تعریف شمارنده حلقوی در سیگنال

تعریف شمارنده حلقوی در سیگنال:
شمارنده حلقوی (Ring Counter) و شمارنده حلقوی جانسون (Johnson Ring Counter) از تعدادی شمارنده تشکیل شده اند که خروجی هر یک از طریق فیدبک به ورودی دیگری متصل شده است.

اگر یک سیگنال داده سریال را به ورودی یک شیفت رجیستر از نوع ورودی سریال-خروجی سریال اعمال کنیم، دنباله داده ای که از آخرین فلیپ فلاپ مدار شیفت رجیستر خارج می شود، دقیقا با داده ورودی یکسان است.

این انتقال سریال داده ها در طول شیفت رجیستر، بعد از اعمال تعداد از پیش تعیین شده ای پالس های کلاک اتفاق می افتد. در حالت کلی، این پیکربندی به رجیستر SISO اجازه می دهد تا مانند نوعی از مدارات تاخیر زمانی برای سیگنال های داده ورودی عمل کند.

اما اگر می توانستیم خروجی شیفت رجیستر را به ورودی آن متصل کنیم، به نحوی که خروجی آخرین فلیپ فلاپ یعنیQD تبدیل به ورودی اولین فلیپ فلاپ شود، آن گاه چه اتفاقی رخ می داد؟

پاسخ این است که در چنین شرایطی یک مدار حلقه بسته به وجود می آید که برای هر حالت در دنباله، بیت های داده یکسانی را در یک حلقه دائمی به چرخش در می آورد. این چنین مداری را شمارنده حلقوی (Ring Counter) می گویند.

بنابراین از طریق ایجاد یک حلقه از خروجی به ورودی مدار (که فیدبک نام دارد)، می توان یک شیفت رجیستر استاندارد را به یک مدار شمارنده حلقوی تبدیل کرد.

مدار زیر را در نظر بگیرید. این مدار در واقع نمایی از یک شمارنده حلقوی چهار بیتی را نشان می دهد.

شمارنده حلقوی سنکرون (Synchronous Ring Counter) مثال بالا، به نحوی تنظیم شده است که فقط یک بیت داده برابر با مقدار یک منطقی در رجیستر ست (SET) شود، در حالی که بقیه بیت های داده به مقدار صفر ریست (PRESET) شده اند.

برای رسیدن به این هدف، ابتدا یک سیگنال CLEAR به تمام فلیپ فلاپ های D به صورت هم زمان اعمال می شود تا خروجی تمام آن ها باهم به مقدار صفر منطقی ریست شود.

قبل از این که پالس کلاک به مدار اعمال شود، یک سیگنال PRESET به ورودی اولین فلیپ فلاپ یعنی FFA وارد می شود. این عمل باعث می شود تا یک منطق 1 در مدار شمارنده حلقوی وارد شود.

پس از این تنظیمات، مدار شمارنده حلقوی در هر پالس کلاک متعاقب، همان بیت داده را بین چهار فلیپ فلاپ بارها و بارها به گردش در می آورد و در هر چهار پالس کلاک یک حلقه تشکیل می دهد.

اما برای این که داده ها در طول شمارنده به طرز صحیحی به گردش در آیند، ابتدا باید شمارنده را با الگوی (Pattern) داده های مناسب بارگذاری کرد؛ زیرا اگر تمام بیت های داده سطح صفر منطقی و یا یک منطقی باشند، آن گاه شمارنده حلقوی فاقد کارایی لازم خواهد بود.

این نوع از انتقال اطلاعات را چرخش (Rotation) می نامند. مانند شیفت رجیسترهای عادی، تأثیر انتقال بیت های داده از چپ به راست در طول شمارنده حلقوی را نیز می توان به صورت گرافیکی به همراه دیاگرام زمان بندی آن نشان داد.

تصویر زیر نمایی از حرکت چرخشی در طول یک شمارنده حلقوی را نشان می دهد.

دیاگرام زمان بندی حرکت داده ها در طول یک شمارنده حلقوی نیز در تصویر زیر نشان داده شده است.

از آن جا که شمارنده حلقوی مثال بالا دارای چهار حالت مختلف است، به عنوان یک شمارنده MOD-4 یا MODULUS-4 نیز شناخته می شود.

در این شمارنده خروجی هر فلیپ فلاپ دارای فرکانسی برابر با ربع (یک چهارم) فرکانس کلاک اصلی است. MODULUS در هر شمارنده برابر است با تعداد حالت های که یک شمارنده در یک دنباله از شمارش خود و قبل از این که بار دیگر خود را تکرار کند، آن ها را می شمارد.

یک شمارنده حلقوی MOD-n از تعداد n فلیپ فلاپ متصل به یکدیگر تشکیل شده است تا یک بیت داده را در طول شمارنده حلقوی به گردش در آورد و نهایتا n حالت خروجی متفاوت را ایجاد کند.

به عنوان مثال، یک شمارنده MOD-8 به هشت عدد فلیپ فلاپ و یک شمارنده MOD-16 به 16 عدد فلیپ فلاپ نیاز دارد.

اما در مثال ساده بالا فقط از 4 حالت از 16 حالت محتمل استفاده شده بود و به همین دلیل این شمارنده حلقوی را به لحاظ استفاده از حالت های خروجی محتمل، بسیار ناکارآمد ساخته بود.