出力の両端に接続されます。FFCとFFDの場合、2つの別々のANDゲートがそれらに必要なロジックを提供します。これらのANDゲートは、前段のフリップフロップからの入力と出力を使用してロジックを作成します。

先行するすべてのフリップフロップの出力がロジックでHIGHであるかどうかに応じて、各フリップフロップの状態が変化する状況を作成することにより、非同期カウンターで使用されるのと同じカウントシーケンスを作成できます。ただし、このシナリオでは、すべてのフリップフロップが同時にクロックされるという理由だけで波及効果はありません。

同期ダウンカウンター

ANDセクションのわずかな変更、およびJKフリップフロップからの反転出力を使用して、同期ダウンカウンターを作成できます。4ビットの同期ダウンカウンタは15（バイナリでは1111）からカウントを開始し、0または0000までデクリメントまたはカウントダウンします。その後、リセットされて新しいカウントサイクルが開始されます。では、同期ダウンカウンタ、ANDゲート入力が変更されます。最初のフリップフロップFFA入力は、前の同期アップカウンターで使用したものと同じです。最初のフリップフロップの出力を次の後続のフリップフロップに直接供給する代わりに、次のフリップフロップFFBにJおよびK入力を与えるために使用され、ANDに入力ピンとしても使用される反転出力ピンを使用しています。ゲート。前の回路と同じように、2つのANDゲートが次の2つのフリップフロップFFCとFFDに必要なロジックを提供します。

同期カウンタのタイミング図

上の画像では、フリップフロップ間のクロック入力と出力タイミング図が示されています。各クロックパルスで、同期カウンタは順次カウントします。4ビット同期アップカウンタの場合、4つの出力ピンのカウント出力は0から15まで増分され、バイナリ0000から1111になります。15または1111の後、カウンターは0または0000にリセットされ、新しいカウントサイクルでもう一度カウントされます。

反転出力がANDゲートの両端に接続されている同期ダウンカウンタの場合、正反対のカウントステップが発生します。カウンタは15または1111から0または0000までカウントを開始し、次に再起動して新しいカウントサイクルを開始し、15または0000から再開します。

4ビット-同期ディケイドカウンター

非同期カウンターと同じように、0を数えることができる10進カウンターまたはBCDカウンターは、フリップフロップをカスケードすることによって作成できます。非同期カウンターと同じように、モジュロまたはMOD番号を使用した「nで除算」機能もあります。同期カウンターのMODカウントを増やす必要があります（アップ構成またはダウン構成にすることができます）。

これが4ビットの同期ディケイドカウンタ回路です-

上記の回路は、0から9までのカウントシーケンスを生成する同期バイナリカウンターを使用して作成されています。目的の状態シーケンスに対して追加のロジックが実装され、このバイナリカウンターを10進数カウンター（10進数、10進数）に変換します。出力がカウント9または1001に達すると、カウンターは0000にリセットされ、再び1001までカウントされます。

上記の回路では、ANDゲートはカウントシーケンスが9または1001に達することを検出し、左から3番目のフリップフロップの状態を変更します。FFCは次のクロックパルスでその状態を変更します。その後、カウンタは000にリセットされ、1001に達するまで再びカウントを開始します。

ANDゲートの位置を変更すると、上記の回路からMOD-12を作成できます。これにより、12の状態が0（バイナリで0000）から11（バイナリで1011）にカウントされ、0にリセットされます。

トリガーパルス関連情報

利用可能なエッジトリガーフリップフロップには、ポジティブエッジまたはネガティブエッジの2種類があります。

ポジティブエッジまたはライジングエッジフリップフロップは、クロック入力の状態がロジック0からロジック1、つまりロジックローからロジックハイに変化すると、1ステップをカウントします。

一方、ネガティブエッジまたは立ち下がりエッジフリップフロップは、クロック入力の状態がロジック1からロジック0、つまりロジックハイからロジックローに変化すると、1ステップをカウントします。

リップルカウンタは、立ち下がりエッジまたは立ち下がりエッジでトリガーされるクロックプラスを使用して状態を変更します。その背後には理由があります。1つのカウンタの最上位ビットが次のカウンタのクロック入力を駆動する可能性があるため、カウンタをカスケード接続する機会が容易になります。

同期カウンターオファーは、カウンターリンク関連アプリケーション用の実行およびキャリーインピンを提供します。このため、回路内に伝搬遅延はありません。

同期カウンタの長所と短所

これで、同期カウンターと、非同期カウンターと同期カウンターの違いについて理解できました。同期カウンターは、非同期カウンターに到達する多くの制限を排除します。

同期カウンタの利点は次のとおりです-

非同期カウンターよりも設計が簡単です。
同時に動作します。
それに関連する伝播遅延はありません。
カウントシーケンスは論理ゲートを使用して制御されるため、エラーの可能性は低くなります。
非同期カウンターよりも高速な動作。

多くの利点がありますが、同期カウンターを使用することの1つの大きな欠点は、実行するために多くの追加ロジックが必要になることです。