یک شمارنده BCD نوع خاصی از شمارنده دیجیتال است که می‌تواند در استفاده از سیگنال ساعت تا ده بشمارد.

ساخت مدار شمارنده

قبلاً دیدیم که فلیپ فلاپ‌های نوع T قفل را می‌توان به عنوان شمارنده تقسیم بر دو مستقل استفاده کرد. اگر چندین فلیپ فلاپ قفل را در یک زنجیره سری به هم متصل کنیم، می توانیم یک شمارنده دیجیتال تولید کنیم که تعداد دفعات وقوع یک توالی شمارش خاص را ذخیره یا نمایش دهد.

فلیپ فلاپ‌های نوع T ساعت‌دار به عنوان یک شمارنده باینری تقسیم بر دو عمل می‌کنند و در شمارنده‌های ناهمزمان، خروجی یک مرحله شمارش، پالس ساعت را برای مرحله بعدی فراهم می‌کند. سپس یک شمارنده فلیپ فلاپ دارای دو حالت خروجی ممکن است و با افزودن مراحل بیشتر فلیپ فلاپ، می‌توان یک شمارنده تقسیم بر 2^N ایجاد کرد. اما مسئله شمارنده‌های باینری 4 بیتی این است که آنها از 0000 تا 1111 شمارش می‌کنند. این از 0 تا 15 در دسیمال است.

مدار شمارنده BCD

برای ساخت یک شمارنده دیجیتال که از 1 تا 10 می‌شمارد، ما نیاز به شمارنده ای داریم که فقط اعداد باینری 0000 تا 1001 را می‌شمارد. این از 0 تا 9 اعشاری است و خوشبختانه برای ما، مدارهای شمارش به راحتی به عنوان مدارهای مجتمع با چنین مداری که شمارنده دهی ناهمزمان 74LS90 است.

شمارنده‌های دیجیتالی در استفاده از سیگنال ساعت از صفر تا مقدار از پیش تعیین شده به بالا می‌شمارند. یکبار که به مقدار شمارش رسید، با تنظیم مجدد آنها، شمارنده به صفر برای شمارش دوباره بر می‌گردد.

یک شمارنده دهی در توالی ده شمارش می‌شود و پس از شمارش نه به صفر بر می‌گردد. بدیهی است که برای شمردن مقدار باینری نه، شمارنده باید حداقل چهار فلیپ فلاپ در زنجیره خود داشته باشد تا هر رقم اعشار را نشان دهد که نشان داده شده است.

نمودار حالت شمارنده BCD

سپس یک شمارنده دهی دارای چهار فلیپ فلاپ و 16 حالت بالقوه است که فقط 10 مورد استفاده می‌شود و اگر یک سری شمارنده را به هم متصل کنیم می توانیم تا 100 یا 1000 یا هر تعداد شمارش نهایی را انتخاب کنیم.

تعداد کل شمارشهایی که یک شمارنده نیز می‌تواند بشمارد ماژول آن نامیده می‌شود. شمارنده ای که پس از n شمارش به صفر می‌رسد، شمارنده modulo-n نامیده می‌شود، به عنوان مثال شمارنده – 8 (MOD-8)، یا ماژول 16 (MOD-16) و غیره و برای شمارنده “n – بیتی” ، دامنه کامل شمارش از 0 تا 2n-1 است.

اما همانطور که در آموزش شمارنده‌های ناهمزمان دیدیم، به یک شمارنده که پس از ده شمارش با توالی شمارش تقسیم بر 10 از باینری 0000 (اعشاری “0”) تا 1001 (اعشاری “9”) ریست می‌شود “شمارنده دودویی کد شده دسیمال “یا شمارنده BCD گفته می‌شود و یک شمارنده MOD-10 را می‎توان با استفاده از حداقل چهار فلیپ فلاپ قفل ساخت.

به این دلیل شمارنده BCD نامیده می‌شود زیرا توالی ده حالته آن یک کد BCD است و بر خلاف شمارنده باینری مستقیم، الگوی منظمی ندارد. سپس یک شمارنده تک مرحله ای BCD مانند LS90 74از اعشاری 0 تا 9 شمارش می‌کند و بنابراین قادر است حداکثر تا 9 پالس را بشمارد. همچنین توجه داشته باشید که یک شمارنده دیجیتال بسته به سیگنال کنترل ورودی ممکن است به پایین یا بالا یا پایین و بالا شمارش کند ( دو جهته) شمارش کند.

