Asenkron Sayıcı / Asynchronous Counter

Asenkron sayıcı, JK flip-flopların arka arkaya bağlanmasıyla elde edilen sayaçlardır. Saat sinyali yalnızca ilk flip-flopa uygulanır; sonraki aşamalara bir önceki aşamanın çıkışı bağlanır. Çıkışlar genellikle Q_A, Q_B … ile gösterilir.

Asenkron sayıcılarda saat sinyali sadece ilk flip-flopa uygulandığı için giriş ile çıkış arasında gecikme (yayılma gecikmesi) oluşur; bu durum yüksek frekanslarda hatalı sayımlara yol açabilir.

Bir asenkron sayaç n bit ise en fazla 2ⁿ farklı durumu sayabilir; örneğin 4 bitlik bir sayaç 0–15 (MOD-16) aralığını kapsar. İhtiyaç halinde ek mantık kullanarak daha küçük modüller (ör. MOD-10) elde etmek mümkündür.

Kesik diziler (truncated sequences) oluşturmak için sayaç, belirli bir değere ulaştığında sıfırlanacak şekilde ek geri besleme mantığı ile tasarlanır. Tam dizi sayıcılar 0’dan 2ⁿ-1’e kadar sayarken, kesikli sayıcılar daha küçük bir tekrarlama periyoduna sahiptir.

MOD-4, MOD-8 gibi ikinin kuvveti olmayan kesik sayaçlar genellikle uygulamanın gereksinimlerine göre tasarlanır. Bu tür sayaçları elde etmek için flip-flop’ların çıkışları üzerinde birleşimsel mantık kullanılarak özel geri beslemeler yapılır.

Örneğin, MOD-16 bir asenkron sayacı ek mantık kapılarıyla düzenleyerek MOD-10 (onluk) sayaç olarak kullanabilirsiniz; tipik uygulamada reset/clear sinyali belirli kombinasyonlarda tetiklenir.

Bu tür sayıcılara genellikle onluk sayaç (decade counter) denir. Onluk bir sayaç, ondalık 9’a ulaştığında bir sonraki darbede sıfırlanacak şekilde tasarlanır. BCD (Binary Coded Decimal) sayaçlarda, ikili 0000–1001 aralığı kullanılır.

Asenkron onluk sayaçlarda, sayaç 0000’dan başlayıp 1001 (ondalık 9) olduğunda bir geri besleme ile CLEAR tetiklenir ve sayaç 0000’a döner. Bu geri beslemeyi sağlayan mantık genellikle NAND/AND kapıları ile gerçekleştirilir (örn. 74LS10 gibi kapılar kullanılabilir).

NAND kapısının çıkışı flip-flop’ların CLR girişlerini tetikleyerek tüm çıkışların 0000’a sıfırlanmasını sağlar; ardından sayaç yeniden saymaya başlar. Bu mantık bağlantıları devre tasarımının ayrıntılarına göre değişebilir (ör. çeşitli 7493 veya 74LS73 konfigürasyonları kullanılabilir).

Onluk Asenkron Sayıcı Doğruluk Tablosu

Onluk Sayıcı Zamanlama Şeması

Sayaç çıkış dizilerini kesmekle aynı fikri kullanarak, yukarıdaki devre, basitçe NAND geçidinin girişlerine olan bağlantıları değiştirerek veya diğer mantık geçidi kombinasyonlarını kullanarak diğer sayma döngülerine kolayca uyarlanabilir.

Pratik Notlar

Asenkron sayaçların yayılma gecikmesi yüksek hızlarda sorun çıkarır; yüksek frekanslı uygulamalarda senkron sayaçlar tercih edilmelidir. Senkron sayaçlarda tüm flip-flop’ların saat girişleri ortak bir saatten beslendiği için doğru sayım daha güvenilirdir.

• Sistem frekansınızı ve toplam yayılma gecikmesini hesaplayın; gerekirse ara senkronizasyon (synchronizer) ekleyin.
• Checkbox: kritik sinyaller için buffer veya sürücü kullanın; besleme hatlarını temiz tutun.
• Test: gerçek donanımda kenar durumlarını doğrulayın; simülasyon tüm hataları yakalamayabilir.

