Zähler und seine Anwendung in der digitalen Elektronik

Zähler ist ein sehr wichtiges Gerät für die Elektronik. Es wird in vielen elektronischen Schaltungen verwendet. Ein digitaler Zähler zählt grundsätzlich Taktimpulse, die an seinen Taktstift angelegt werden. Wir können es mit Display verwenden, um die digitale Impulszählung visuell zu sehen. Digitaler Zähler mit Sensor wird verwendet, um beispielsweise zu zählen, wie oft der Sensor ausgelöst hat. Wir können den Herzschlagzählsensor verwenden, um die Herzimpulse mithilfe einer digitalen Zähleranzeige zu überwachen. Dies ist ein Beispiel; es gibt viele Anwendungen des digitalen Zählers. Jetzt gibt es zwei Arten von Zählern.

1. Asynchronzähler (Welligkeitszähler)
2. Synchronzähler

Asynchronzähler oder Welligkeitszähler

Ein Aufwärtszähler zählt auf. In diesem Zähler werden externe Taktimpulse nur an ein Flip-Flop angelegt und ein anderes Flip-Flop erhält Takte vom ‘~ Q’-Ausgang des vorherigen. An welchem Flip-Flop externe Takte angelegt werden ‘Q’ Ausgang dieses Flip-Flops ist LSB (Least Significant Bit). Wenn Sie nicht wissen, was LSB ist, lesen Sie diesen Beitrag. Es gibt zwei Arten von asynchronen Zählern.

Asynchroner Aufwärtszähler

Sehen wir uns nun ein 4-Bit-asynchrones Aufwärtszähler-Design an.

Die obige Abbildung ist ein 4-Bit-asynchroner Up-Zähler. Es kann von 0 bis 15 zählen, also ist mögliche Zahl des Ertrages 16. Sein Modus ist also 16, dh 24, wobei 4 die Anzahl der Flip-Flops ist. Um 16 Uhr wird dieser Zähler in seine Ausgangsposition zurückgesetzt. Es besteht aus vier D-Typ Flip-Flop. Der ‘D’-Eingang jedes Flip-Flops ist mit dem invertierten Q (~Q) und dem Clock-Pin des nächsten Flip-Flops verbunden. Wie Sie sehen können, werden dem ersten Flip-Flop externe Taktimpulse gegeben, aber Taktimpulse für andere Flip-Flops werden ‘~ Q’ des vorherigen ausgegeben. ‘Q’ ausgang ist ausgang von zähler.

Im Ausgangszustand, wenn keine externen Takte angelegt werden, ist der ‘~ Q’-Ausgang aller Flip-Flops high, der mit dem ‘D’-Eingang verbunden ist. Wenn ein externer Taktimpuls angelegt wird, speichert das erste Flip-Flop die ‘1’, die auf ‘~ Q’ vorhanden war. Jetzt ist die Ausgabe von ‘Q’ des ersten Flip-Flops hoch und ‘~ Q’ niedrig.

Beim zweiten Takt wird das erste Flip-Flop zurückgesetzt und der ‘Q’-Ausgang des ersten Flip-Flops wird niedrig und ‘~ Q’ wird hoch sein. Jetzt hat der Takteingang des zweiten Flip-Flops einen niedrigen zu hohen Taktübergang, da er mit ‘~ Q’ des ersten Flip-Flops verbunden ist. Zweite flip-flop wird wiederholen alle die prozess zu jeder zeit ‘~ Q’ ausgang von änderungen seine zustand von niedrig nach hoch. Dieser Vorgang gilt für alle Flip-Flops, die in der Schaltung angeschlossen sind. Auf diese Weise zählt diese Schaltung hoch.

Sehen wir uns die asynchrone 4-Bit-Zählerwellenform an.

