În tutorialele de logică secvențială am văzut cum lucrează Flip-Flop-ul tip D și cum pot fi conectați împreună pentru a forma un Data Latch - element de blocare a datelor.

O altă caracteristică utilă a tipului Flip-Flop tip D este ca divizor binar, pentru divizarea frecvenței sau ca numărător "divide-cu-2". Aici terminalul Q de ieșire inversat (NOT-Q) este conectat direct la terminalul D de intrare Data, oferind dispozitivului "feedback", după cum se arată mai jos.

Contor (numărător) divide-cu-2

Se poate observa din formele de undă de frecvență de mai sus că, prin "trimiterea înapoi " a ieșirii de la NOT-Q la terminalul de intrare D, impulsurile de ieșire la Q au o frecvență care este exact o jumătate (f ÷ 2) din aceea a frecvenței ceasului de intrare. Cu alte cuvinte, circuitul produce Divizarea de frecvență, deoarece acum divide frecvența de intrare cu un factor doi (o octavă).

Aceasta produce atunci un tip de contor numit "ripple counter" unde impulsul de ceas declanșează primul flip-flop a cărui ieșire declanșează al doilea flip-flop, care la rândul său declanșează al treilea flip-flop și așa mai departe prin lanț care produce un efect de undă - ripple (de aici numele lor) a semnalului de sincronizare în timp ce trece prin lanț.

Toggle Flip-Flop

Un alt tip de dispozitiv digital care poate fi utilizat pentru divizarea frecvenței este flip-flop-ul Toggle sau tip-T. Cu o ușoară modificare a unui flip-flop JK standard, putem construi un nou tip de flip-flop numit un flip-flop Toggle.

Toggle flip flop poate fi făcute din flip-flop de tip D așa cum se arată mai sus sau din flip-flop JK standard, cum ar fi 74LS73. Rezultatul este un dispozitiv cu doar două intrări, intrarea "Toggle" în sine și intrarea negativă de control "Clock" așa cum se arată.

74LS73 Toggle Flip Flop

Un "Toggle flip-flop" își are numele de la faptul că flip-flop-ul are capacitatea de a bascula sau comuta între cele două stări diferite, starea "toggle" și starea "memory". Deoarece există doar două stări, un flip-flop de tip T este ideal pentru utilizare în divizarea de frecvență și în proiectarea contorului binar.

Contoarele ripple binare pot fi construite folosind "Toggle" sau "T-type flip-flops" prin conectarea ieșirii unuia la intrarea de ceas a următorului. Toggle flip-flop-urile sunt ideale pentru construirea contoarelor ripple deoarece ele basculează de la o stare la alta (HIGH la LOW sau LOW la HIGH) la fiecare ciclu de ceas.

Dacă vom conecta împreună în serie, două flip-flop tip T, frecvența inițială de intrare va fi "împărțită cu doi" de către primul flip-flop (f ÷ 2) și apoi "împărțită cu doi" din nou de către al doilea flip-flop (f ÷ 2) ÷ 2, oferind o frecvență de ieșire care a fost împărțită în mod efectiv de patru ori, deci frecvența de ieșire devine un sfert (25%) din valoarea frecvenței de ceas originală (f ÷ 4).

De fiecare dată când adăugăm alt flip-flop toggle sau tip "T" la lanț, frecvența ceasului de ieșire este înjumătățită sau divizată la 2 și așa mai departe, oferind o frecvență de ieșire de f ÷ 2ⁿ unde "n" este numărul de flip-flop-uri folosite în secvență.

Atunci, flip-flop-ul Toggle sau tip-T este un dispozitiv divide-cu-2 declanșat de front, bazat pe flip flop-ul JK standard și care este declanșat pe frontul în creștere al semnalului de ceas. Rezultatul este că fiecare bit se mișcă exact printr-un singur flip-flop. Toate flip-flop-urile pot fi resetate asincron și pot fi declanșate pentru a comuta pe frontul anterior sau posterior al semnalului de intrare de ceas, făcându-l ideal pentru divizarea frecvenței.

Acest tip de contor utilizat pentru divizarea frecvenței este cunoscut în mod obișnuit ca un numărător binar asincron de 3 biți, deoarece ieșirea de la QA la QC, care este de 3 biți lățime, este un număr binar de la 0 la 7 pentru fiecare impuls de ceas.

Într-un contor asincron, ceasul este aplicat doar în primul etaj, cu ieșirea unei etaj de tip flip-flop furnizând semnalul de ceas pentru următorul etaj de flip flop și etajele ulterioare derivă ceasul din etajul anterior cu impulsul de ceas fiind înjumătățit de fiecare etaj.

Acest aranjament este cunoscut în mod obișnuit ca Asynchronous deoarece fiecare eveniment de ceas are loc independent, deoarece toți biții din contor nu se modifică toți în același timp. Deoarece contorul numără secvențial într-o direcție ascendentă de la 0 la 7, acest tip de contor este cunoscut ca un contor "sus" sau "înainte" (CTU) sau un "3-bit Asynchronous Up Counter". Contorul asincron pe trei biți arătat este tipic și folosește flip-flop-uri în mod toggle. Sunt disponibile și contoarele "Down" asincrone (CTD).

