DIGITALTECHNIK 08 FREQUENZ-ZÄHLER

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Dennis Gehrig
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1 Seite 1 von 15 DIGITALTECHNIK 08 FREQUENZ-ZÄHLER

2 Inhalt Seite 2 von 15 1 FREQUENZ-ZÄHLER ÜBERSICHT EINLEITUNG ASYNCHRONZÄHLER VORWÄRTSZÄHLER RÜCKWÄRTSZÄHLER ZÄHLER MIT UMSCHALTBAREN ZÄHLRICHTUNGEN BCD- ZÄHLER BCD- VORWÄRTSZÄHLER SYNCHRONZÄHLER VORWÄRTSZÄHLER RÜCKWÄRTSZÄHLER ZÄHLER MIT UMSCHALTBAREN ZÄHLRICHTUNGEN... 15

3 Seite 3 von 15 1 Frequenz-Zähler 1.1 Übersicht Zähler Asynchronzähler Synchronzähler Vorwärtszähler Zähler Rückwärtszähler Rückwärtszähler Zähler mit umschaltbarer Zählrichtung Zähler mit umschaltbarer Zählrichtung

4 Seite 4 von Einleitung Unter dem Begriff Zählen wird im allgemeinen ein fortlaufendes addieren und speichern von Zähleinheiten verstanden. Elektronische Zähler haben die Aufgabe Spannungsimpulse zu zählen. Die Spannungsimpulse, die dem Zähler zugeführt werden, sind vorher in elektrische, vom Zähler verarbeitbare Signale umgewandelt worden. Bei jedem Zählschritt muss eine Einheit zu einer schon gespeicherten Summe addiert und diese Summe dann wieder gespeichert werden. Jeder Zähler muss deshalb folgende Forderungen erfüllen: 1. Addition jeweils einer Einheit 2. Speichern einer Summe. Grundbaustein des elektronischen Zählers ist die Bistabile Kippstufe, sie ist in der Lage Informationen von 1bit zu speichern. Bei Verwendung von 10 Bistabilen Kippstufen kann man auch Informationen von 10bit speichern. Für das Zusammenschalten von Flip Flops zu elektronischen Zählern gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten. Man unterscheidet dabei: Nach der Art der Ansteuerung Zwischen Asynchron- und Synchronzählern Nach Art der Zählrichtung Zwischen Vorwärts- und Rückwärtszählern Nach Art der Zahlensysteme Zwischen Dual-, Dezimalzählern usw. Durch diese Unterscheidungsmerkmale von Zählern können beliebige Mischformen auftreten, z.b. Asynchrone rückwärtszählende Dualzähler. Bei den Synchronzählern ( synchron = gleichzeitig ) wird das Eingangssignal an jedes einzelne FF angelegt. Bei den Asynchronzählern ( asynchron = nicht gleichzeitig ) wird das Eingangssignal nur an das erste FF angeschlossen. Die anderen werden jeweils von dem davor liegenden FF versorgt ( Ausgang Q an Clock des darauffolgenden ). Die Vorwärtszähler beginnen mit der kleinsten Zahl, also die Null und zählen dann aufwärts bis zur höchstmöglichen Zahl, z.b. 0, 1, 2, 3 usw. Die Rückwärtszähler dagegen, beginnen mit der Höchstmöglichen Zahl und zählen dann abwärts bis Null.

5 Seite 5 von 15 2 Asynchronzähler Asynchrone Dualzähler arbeiten nach dem dualen Zahlensystem. Sie können mit verschiedenen Flipfloparten aufgebaut werden. Der einfachste Aufbau ergibt sich mit T- Flipflops. JK- Flipflops können so geschaltet werden, dass sie wie T-Flipflops arbeiten. 2.1 Vorwärtszähler Dual- Vorwärtszähler zählen von Null ab bis zu ihrem möglichen Höchstwert, schalten dann auf Null zurück und beginnen den Zählvorgang erneut. 3-Bit Vorwärtszähler Zeitablaufdiagramm

6 4-Bit Vorwärtszähler Seite 6 von 15 Zeitablaufdiagramm Nach dem 10. Impuls, ist der Zähler auf : 0101 (2) => 10 (10) Nach dem 15. Impuls, ist der Zähler auf : 1111 (2) => 15 (10)

7 Seite 7 von Rückwärtszähler Dual-Rückwärtszähler zählen von ihrem möglichen Höchstwert ab rückwärts bis auf Null, springen dann wieder auf den Höchstwert und zählen erneut zurück. 4-Bit Rückwärtszähler Zeitablaufdiagramm

