異步計數器是那些輸出不受時鐘信號影響的計數器。由于異步計數器中的觸發器提供有不同的時鐘信號,因此在產生輸出時可能會有延遲。設計異步計數器所需的邏輯門數量非常少,所以它們的設計很簡單。異步計數器的另一個名稱是“波紋計數器”。
異步計數器中使用的觸發器數量取決于計數器的狀態數量(例如Mod 4、Mod 2等)。計數器的輸出狀態數稱為計數器的“模數”或“MOD”。計數器可以擁有的最大狀態數為2n,其中n表示計數器中使用的觸發器數量。例如,如果有2個觸發器,則計數器的最大輸出數為4,即 2*2。因此,它被稱為“MOD-4計數器”或“模數4計數器”。
主要類型
數字電子產品中有多種類型的異步計數器可用,常見的例如:
4 位異步UP計數器
4位異步DOWN計數器
4位異步UP/DOWN計數器
1、異步4位UP計數器
帶D觸發器的4位異步UP計數器如下圖所示,它能夠計數從0到15的數字。所有觸發器的時鐘輸入級聯,每個觸發器的D輸入(DATA輸入)連接到觸發器的狀態輸出。
這意味著觸發器將在時鐘信號的每個有效邊沿或上升沿觸發。時鐘輸入連接到第一個觸發器,而計數器中的其他觸發器接收從前一個觸發器的 Q' 輸出輸入的時鐘信號。當時鐘信號出現上升沿時,第一個觸發器的輸出將發生變化。
在異步4位UP計數器中,觸發器以切換模式連接,因此當時鐘輸入連接到第一個觸發器FF0時,其在一個時鐘脈沖后的輸出將變為20。
每個觸發器的Q輸出的上升沿觸發其下一個觸發器的時鐘輸入,它將下一個時鐘頻率觸發到其應用輸入的一半,每個觸發器(Q0、Q1、Q2、Q3)的Q輸出表示 4 位UP計數器的計數,例如20 (1) 到23 (8)。
工作原理如下:
現在假設觸發器的4個Q輸出最初為0000。當時鐘脈沖的上升沿施加到FF0時,輸出Q0將變為邏輯1,下一個時鐘脈沖將Q0輸出變為邏輯0。這意味著時鐘脈沖的輸出狀態在一個周期內切換(從0變為1)。
由于FF0的Q'連接到FF1的時鐘輸入,那么第二個觸發器的時鐘輸入將變為1。這使得FF1的輸出為高電平(即Q1=1),表示值為20。這樣下一個時鐘脈沖將使Q0再次變高。
所以現在Q0和Q1都為高,這導致4位輸出11002。現在如果應用第四個時鐘脈沖,它將使Q0和Q1變為低狀態并切換FF2。因此輸出Q2將變為00102。由于該電路是4位向上計數器,因此輸出是從0、1、2、3….15即00002到11112(0到1510)的二進制值序列。
例如,如果當前計數=3,則遞增計數器將計算下一次計數為4。
2、異步4位DOWN計數器
下圖顯示了一個4位異步DOWN計數器。這是對UP計數器的簡單修改。4位向下計數器將從15到0向下計數。所有觸發器的時鐘輸入級聯,每個觸發器的D輸入(DATA輸入)連接到邏輯1。
這意味著觸發器將在時鐘信號的每個有效邊沿(正邊沿)處切換。時鐘輸入連接到第一個觸發器。計數器中的其他觸發器接收來自前一個觸發器的Q輸出而不是Q' 輸出的時鐘信號。
這里Q0、Q1、Q2、Q3代表4位遞減計數器的計數。當時鐘信號的上升沿出現時,第一個觸發器的輸出將發生變化。例如,如果當前計數=3,則向上計數器將計算下一個計數為2。輸入時鐘將導致下一個觸發器的輸出(計數)發生變化。
異步遞減計數器的操作與異步遞加計數器的操作完全相反。在這里,輸入端的每個時鐘脈沖都會減少單個觸發器的計數。因此,遞減計數器從15、14、13…0計數,即(0到1510)或11112到00002。
另外,UP/DOWN計數器都是使用異步設計的,基于時鐘信號,目前還沒有廣泛的使用,因為它們在高時鐘速度下并不可靠。
異步3位UP/DOWN計數器
通過將UP計數器和DOWN計數器的概念相加,便可以設計出異步3位UP/DOWN計數器。3位異步加/減計數器如下所示。
它可以根據時鐘信號輸入以任何一種方式計數,從上到下或從下到上。
向上計數;如果UP輸入和DOWN輸入分別為1和0,則第一個觸發器到第三個觸發器之間的NAND門會將FF0的非反相輸出傳遞到FF1的時鐘輸入。類似地,FF1的Q輸出將傳遞到FF2的時鐘輸入。因此向上 / 向下計數器執行向上計數。
向下計數;如果DOWN輸入和UP輸入分別為1和0,則第一個觸發器到第三個觸發器之間的NAND門會將FF0的反相輸出傳遞到FF1的時鐘輸入。同樣,FF1的Q輸出將通過FF2的時鐘輸入。因此UP/DOWN計數器執行向下計數。
UP/DOWN計數器比UP計數器或DOWN計數器慢,因為加法傳播延遲將添加到NAND門網絡。
關于時鐘紋波
驅動電路的各個時鐘脈沖的時間延遲之和稱為“時鐘紋波”,下圖可以清楚的解釋邏輯門如何在每個觸發器中產生傳播延遲。
邏輯門的傳播延遲用藍線表示,它們中的每一個都會增加下一個觸發器的延遲,所有這些單獨的觸發器的總和稱為電路的傳播延遲。
由于所有觸發器的輸出以不同的時間間隔變化,并且對于時鐘信號的每個不同輸入,每次輸出都會出現一個新值。例如,在時鐘脈沖8處,輸出應從11102 (710) 變為00012 (810),時間延遲為400到700ns(納秒)。
對于8個以外的時鐘脈沖,序列將發生變化。雖然該瓶頸問題阻礙了該電路用作可靠的計數器,但它作為簡單有效的分頻器仍然很有價值,其中高頻振蕩器提供輸入,鏈中的每個觸發器將頻率除以2。
主要優點
異步計數器可以很容易地用T觸發器或D觸發器設計。
異步計數器也稱為紋波計數器,用于低速電路。
它們用作除以N計數器,將輸入除以N,其中N是整數。
異步計數器也用作截斷計數器。這些可用于設計任何Mod編號計數器,即偶數Mod(例如:Mod4)或奇數Mod(例如:Mod3)。
主要缺點
有時“重新同步”可能需要額外的觸發器。
要計算截斷計數器的序列(Mod不等于2n),可能需要額外的反饋邏輯。
在計數大量位時,異步計數器的傳播延遲非常大。
對于高時鐘頻率,由于傳播延遲,可能會出現計數錯誤。
主要應用
異步計數器用作分頻器,用作除以N的計數器。
用于低功率應用和低噪聲發射。
用于設計異步十進制計數器。
用于環形計數器和約翰遜計數器。
異步計數器用于Mod N紋波計數器。例如Mod 3、Mod 4、Mod 8、Mod 14、Mod 10等。
總結
簡單來說,異步計數器可以說成是異步時序電路,其主要特點是每個觸發器的時鐘脈沖端CP不全都連接在一起,所以觸發器的翻轉時刻有先有后,其輸出可能會產生干擾延遲現象,但其電路結構設計相對簡單。
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基于Multisim的計數器設計仿真

同步計數器和異步計數器是什么 同步計數器和異步計數器的主要區別?

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