Synchrone Binärzähler: Design, Up/Down-Betrieb und Encoder-Anwendungen

Bei Verwendung von JK-Flip-Flops werden die Takteingänge zusammen verdrahtet, sodass jedes Bauelement exakt dieselbe Taktflanke zum selben Zeitpunkt erhält:

Die Herausforderung liegt in der Einstellung der J- und K-Eingänge. Um die Teile-durch-zwei-Timing zu erhalten, das eine Binärzählung erzeugt, muss jedes Flip-Flop im Toggle-Modus arbeiten, was J=K=1 zu den passenden Momenten erfordert. Einfach alle J- und K-Eingänge an Vcc zu legen, würde bewirken, dass jedes Flip-Flop bei jedem Taktimpuls toggelt, was die Binärsequenz zerstört:

Stattdessen nutzen wir ein vorhersagbares Muster in der Binärsequenz: Ein Bit toggelt kurz bevor alle niedrigerwertigen Bits high sind. Dieses Muster erlaubt es uns, das Toggle jedes Flip-Flops vom Zustand der vorherigen Ausgänge abhängig zu machen.

Synchroner Up Counter

In einem synchronen Up-Counter ist jedes JK-Flip-Flop nur dann zum Togglen aktiviert, wenn alle niedrigerwertigen Ausgänge high sind. Das erste (least-significant) Flip-Flop toggelt bei jedem Taktimpuls, daher sind seine J- und K-Eingänge permanent auf high (Vcc) gelegt. Das zweite Flip-Flop toggelt, wann immer der erste Ausgang high ist – kein Gatter nötig. Für höherwertige Flip-Flops speist ein UND-Gatter die J- und K-Eingänge mit der Konjunktion aller vorherigen Ausgänge.

Das Ergebnis ist ein 4-Bit-synchroner Up-Counter, der die Binärzählsequenz ohne Ripple reproduziert, da alle Stufen auf dieselbe Taktflanke reagieren.

Synchroner Down Counter

Rückwärtszählen kehrt die Toggle-Bedingung um: Ein Bit flippst kurz bevor alle niedrigerwertigen Bits low sind. Die Q'-Ausgänge der JK-Flip-Flops liefern das nötige „low“-Signal, sodass das Toggle jedes Flip-Flops aktiviert wird, wenn seine niedrigeren Ausgänge low sind.

Up/Down Counter mit wählbarem Modus

Durch Hinzufügen einer Steuerleitung, die zwischen dem „Up“- und „Down“-UND-Gatter-Netzwerk wählt, können wir einen einzelnen Zähler bauen, der in beide Richtungen zählt. Ein ODER-Gatter speist dann das ausgewählte UND-Gatter-Ergebnis in die J- und K-Eingänge jedes Flip-Flops.

Die Steuerleitung toggelt, welches UND-Gatter-Netzwerk aktiv ist: high für Up-Counting, low für Down-Counting. Beispiel-Diagramme zeigen die Schaltung mit inaktiven Abschnitten in Grau.

Praktische Anwendungen

Up/Down-Zähler sind unverzichtbar in der Bewegungssteuerung. Drehgeber erzeugen Taktimpulse, die den Zähler antreiben, um die Position zu verfolgen. Wenn nur die Gesamtreise wichtig ist, reicht ein Einkanal-Encoder. Um auch die Richtung zu erfassen, liefert ein Quadratur-Encoder zwei phasenversetzte Signale.

Ein D-Typ-Flip-Flop unterscheidet die Phasenbeziehung zwischen den beiden Encoder-Signalen und setzt den Zähler auf Inkrement oder Dekrement entsprechend.

Derartige Schaltungen bilden die Grundlage von Robotik, CNC-Werkzeugmaschinen und jeder Anwendung, die präzise Messung reversibler mechanischer Bewegung erfordert.

Verwandte Arbeitsblätter

• Synchroner Zähler Arbeitsblatt