Conception d'un compteur montant asynchrone 4 bits avec bascules J-K

Précédemment, nous avons examiné une seule bascule J-K configurée pour compter à rebours dans une séquence binaire à deux bits (11 → 10 → 01 → 00). Pour construire un compteur qui incrémente vers l'avant, nous devons analyser le motif de comptage avant et déterminer comment interconnecter plusieurs bascules.

Les compteurs binaires reposent sur une division de fréquence par facteur deux. Les bascules J-K en mode bascule sont idéales pour cette tâche. En cascadant plusieurs telles bascules, nous pouvons générer une sortie binaire à 4 bits. Le défi clé est de câbler les entrées d'horloge pour que chaque bascule bascule précisément quand le bit précédent passe de 1 à 0.

Voici la séquence binaire pour un compteur montant 4 bits. Remarquez qu'un bit bascule seulement quand le bit moins significatif bascule de haut vers bas.

De petites flèches pointent vers les moments où un bit bascule, indiquant la transition du bit précédent de 1 vers 0.

En utilisant quatre bascules J-K réglées pour toujours basculer, nous pouvons connecter chaque entrée d'horloge à la sortie Q de la bascule précédente. Avec un déclenchement par front descendant (symboles bulle), le front descendant du signal Q précédent horloge la bascule suivante au bon instant.

Compteur « Up » 4 bits

Les formes d'onde résultantes, pilotées par un oscillateur périodique, montrent le comportement de comptage montant attendu. La première bascule (Q₀) bascule à chaque front montant de l'horloge, tandis que le cycle de service de l'horloge n'a pas besoin d'être exactement 50 % — le circuit reste fiable avec toute forme d'impulsion.

Notez qu'utiliser une bascule J-K par bit de sortie élimine le besoin d'un signal d'horloge symétrique, ce qui est requis quand l'horloge elle-même est utilisée comme sortie.

Une seconde approche, utilisant des bascules à déclenchement par front montant, consiste à horloger chaque bascule avec la sortie Q' de l'étage précédent. Puisque Q' est toujours le complément de Q, une transition 1→0 sur Q génère une transition 0→1 sur Q', fournissant le front montant nécessaire.

Compteur « Up » 4 bits alternatif

En traitant les sorties Q' comme un second ensemble de bits, le compteur peut simultanément produire une séquence de comptage montant sur Q et une séquence de comptage descendant sur Q'.

Compteur montant et descendant simultané

Tous ces designs à bascules en cascade souffrent de l'effet de propagation (ripple effect). Les délais de propagation s'accumulent à mesure que chaque bascule bascule, donc le bit de poids fort (MSB) retarde par rapport au bit de poids faible (LSB). Durant une transition comme 0111 → 1000, les sorties se propagent à travers 0110, 0100, 0000 avant de se stabiliser à 1000, générant de faux comptes transitoires.

Inconvénient du circuit compteur asynchrone : Délai de propagation

Le ripple se manifeste comme une brève cascade de changements d'état, ce qui peut être problématique dans les applications critiques en temps comme les multiplexeurs ou le décodage d'adresses mémoire.

Circuit compteur avec signal de strobe

Pour atténuer le ripple, de nombreux circuits utilisent un signal de strobe ou d'activation. L'activation est liée à l'horloge pour que le dispositif en aval ne réagisse que quand les sorties du compteur sont stables. Pour une activation active-basse, le dispositif est désactivé pendant la portion haute de l'impulsion d'horloge, qui coïncide avec l'activité de bascule.

S'assurer que la période haute de l'horloge dépasse le délai de ripple maximal garantit que l'activation s'active seulement après que le compteur se soit pleinement stabilisé.

Inconvénient du circuit compteur asynchrone : Vitesse limitée

Puisque les délais de propagation s'additionnent, un compteur asynchrone ne peut pas tourner plus vite que l'étage le plus lent plus tous les délais précédents. Cela limite la fréquence maximale de fonctionnement et rend les compteurs synchrones préférables pour les designs à haute vitesse.

Ces limitations motivent le développement d'architectures de compteurs synchrones (sans ripple), qui seront explorées ensuite.

RÉVISION

• Un compteur montant peut être construit en connectant les entrées d'horloge de bascules J-K à déclenchement positif aux sorties Q' de l'étage précédent, ou en utilisant des bascules à déclenchement négatif avec les sorties Q. Dans les deux cas, les entrées J et K sont maintenues hautes.
• Tous les compteurs à bascules en cascade exhibent un effet de ripple, produisant de faux comptes transitoires ; de tels compteurs sont appelés asynchrones ou compteurs à ripple.
• Le strobing active les circuits en aval seulement quand les sorties du compteur sont stables, prévenant les erreurs causées par le ripple.

FEUILLES D'EXERCICES CONNEXES

• Feuille d'exercices sur le compteur à ripple