Mạch đếm không đồng bộ

Mạch đếm không đồng bộ sử dụng flip-flops được kết nối nối tiếp với nhau để xung clock đầu vào xuất hiện gợn qua bộ đếm

Mạch đếm không đồng bộ có thể có 2 ⁿ -1 trạng thái đếm có thể có, ví dụ MOD-16 cho bộ đếm 4 bit, Mạch đếm từ 0 đến 15 làm cho nó lý tưởng để sử dụng trong các ứng dụng Phân chia tần số. Nhưng cũng có thể sử dụng cấu hình Mạch đếm không đồng bộ cơ bản để xây dựng các bộ đếm đặc biệt với trạng thái đếm nhỏ hơn số đầu ra tối đa của chúng. Ví dụ, bộ đếm modulo hoặc MOD.

Điều này đạt được bằng cách buộc bộ đếm tự đặt lại về 0 tại một giá trị được xác định trước tạo ra một loại Mạch đếm không đồng bộ có các chuỗi bị cắt. Khi đó, một bộ đếm n bit đếm đến mô đun lớn nhất của nó (2 ⁿ ) được gọi là bộ đếm tuần tự đầy đủ và bộ đếm n bit có mô đun nhỏ hơn mức tối đa có thể được gọi là bộ đếm cắt .

Nhưng tại sao chúng ta lại muốn tạo một bộ đếm cắt không đồng bộ mà không phải là MOD-4, MOD-8 hoặc một số mô-đun khác bằng lũy ​​thừa của hai. Câu trả lời là chúng ta có thể sử dụng logic tổ hợp để tận dụng các đầu vào không đồng bộ trên flip-flop.

Nếu chúng ta sử dụng bộ đếm không đồng bộ modulo-16 và sửa đổi nó với các cổng logic bổ sung, nó có thể được tạo ra để cung cấp đầu ra bộ đếm thập phân (chia cho 10) để sử dụng trong các mạch số học và đếm thập phân tiêu chuẩn.

Những bộ đếm như vậy thường được gọi là Bộ đếm Thập phâm . Bộ đếm thập phân yêu cầu đặt lại về 0 khi số lượng đầu ra đạt đến giá trị thập phân là 10, tức là. khi DCBA = 1010 và để làm điều này, chúng ta cần đưa điều kiện này trở lại đầu vào đặt lại. Bộ đếm có chuỗi đếm từ nhị phân “0000” (BCD = “0”) đến “1001” (BCD = “9”) thường được gọi là bộ đếm thập phân mã nhị phân BCD vì chuỗi mười trạng thái của nó là của mã BCD nhưng bộ đếm thập phân nhị phân phổ biến hơn. Hãy tham khảo với Mobitool nhé.

Video hướng dẫn bài tập mạch đếm không đồng bộ có lời giải

Mạch đếm đồng bộ và không đồng bộ

Loại bộ đếm không đồng bộ này đếm ngược lên trên mỗi cạnh sau của tín hiệu xung nhịp đầu vào bắt đầu từ 0000 cho đến khi nó đạt đến đầu ra 1001 (số thập phân 9). Cả hai đầu ra QA và QD bây giờ bằng logic “1”. Khi áp dụng xung clock tiếp theo, đầu ra từ cổng 74LS10 NAND thay đổi trạng thái từ mức logic “1” sang mức logic “0”.

Khi đầu ra của cổng NAND được kết nối với đầu vào CLEAR (  CLR  ) của tất cả các Flip-flop 74LS73 JK, tín hiệu này khiến tất cả các đầu ra Q được đặt lại về nhị phân 0000 trên số đếm là 10. Khi đầu ra QA và QD bây giờ đều bằng logic “0” vì flip-flop vừa được thiết lập lại, đầu ra của cổng NAND quay trở lại mức logic “1” và bộ đếm khởi động lại từ 0000 . Bây giờ chúng tôi có một thập phân hoặc Modulo-10 up-counter.

Bảng thực trị của mạch đếm Thập phân và thiết kế mạch đếm không đồng bộ

Sơ đồ thời gian đếm thập phân

Bằng cách sử dụng cùng một ý tưởng về việc cắt bớt các chuỗi đầu ra của bộ đếm, mạch trên có thể dễ dàng được điều chỉnh cho phù hợp với các chu kỳ đếm khác chỉ đơn giản là thay đổi các kết nối với đầu vào của cổng NAND hoặc bằng cách sử dụng các tổ hợp cổng logic khác.

