Ringzähler
Wenn der Ausgang eines Schieberegisters auf den Eingang zurückgeführt wird. ein Ringzähler ergibt sich. Das im Schieberegister enthaltene Datenmuster wird rezirkulieren, solange Taktimpulse angelegt werden.
In der folgenden Abbildung wird das Datenmuster beispielsweise alle vier Taktimpulse wiederholt. Allerdings müssen wir ein Datenmuster laden.
Alle 0 ‘s oder alle 1 s zählt nicht. Ist ein kontinuierlicher Logikpegel aus einer solchen Bedingung sinnvoll?
Wir treffen Vorkehrungen zum Laden von Daten in das Parallel-In/Serial-Out-Schieberegister, das unten als Ringzähler konfiguriert ist.
Jedes beliebige Zufallsmuster kann geladen werden. Das allgemein nützlichste Muster ist ein einzelnes 1 .
Binärdatei 1000 laden in den Ringzähler, oben, vor dem Verschieben ergibt ein sichtbares Muster.
Das Datenmuster für eine einzelne Stufe wiederholt sich in unserem 4-Stufen-Beispiel alle vier Taktimpulse.
Die Wellenformen für alle vier Stufen sehen bis auf die eine Taktzeitverzögerung von einer Stufe zur nächsten gleich aus. Siehe Abbildung unten.
Die obige Schaltung ist eine Division durch 4 Zähler. Ein Vergleich des Takteingangs mit einem der Ausgänge zeigt ein Frequenzverhältnis von 4:1.
F:Wie viele Stufen würden wir für einen durch 10 teilenden Ringzähler benötigen?
A:Zehn Stufen würden die 1 . rezirkulieren lassen alle 10 Taktimpulse.
Eine alternative Methode zum Initialisieren des Klingelzählers auf 1000 ist oben abgebildet. Die Shift-Wellenformen sind mit denen oben identisch und wiederholen sich jeden vierten Taktimpuls.
Die Notwendigkeit der Initialisierung ist ein Nachteil des Ringzählers gegenüber einem herkömmlichen Zähler.
Es muss mindestens beim Einschalten initialisiert werden, da es keine Möglichkeit gibt, vorherzusagen, in welchem Zustand Flip-Flops eingeschaltet werden.
Theoretisch sollte eine Initialisierung nie wieder erforderlich sein. In der Praxis könnten die Flip-Flops schließlich durch Rauschen beschädigt werden, wodurch das Datenmuster zerstört wird.
Ein „selbstkorrigierender“ Zähler wie ein konventioneller synchroner Binärzähler wäre zuverlässiger.
Der obige binäre Synchronzähler benötigt nur zwei Stufen, benötigt jedoch Decodergatter.
Der Ringzähler hatte mehr Stufen, war aber selbstdekodierend und sparte die obigen Dekodierungsgatter.
Ein weiterer Nachteil des Ringzählers ist, dass er nicht „selbststartend“ ist.
Wenn wir die decodierten Ausgänge benötigen, sieht der Ringzähler besonders attraktiv aus, wenn sich der größte Teil der Logik in einem einzigen Schieberegisterpaket befindet. Wenn nicht, ist der konventionelle Binärzähler ohne Decoder weniger komplex.
Die vom synchronen Binärzähler decodierten Wellenformen sind mit den vorherigen Ringzählerwellenformen identisch.
Die Zählerfolge ist (QA QB ) =(00 01 10 11 ).
Johnson-Zähler
Der Schalter-Tail-Ringzähler , auch bekannt als Johnson-Zähler , überwindet einige der Einschränkungen des Ringzählers.
Wie ein Ringzähler ist ein Johnson-Zähler ein auf sich selbst rückgekoppeltes Schieberegister. Er benötigt die Hälfte der Stufen eines vergleichbaren Ringzählers für ein gegebenes Teilungsverhältnis.
Wird der komplementäre Ausgang eines Ringzählers auf den Eingang zurückgeführt anstatt auf den wahren Ausgang, ergibt sich ein Johnson-Zähler.
Der Unterschied zwischen einem Ringzähler und einem Johnson-Zähler besteht darin, welcher Ausgang der letzten Stufe rückgekoppelt wird (Q oder Q’).
Vergleichen Sie die Rückkopplungsverbindung unten sorgfältig mit dem vorherigen Klingelzähler.
Diese „umgekehrte“ Rückkopplungsverbindung hat einen tiefgreifenden Einfluss auf das Verhalten der ansonsten ähnlichen Schaltungen.
Rezirkulieren einer einzelnen 1 um einen Ringzähler teilt den Eingangstakt durch einen Faktor gleich der Anzahl der Stufen.
Während ein Johnson-Zähler durch einen Faktor dividiert, der der doppelten Anzahl von Stufen entspricht.