Zamanlama devreleri tasarlanırken basit bir alternatif olarak 555 zamanlayıcı kullanılabilir; ancak hassas uygulamalarda kristal osilatör ve bölme zincirleri tercih edilmelidir.

Onluk Sayıcı Doğruluk Tablosu

Örneğin, 12’nin ikili eşdeğerinin 1100 olduğuna ve “QC” ve “QD” deki çıkışlardan NAND geçidine girişleri alarak on ikilik bir ölçek (modulo-12) kolayca yapılabilir. bu çıktı “QA” en az anlamlı bittir (LSB).

n flip-flop ile uygulanabilecek maksimum modül 2ⁿ olduğundan, bu, kesik asenkron sayaçlar tasarlarken, istediğiniz modülden büyük veya ona eşit olan ikinin en düşük gücünü belirlemeniz gerektiği anlamına gelir.

Diyelim ki 0’dan 39’a veya mod-40’a kadar sayıp tekrarlamak istiyoruz. O zaman gereken en yüksek flip-flop sayısı altı olur, n = 6 maksimum MOD 64 verir, çünkü beş flip-flop yeterli olmaz çünkü bu bize sadece MOD-32 verir.

Şimdi, frekans bölümü için “128’e bölme” sayacı oluşturmak istediğimizi varsayalım, bu durumda, n=7 olur ve hedefimiz olan 128 sayısını elde etmiş oluruz  128 = 2⁷. Yedi flip-flopu basamaklandırmamız gerekecek.

Kolay bir alternatif yöntem olarak, iki TTL 7493’ü 4 bitlik dalgalanma sayacı/bölücü olarak kullanmaktır. 128 = 16 x 8 olduğundan, bir 7493 “16’ya bölme” sayacı ve diğeri “8’e bölme” sayacı olarak yapılandırılabilir. İki entegre, gösterildiği gibi “128’e bölme” frekans bölücü oluşturmak için birlikte basamaklandırılacaktır.

Elbette, 2’ye bölme, 5’e bölme veya her ikisinin herhangi bir kombinasyonu olarak yapılandırılabilen TTL 74LS90 programlanabilir dalgalanma sayacı/bölücü gibi standart entegre asenkron sayaçlar mevcuttur. 74LS390, 2, 4, 5, 10, 20, 25, 50 ve 100 arasında değişen çok sayıda “bölme” kombinasyonuna sahip çok esnek bir ikili onlu sürücü entegresidir.

Frekans Bölücüler

Dalgalanma sayıcının bir “n’ye böl” çıktısı üretmek için dizileri kesme yeteneği, sayaçların ve özellikle dalgalanma sayıcılarının, yüksek saat frekansını dijitalde kullanım için daha kullanışlı bir değere düşürmek için frekans bölücüler olarak kullanılabileceği anlamına gelir. Örneğin, bir dijital saati çalıştırmak için doğru bir 1Hz zamanlama sinyaline ihtiyacımız olduğunu varsayalım.

Kararsız Multivibratör olarak yapılandırılmış standart bir 555 zamanlayıcı entegresi kullanarak 1 Hz kare dalga sinyalini oldukça kolay bir şekilde üretebiliriz, ancak üretici veri sayfası bize 555 zamanlayıcının üreticiye bağlı olarak tipik bir %1-2 zamanlama hatasına sahip olduğunu göz önüne almalıyız.

Bununla birlikte, veri sayfası bize ayrıca 555 zamanlayıcının maksimum çalışma frekansının yaklaşık 300 kHz olduğunu ve bu yüksek frekansta %2’lik bir hatanın, ancak yine de yaklaşık 6 kHz maksimumda büyük olmasının kabul edilebilir olacağını söylüyor. Bu nedenle, örneğin 262.144kHz’lik daha yüksek bir zamanlama frekansı ve 18 bitlik bir dalgalanma (MOD-18) sayacı seçerek, aşağıda gösterildiği gibi kolayca 1 Hz’lik bir hassas zamanlama sinyali yapabiliriz.