Vì vậy, ví dụ: có thể dễ dàng tạo ra thang điểm mười hai (modulo-12) bằng cách chỉ cần lấy các đầu vào cho cổng NAND từ các đầu ra ở “ QC ” và “ QD ”, lưu ý rằng giá trị tương đương nhị phân của 12 là 1100 và đầu ra “ QA ” là bit ít quan trọng nhất (LSB).

Vì mô-đun tối đa có thể được thực hiện với n flip-flops là 2 ⁿ , điều này có nghĩa là khi bạn thiết kế bộ đếm không đồng bộ bị cắt, bạn nên xác định công suất thấp nhất của hai bộ đếm lớn hơn hoặc bằng mô-đun mong muốn của bạn.

Giả sử chúng ta muốn đếm từ 0 đến 39 hoặc mod-40 và lặp lại. Khi đó, số lần xỏ ngón cao nhất được yêu cầu sẽ là sáu, n = 6 cho MOD tối đa là 64 vì năm lần xỏ ngón sẽ không đủ vì điều này chỉ cho chúng ta một MOD-32.

Bây giờ, giả sử chúng ta muốn xây dựng một bộ đếm “chia cho 128” để phân chia tần số, chúng ta sẽ cần xếp tầng bảy  flip-flops kể từ 128 = 2 ⁷ . Sử dụng flip-flops kép như 74LS74, chúng tôi vẫn cần bốn IC để hoàn thành mạch.

Một phương pháp thay thế dễ dàng sẽ là sử dụng hai TTL 7493 làm bộ đếm / bộ chia gợn 4 bit. Vì 128 = 16 x 8, nên một chiếc 7493 có thể được định cấu hình làm bộ đếm “chia cho 16” và bộ còn lại làm bộ đếm “chia cho 8”. Hai IC sẽ được xếp tầng với nhau để tạo thành bộ chia tần số “chia cho 128” như hình minh họa.

Tất nhiên các bộ đếm không đồng bộ IC tiêu chuẩn có sẵn như bộ đếm / bộ chia gợn có thể lập trình TTL 74LS90 có thể được cấu hình như một bộ chia cho 2, chia cho 5 hoặc bất kỳ sự kết hợp nào của cả hai. 74LS390 là một vi mạch điều khiển thập phân kép rất linh hoạt với một số lượng lớn các tổ hợp “chia cho” có sẵn ở dạng chia cho 2, 4, 5, 10, 20, 25, 50 và 100.

Bộ phân tần – Mạch đếm không đồng

Khả năng này của bộ đếm gợn để cắt bớt các chuỗi để tạo ra đầu ra “chia cho n” có nghĩa là các bộ đếm và đặc biệt là bộ đếm gợn, có thể được sử dụng làm bộ phân tần để giảm tần số xung nhịp cao xuống giá trị hữu dụng hơn để sử dụng trong kỹ thuật số xung nhịp và các ứng dụng thời gian. Ví dụ: giả sử chúng tôi yêu cầu tín hiệu định thời 1Hz chính xác để vận hành xung nhịp kỹ thuật số. Bên dưới : bài tập thiết kế mạch đếm không đồng bộ

Chúng tôi có thể khá dễ dàng tạo ra tín hiệu sóng vuông 1Hz bằng cách sử dụng chip định thời 555 tiêu chuẩn được định cấu hình như một Bộ điều khiển đa năng linh hoạt, nhưng bảng dữ liệu của nhà sản xuất cho chúng tôi biết rằng bộ định thời 555 có lỗi thời gian điển hình 1-2% tùy thuộc vào nhà sản xuất và ở mức thấp tần số 1Hz, sai số định thời 2% này là không tốt.

Tuy nhiên, bảng dữ liệu cũng cho chúng ta biết rằng tần số hoạt động tối đa của bộ định thời 555 là khoảng 300kHz và sai số 2% ở tần số cao này, trong khi vẫn còn lớn ở mức tối đa khoảng 6kHz, có thể chấp nhận được. Vì vậy, bằng cách chọn tần số định thời cao hơn, chẳng hạn 262.144kHz và bộ đếm gợn 18-bit (Modulo-18), chúng ta có thể dễ dàng tạo ra tín hiệu định thời chính xác 1Hz như hình dưới đây.