Beispiel:Ein 4-stufiger Ringzähler dividiert durch 4 . Ein 4-stufiger Johnson-Zähler dividiert durch 8 .
Starten Sie einen Johnson-Zähler, indem Sie alle Stufen auf 0 löschen s vor der ersten Uhr. Dies geschieht oft beim Einschalten.
Wie in der Abbildung unten gezeigt, verschiebt sich die erste Uhr um drei 0 s von ( QA QB QC ) nach rechts in ( QB QC QD ). Die 1 bei QD ’ (das Komplement von Q) wird zurück in QA verschoben .
Daher beginnen wir mit der Verschiebung von 1 s nach rechts, ersetzt die 0 S. Wo ein Ringzähler eine einzelne 1 . rezirkulierte , rezirkuliert der 4-stufige Johnson-Zähler vier 0 s dann vier 1 s für ein 8-Bit-Muster, dann wiederholt.
Die obigen Wellenformen zeigen, dass mehrphasige Rechteckwellen von einem Johnson-Zähler erzeugt werden.
Die obige 4-Stufen-Einheit erzeugt vier überlappende Phasen mit einem Arbeitszyklus von 50 %. Wie viele Stufen wären erforderlich, um einen Satz von dreiphasigen Wellenformen zu erzeugen?
Ein dreistufiger Johnson-Zähler, der von einem 360-Hertz-Takt angetrieben wird, würde beispielsweise drei 120 o . erzeugen phasengesteuerte Rechteckwellen bei 60 Hertz.
Die Ausgänge der Flop-Flops in einem Johnson-Zähler lassen sich leicht in einen einzelnen Zustand decodieren.
Im Folgenden werden zum Beispiel die acht Zustände eines 4-stufigen Johnson-Zählers von nicht mehr als zwei Eingängen für jeden der Zustände dekodiert.
In unserem Beispiel decodieren acht der beiden Eingangsgatter die Zustände für unseren Beispiel-Johnson-Zähler.
Egal wie lang der Johnson-Zähler ist, es werden nur 2-Eingangs-Decoder-Gates benötigt.
Beachten Sie, dass wir nicht invertierte Eingaben für das UND hätten verwenden können Gates durch Ändern der Gate-Eingänge von wahr auf invertiert an den FFs, Q zu Q’ , (und umgekehrt).
Wir versuchen jedoch, das obige Diagramm so genau wie möglich mit dem Datenblatt des CD4022B abzugleichen.
Oben, unsere vierphasigen Rechteckwellen QA nach QD werden in acht Signale dekodiert (G0 bis G7 ) aktiv während einer Taktperiode aus einem kompletten 8-Takt-Zyklus.
Beispiel:G0 ist aktiv hoch, wenn sowohl QA und QD sind niedrig. Somit definieren Paare der verschiedenen Registerausgänge jeden der acht Zustände unseres Johnson-Zähler-Beispiels.
Oben sehen Sie das vollständigere interne Diagramm des Johnson-Zählers CD4022B. Siehe das Datenblatt des Herstellers für kleinere Details, die weggelassen wurden.
Die wichtigste Neuerung im Diagramm im Vergleich zu den vorherigen Abbildungen ist der Erkennung für unzulässige Zustände bestehend aus den beiden NOR Tore.
Sehen Sie sich die eingefügte Zustandstabelle an. Es gibt 8 zulässige Zustände, wie in der Tabelle aufgeführt.
Da unser Shifter vier Flip-Flops hat, gibt es insgesamt 16 Zustände, davon 8 unzulässige Zustände. Das wären diejenigen, die nicht in der Tabelle aufgeführt sind.
Theoretisch werden wir keinen der unzulässigen Zustände erreichen, solange das Schieberegister RESET ist vor dem ersten Gebrauch.
In der „realen Welt“ kann der Johnson-Zähler jedoch nach vielen Tagen Dauerbetrieb aufgrund von unvorhergesehenem Rauschen, Stromleitungsstörungen, Blitzeinschlägen usw. in einen der unzulässigen Zustände geraten.
Für Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit müssen wir diese geringe Möglichkeit einplanen. Schwerwiegender ist der Fall, dass der Stromkreis beim Einschalten nicht gelöscht wird.
In diesem Fall gibt es keine Möglichkeit zu wissen, in welchem der 16 Zustände die Schaltung hochfährt.
Sobald sich der Johnson-Zähler in einem unzulässigen Zustand befindet, kehrt er ohne Eingreifen in keinen der zulässigen Zustände zurück. Das ist der Zweck des NOR Tore.
Untersuchen Sie die Tabelle auf die Sequenz (QA QB QC ) =(010 ). Diese Reihenfolge erscheint nirgendwo in der Tabelle der zulässigen Zustände.