8 4-Bit Rückwärtszähler Seite 8 von 15 Zeitablaufdiagramm

9 Seite 9 von Zähler mit umschaltbaren Zählrichtungen Die Zählrichtung eines Dualzählers ist davon abhängig, welche Signale für die Ansteuerung der jeweils folgenden Flipflops verwendet werden. Man kann mit des Ausgangssignalen Q oder mit den Ausgangssignalen Q steuern. Die Zählrichtung ist weiterhin von der Art der verwendeten Flipflops abhängig insbesondere davon, ob diese Flipflops mit der ansteigenden oder mit der abfallenden Signalflanke schalten. Verwendet man für einen Zähler T-Flipflops, die mit der abfallenden Signalflanke schalten, so führt eine Ansteuerung mit Q-Signalen zu einem Vorwärtszähler. Bei Ansteuerung mit Q-Signalen ergibt sich ein Rückwärtszähler. Kennt man diese zusammenhänge, so ist es leicht, einen Dualzähler mit umschaltbarer Zählrichtung zu entwerfen. Schaltung:

10 Seite 10 von 15 3 BCD- Zähler BCD- Zähler sind grundsätzlich 4-Bit-Zähler. An ihren Ausgängen müssen Signale des BCD- Kodes abnehmbar sein. 3.1 BCD- Vorwärtszähler Schaltung: Zeitablaufdiagramm

11 Seite 11 von 15 4 Synchronzähler Bei den bisher betrachteten Zählern, den sogenannten Asynchronzählern, steuert ein Ausgang des 1.Flipflops das 2. Flipflop. Ein Ausgang des 2. Flipflops steuert das 3. Flipflop und so weiter. Die Flipflops schalten also nicht zum gleichen Zeitpunkt, sondern zeitlich nacheinander. Die Schaltverzögerung ist durch die Signal-Laufzeit der Flipflops gegeben. Bei Flipflops die zur TTL- Schaltkreisfamilie gehören, beträgt die Signallaufzeit 30 ns bis 50 ns. Diese Verzögerung setzt sich von Flipflop zu Flipflop fort. Diese asynchrone Schaltungen können aus diesem Grund bei hohen Schaltfrequenzen zu Störungen und sogar zu Fehlern führen. Will man für hohe Zählfrequenzen geeignete Zähler bauen, muss die Verschiebung der Impulsreihen von Flipflop zu Flipflop vermieden werden. Dies ist nur zu erreichen, wenn alle Flipflops, die kippen sollen, im gleichen Augenblick kippen. Man erreicht ein gleichzeitiges, synchrones Kippen durch Steuerung mit einem gemeinsamen Taktsignal. Zähler die so kippen, heissen Synchronzähler. Die Information, ob ein Flipflop kippen soll oder nicht, muss den Flipflops vor Eintreffen des Schaltbefehls gegeben werden. Hierzu sind ausser dem Takteingang weitere Eingänge erforderlich. Synchronzähler können also nicht mit T-Flipflops aufgebaut werden. 4.1 Vorwärtszähler Dual- Vorwärtszähler zählen von Null ab bis zu ihrem möglichen Höchstwert, schalten dann auf Null zurück und beginnen den Zählvorgang erneut. 4-Bit Vorwärtszähler Schaltung:

12 Zeitablaufdiagramm Seite 12 von 15

13 Seite 13 von Rückwärtszähler Dual-Rückwärtszähler zählen von ihrem möglichen Höchstwert ab rückwärts bis auf Null, springen dann wieder auf den Höchstwert und zählen erneut zurück. 4-Bit Rückwärtszähler Schaltung:

14 Zeitablaufdiagramm Seite 14 von 15

Seite 15 von 15 5 Zähler mit umschaltbaren Zählrichtungen Die Zählrichtung eines Dualzählers ist davon abhängig, welche Signale für die Ansteuerung der jeweils folgenden Flipflops verwendet werden.

15 Seite 15 von 15 5 Zähler mit umschaltbaren Zählrichtungen Die Zählrichtung eines Dualzählers ist davon abhängig, welche Signale für die Ansteuerung der jeweils folgenden Flipflops verwendet werden. Man kann mit des Ausgangssignalen Q oder mit den Ausgangssignalen Q steuern. Die Zählrichtung ist weiterhin von der Art der verwendeten Flipflops abhängig insbesondere davon, ob diese Flipflops mit der ansteigenden oder mit der abfallenden Signalflanke schalten. Schaltung:

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