Ring tellers en Johnson tellers: ontwerp, werking en praktische toepassingen

Een ringteller is een speciaal type schuifregister waar de uitgang van de laatste trap teruggekoppeld wordt naar de eerste. Wanneer klokpulsen worden toegepast, circuleert het datapatroon oneindig.

Bijvoorbeeld, in een vier-traps ringteller herhaalt het patroon zich elke vier klokpulsen, maar het register moet eerst geladen worden met een datawoord. Het laden van een enkele „1” (bijv. 1000) is het meest gebruikelijk en levert een gemakkelijk te visualiseren patroon op.

Na het laden van 1000 is de golfvorm van elke trap identiek, behalve voor een vertraging van één klokcyclus, zoals hieronder getoond.

Deze configuratie fungeert als een deel-door-4 teller; vergelijkt men de klokinvoer met een willekeurige uitgang, dan toont zich een frequentieverhouding van 4:1.

Delen door willekeurige factoren

Om een deel-door-10 teller te verkrijgen, zijn tien trappen nodig. Een enkele „1” zal elke tien klokpulsen circuleren.

Initialisatievereisten

Ringtellers moeten bij inschakeling geïnitialiseerd worden, omdat de initiële toestand van elke flipflop ongedefinieerd is. Eenmaal geïnitialiseerd, zou het patroon moeten persisteren; echter, ruis kan de toestand na verloop van tijd corruptie, wat de reeks kan breken.

Een conventionele synchrone binaire teller kan zichzelf corrigeren en is daarom vaak betrouwbaarder in langdurige operaties.

Vergelijking met conventionele tellers

De binaire teller gebruikt twee trappen en vereist decoderpoorten, terwijl de ringteller zelf-decoderend is maar meer trappen nodig heeft. Als gedecodeerde uitgangen vereist zijn en de meeste logica in een enkel schuifregisterpakket past, kan een ringteller aantrekkelijk zijn; anders is de simpelere binaire teller te prefereren.

Gedecodeerde golfvormen van een synchrone binaire teller komen overeen met die van de ringteller: (QA QB) doorloopt 00, 01, 10, 11.

Johnson tellers

Ook bekend als een switch-tail ringteller, overkomt een Johnson teller diverse beperkingen van de ringteller. Door het complement (Q′) van de laatste trap terug te voeren naar de eerste, vereist een Johnson teller slechts half zoveel trappen voor een gegeven deelfactor.

Bijvoorbeeld, een vier-traps Johnson teller deelt de invoerklok door acht, terwijl een vier-traps ringteller door vier deelt.

Johnson tellers worden bij inschakeling meestal gewist naar alle nullen om een bekende toestand te vestigen.

Wanneer een enkele „1” wordt geïntroduceerd, doorloopt de teller een reeks van vier nullen gevolgd door vier enen, wat een acht-toestanden cyclus produceert.

Meerfasige uitgangsgeneratie

Een vier-traps Johnson teller levert vier overlappende 50% duty-cycle fasen. Een drie-traps Johnson teller, aangedreven door een 360 Hz klok, genereert drie 120°-gefaseerde blokgolven van 60 Hz.

Decoderen van de toestanden

Elke toestand van een Johnson teller kan gedecodeerd worden met eenvoudige twee-ingangs poorten. Voor een 4-traps teller worden acht toestanden gedecodeerd met acht twee-ingangs AND-poorten.

Alleen 2-ingangs decoderpoorten zijn nodig, ongeacht de tellerlengte. Het inverteren van de ingangen van de AND-poorten kan de logica vereenvoudigen, maar het onderstaande diagram volgt de CD4022B datasheet nauw.

De acht gedecodeerde uitgangen (G0–G7) blijven elk actief-hoog voor één klokperiode binnen de 8-klok cyclus. Bijvoorbeeld, G0 is hoog wanneer zowel QA als QD laag zijn.

Verboden toestanden en foutcorrectie

Omdat een 4-traps schuifregister 16 binaire toestanden kan voorstellen, zijn er slechts acht geldig voor de Johnson teller. De overige acht zijn verboden. De CD4022B bevat een verboden-toestand detector samengesteld uit twee NOR-poorten.

In de praktijk wordt de teller bij inschakeling gereset om het binnengaan van een verboden toestand te voorkomen. Als een verboden toestand wordt遇遇 (bijv. 010), dwingen de NOR-poorten de volgende invoer naar nul, wat de toestand omzet in een toegestane (bijv. 000).

Na een paar klokken zal elke verboden toestand gecorrigeerd worden. Voor kritische toepassingen moet de teller echter altijd bij inschakeling gereset worden.

Johnson teller IC's

Geïntegreerde schakelingen met gedecodeerde uitgangen zijn beschikbaar voor zowel de 4000-serie als de 74HC-familie. De CD4017 biedt tien gedecodeerde uitgangen (modulo-10), terwijl de CD4022 acht gedecodeerde uitgangen (modulo-8) biedt. De 74HC-varianten werken bij lagere spanningen (2V–6V) en leveren hogere uitgangsstroom.

• CD4017 Johnson teller met 10 gedecodeerde uitgangen (CD4022 Johnson teller met 8 gedecodeerde uitgangen)
• 74HC4017 Johnson teller, 10 gedecodeerde uitgangen

Praktische toepassingen

Figuur 1 demonstreert een 74HC4017 die tien LEDs aanstuurt, waarbij er elke vijfde seconde één oplicht in een ring. De 4 mA uitgangsmogelijkheid van de 74HC4017 (VOH = 4.6V bij 4 mA) is voldoende om LEDs te laten branden, hoewel typische LED-stromen 10–20 mA zijn.

Een 555-timer levert de klokpulsen; een extra buffer kan worden ingevoegd als de 555 de klokinvoer van de teller niet betrouwbaar kan aansturen.

Johnson tellers kunnen ook 3-fase blokgolven genereren. Door P1 = QA, P2 = QC, P3 = QB′ te selecteren, zijn de uitgangen 120° uit elkaar gefaseerd. Diepgangfiltering en versterking kunnen deze omzetten in 3-fase sinusgolven voor voedingen of motoraansturingen.

Voor 3-fase stappenmotoren worden de overlappende uitgangen gedecodeerd in niet-overlappende golven (P0, P1, P2) geschikt voor driver IC's zoals ULN2003 of discrete Darlington-paren.

Met een enkele CD4017 kan de teller na de derde telling gereset worden, zodat elke toestand een volle klokperiode duurt voordat de volgende reset plaatsvindt.

Gerelateerde werkbladen

• Tellers Werkblad
• Schuifregisters Werkblad