Wenn Sie die Wellenform sorgfältig sehen, werden Sie feststellen, dass externe Taktimpulse an jedem Ausgang verstärkt werden. Am ersten Ausgang wird der Takt durch 2 geteilt, am zweiten Ausgang wird der Takt durch 4 geteilt und so weiter. So zähler kann verwendet werden als digitale frequenz teiler.

FN = FCLK /2N

Wobei:

FN = Frequenz bei QN

N = Anzahl der Flip-Flops

Wir können die Wahrheitstabelle schreiben, indem wir ein Fenster mit einer externen Uhr erstellen und die Ausgänge in der Wellenform überprüfen. Zum Beispiel siehe die Abbildung unten.

Beim ersten Takt ist ‘Q0’ Ausgang ‘1’, ‘Q1’ Ausgang ist ‘0’, ‘Q2’ Ausgang ist ‘0’ und ‘Q3’ Ausgang ist ‘0’. Überprüfen wir nun die Ausgänge beim zweiten Takt.

Beim zweiten Takt ist ‘Q0’ Ausgang ‘0’, ‘Q1’ Ausgang ist ‘1’, ‘Q2’ Ausgang ist ‘0’ und ‘Q3’ Ausgang ist ‘0’. Jetzt werden wir die Wahrheitstabelle schreiben, indem wir die Ausgänge bei jedem Takt betrachten.

Uhr	Q3	Q2	Q1	Q0	Dezimales Äquivalent der binären Ausgabe
0	0	0	0	0	0
1	0	0	0	1	1
2	0	0	1	0	2
3	0	0	1	1	2
4	0	1	0	0	4
5	0	1	0	1	5
6	0	1	1	0	6
7	0	1	1	1	7
8	1	0	0	0	8
9	1	0	0	1	9
10	1	0	1	0	10
11	1	0	1	1	11
12	1	1	0	0	12
13	1	1	0	1	13
14	1	1	1	0	14
15	1	1	1	1	15
16(0)	0	0	0	0	0

Wie Sie sehen können, zählt dieser Zähler von 0 bis 15, also ist dies ein Aufwärtszähler und die obige Tabelle ist die Wahrheitstabelle des 4-Bit-Aufwärtszählers.

Asynchroner Abwärtszähler

Ein Abwärtszähler zählt herunter und wie wir bereits wissen, werden externe Taktimpulse nur einem Flip-Flop im asynchronen Zähler gegeben. In diesem Zähler nehmen wir Ausgaben von ‘~ Q’ Ausgabe.

Wie Sie sehen können, haben wir nur die Ausgangspositionen geändert, um den Zähler nach unten zu bringen. Wohingegen die ganze Restschaltung dem Aufwärtszähler ähnlich ist. Sehen wir uns nun die Ausgangswellenform an.

Wir können die Wahrheitstabelle mit der vorherigen Methode finden.

Uhr	Q3	Q2	Q1	Q0	Dezimales Äquivalent der binären Ausgabe
0	1	1	1	1	15
1	1	1	1	0	14
2	1	1	0	1	13
3	1	1	0	0	12
4	1	0	1	1	11
5	1	0	1	0	10
6	1	0	0	1	9
7	1	0	0	0	8
8	0	1	1	1	7
9	0	1	1	0	6
10	0	1	0	1	5
11	0	1	0	0	4
12	0	0	1	1	3
13	0	0	1	0	2
14	0	0	0	1	1
15	0	0	0	0	0
16(0)	1	1	1	1	15

Synchronzähler

Im Synchronzähler werden allen Flip-Flops externe Taktimpulse gegeben. Aber wir verwenden zusätzliche Logik in diesem Zähler. Es gibt zwei Arten von synchronen Zähler sowie asynchrone Zähler.

Synchroner Aufwärtszähler

Wie wir wissen, zählt ein Aufwärtszähler auf. Es gibt zwei Arten von synchronen Up-Zähler.

1. Synchroner Up-Zähler mit Ripple-Carry

Sehen wir uns das Design eines 4-Bit-synchronen Up-Zählers mit Ripple-Carry an.