Daher (010 ) ist unzulässig. Es sollte nie vorkommen. Wenn dies der Fall ist, befindet sich der Johnson-Zähler in einem unzulässigen Zustand, den er in einen beliebigen zulässigen Zustand verlassen muss.
Angenommen, (QA QB QC ) =(010 ). Das zweite NOR Gate ersetzt QB =1 mit einer 0 im D Eingabe in FF QC .
Mit anderen Worten, die beleidigende 010 wird ersetzt durch 000 . Und 000 , das in der Tabelle erscheint, wird nach rechts verschoben.
Die Tabelle enthält möglicherweise Triple-0-Sequenzen. So funktioniert das NOR Gates bringen den Johnson-Zähler aus einem unzulässigen Zustand in einen zulässigen Zustand.
Nicht alle unzulässigen Bundesstaaten enthalten ein 010 Reihenfolge. Nach ein paar Takten wird diese Sequenz jedoch erscheinen, sodass alle unzulässigen Zustände schließlich umgangen werden.
Wenn die Schaltung ohne RESET eingeschaltet wird , werden die Ausgaben für einige Takte unvorhersehbar sein, bis ein zulässiger Zustand erreicht ist.
Wenn dies bei einer bestimmten Anwendung ein Problem darstellt, stellen Sie sicher, dass Sie RESET beim Einschalten.
Johnson-Zähler
Ein Paar integrierter Johnson-Zähler mit decodierten Ausgangszuständen ist verfügbar.
Wir haben uns die interne Logik des CD4017 bereits in der Diskussion über Johnson-Zähler angesehen.
Die Geräte der 4000er Serie können mit 3V bis 15V Netzteilen betrieben werden. Der 74HC-Teil, der für eine TTL-Kompatibilität entwickelt wurde, kann mit einer Versorgung von 2 V bis 6 V betrieben werden, schneller zählen und hat eine größere Ausgangstreiberfähigkeit.
Für vollständige Gerätedatenblätter folgen Sie den Links.
- CD4017 Johnson-Zähler mit 10 dekodierten Ausgängen CD4022 Johnson-Zähler mit 8 dekodierten Ausgängen
- 74HC4017 Johnson-Zähler, 10 dekodierte Ausgänge
Die ANSI-Symbole für das modulo -10 (durch 10 dividieren) und Modulo-8 Johnson-Zähler sind oben gezeigt.
Das Symbol nimmt eher die Eigenschaften eines Zählers an als eine Schieberegisterableitung, die es ist.
Wellenformen für das CD4022 Modulo-8 und den Betrieb wurden zuvor gezeigt. Der Dekadenzähler CD4017B/ 74HC4017 ist ein 5-stufiger Johnson-Zähler mit zehn dekodierten Ausgängen.
Bedienung und Wellenformen ähneln denen des CD4017. Tatsächlich sind sowohl der CD4017 als auch der CD4022 auf demselben Datenblatt detailliert beschrieben.
Der 74HC4017 ist eine modernere Version des Dekadenzählers.
Diese Geräte werden verwendet, wenn dekodierte Ausgaben anstelle der binären oder BCD-Ausgaben (Binary Coded Decimal) benötigt werden, die bei normalen Zählern zu finden sind.
Mit decodiert meinen wir, dass eine Zeile von zehn Zeilen gleichzeitig für den '4017 anstelle des 4-Bit-BCD-Codes aus herkömmlichen Zählern aktiv ist.
Siehe vorherige Wellenformen für die 1-aus-8-Decodierung für den Octal Johnson-Zähler '4022.
Praktische Anwendungen
Der obige Johnson-Zähler verschiebt eine leuchtende LED jede Fünftelsekunde um den Zehnerring.
Beachten Sie, dass der 74HC4017 anstelle des '40017 verwendet wird, da der erstere Teil mehr Stromfähigkeit hat.
Aus dem Datenblatt (unter dem obigen Link) im Betrieb bei VCC =5V, der VOH =4,6 V bei 4 mA.
Mit anderen Worten, die Ausgänge können 4 mA bei 4,6 V liefern, um die LEDs anzusteuern. Denken Sie daran, dass LEDs normalerweise mit 10 bis 20 mA Strom betrieben werden.
Sie sind jedoch bis auf 1 ma sichtbar. Diese einfache Schaltung veranschaulicht eine Anwendung des ‘HC4017.
Benötigen Sie ein helles Display für eine Ausstellung? Verwenden Sie dann invertierende Puffer, um die Kathoden der LEDs zu treiben, die durch Anodenwiderstände mit niedrigerem Wert an die Stromversorgung gezogen werden.
Der 555-Timer, der als astabiler Multivibrator dient, erzeugt eine Taktfrequenz, die durch R1 . bestimmt wird R2 C1 .
