Asynkroninen laskuri on digitaalinen piiri, joka laskee kellopulsseja yhdistettyjen flip-flopien kautta. Vain ensimmäinen flip-flop saa pääkellon, kun taas seuraavat vaiheet vaihtuvat yksi toisensa jälkeen. Tämä aaltoilu tekee siitä yksinkertaisen ja hyödyllisen matalan nopeuden laskemiseen ja taajuusjakoon. Tämä artikkeli tarjoaa tietoa sen toiminnasta, tyypeistä, ajoituskäyttäytymisestä, käyttötarkoituksista ja vertailusta.
Asynkroniset laskuriperusteet
Asynkroninen laskuri on digitaalinen laskentapiiri, joka muuttaa lähtöään kellopulssien saapuessa. Vain ensimmäinen flip-flop vastaanottaa ulkoisen kellon suoraan. Jokainen seuraava flip-flop käynnistyy edellisen vaiheen ulostulosta, joten signaali kulkee laskurin läpi peräkkäin.
Tämä vaiheittainen toimenpide on syy siihen, miksi sitä kutsutaan myös aaltolaskuriksi. Suunnittelu on yksinkertainen ja sopii peruslaskentaan matalanopeuksisissa digitaalisissa piireissä.
Miten asynkroninen laskuri toimii?
Kellon syöttö ja laukaisuketju
Ensimmäinen flip-flop vaihtaa tilaa, kun se vastaanottaa tulokellon pulssin. Tämän jälkeen sen lähtö toimii seuraavan flip-flopin laukaisijana. Tämä prosessi jatkuu jäljellä olevissa vaiheissa, ja jokainen vaihe muuttuu vasta vaiheen jälkeen ennen muutosta.
Binäärisen ulostulon muodostuminen
Jokainen flip-flop tuottaa yhden lähtöbitin. Kun ulostulot luetaan yhdessä, ne muodostavat binäärimäärän. Ensimmäinen vaihe edustaa alinta bittiä, kun taas myöhemmät vaiheet edustavat korkeampia bittejä. Kun flip-floppeja lisätään, laskuri voi tuottaa enemmän lukutiloja.
Asynkronisten laskurien päätyypit
Asynkroninen ylöslaskuri
Asynkroninen ylöspäin laskeva laskuri kasvattaa lukumääräänsä yhdellä jokaista kellopulssia kohden. Sen ulostulot noudattavat eteenpäin suuntautuvaa binäärijonoa, alkaen pienimmästä lukumäärästä ja edeten kohti korkeinta arvoa. Kun viimeinen laskentatila on saavutettu, laskuri palaa aloitustilaan ja toistaa sarjan.
Asynkroninen alaslaskuri
Asynkroninen alaslaskuri vähentää sen määrää yhdellä jokaista kellopulssia kohden. Sen ulostulot noudattavat käänteistä binäärijonoa, siirtyen korkeammasta lukumäärästä kohti pienempää lukumäärää. Tämä käänteinen laskenta riippuu siitä, miten flip-flop-ulostulot on kytketty vaiheesta toiseen.
Täydentävän tuotoksen käyttö
Flip-flopit tarjoavat usein sekä normaalit että täydentävät ulostulot. Normaali ja täydentävä lähtö voidaan käyttää eri liitäntäpoluilla vastakkaisten laskentasuuntien tukemiseksi. Kun valitaan, mikä ulostulo ohjaa seuraavaa vaihetta, laskuri voidaan järjestää laskemaan ylöspäin tai alaspäin.
Ajoituskäyttäytyminen asynkronisessa laskurissa
Aaltoilmiö
Aaltoilmiö tarkoittaa, että lähtöbitit eivät päivity samaan aikaan. Muutos alkaa ensimmäisestä flip-flopista ja kulkee loput vaiheet läpi yksi kerrallaan.
Etenemisviive
Etenemisviive on jokaisen flip-flopin lyhyt vasteaika sen jälkeen, kun se vastaanottaa laukaisusignaalin. Kun uusia vaiheita lisätään, nämä pienet viiveet yhdistyvät, joten laskuri kestää kauemmin saavuttaa vakaan lopullisen määrän.
Väärät välitilat
Joidenkin lukumuutosten aikana tulokset voivat hetkellisesti näyttää virheellisiä väliaikaisia tiloja ennen oikean määrän vakiinnuttamista. Nämä tilat ilmenevät, kun signaali vielä liikkuu ketjun läpi, ja voivat vaikuttaa piireihin, jotka lukevat ulostulon liian aikaisin.