Timing diagramm (timing wellenform) und wahrheit tabelle ist gleiche asynchrone up zähler. Wie Sie sehen können, hat es bei jedem Flip-Flop ein AND-Gate außer dem ersten, bei dem es sich um ein LSB-Flip-Flop handelt. Jedes UND-Gatter hat zwei Eingänge. Der Ausgang jedes UND-Gatters ist der UND-Ausgang aller vorherigen Flip-Flops und der Eingang des nächsten Flip-Flops. Um die AND’ed-Ausgabe von previous all Flip-Flops an next AND Gate zu übergeben, wird die Ausgabe von previous AND gate an next the next and Gate übergeben. Diese Art von Zähler wird als “Ripple Carry Counter” bezeichnet.

Lassen Sie uns nun die Funktionsweise dieses Zählers verstehen. Sie können sehen, dass alle JK Flip-Flop als T Flip-Flop konfiguriert ist. Der Eingang des ersten T-Flip-Flops ist fest, was high (1) ist, und der Ausgang wird an den nächsten Flip-Flop-Eingang und das erste UND-Gatter gegeben. Der Ausgang des zweiten Flip-Flops wird an das erste UND-Gatter und der Ausgang des ersten UND-Gatters an den nächsten Flip-Flop-Eingang gegeben. Dann wird diese Sequenz für alle nächsten Flip-Flops wiederholt.

Wenn wir dieser Schaltung Taktimpulse geben, schaltet das erste Flip-Flop um und sein Ausgang wird hoch. Jetzt ist der Eingang des zweiten Eingangs hoch und wenn der nächste Takt gegeben wird, schaltet das zweite Flip-Flop um und es wird hoch. Das erste Flip-Flop schaltet auch bei der zweiten Uhr um und es wird niedrig. Beim dritten Takt schaltet das erste Flip-Flop um und wird hoch, aber da der Eingang des zweiten Flip-Flops niedrig war, schaltet es nicht um und bleibt hoch. Jetzt ist das erste UND-Gatter aktiv und sein Ausgang wird high, was der Eingang des dritten Flip-Flops ist. Wenn der vierte Taktimpuls gegeben ist, werden das erste und das zweite Flip-Flop niedrig sein und das dritte Flip-Flop wird umschalten und es wird hoch. Dieser Vorgang wiederholt sich für alle Flip-Flops.

2. Synchroner Up-Zähler ohne Ripple-Carry-Zähler

Sehen wir uns das Design eines 5-Bit-synchronen Up-Zählers ohne Ripple-Carry an.

In diesem Zähler wird der Eingang des UND-Gatters mit zunehmendem Flip-Flop erhöht. Da wir nicht die Ausgabe von previous AND an next AND Gate geben, geben wir stattdessen alle vorherigen Flip-Flops direkt an AND Gate aus. Wenn also die Anzahl der Flip-Flops zunimmt, nimmt auch die Anzahl der UND-Gattereingänge zu. Diese Art von Flip-Flop wird als “Without Ripple Carry Counter” bezeichnet. Die Funktionsweise dieses Zählers ist dieselbe wie zuvor erläutert.

Synchroner Abwärtszähler

Um einen Aufwärtszähler in einen Abwärtszähler umzuwandeln, müssen wir nur die Position des Ausgangs in Flip-Flops ändern. Sehen wir uns also die Schaltung für beide Arten von synchronen Abwärtszählern an.

1. Synchroner Abwärtszähler mit Welligkeitsübertrag

Sehen wir uns die Logikschaltung für den synchronen Abwärtszähler mit Welligkeitsübertrag an.

Wie Sie sehen, haben wir die Ausgabe von ‘Q’-Ausgabe in ‘~ Q’ -Ausgabe geändert, um einen Abwärtszähler zu erreichen.

2. Synchroner Abwärtszähler ohne Welligkeitsübertrag

Sehen wir uns die Logikschaltung für den synchronen Abwärtszähler ohne Welligkeitsübertrag an.

