معرفی شمارنده سنکرون (Synchronous Counter) در مدار

معرفی شمارنده سنکرون (Synchronous Counter) در مدار:
شمارنده سنکرون (Synchronous Counter) را می توان جزو پرکاربردترین مدارات منطقی به حساب آورد. در یک شمارنده سنکرون ورودی کلاک تمام فلیپ فلاپ ها در یک لحظه زمانی و توسط یک سیگنال کلاک یکسان تغذیه می شوند. در این مطلب به بیان نحوه کار شمارنده های سنکرون می پردازیم.

در شمارنده های باینری آسنکرون، خروجی یک طبقه از شمارنده مستقیما به ورودی کلاک طبقه بعدی شمارنده متصل می شود و این روند در تمام طول زنجیره شمارنده ادامه می یابد.

چنین پیکربندی باعث می شود که در این نوع از شمارنده ها مشکلی به نام تاخیر انتشاری (Propagation Delay) به وجود آید.

تاخیر انتشاری در واقع به این صورت بیان می شود که سیگنال زمان بندی در طول گذر از هر فلیپ فلاپ دچار مقداری تاخیر می شود.

در شمارنده های سنکرون، سیگنال کلاک خارجی به ورودی کلاک همه فلیپ فلاپ های مدار متصل می شود.

بنابراین تمام فلیپ فلاپ های شمارنده در یک لحظه و به صورت همزمان و موازی با یکدیگر کلاک می شوند و یک رابطه زمانی ثابت وجود دارد. به عبارت دیگر، تغییر در سیگنال خروجی به صورت همگام با سیگنال کلاک تفاق می افتد.

نتیجه این همگام سازی این است که تمام بیت های تکی خروجی دقیقا در یک زمان یکسان در پاسخ به سیگنال کلاک عمومی تغییر حالت می دهند و هیچ حالت موجی وجود نخواهد داشت، دقیقا به همین دلیل است که در مدار تاخیر انتشار نیز از بین می رود.

در شکل زیر نمایی از نحوه اتصال فلیپ فلاپ های JK برای تشکیل یک شمارنده سنکرون باینری چهار بیتی نشان داده شده است.

از روی شکل هم می توان دید که که پالس کلاک خارجی (پالسی که موجب شمارش می شود.) مستقیما به تمام فلیپ فلاپ های JK در زنجیره شمارنده وارد شده است و ورودی های J و K به یکدیگر متصل شده اند.

اما ورودی های J و K فقط در فلیپ فلاپ اول به ولتاژ سطح HIGH یا یک منطقی متصل شده اند. این فلیپ فلاپ (FFA) کم ارزش ترین بیت (LSB) را دارد و به دلیل اتصال به ولتاژ یک منطقی می تواند در هر پالس کلاک تغییر وضعیت دهد.

بنابراین یک شمارنده سنکرون، دنباله از پیش تعیین شده ای را در پاسخ به سیگنال کلاک دنبال می کند و برای هر پالس یک حالت به جلو می رود.

ورودی های J و K در فلیپ فلاپ دوم یا FFB مستقیما به خروجیQA مربوط به فلیپ فلاپ FFA متصل شده اند. اما ورودی های J و K در فلیپ فلاپ های FFC و FFD از خروجی گیت های AND جداگانه ای تغذیه می شوند که خود گیت های AND نیز از پالس های ورودی و خروجی طبقات قبلی ورودی دریافت می کنند.

بنابراین گیت های AND که به مدار اضافه شده اند، سطح منطقی مورد نیاز برای ورودی های J و K طبقه بعدی را فراهم می کنند.

اگر فلیپ فلاپ های JK را طوری برنامه ریزی کنیم که تغییر وضعیت آن ها بر مبنای خروجی فلیپ فلاپ های قبلی رخ بدهد که در حالت HIGH یا LOW قرار دارند، در این صورت به دنباله شمارشی دست می یابیم که با آنچه در شمارنده های آسنکرون تولید می شود، مشابه است؛ اما این بار اثر موجی در مدار وجود ندارد، زیرا در شمارنده سنکرون هر فلیپ فلاپ از یک پالس کلاک خارجی و در یک زمان تغذیه می شود.

بنابراین در مدار ذاتا هیچ گونه تاخیر انتشاری وجود ندارد و تمام طبقات فلیپ فلاپ در شمارنده در یک زمان یکسان به صورت موازی تغییر حالت می دهند.

به همین دلیل است که بیشینه فرکانس کاری در این مدارات شمارنده فرکانسی بسیار بالاتر از نوع مشابه، یعنی شمارنده های فرکانسی آسنکرون است.

در تصویر زیر شکل موج دیاگرام زمان بندی متعلق به یک شمارنده چهار بیتی باینری سنکرون دیده می شود.

به دلیل این که یک شمارنده سنکرون 4 بیتی در هر پالس ساعت شمارش را انجام می دهد، در نتیجه شمارنده، شمارش را به سمت بالا و از 0 (0000) تا 15 (1111) انجام می دهد.

به همین علت است که این نوع از شمارنده ها را شمارنده سنکرون 4 بیتی بالا شمار (4Bit Synchronous Up Counter) نیز می گویند. یک شمارنده سنکرون 4 بیتی پایین شمار را نیز می توان به راحتی پیاده سازی کرد.

توجه کنید که این بار گیت AND به خروجی¯¯¯¯Qفلیپ فلاپ ها متصل می شود.

تصویر زیر نمایی از چنین مداری را نشان می دهد. در این حالت شکل موج دیاگرام زمان بندی دقیقا معکوس دیاگرام زمان بندی شمارنده آسنکرون 4 بیتی بالا شمار است.

در این مدار، شمارنده از حالتی شروع به شمارش می کند که در آن تمام خروجی ها در سطح یک منطقی هستند (1111) و شمارش را با استفاده از پالس های کلاک به سمت پایین تا مقدار صفر (0000) ادامه می دهد و سپس این فرایند مجددا تکرار می شود.

یک شمارنده سنکرون معمولا از طریق اتصال فلیپ فلاپ ها به یکدیگر ایجاد می شوند. در واقع هر تعداد فلیپ فلاپ می توانند به صورت آبشاری به یکدیگر متصل شوند تا یک مدار شمارنده باینری مقسم بر n تشکیل شود.

عدد MOD برای این نوع از شمارنده ها هم قابل استعمال است. البته شمارنده های ده دهی یا BCD که از صفر تا2n−1می شمارند و نیز شمارنده های منقطع را نیز می توان با این روش ایجاد کرد.

برای افزایش عدد MOD یک شمارنده سنکرون بالا شمار و یا پایین شمار فقط تعداد گیت های AND و فلیپ فلاپ های بیشتری مورد نیاز است.