Perussuunnittelun työnkulku
→ Määrittele, täytyykö laskurin laskea ylös, laskea alas vai jakaa taajuus.
→ Valitse tarvittava määrä bittejä.
→ Yhdistä varvassandaalit kaskadiin.
→ Vahvista laukaisutyyppi ja lähtöpolku.
→ Arvioi kokonaisaaltoviive.
→ Tarkista, kestääkö yhdistetty logiikka väliaikaisia tiloja.
→ Lisää strobointia tai ota ohjaus käyttöön tarvittaessa.
→ Testaa koko laskentajärjestys.
Asynkronisten laskurien yleiset sovellukset
Pulssilaskenta
Pulssilaskenta tarkoittaa, että asynkroninen laskuri laskee saapuvat pulssit yksi kerrallaan. Jokainen kellopulssi muuttaa lukumäärää yhdellä askeleella.
Tapahtumien laskenta
Tapahtumalaskenta kirjaa, kuinka monta kertaa signaali tai toiminto tapahtuu. Laskuri kasvaa tai pienenee jokaisen tapahtumasignaalin vastaanoton myötä.
Taajuusjako
Taajuusjako pienentää tulotaajuuden matalammalle lähtötaajuudelle. Jokainen flip-flop-vaihe jakaa signaalia entisestään.
Kellosarja
Kellon jako tuottaa hitaampia kellosignaaleja nopeammasta kellosyötteestä. Tämä on hyödyllistä, kun piiri tarvitsee hitaamman ajoitussignaalin.
Ajastinpiirit
Ajastinpiirit käyttävät asynkronisia laskureita kellopulssien laskemiseen ajan kuluessa. Lukumääräarvo tukee yksinkertaisia ajoitusoperaatioita.
LED-laskentanäytöt
LED-laskentanäytöt näyttävät lukumäärät digitaalisilla lähtöillä. Lähtöbitit voidaan liittää näyttöpiireihin näyttämään muuttuvat lukutilat.
Vertailu: Asynkroniset vs. synkroniset laskurit
| Ominaisuus | Asynkroninen laskuri | Synkroninen laskuri |
|---|---|---|
| Kellotusmenetelmä | Aaltoilu vaiheiden läpi | Yhteinen kello kaikille vaiheille |
| Lähtöajoitus | Ei samanaikaisesti | Lähes samanaikaisesti |
| Nopeus | Alempi | Korkeampi |
| Monimutkaisuus | Yksinkertaisempi | Monimutkaisempi |
| Viivevaikutus | Näkyvämpää | Parempi hallittu |
| Paras käyttö | Hitaiden nopeuksien laskenta | Nopeammat digitaaliset järjestelmät |
Yhteenveto
Asynkroniset laskurit ovat yksinkertaisia laskentapiirejä, jotka toimivat siirtämällä kellon muutokset flip-flopista toiseen. Ne ovat hyödyllisiä pulssien laskemiseen, tapahtumien laskemiseen, taajuusjakoon, kellon jakoon, ajastimiin, LED-näyttöihin ja matalanopeuksisten ohjauslogiikassa. Niiden pääasialliset rajoitukset ovat aaltoviive, tilapäiset väärät tilat ja alhaisempi nopeus. Piireissä, joissa ulostulot täytyy vaihtaa yhdessä, synkroniset laskurit sopivat yleensä paremmin.
Usein kysytyt kysymykset [UKK]
Kuinka monta tilaa asynkronisella laskurilla voi olla?
Asynkronisella laskurilla voi olla 2ⁿ tilaa, missä n on flip-flopien lukumäärä.
Mikä on vastaterä?
Vastabitti on yksi lähtö yhdestä flip-flopista.
Mikä on count state?
Lukutila on täydellinen binääriarvo, joka muodostuu kaikista flip-flop-lähtöistä.
Voiko asynkroninen laskuri aloittaa nollan yläpuolella?
Kyllä. Esiasetetut tai tyhjennetyt syötteet voivat asettaa laskurin valituksi aloitusarvoksi.
Mitä tapahtuu korkeimman laskennan jälkeen?
Laskuri kääntyy ympäri ja palaa aloituslaskentaan.
Miksi ensimmäinen flip-flop on alin osa?
Se muuttuu jokaisen kellon pulssin myötä, joten se edustaa pienintä binääriarvoa.