Tín hiệu định thời 1Hz từ bộ đếm gợn không đồng bộ 18 bit – Mạch đếm không đồng

Tất nhiên, đây là một ví dụ rất đơn giản về cách tạo ra các tần số thời gian chính xác, nhưng bằng cách sử dụng bộ dao động tinh thể tần số cao và bộ phân tần đa bit, bộ tạo tần số chính xác có thể được sản xuất cho đầy đủ các ứng dụng khác nhau, từ đồng hồ đeo tay hoặc đồng hồ đeo tay đến thời gian sự kiện và thậm chí cả các ứng dụng đàn piano / tổng hợp hoặc loại nhạc điện tử.

Thật không may, một trong những nhược điểm chính của bộ đếm không đồng bộ là có một độ trễ nhỏ giữa sự xuất hiện của xung clock ở đầu vào của nó và nó có ở đầu ra của nó do mạch bên trong của cổng.

Trong các mạch không đồng bộ, độ trễ này được gọi là Độ trễ lan truyền, tạo cho bộ đếm gợn không đồng bộ biệt danh là “bộ đếm lan truyền” và trong một số trường hợp tần số cao, độ trễ này có thể tạo ra số lượng đầu ra sai.

Trong các mạch đếm gợn bit lớn, nếu độ trễ của các giai đoạn riêng biệt được cộng lại với nhau để tạo ra độ trễ tổng hợp ở cuối chuỗi bộ đếm thì sự khác biệt về thời gian giữa tín hiệu đầu vào và tín hiệu đầu ra đếm được có thể rất lớn. Đây là lý do tại sao Bộ đếm không đồng bộ thường không được sử dụng trong các mạch đếm tần số cao có liên quan đến số lượng lớn các bit.

Ngoài ra, các đầu ra từ bộ đếm không có mối quan hệ thời gian cố định với nhau và không xảy ra cùng một thời điểm do trình tự xung nhịp của chúng. Nói cách khác, từng tần số đầu ra trở nên khả dụng, một loại hiệu ứng domino. Sau đó, càng nhiều flip-flops được thêm vào chuỗi bộ đếm không đồng bộ thì tần số hoạt động tối đa càng thấp để đảm bảo đếm chính xác. Để khắc phục vấn đề về độ trễ lan truyền Các bộ đếm đồng bộ đã được phát triển.

Sau đó để tóm tắt một số ưu điểm của Bộ đếm không đồng bộ:

• Bộ đếm không đồng bộ có thể dễ dàng được tạo ra từ dép xỏ ngón kiểu Toggle hoặc D.
• Chúng được gọi là “Bộ đếm không đồng bộ” bởi vì đầu vào xung nhịp của flip-flops không phải tất cả đều được điều khiển bởi cùng một tín hiệu xung nhịp.
• Mỗi đầu ra trong chuỗi phụ thuộc vào sự thay đổi trạng thái so với đầu ra của flip-flop trước đó.
• Các bộ đếm không đồng bộ đôi khi được gọi là bộ đếm gợn  vì dữ liệu dường như “gợn” từ đầu ra của một flip-flop đến đầu vào của lần tiếp theo.
• Chúng có thể được thực hiện bằng cách sử dụng mạch đếm “chia theo n”.
• Bộ đếm cắt có thể tạo ra bất kỳ số lượng mô đun nào.

Nhược điểm của Bộ đếm không đồng bộ:

• Có thể cần thêm một bảng  flip-flops đầu ra “tái đồng bộ hóa”.
• Để đếm một chuỗi bị cắt  không bằng 2 ⁿ , cần có thêm logic phản hồi.
• Đếm một số lượng lớn các bit, độ trễ lan truyền theo các giai đoạn liên tiếp có thể trở nên lớn không thể lường trước được.
• Sự chậm trễ này khiến nó được gọi  là ” đếm lan truyền”.
• Lỗi đếm xảy ra ở tần số xung nhịp cao.
• Bộ đếm đồng bộ nhanh hơn và đáng tin cậy hơn vì chúng sử dụng cùng một tín hiệu clock cho tất cả các flip-flop.

Trong hướng dẫn tiếp theo về Bộ đếm , chúng ta sẽ xem xét Bộ đếm đồng bộ và thấy rằng đặc điểm chính của bộ đếm đồng bộ là đầu vào xung nhịp của mỗi flip-flop trong chuỗi được kết nối với tất cả các flip-flop để chúng được đồng hồ hóa đồng thời.