دسیمال کد شده باینری یک کد 8421 است که از چهار رقم باینری تشکیل شده است. نام 8421 به وزن دودویی چهار رقم یا بیت استفاده شده اشاره دارد. به عنوان مثال 2³ = 8 ، 2² = 4 ، 2¹ = 2 و 2⁰ = 1. مزیت اصلی کد BCD این است که امکان تبدیل آسان بین اشکال اعشاری و باینری اعداد را فراهم می‌کند.

شمانده 74LS90 BCD

مدار مجتمع 74LS90 در اصل یک شمارنده دهی MOD-10 است که یک کد خروجی BCD تولید می‌کند. 74LS90 متشکل از چهار فلیپ فلاپ master-slave JK است که به طور داخلی به هم متصل شده اند تا یک شمارنده MOD-2 (شمارش تا 2) و شمارنده MOD-5 (شمارش تا 5) فراهم می‌کند. 74LS90 دارای یک فلیپ فلاپ JK مستقل است که توسط ورودی CLK A راه اندازی می‌شود و سه فلیپ فلاپ قفل JK که یک شمارنده ناهمزمان را که توسط ورودی CLK B راه اندازی می‌شود تشکیل می‌دهد که نشان داده شده است.

 شمارنده 74LS90 BCD

شمارنده‌های چهار خروجی با نماد حرف Q با یک زیرنویس عددی برابر با وزن دودویی بیت مربوطه در کد مدارهای شمارنده BCD تعیین می‌شوند. به عنوان مثال، QA ، QB ، QC و QD. توالی شمارش LS9074 در لبه منفی سیگنال ساعت تحریک می‌شود، این زمانی است که سیگنال ساعت CLK از منطق 1 (HIGH) به منطق 0 (LOW) می‌رود.

پایه‌های ورودی اضافی R1 و R2 پین‌های “تنظیم مجدد” شمارنده هستند در حالی که ورودی‌های S1 و S2 پین های”تنظیم” هستند. هنگامی که به منطق 1 متصل می‌شود، ورودی های ریست R1 و R2 مجدداً شمارنده را به صفر، 0 (0000) تنظیم می‌کنند و هنگامی که ورودی‌های S1 و S2 به منطق 1 متصل می‌شوند ، شمارنده را در حداکثر یا 9 (1001) بدون در نظر گرفتن تعداد و موقعیت واقعی شمارش تنظیم می‌کنند.

همانطور که قبلاً گفتیم، شمارنده 74LS90 شامل یک شمارنده تقسیم بر 2 و شمارنده تقسیم بر 5 در همان بسته است. سپس ما می‌توانیم از هر شمارنده برای تولید شمارنده فرکانس تقسیم بر 2، فقط یک شمارنده فرکانس تقسیم بر 5 یا این دو با هم برای تولید شمارنده BCD تقسیم بر 10 مورد نظر خود استفاده کنیم.

با غیر فعال شدن چهار فلیپ فلاپ که بخش شمارنده تقسیم بر 5 را تشکیل می‌دهد، اگر یک سیگنال ساعت به پین ورودی 14 (CLK_A) و خروجی گرفته شده از پین 12 (Q_A) اعمال شود، می‌توان شمارنده دودویی تقسیم بر 2 استاندارد برای استفاده در مدارهای تقسیم فرکانس همانطور که نشان داده شده است، ایجاد کرد.

شمارنده تقسیم بر 2 74LS90

برای تولید یک شمارنده استاندارد تقسیم بر 5، می‌توانیم اولین فلیپ فلاپ را در بالا غیرفعال کنیم و سیگنال ورودی ساعت را مستقیماً به پین 1 (CLK_B) اعمال کنیم و سیگنال خروجی از پین 11 (Q_D) گرفته شود، که نشان داده شده است.