Wie Sie auch in diesem Zähler sehen können, haben wir die Ausgabe von ‘Q’-Ausgabe in ‘~ Q’ -Ausgabe geändert, um einen Abwärtszähler zu erreichen.

Spezieller Zählertyp

Es gibt einige spezielle Zählertypen, die “Ringzähler” und “Johnson-Zähler” sind. Lass sie uns eins nach dem anderen sehen.

Ringzähler

Dies ist eine spezielle Art von Synchronzähler. Es ist ein Shift-Typ-Zähler, so dass es auch Shift-Zähler genannt wird. In diesem Zähler verschieben sich die Daten von rechts nach links oder von links nach rechts. Sehen wir uns die Logikschaltung des Ringzählers an.

Wie Sie sehen können, ist der Ausgang des letzten Flip-Flops der Eingang für das erste Flip-Flop, der Ausgang des ersten Flip-Flops der Eingang für das zweite Flip-Flop und so weiter. Daten verschieben sich also von links nach rechts. In diesem Zähler wird das Flip-Flop ganz rechts oder ganz links zunächst auf ‘1’ gesetzt und alle anderen Flip-Flops werden gelöscht. Bei jedem Takt wird diese ‘1’ verschoben. Sehen wir uns nun die Wahrheitstabelle des Ringzählers an.

Zählen schritt von ring zähler wird 20, 21, 22 ….2N-1. wobei N die Anzahl der Flip-Flops ist.

FOUT = FCLK/N

Johnson zähler

Dies ist auch eine spezielle art synchron zähler. Wir mussten ein Flip-Flop im Ringzähler voreinstellen, aber im Johnson-Zähler wird die Rückmeldung vom “~ Q” -Ausgang des letzten Flip-Flops gegeben. Wir müssen nur alle Flip-Flops löschen.

Wie Sie sehen können, ist der Ausgang “~ Q” des letzten Flip-Flops der Eingang für das erste Flip-Flop, der Ausgang des ersten Flip-Flops der Eingang für das zweite Flip-Flop und so weiter. Daten verschieben sich also von links nach rechts. In diesem Zähler müssen wir das LSB- oder MSB-Flip-Flop zunächst nicht auf ‘1’ setzen, sondern nur alle Flip-Flops löschen. Der erste Takt ‘1’, der auf “~Q3” liegt, wird verschoben und in Q0 gespeichert, bis “~Q3” nicht ‘0’ ist. Sehen wir uns nun die Wahrheitstabelle des Zählers an.

Clock	~Q3	Q3	K2	Q1	K0
1	1	0	0	0	0
2	1	0	0	0	1
3	1	0	0	1	1
4	1	0	1	1	1
5	0	1	1	1	1
6	0	1	1	1	0
7	0	1	1	0	0
8	0	1	0	0	0
9	1	0	0	0	0

Anwendungen von zähler

• Zählen jede digitale puls
• Frequency division
• Digitale uhren
• Analog zu digitaler Wandler (ADC)

Einige zähler chips (zähler IC)

1. 74HC161: -Es ist ein 4 bit synchron BCD (Binary Coded Dezimal) zähler mit asynchrone reset. Es wird von Texas Instruments (TI) hergestellt.
2. 74HC163: -Es ist ein 4 bit synchron binary zähler mit asynchrone reset und synchron last. Es wird von Texas Instruments (TI) hergestellt.
3. 74HC191: -Es ist ein 4 bit synchron binary up/unten zähler mit asynchrone reset und synchron last. Es wird von NXP hergestellt.
4. 74HC160:-Es ist ein 4 bit pre-settable synchron BCD zähler mit asynchrone reset. Es wird von NXP hergestellt.
5. CD4017B: -Es ist eine 4-bühne synchron jahrzehnt zähler mit decodiert ausgänge (0-9). Für weitere Informationen klicken Sie hier.