Bu, elbette, doğru zamanlama frekanslarının nasıl üretileceğinin çok basit bir örneğidir, ancak yüksek frekanslı kristal osilatörler ve çok bitli frekans bölücüler kullanılarak, saatlerden veya saatlerden olay zamanlamasına kadar çok çeşitli uygulamalar için hassas frekans üreteçleri üretilebilir. ve hatta elektronik piyano/synthesizer veya müzik türü uygulamaları.

Ne yazık ki, asenkron sayaçların ana dezavantajlarından biri, kapının dahili devresinden dolayı saat darbesinin girişine gelmesi ile çıkışında mevcut olması arasında küçük bir gecikme olmasıdır.

Asenkron devrelerde bu gecikme, asenkron dalgalanma sayacına “yayılma sayacı” takma adını veren Yayılma Gecikmesi olarak adlandırılır ve bazı yüksek frekanslı durumlarda bu gecikme yanlış çıkış sayıları üretebilir.

Büyük bit dalgalanma sayıcı devrelerinde, eğer sayaç zincirinin sonunda toplam bir gecikme sağlamak için ayrı aşamaların gecikmesi toplanırsa, giriş sinyali ile sayılan çıkış sinyali arasındaki zaman farkı çok büyük olabilir. Bu nedenle Asenkron Sayaç genellikle çok sayıda bitin dahil olduğu yüksek frekanslı sayma devrelerinde kullanılmaz.

Ayrıca, sayaçtan gelen çıktılar birbirleriyle sabit bir zaman ilişkisine sahip değildir ve saat dizilimleri nedeniyle aynı anda meydana gelmezler. Başka bir deyişle, çıkış frekansları birer birer kullanılabilir hale gelir, bir tür domino etkisi. Ardından, asenkron bir karşı zincire ne kadar çok flip-flop eklenirse, doğru sayımı sağlamak için maksimum çalışma frekansı o kadar düşük olur. Yayılma gecikmesi sorununun üstesinden gelmek için Senkron Sayaçlar geliştirilmiştir.

Özetle

Ardından Asenkron Sayaçların bazı avantajlarını özetlemek gerekirse:

• Asenkron Sayaçlar, Toggle veya D tipi parmak arası terliklerden kolaylıkla yapılabilir.
• Parmak arası terliklerin saat girişinin tümü aynı saat sinyali tarafından sürülmediği için “Eşzamansız Sayaçlar” olarak adlandırılırlar.
• Zincirdeki her çıktı, önceki parmak arası terlik çıktısından bir durum değişikliğine bağlıdır.
• Asenkron sayaçlara bazen dalgalanma sayaçları denir, çünkü veriler bir flip-flop’un çıkışından diğerinin girişine “dalgalanıyor” gibi görünür.
• “Böl-n” sayaç devreleri kullanılarak uygulanabilirler.
• Kesilmiş sayaçlar herhangi bir modül sayısı sayımı üretebilir.

Asenkron Sayaçların Dezavantajları:

• Ekstra bir “yeniden senkronize” çıktı flip-flop gerekli olabilir.
• 2n’ye eşit olmayan bir kesik diziyi saymak için ekstra geri besleme mantığı gereklidir.
• Çok sayıda bit sayıldığında, ardışık aşamalarla yayılma gecikmesi istenmeyen şekilde büyük olabilir.
• Bu gecikme onlara “Yayılma Sayaçları” takma adını verir.
• Sayma hataları, yüksek saat frekanslarında meydana gelir.
• Senkron Sayaçlar, tüm flip-flop’lar için aynı saat sinyalini kullandıkları için daha hızlı ve daha güvenilirdir.
• Sayaçlar hakkında bir sonraki öğretide, Senkron Sayaca bakacağız ve senkron bir sayıcının temel özelliğinin zincirdeki her bir flip-flop’un saat girişinin tüm flip-flop’lara bağlı olması olduğunu göreceğiz. eşzamanlı olarak saatlenir.