شمارنده LS90 74 تقسیم بر 5

توجه داشته باشید که با این پیکربندی شمارنده تقسیم بر 5، شکل موج خروجی متقارن نیست اما نسبت علامت به فاصله 4:1 دارد. این چهار سیگنال ساعت ورودی یک خروجی LOW یا منطقی “0” ایجاد می‌کند و سیگنال ساعت ورودی پنجم یک خروجی HIGH یا منطقی “1” ایجاد می‌کند.

برای تولید یک شمارنده دهی BCD تقسیم بر 10، از هر دو مدار شمارنده داخلی که مقدار تقسیم بر5، 2 برابر را دارند استفاده می شود. از آنجا که اولین Q_A خروجی از فلیپ فلاپ “A” به مراحل بعدی متصل نیست، شمارنده را می‌توان با اتصال این خروجی Q_A به ورودی CLK_B، یک شمارنده 4 بیتی BCD تشکیل داد که نشان داده شده است.

شمارنده 74LS90 تقسیم بر 10

سپس می‌توان دید که شمارنده‌های BCD شمارنده‌های باینری هستند که از 0000 تا 1001 را می‌شمارند و سپس مجدداً تنظیم می‌شوند زیرا بعد از شمارش نهم توانایی پاک کردن همه فلیپ فلاپ های خود را دارد. اگر یک کلید دکمه ای (SW1) را به ورودی ساعت CLK_A وصل کنیم، هر بار که کلید دکمه ای آزاد می‌شود شمارنده یکبار شمارش می‌کند. اگر ما دیودهای ساطع کننده نور (LED ها) را به ترمینال های خروجی ، Q_A ، Q_B ، Q_C و Q_D متصل کنیم همانطور که نشان داده شده است، می توانیم تعداد اعشاری رمزگذاری شده باینری را هنگام وقوع مشاهده کنیم.

شمارنده دهی 74LS90 BCD

برنامه‌های متوالی سوئیچ فشار دکمه ای، SW1 تعداد شمارش را تا نه، 1001 افزایش می‌دهد. در برنامه دهم، خروجی‌های ABCD دوباره به صفر می‌رسند تا یک توالی شمارش جدید شروع شود. با چنین تعداد پالس MOD-10 می‌توانیم از شمارنده دهی برای راه اندازی یک صفحه نمایش دیجیتال استفاده کنیم.

اگر بخواهیم توالی شمارش را با استفاده از یک نمایشگر هفت بخشی نمایش دهیم، قبل از نمایش، باید خروجی BCD به طور مناسب رمزگشایی شود. یک مدار دیجیتال که می تواند چهار خروجی شمارنده 74LS90 BCD ما را رمزگشایی کند و بخش‌های مورد نیاز صفحه را روشن کند، رمزگشا نامیده می‌شود.

راه اندازی یک صفحه نمایش

خوشبختانه برای ما، افرادی در حال حاضر یک IC رمزگشای نمایشگر BCD تا 7 بخشی مانند 74LS47 را طراحی کرده و توسعه داده است. 74LS47 دارای چهار ورودی برای رقم BCD ، B، A ، C و D و خروجی برای هر یک از بخش‌های نمایش هفت بخشی است.

توجه داشته باشید که یک نمایشگر LED، هفت بخشی استاندارد به طور کلی دارای هشت اتصال ورودی است، یکی برای هر بخش LED و دیگری که به عنوان یک ترمینال یا اتصال مشترک برای تمام بخش‌های نمایش داخلی عمل می‌کند. برخی از نمایشگرها دارای گزینه نقطه اعشاری (DP) نیز هستند.

74LS47 BCD به را انداز 7 بخشی

¯

رمزگشای نمایشگر 74LS47 کد BCD را دریافت می کند و سیگنالهای لازم را برای فعال کردن بخشهای LED مناسب برای نمایش تعداد پالس‌های اعمال شده تولید می‌کند. از آنجا که رمزگشای 74LS47 برای راه اندازی یک صفحه نمایش آند مشترک طراحی شده است، یک خروجی LOW (منطقی -0) یک بخش LED را روشن می‌کند در حالی که یک خروجی HIGH (منطقی -1) آن را “خاموش” می‌کند. برای عملکرد عادی، LT¯ (تست لامپ) ، RBI¯ (ورودی خالی / موج دار شدن خروجی خالی) و  (موج دار شدن ورودی خالی) همه باید باز یا به منطق -1 (HIGH) متصل باشند.

