异步计数器的工作原理与应用

异步计数器的工作原理与应用

异步计数器是一种常见的数字电路计数器，其特点是各个触发器由不同的时钟信号驱动。本文将详细介绍异步计数器的工作原理、应用场景及其优缺点，帮助读者全面了解这一重要电路组件。

异步计数器的基本概念

“异步计数器”是指其中各种触发器由其时钟输入处的各种时钟信号驱动的计数器。异步计数器中只有第一个触发器使用时钟脉冲进行外部同步；计数器中所有后续触发器都使用前一个触发器的输出作为其时钟输入。异步计数器采用串联的触发器来给出输入时钟脉冲中的纹波的印象。

图 1：异步计数器

异步计数器的应用场景

分频应用

异步计数器非常适合用于分频应用，因为它可能有 2^n -1 种不同的计数状态，例如 MOD-16 是一个 4 位计数器，从 (0-15) 计数。然而，基本的异步计数器设置也可用于创建计数状态小于其最大输出数的独特计数器，它们被称为 MOD 计数器或模计数器。

十年计数器

通过利用组合逻辑来利用触发器上的异步输入，可以创建十进制（除以 10）计数器输出，用于常见的十进制计数和算术电路。更准确地说，这些计数器称为“十年计数器”。当输出计数达到十进制值 10 或 DCBA = 1010 时，十进制计数器必须重置为零。

图 2：十年计数器

这种异步计数器从 0000 开始，在输入时钟信号的每个后沿向上计数，一直持续到输出 1001（十进制 9）。QA 和QD 的输出现在相当于逻辑“1”。当施加后续时钟脉冲时，74LS10 NAND 门的输出从逻辑“1”电平切换到逻辑“0”电平。由于 NAND 门的输出连接到每个 74LS73 JK 触发器的CLEAR（ CLR 条）输入，因此该信号在计数到 10 时将所有 Q 输出重置为二进制 0000。

图 3：十年计数器真值表

图 4：十年计数器时序图

高频分频

通过利用截断计数器输出序列的相同概念并改变与与非门输入的连接或利用不同的逻辑门组合，可以容易地修改上述电路以适应其他计数周期。例如，通过仅从“QC”和“QD”处的输出馈送 NAND 门的输入，可以轻松创建 12（模 12）的标度。

图 5：除以 128 电路

使用两个 TTL 7493S 制作一个四位纹波计数器将是一种简单的替代技术。TTL 7493S是一款1:16计数器，可分为1:2和1:8。一个 7493 可以设置为“除以 16”计数器，另一个设置为“除以 8”计数器，因为 128 = 16 x 8。如图所示，两个集成电路将级联在一起以提供“除以 128”分频器。

精确定时信号

来自 18 位异步纹波计数器的 1HZ 定时信号

图 6：18 位纹波计数器

异步计数器的优缺点

优点

• 使用 D 型或切换触发器创建异步计数器很简单。
• 可以使用“除以 n”计数器电路实现。
• 可以使用截断计数器生成任何模数计数。
• 这些用于需要最小功耗的情况。

缺点

• 可能需要添加另一个“重新同步”输出触发器。
• 需要额外的反馈逻辑来对不等于 2^n 的缩短序列进行计数。
• 当对许多位进行计数时，后续阶段引起的传播延迟可能会不必要地增加。
• 由于这种延迟，它们被称为“传播计数器”。
• 当时钟频率很高时，就会发生计数错误。

结论

异步计数器的主要应用是产生较短的序列，可以通过强制计数器在预定义值处将自身重置为零来创建该序列。因此，模数小于最大值的n位计数器被称为“截断计数器”。“十年计数器。” 当输出计数达到十进制值 10 或 DCBA = 1010 时，十进制计数器重置为零。BCD 二进制编码十进制计数器是计数序列从二进制“0000”（BCD =“0”）到“1001”（BCD =“9”）的计数器。需要七个触发器来构造一个“除以128”的计数器来进行分频，即128 = 2^7。一个简单的解决方法是使用两个 TTL 7493 创建一个四位纹波计数器。一个 7493 可以配置为“除以 16”计数器，另一个配置为“除以 8”计数器，结果是 128 = 16 x 8。通过采用由异步计数器和高频晶体振荡器组成的多位分频器，频率发生器可以用于各种应用，例如手表、时钟和事件计时。传播计数器是可能出现在几位纹波计数器电路中的大时间间隔，它是输入信号和计数输出信号之间的延迟，当不同级的延迟加起来达到计数器链末端的累积延迟时。正因为如此，异步计数器很少用于多位的高频计数电路中。异步计数器还用于约翰逊计数器、环形计数器和分频器电路。