Compteurs asynchrones

Dans la section précédente, nous avons vu un circuit utilisant une bascule J-K qui comptait à rebours dans une séquence binaire de deux bits, de 11 à 10 à 01 à 00.

Puisqu'il serait souhaitable d'avoir un circuit qui puisse compter en avant et pas seulement en arrière, il serait intéressant d'examiner à nouveau une séquence de comptage avant et de rechercher d'autres modèles qui pourraient indiquer comment construire un tel circuit.

Puisque nous savons que les séquences de comptage binaire suivent un modèle de division de fréquence d'octave (facteur de 2) et que les multivibrateurs à bascule JK configurés pour le mode « toggle » sont capables d'effectuer ce type de division de fréquence, nous pouvons imaginer un circuit composé de plusieurs bascules JK, mises en cascade pour produire quatre bits de sortie.

Le principal problème auquel nous sommes confrontés est de déterminer comment pour connecter ces bascules ensemble afin qu'elles basculent au bon moment pour produire la séquence binaire appropriée.

Examinez la séquence de comptage binaire suivante, en faisant attention aux modèles précédant le « basculement » d'un bit entre 0 et 1 :

Notez que chaque bit de cette séquence de quatre bits bascule lorsque le bit qui le précède (le bit ayant une moindre importance, ou poids de position), bascule dans une direction particulière :de 1 à 0.

Les petites flèches indiquent les points de la séquence où un bit bascule, la tête de la flèche pointant vers le bit précédent passant d'un état "haut" (1) à un état "bas" (0) :

En commençant par quatre bascules JK connectées de manière à toujours être en mode "bascule", nous devons déterminer comment connecter les entrées d'horloge de manière à ce que chaque bit suivant bascule lorsque le bit avant qu'il passe de 1 à 0.

Les sorties Q de chaque bascule serviront de bits binaires respectifs du compte final de quatre bits :

Si nous utilisions des bascules avec déclenchement sur front négatif (symboles de bulle sur les entrées d'horloge), nous pourrions simplement connecter l'entrée d'horloge de chaque bascule à la sortie Q de la bascule avant, de sorte que lorsque le bit avant il passe d'un 1 à un 0, le « front descendant » de ce signal « synchroniserait » la prochaine bascule pour basculer le prochain bit :

Compteur "Up" à quatre bits

Ce circuit produirait les formes d'onde de sortie suivantes, lorsqu'il était "synchronisé" par une source répétitive d'impulsions provenant d'un oscillateur :

La première bascule (celle avec le Q₀ sortie), a une entrée d'horloge déclenchée par front positif, de sorte qu'elle bascule à chaque front montant du signal d'horloge.

Remarquez comment le signal d'horloge dans cet exemple a un rapport cyclique inférieur à 50 %.

J'ai montré le signal de cette manière dans le but de démontrer comment le signal d'horloge n'a pas besoin d'être symétrique pour obtenir des bits de sortie fiables et "propres" dans notre séquence binaire de quatre bits.

Dans le tout premier circuit flip-flop présenté dans ce chapitre, j'ai utilisé le signal d'horloge lui-même comme l'un des bits de sortie.

C'est une mauvaise pratique dans la conception des compteurs, cependant, car elle nécessite l'utilisation d'un signal carré avec un rapport cyclique de 50 % (temps « haut » =temps « bas ») afin d'obtenir une séquence de comptage où chaque pas fait une pause pendant la même durée.

L'utilisation d'une bascule J-K pour chaque bit de sortie, cependant, nous soulage de la nécessité d'avoir un signal d'horloge symétrique, permettant l'utilisation de pratiquement n'importe quelle variété de formes d'onde haut/bas pour incrémenter la séquence de comptage.

Comme indiqué par toutes les autres flèches du diagramme d'impulsions, chaque bit de sortie suivant est basculé par l'action du bit précédent passant de « haut » (1) à « bas » (0).

C'est le modèle nécessaire pour générer une séquence de comptage "en haut".

Une solution moins évidente pour générer une séquence « montée » en utilisant des bascules déclenchées par un front positif consiste à « synchroniser » chaque bascule en utilisant la sortie Q’ de la bascule précédente plutôt que la sortie Q.