توجه داشته باشید که در حالی که 74LS47 دارای خروجی‌های پایین است و برای رمزگشایی یک صفحه نمایش LED هفت بخشی آند مشترک طراحی شده است آی سی رمز گشا / راه انداز 74LS48 دقیقاً همان است با این تفاوت که دارای خروجی‌های فعال HIGH است که برای رمزگشایی یک نمایشگر کاتد 7 بخشی مشترک طراحی شده است. بنابراین بسته به نوع نمایشگر LED هفت بخشی شما ممکن است به یک آیسی رمزگشای 74LS47 یا 74LS48 نیاز داشته باشید.

ورودی‌های اعشاری کد شده دودویی 74LS47 را می‌توان به خروجی‌های متناظر با شمارنده BCD 74LS90 متصل کرد تا ترتیب شمارش را در صفحه 7 بخشی نمایش دهد، همانطور که با هر بار فشار دادن دکمه SW1 نشان داده شده است. با تغییر موقعیت دکمه فشاری و مقاومت 1kΩ، می توان شمارش را در فعال یا آزاد شدن کلید دکمه فشاری SW1 تغییر داد.

مدار شمارنده نهایی BCD چهار بیتی

توجه داشته باشید که یک صفحه نمایش 7 بخشی از هفت دیود تابش نور منفرد ساخته شده است تا صفحه نمایش را تشکیل دهد. بهترین روش برای محدود کردن جریان از طریق یک نمایشگر هفت بخشی استفاده از یک مقاومت محدود کننده جریان به صورت سری با هر یک از هفت LED است که نشان داده شده است. اما ما می‌توانیم این کار را از دو طریق انجام دهیم.

مقاومت محدود کننده جریان

مقاومت تنها – در اینجا از یک مقاومت محدود کننده جریان تک سری استفاده می‌شود. اگر به طور خاص به روشنایی ثابت صفحه نمایش توجه ندارید، این ساده ترین و ساده ترین گزینه برای کنترل نمایشگر 7 بخشی است.

مقدار نوری که توسط یک LED ساطع می‌شود، با جریان موجود در دستگاه متفاوت است و جریان بین مقاومت از بین قسمتهای نمایشگر تقسیم می‌شود. سپس روشنایی نمایشگر به این بستگی دارد که همزمان چند بخش روشن شده باشد.

مقاومت‌های چندگانه – در اینجا هر بخش مقاومت محدود کننده جریان خود را دارد همانطور که در مدار شمارنده BCD ساده ما در بالا نشان داده شده است.

به طور کلی نمایشگرهای 7 بخشی برای روشن کردن بخش ها به حدود 12 تا 20 میلی آمپر نیاز دارند، بنابراین مقدار مقاومت محدود کننده جریان (همه یکسان خواهند بود) برای محدود کردن جریان در این مقادیر انتخاب می‌شود. توجه داشته باشید که اگر برخی از نمایشگرها در 40mA به بالا راه اندازی شوند، از بین می‌روند.

در اینجا مزیت این است که روشنایی یک بخش LED خاص به وضعیت شش LED دیگر که به صفحه نمایش روشنایی ثابت می‌دهند، بستگی ندارد. مقادیر مقاومت محدود کننده جریان را می توان برای تأمین مقدار صحیح روشنایی انتخاب کرد زیرا مقدار نور محیط نیز شدت LED مورد نیاز را تعیین می‌کند.

مدار ما یک شمارنده دیجیتال 0 تا 9 ساده را با استفاده از 74LS90 BCD شمارنده و 74LS47 7 راه انداز نمایشگر نشان می‌دهد. برای شمارش بالای 10 و تولید یک شمارنده و صفحه نمایش پایه دو رقمی، باید دو شمارنده جداگانه تقسیم بر ده را با هم سری کنیم. یک شمارنده 2 رقمی BCD از 00 تا 99 (0000 0000 تا 1001 1001) به صورت اعشاری شمرده می‌شود و سپس دوباره به 00 می‌رسد. توجه داشته باشید که گرچه یک شمارنده 2 رقمی خواهد بود، اما مقادیر نشان دهنده اعداد هگزادسیمال از A تا F در این کد معتبر نیستند.