Dies treibt den 74HC4017 einen Schritt pro Takt, was durch eine einzelne LED auf dem Ring angezeigt wird.
Beachten Sie, wenn der 555 den Clock-Pin des '4015 nicht zuverlässig ansteuert, führen Sie ihn durch eine einzelne Pufferstufe zwischen dem 555 und dem '4017.
Eine Variable R2 könnte die Schrittfrequenz ändern. Der Wert des Entkopplungskondensators C2 ist nicht kritisch. Ein ähnlicher Kondensator sollte über die Strom- und Massepins des '4017' angelegt werden.
Der Johnson-Zähler oben erzeugt 3-Phasen-Rechteckwellen mit einer Phase von 60 o auseinander in Bezug auf (QA QB QC ).
Wir brauchen jedoch 120 o phasengesteuerte Wellenformen von Stromanwendungen (siehe Band II, AC).
Auswahl von P1 =QA P2 =QC P3 =QB ’ ergibt die 120 o Staffelung erwünscht. Siehe Abbildung unten.
Wenn diese (P1 P2 P3 ) auf Sinuswellen tiefpassgefiltert und verstärkt werden, könnte dies der Beginn einer 3-Phasen-Stromversorgung sein.
Müssen Sie beispielsweise einen kleinen 3-Phasen-Flugzeugmotor mit 400 Hz antreiben?
Führe dann 6x 400Hz in die obige Schaltung CLOCK . Beachten Sie, dass alle diese Wellenformen ein Tastverhältnis von 50 % haben.
Die nachfolgende Schaltung erzeugt nicht überlappende 3-Phasen-Wellenformen mit einem Arbeitszyklus von weniger als 50 % zum Antrieb von 3-Phasen-Schrittmotoren.
Oben decodieren wir die überlappenden Ausgaben QA QB QC zu nicht überlappenden Ausgaben P0 P1 P2 wie unten gezeigt.
Diese Wellenformen treiben einen 3-Phasen-Schrittmotor nach geeigneter Verstärkung vom Milliampere-Pegel auf den Bruchteil-Ampere-Pegel unter Verwendung der oben gezeigten ULN2003-Treiber oder des Darlington-Paar-Treibers mit diskreten Komponenten, der in der folgenden Schaltung gezeigt wird.
Ohne den Motortreiber benötigt diese Schaltung drei IC-Pakete (Integrated Circuit):zwei Dual-Typ-D-FF-Pakete und ein Quad-NAND-Gatter.
Ein einzelner CD4017, oben, erzeugt die erforderlichen 3-Phasen-Stepper-Wellenformen in der obigen Schaltung, indem er den Johnson-Zähler bei Zählung 3 . löscht .
Zähle 3 hält weniger als eine Mikrosekunde an, bevor es sich selbst klärt. Der andere zählt (Q0 =G0 Q1 =G1 Q2 =G2 ) verbleiben jeweils für eine volle Taktperiode.
Die oben gezeigten Darlington-Bipolartransistortreiber ersetzen die interne Schaltung des ULN2003.
Das Design von Treibern würde den Rahmen dieses Kapitels zur digitalen Elektronik sprengen. Jeder Treiber kann mit jeder Wellenformgeneratorschaltung verwendet werden.
Die obigen Waceforms sind im Kontext der internen Logik des CD4017, die weiter oben in diesem Abschnitt gezeigt wurde, am sinnvollsten.
Das UND Gating-Gleichungen für den internen Decoder werden gezeigt. Die Signale QA QB QC sind direkte Schieberegisterausgänge des Johnson-Zählers, die an den Pinbelegungen nicht verfügbar sind.
Das QD Wellenform zeigt das Zurücksetzen des ‘4017 alle drei uhren. Q0 Q1 Q2 , etc. sind dekodierte Ausgänge, die tatsächlich an Ausgangspins zur Verfügung stehen.
Oben generieren wir Wellenformen zum Antrieb eines unipolaren Schrittmotors , die nur eine Polarität des Ansteuersignals erfordert.
Das heißt, wir müssen die Polarität des Antriebs zu den Wicklungen nicht umkehren. Dies vereinfacht den Leistungstreiber zwischen dem ‘4017 und dem Motor.
Darlington-Paare aus einem früheren Diagramm können für ULN3003 ersetzt werden.
Auch hier erzeugt der CD4017B die erforderlichen Wellenformen mit einem Reset nach der Endzählung.
Die dekodierten Ausgaben Q0 Q1 Q2 Q3 treiben Sie die Schrittmotorwicklungen nacheinander an, mit Q4 Zurücksetzen des Zählers am Ende jeder Gruppe von vier Impulsen.
VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:
- Zähler-Arbeitsblatt
- Schichtregister Arbeitsblatt
Industrietechnik