Étant donné que la sortie Q' sera toujours l'état exactement opposé de la sortie Q sur une bascule JK (pas d'états invalides avec ce type de bascule), une transition haut-bas sur la sortie Q sera accompagnée de une transition bas-haut sur la sortie Q'.

En d'autres termes, chaque fois que la sortie Q d'une bascule bascule de 1 à 0, la sortie Q' de la même bascule passera de 0 à 1, fournissant l'impulsion d'horloge positive dont nous aurions besoin pour basculer un bascule déclenchée par front positif au bon moment :

Compteur "vers le haut" à quatre bits alternatif

Une façon d'étendre les capacités de l'un ou l'autre de ces deux circuits de compteur est de considérer les sorties Q' comme un autre ensemble de quatre bits binaires.

Si nous examinons le diagramme d'impulsion pour un tel circuit, nous voyons que les sorties Q' génèrent un down -séquence de comptage, tandis que les sorties Q génèrent un up - séquence de comptage :

Compteur « Montée » et « Descente » simultanée

Malheureusement, tous les circuits de compteur présentés jusqu'à présent partagent un problème commun :l'ondulation effet.

Cet effet est observé dans certains types d'additionneurs binaires et de circuits de conversion de données, et est dû aux délais de propagation cumulatifs entre les portes en cascade.

Lorsque la sortie Q d'une bascule bascule de 1 à 0, elle commande à la bascule suivante de basculer.

Si la bascule suivante de la bascule est une transition de 1 à 0, elle commandera à la bascule après elle de basculer également, et ainsi de suite.

Cependant, étant donné qu'il y a toujours un petit délai de propagation entre la commande de basculement (l'impulsion d'horloge) et la réponse de basculement réelle (les sorties Q et Q' changent d'état), toutes les bascules suivantes à basculer basculeront un certain temps après la première bascule a basculé.

Ainsi, lorsque plusieurs bits basculent dans une séquence de comptage binaire, ils ne basculeront pas tous exactement en même temps :

Inconvénient du circuit de compteur asynchrone :délai de propagation

Comme vous pouvez le voir, plus il y a de bits qui basculent avec une impulsion d'horloge donnée, plus le temps de retard accumulé de LSB à MSB est important.

Lorsqu'une impulsion d'horloge se produit à un tel point de transition (par exemple, lors de la transition de 0111 à 1000), les bits de sortie « onduleront » en séquence de LSB à MSB, car chaque bit suivant bascule et commande au bit suivant de basculer également. , avec un petit délai de propagation entre chaque basculement de bit.

Si nous regardons de près cet effet lors du passage de 0111 à 1000, nous pouvons voir qu'il y aura faux nombres de sorties générés au cours de la brève période pendant laquelle l'effet « d'entraînement » a lieu :

Au lieu de passer proprement d'une sortie "0111" à une sortie "1000", le circuit du compteur passera très rapidement de 0111 à 0110 à 0100 à 0000 à 1000, ou de 7 à 6 à 4 à 0 puis à 8. Ce comportement vaut au circuit du compteur le nom de compteur d'ondulation , ou compteur asynchrone .

Circuit compteur de signaux stroboscopiques

Dans de nombreuses applications, cet effet est tolérable, car l'ondulation se produit très, très rapidement (la largeur des délais a été exagérée ici pour aider à comprendre les effets).

Si tout ce que nous voulions faire était de piloter un ensemble de diodes électroluminescentes (LED) avec les sorties du compteur, par exemple, cette brève ondulation n'aurait aucune conséquence.

Cependant, si nous souhaitions utiliser ce compteur pour piloter les entrées « sélectionner » d'un multiplexeur, indexer un pointeur de mémoire dans un circuit à microprocesseur (ordinateur) ou effectuer une autre tâche où de fausses sorties pourraient provoquer des erreurs parasites, ce ne serait pas acceptable. .

Il existe un moyen d'utiliser ce type de circuit de compteur dans des applications sensibles aux fausses sorties générées par ondulation, et cela implique un principe connu sous le nom de stroboscopique .

La plupart des circuits décodeurs et multiplexeurs sont équipés d'au moins une entrée appelée « activation ».

La ou les sorties d'un tel circuit ne seront actives que lorsque l'entrée d'activation sera rendue active.

