شمارنده سنکرون

شمارنده همزمان بسیار معروف می‌باشد زیرا ورودی ساعت تمام فلیپ فلاپ‌های مستقل در داخل شمارنده همگی با یکدیگر در یک زمان با سیگنال ساعت یکسان همزمان می‌شوند. در آموزش شمارنده دودویی غیر همزمان قبلی، دیدیم که خروجی یک حالت شمارنده به صورت مستقیم به ورودی ساعت حالت شمارنده بعدی و به همین ترتیب در راستای زنجیره وصل شده است.

با شمارنده همزمان، سیگنال ساعت بیرونی به ورودی ساعت هر فلیپ فلاپ مستقل در داخل شمارنده وصل شده است بنابراین تمام فلیپ فلاپ‌ها با یکدیگر در یک زمان همزمان (به صورت موازی) شده‌اند که یک رابطه زمانی ثابت ارائه می‌دهد. در بیان دیگر، تغییرات در خروجی باعث “همزمانی” با سیگنال ساعت می‌شوند.

نتیجه این همزمانی این است که تمام بیت‌های خروجی مستقل حالت را در دقیقا همان زمان در پاسخ به سیگنال ساعت مشترک بدون تاثیر موج تغییر می‌دهند  و درنتیجه هیچ تاخیر انتشاری وجود ندارد.

شمارنده رو به بالا همزمان 4 بیتی دودویی

در بالا دیده می‌شود که، پالس‌های ساعت بیرونی (پالس‌هایی که شمارش می‌شوند) به صورت مستقیم به هر فلیپ فلاپ J-K در زنجیره شمارنده وارد شده‌اند و هر دو ورودی‌های J و K همگی با هم در حالت قفل گره خورده‌اند اما تنها در فلیپ فلاپ اولی، فلیپ فلاپ FFA (LSB) آنها به بالا منطق “1”وصل شده‌اند که به فلیپ فلاپ اجازه تغییر وضعیت در هر پالس ساعت را می‌دهد. سپس شمارنده همزمان یک ترتیب از پیش تعیین شده حالات را در پاسخ به سیگنال ساعت مشترک دنبال می‌کند و یک حالت را برای هر پالس بهبود می‌دهد.

ورودی‌های J و K فلیپ فلاپ FFB به صورت مستقیم به خروجی QA فلیپ فلاپ FFA وصل شده‌اند و ورودی‌های J و K فلیپ فلاپ FFC و FFD از گیت‌های AND جدا که نیز با سیگنال‌هایی از ورودی و خروجی حالت قبلی تغذیه شده‌اند، گرفته شده‌اند. این گیت‌های AND اضافی منطق مورد نیاز برا ورودی‌های JK حالت بعدی تولید می‌کند.

اگر هر فلیپ فلاپ JK را برای تغییر وضعیت بر اساس اینکه آیا تمام خروجی‌های فلیپ فلاپ مقدم (Q) “بالا” هستند یا نه، فعال کنیم، می‌توانیم همان دنباله شمارشی را  مانند مدار غیر همزمان اما بدون تاثیر موج به دست آورد، زیرا که هر فلیپ فلاپ در این مدار دقیقا در همان زمان، همزمان خواهند شد.

سپس از آنجا که هیچ تاخیر انتشاری در شمارنده‌های همزمان وجود ندارد، زیرا که تمام حالات شمارنده به صورت موازی در یک زمان تریگر شده‌اند، فرکانس عملیاتی بیشینه این نوع شمارنده فرکانسی بسیار بالاتر از آن برای یک مدار شمارنده غیر همزمان مشابه است.

نمودار زمانی شکل موج شمارنده همزمان 4 بیتی

از آنجا که این شمارنده همزمان 4 بیتی به صورت ترتیبی هر پالس ساعت می‌شمارد و خروجی‌های حاصل به سمت بالا از  0(0000)تا 15 (1111) شمرده می‌شوند، درنتیجه، این نوع شمارنده همچنین به عنوان یک شمارنده رو به بالا همزمان 4 بیتی شناخته می‌شود.

اگرچه، به راحتی می‌توان یک شمارنده رو به پایین همزمان 4 بیتی را با اتصال گیت‌های AND به خروجی Q فلیپ فلاپ‌ها برای تولید یک نمودار زمانی شکل موج  که معکوس نمودار فوق است ساخت  که در زیر نشان داده شده است.

شمارنده رو به پایین همزمان 4 بیتی دودویی

از آنجا که شمارنده‌های همزمان با اتصال فلیپ فلاپ‌ها به یکدیگر تشکیل شده‌اند و هر تعداد فلیپ فلاپ می‌تواند با یکدیگر برای تشکیل یک شمارنده دودویی “تقسیم شده بر n “متصل یا “سری” شود و ماژول یا شماره “MOD” همچنان که آن برای شمارنده‌های همزمان عمل می‌کند اعمال ‌می‌شود، بنابراین یک شمارنده دهی یا شمارنده BCD با شمارش از 0 تا 2n-1 می‌تواند در راستای دنباله ‌‌کوتاه شده ساخته شود. هر آنچه که برای افزایش شمارش MOD یک شمارنده همزمان رو به بالا و پایین نیاز داریم یک فلیپ فلاپ اضافی و گیت AND در دو سر آن است.