به همین ترتیب، اگر بخواهیم از 0 تا 999 (0000 0000 0000 تا 1001 1001 1001) بشماریم، بنابراین سه شمارنده دهی سری لازم است. در واقع شمارنده‌های چند دهی را می‌توان به سادگی و با استفاده از جمع شدن مدارهای شمارنده BCD منفرد، یکی برای هر دهی همانطور که نشان داده شده است ساخت.

شمارنده 2 رقمی BCD از 00 تا 99

در این آموزش دیده ایم که شمارنده BCD قطعه است که با زمان دار شدن یک دنباله از ده حالت را طی می‌کند و پس از شمارش 9 به 0 برمی‌گردد. در مثال ساده ما در بالا، پالس های ساعت ورودی یک دکمه فشاری هستند اما می‌توان از شمارنده‌ها برای شمارش بسیاری از وقایع در دنیای واقعی مانند شمارش اشیا متحرک استفاده کرد.

با این حال، ممکن است مدارهای مناسبی برای تولید پالس‌های الکتریکی برای هر رویداد مورد شمارش مورد نیاز باشد زیرا این وقایع ممکن است در فواصل زمانی گسسته رخ دهند یا کاملا تصادفی باشند.

استفاده از نمایشگر سون سگمنت

در بسیاری از مدارها و برنامه‌های الکترونیکی دیجیتال، شمارنده‌های دیجیتال با استفاده از فلیپ فلاپ قفل یا با هر نوع دیگری از فلیپ فلاپ که می‌تواند متصل شود تا عملکرد سوئیچینگ مورد نیاز را فراهم کند، یا با استفاده از ICهای شمارش اختصاصی مانند 74LS90 اجرا می‌شود. شمارنده‌های باینری شمارنده هایی هستند که از یک توالی دودویی عبور می‌کنند و شمارنده باینری n-bit از تعداد “n” فلیپ فلاپ‌های شمارش از 0 تا 2n-1 ساخته شده است.

شمارنده‌های BCD دنباله ای از ده حالت را دنبال می‌کنند و با استفاده از اعداد BCD از 0000 تا 1001 می‌شمارند و سپس به 0000 برمی‌گردند و تکرار می‌شوند. چنین شمارنده ای باید حداقل چهار فلیپ فلاپ داشته باشد تا هر رقم اعشاری را نشان دهد، زیرا یک رقم اعشاری توسط یک کد باینری با حداقل چهار بیت نشان داده می‌شود که شمارش MOD-10 را نشان می‌دهد.

همچنین دیده ایم که خروجی کدگذاری شده BCD با استفاده از چهار LED یا نمایشگر دیجیتال قابل نمایش است. اما برای نمایش هر عدد از 0 تا 9 نیاز به یک مدار رمزگشا است، که یک نمایش عدد کد شده باینری را به سطوح منطقی مناسب در هر یک از بخشهای نمایشگر ترجمه می‌کند.

مدارهای رمزگشای نمایشی را می‌توان از عناصر منطقی ترکیبی ساخت و بسیاری از مدارهای مجتمع اختصاصی در بازار برای انجام این عملکرد مانندLS47 BCD به آی سی رمزگشای / راه انداز 7 بخشی وجود دارد.

بیشتر نمایشگرهای 7 بخشی معمولاً در برنامه های شمارش چند رقمی مورد استفاده قرار می‌گیرند بنابراین با سری کردن شمارنده‌های BCD بیشتر، می‌توان شمارنده‌های 4 رقمی را که دارای نمایشگرهایی با حداکثر خوانش 9999 هستند ساخت.

شمارنده BCD 74LS90 یک مدار شمارش بسیار انعطاف پذیر است و می‌تواند به عنوان تقسیم کننده فرکانسی مورد استفاده قرار گیرد یا با تغذیه خروجی‌های مناسب به ورودی‌های تنظیم و ریست IC، شمارش کل عدد را از 2 به 9 تقسیم کند.