Nous pouvons utiliser cette entrée d'activation pour strobe le circuit recevant la sortie du compteur d'ondulation de sorte qu'il est désactivé (et ne répond donc pas à la sortie du compteur) pendant la brève période de temps pendant laquelle les sorties du compteur peuvent onduler, et activé uniquement lorsqu'un temps suffisant s'est écoulé depuis la dernière impulsion d'horloge que toutes les ondulations auront cessé.

Dans la plupart des cas, le signal stroboscopique peut être la même impulsion d'horloge qui pilote le circuit du compteur :

Avec une entrée d'activation active-bas, le circuit de réception ne répondra au compte binaire du circuit de compteur à quatre bits que lorsque le signal d'horloge est « bas ».

Dès que l'impulsion d'horloge passe au niveau haut, le circuit de réception cesse de répondre à la sortie du circuit de comptage.

Étant donné que le circuit du compteur est déclenché par un front positif (comme déterminé par le premier flip-flop clock input), toute l'action de comptage a lieu sur la transition bas-à-haut du signal d'horloge, ce qui signifie que le circuit de réception sera désactivé juste avant qu'un basculement ne se produise sur les quatre bits de sortie du circuit de compteur.

Le circuit de réception ne sera activé que lorsque le signal d'horloge reviendra à un état bas, ce qui devrait être suffisamment long après toutes les ondulations ont cessé d'être « sûres » pour permettre au nouveau compte d'avoir un effet sur le circuit de réception.

Le paramètre crucial ici est le temps « haut » du signal d'horloge :il doit être au moins aussi long que la période d'ondulation maximale attendue du circuit du compteur.

Sinon, le signal d'horloge activera prématurément le circuit de réception, alors que certaines ondulations ont encore lieu.

Inconvénient du circuit de compteur asynchrone :vitesse limitée

Un autre inconvénient du circuit de compteur asynchrone, ou ondulation, est la vitesse limitée.

Alors que tous les circuits de porte sont limités en termes de fréquence de signal maximale, la conception de circuits de comptage asynchrones aggrave ce problème en rendant les délais de propagation additifs.

Ainsi, même si le stroboscope est utilisé dans le circuit de réception, un circuit compteur asynchrone ne peut pas être cadencé à une fréquence supérieure à celle qui permet au plus grand délai de propagation accumulé possible de s'écouler bien avant l'impulsion suivante.

La solution à ce problème est un circuit de compteur qui évite complètement l'ondulation.

Un tel circuit de compteur éliminerait le besoin de concevoir une fonction « stroboscopique » dans tous les circuits numériques utilisant la sortie du compteur comme entrée, et bénéficierait également d'une vitesse de fonctionnement beaucoup plus élevée que son équivalent asynchrone.

Cette conception de circuit de compteur fait l'objet de la section suivante.

AVIS :

• Un compteur "up" peut être réalisé en connectant les entrées d'horloge des bascules J-K déclenchées par front positif aux sorties Q' des bascules précédentes. Une autre façon consiste à utiliser des bascules déclenchées par front négatif, en connectant les entrées d'horloge aux sorties Q des bascules précédentes. Dans les deux cas, les entrées J et K de toutes les bascules sont connectées à V_cc ou V_dd afin d'être toujours « élevé ».
• Les circuits de compteur constitués de bascules J-K en cascade où chaque entrée d'horloge reçoit ses impulsions de la sortie de la bascule précédente présentent invariablement un effet d'entraînement , où de faux décomptes de sortie sont générés entre certaines étapes de la séquence de décompte. Ces types de circuits de comptage sont appelés compteurs asynchrones , ou compteurs d'ondulations .
• Stroboscope est une technique appliquée aux circuits recevant la sortie d'un compteur asynchrone (ondulation), de sorte que les faux comptes générés pendant le temps d'ondulation n'auront aucun effet néfaste. Essentiellement, le activer L'entrée d'un tel circuit est connectée à l'impulsion d'horloge du compteur de telle manière qu'elle n'est activée que lorsque les sorties du compteur ne changent pas, et sera désactivée pendant les périodes de changement des sorties du compteur où l'ondulation se produit.

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Feuille de travail du compteur d'ondulations