شمارنده همزمان 4 بیتی دهی

یک شمارنده همزمان نزولی 4 بیتی همچنین می‌تواند با استفاده از شمارنده‌های دودویی همزمان برای تولید یک دنباله شمارشی از 0 تا 9 ساخته شود. یک شمارنده دودویی استاندارد می‌تواند به یک شمارنده نزولی (دسیمال 10) با کمک بعضی منطق اضافی برای به کارگیری دنباله حالت مطلوب تبدیل شود. بعد از رسیدن به شمارش “1001”  شمارنده به عقب به “0000” دوباره می‌چرخد. اکنون یک شمارنده ماژول 10 یا دهی داریم.

گیت‌های AND اضافی هنگامی که دنباله شمارشی به “1001” می‌رسند (دودویی 10) تشخیص داده می‌شوند و باعث می‌شود تا فلیپ فلاپ FF3 به پالس ساعت بعدی تغییر یابد. فلیپ فلاپ FF0 بر هر پالس قفل می‌شود. درنتیجه، شمارش ریست شده و دوباره در “0000” شروع می شود و یک شمارنده دهی همزمان تولید می‌کند.

ما به صورت کاملا آسان می‌توانیم گیت‌های AND اضافی را در مدار شمارنده بالا برای تولید شماره‌های شمارشی دیگر مانند یک شمارنده 12 ماژولی که 12 حالت را از “0000” تا “1011” (0 تا11)  می‌شمارد دوباره مرتب کنیم و سپس تکرار کنیم که آنهار را برای ساعت‌ها و غیره مناسب می‌کند.

تریگر کردن یک شمارنده همزمان

شمارنده‌های همزمان از فلیپ فلاپ‌های تریگر شده لبه که حالات را در هر دو: به مثبت (لبه بالارونده) یا لبه منفی (لبه پایین رونده) پالس ساعت بر ورودی کنترل تغییر می‌دهند که منجر به یک شمارش واحد زمانی که ورودی ساعت حالت را تغییر می‌دهد، می‌شود.

عموما، شمارنده‌های همزمان، بر لبه بالا رونده که یک انتقال پایین به بالا سیگنال ساعت است می‌شمارند و شمارنده‌های موج غیر همزمان بر لبه پایین رونده که یک انتقال بالا به پایین سیگنال ساعت است می‌شمارد.

 ممکن است استفاده شمارنده‌های موج از لبه پایین رونده سیکل ساعت برای تغییر حالت نادر باشد، اما  این آن را برای پیوند شمارنده‌ها با یکدیگر آسان‌تر می‌کند زیرا که مهمترین بیت (MSB) یک شمارنده می‌تواند ورودی ساعت بعدی را راه‌اندازی کند.

این عملی است زیرا که بیت بعدی باید هنگامی که بیت قبلی از بالا به پایین تغییر می‌کند حالت را تغییر دهد – نقطه ای که یک انتقال باید به بیت بعدی رخ دهد. شمارنده‌های همزمان معمولا دارای یک پین حامل به بیرون و حامل درون برای پیوند شمارنده‌ها با یکدیگر بدون معرفی هیچ تاخیر انتشاری هستند.

خلاصه شمارنده همزمان

خلاصه بعضی از نکات اصلی در مورد شمارنده‌های همزمان:

شمارنده‌های همزمان می‌توانند از فلیپ فلاپ‌های نوع D یا تغییر وضعیت ساخته شوند.

شمارنده‌های همزمان نسبت به غیر همزمان بسیار ساده تر طراحی می‌شوند.

آنها به دلیل اینکه ورودی ساعت فلیپ فلاپ‌ها با یکدیگر در یک زمان یکسان با سیگنال ساعت یکسان همزمان می‌شوند، فلیپ فلاپ‌های همزمان نامیده می‌شوند.

 به دلیل این پالس ساعت رایج تمام حالات خروجی به صورت همزمان تغییر یا سوئیچ می‌شوند.

با تمام ورودی‌های ساعت که به یکدیگر وصل شده‌اند هیچ تاخیر انتشار ذاتی وجود ندارد.

شمارنده‌های همزمان گاهی اوقات شمارنده‌های موازی نامیده می‌شوند زیرا که ساعت به صورت موازی با تمام فلیپ فلاپ‌ها تغذیه می‌شود.

مدار حافظه ذاتی مسیر حالت فعلی شمارنده‌ها را نگه می‌دارد.

دنباله شمارنده با استفاده از گیت‌های منطقی کنترل می‌شوند.

عملیات سریع‌تر مجموع  ممکن است در مقایسه با شمارنده‌های همزمان به دست آید.

در آموزش بعدی درباره شمارنده‌ها بر شمارنده‌های دو جهته که قادر به شمارش در دو جهت رو به بالا و پایین هستند، خواهیم پرداخت.