Tabel de adevăr pentru un Asynchronous Up Counter pe 3 biți

Prin urmare, putem observa că ieșirea de la flip-flopul de tip D este la jumătate din frecvența intrării, cu alte cuvinte numără în doi. Prin legare în cascadă împreună mai multe Flip-Flop-uri tip-D sau Toggle, putem produce un circuit divide-cu-2, divide-cu-4, divide-cu-8 etc. care va împărți frecvența ceasului de intrare cu 2, 4 sau 8 ori, de fapt, pentru orice valoare de putere a lui-2 vrem să facem un circuit contor binar.

Contoare binare

Putem observa că un contor nu este altceva decât un registru specializat sau un generator de șablon care produce un șablon de ieșire specificat sau o secvență de valori binare (sau stări) la aplicarea unui semnal de impuls de intrare denumit "Ceas".

Ceasul este de fapt utilizat pentru transferul de date în aceste aplicații. În mod obișnuit, contoarele sunt circuite logice care pot crește sau descrește un număr cu unu, dar când sunt utilizate ca contoare asincrone divide-cu-n, acestea pot diviza aceste impulsuri de intrare producând un semnal de divizare a ceasului.

Contoarele sunt formate prin conectarea flip-flop-urilor împreună și orice număr de flip-flop poate fi conectat în "cascadă" împreună pentru a forma un contor binar "divide-cu-n" unde "n" este numărul de etaje de contor utilizate și care este numit modulul. Modulul sau pur și simplu "MOD" al unui contor este numărul de stări de ieșire prin care contorul trece, înainte de a se întoarce la zero, adică un ciclu complet.

Atunci un contor cu trei flip-flop-uri, ca circuitul de mai sus, va număra de la 0 la 7, adică 2ⁿ-1. Are opt stări diferite de ieșire reprezentând numerele zecimale de la 0 la 7 și se numește un contor Modulo-8 sau MOD-8. Un contor cu patru flip-flop-uri va număra de la 0 la 15 și, prin urmare, este numit un contorul Modulo-16 și așa mai departe.

Un exemplu de acest lucru este dat de:

Contor binar pe 3 biți = 2³ = 8 (modulo-8 sau MOD-8)

Contor binar pe 4 biți = 2⁴ = 16 (modulo-16 sau MOD-16)

Contor binar pe 8 biți = 2⁸ = 256 (modulo-256 sau MOD-256)

și asa mai departe..

Numărul Modulo poate fi mărit prin adăugarea mai multor flip-flop-uri la contor și legarea în cascadă este o metodă de obținere a contoarelor de module mai mari. Deci, numărul modulo sau MOD poate fi scris simplu ca: MOD number = 2ⁿ

Contor Modulo-16 pe 4 biți

Contoare asincrone multi-bit conectate în acest mod sunt, de asemenea, numite "contoare Ripple" sau divizoare ripple, deoarece schimbarea de stare în fiecare etaj apare ca o "undă" prin contor de la ieșirea LSB la conexiunea de ieșire MSB. Contoarele ripple sunt disponibile în forma IC standard, de la contorul 74LS393 Dual pe 4 biți la 74HC4060, care este un contor ripple pe 14 biți cu propriul oscilator de ceas și produce o divizare excelentă de frecvență a frecvenței fundamentale.

Rezumat Divizare de frecvență

Pentru divizarea frecvenței, flip-flop-urile în mod toggle se utilizează într-un lanț ca un contor divide-cu-doi. Un flip-flop va divide ceasul, ƒin cu 2, două flip-flop-uri vor divide ƒin cu 4 (și așa mai departe). Un avantaj al utilizării flip-flop-urilor toggle pentru divizarea frecvenței este că ieșirea în orice punct are un ciclu de sarcină exact de 50%.

Semnalul ceasului de ieșire final va avea o valoare de frecvență egală cu frecvența ceasului de intrare împărțită la numărul MOD al contorului. Astfel de circuite sunt cunoscute sub numele de contoare "divide-by-n". Contoarele pot fi formate prin conectarea împreună a flip-flop-urilor individuale și sunt clasificate în funcție de modul de tact.

În contoarele asincrone, (contorul ripple) primul flip-flop este tactat de către impulsul ceasului extern și apoi fiecare flip-flop succesiv este tactat de ieșirea flip-flop-ului precedent. În contoarele sincrone, intrarea de ceas este conectată la toate flip-flop-urile, astfel încât să fie tactate simultan.

În următorul tutorial vom examina contoarele asincrone și vom vedea că principala caracteristică a unui contor asincron este că fiecare flip-flop din lanț își derivă propriul ceas de la flip-flop-ul anterior și, prin urmare, este independent de ceasul de intrare.