环形计数器的种类、工作原理及应用特性

环形计数器是使用移位寄存器构成的时序逻辑电路。根据时钟脉冲，相同的数据在计数器中循环。

目前，环形计数器有两种类型，即普通环形计数器和约翰逊计数器(Johnson counter)，本文就环形计数器种类、工作原理及应用特性进行简单的介绍。

4位环形计数器

4位环形计数器是触发器的级联连接，其中最后一个触发器的输出连接到第一个触发器的输入。在环形计数器中，如果任何阶段的输出为1，则其提醒为0。环形计数器在整个电路中传输相同的输出。

这意味着如果第一个触发器的输出为1，则将其转移到下一级，即第二个触发器。通过将输出转移到下一级，第一个触发器的输出变为0。这个过程将持续到环形计数器的所有级。如果在环形计数器中使用n个触发器，“1”每n个时钟周期循环一次。

4位环形计数器的电路图如下图所示：

在这里，使用D触发器设计了环形计数器。这是一个Mod 4环形计数器，它有4个串联的D触发器。时钟信号被施加到每个触发器的时钟输入，同时RESET脉冲被施加到所有触发器的CLR输入。

操作过程如下：

最初，环形计数器中的所有触发器通过应用CLEAR信号复位为0。在应用时钟脉冲之前，将PRESET脉冲应用到触发器，触发器将值“1”分配给环形计数器电路。对于每个时钟信号，数据在环形计数器的所有4个触发器级之间循环。

这种4级环形计数器称为Mod 4环形计数器或4位环形计数器。为了在环形计数器中正确循环数据，必须向计数器加载所需的值，例如全0或全1。

4位环形计数器中的数据循环

众所周知，环形计数器类似于串联的移位寄存器。下图显示了四级触发器作为我们的移位寄存器的并行串行，数据输入为Da、Db、Dc和Dd。

通过传递复位信号，触发器最初处于复位状态。当PRESET应用于环形计数器时，电路的输入变为1。该输入连接到该系列中的第一个触发器，因此触发器QA设置为1，其余触发器的所有其他输出将为低电平。

如果将触发器“A”的数据输入设为低电平，则数据脉冲为010。然后对于第二个时钟信号，第一个触发器的输出将再次发生变化，然后是“B”的输出' 会变高。这意味着数据脉冲001出现。

这样，随着第一个触发器的时钟信号和输入发生变化，其他触发器的输出也会发生变化。由于最后一个触发器的输出串联连接到第一个触发器的输入，数据序列在环形计数器中旋转或循环。

4位环形计数器真值表

下图简单说明4 位环形计数器的真值表：

当CLEAR输入CLR=0时，所有触发器都设置为1。当CLEAR输入CLR=1时，环形计数器开始运行。对于一个时钟信号，计数器开始运行。在下一个时钟信号上，计数器再次重置为0000。环形计数器有4个序列：0001、0010、0100、1000。

4位环形计数器时序图

4位环形计数器的时序图将解释时钟信号改变了计数器每一级的输出，因此CLK信号将帮助数据从一个触发器循环到另一个触发器。由于4位环形计数器(4级或4个触发器)在一个时钟信号内循环预设数字，每个触发器的输出频率是主时钟频率的1/4。

4位环形计数器状态图

4位环形计数器的状态图如上图所示，它表示对于一个时钟信号，预设数字(在这种情况下，预设数字为1)的位置正在从LSB改变为MSB。

另外，4位环形计数器优点是，可以使用D和JK触发器来实现，它是一个自解码电路。但其缺点是，15个状态中只有4个是有效状态。

约翰逊(Johnson)计数器

约翰逊计数器是环形计数器的改进型。在这种情况下，最后一级触发器的反相输出连接到第一个触发器的输入。如果使用n触发器来设计约翰逊计数器，则称为 2n位 约翰逊计数器或Mod 2n约翰逊计数器。

这是约翰逊计数器的一个优势，它只需要环形计数器使用的触发器数量的一半，即可设计相同的Mod。

4位环形计数器和约翰逊计数器的主要区别在于，在4位环形计数器中，将最后一个触发器的输出直接连接到第一个触发器的输入。但是在约翰逊计数器中，将最后一级的反相输出连接到第一级输入。

约翰逊计数器也称为Twisted Ring Counter，带有反馈功能。在约翰逊计数器中，第一个触发器的输入与最后一个触发器的反相输出相连。约翰逊计数器的设计方式克服了环形计数器的局限性，主要是减少了设计电路所需的触发器数量。

与环形计数器类似，约翰逊计数器中的时钟信号同时连接到每个触发器的时钟输入。

工作过程如下：

用D触发器设计的约翰逊计数器如下图所示，它有四个阶段，即四个触发器串联或级联。最初零/空值被馈送到约翰逊计数器，在施加时钟信号时，输出将依次变为“1000”、“1100”、“1110”、“111”、“0111”、“0011”、”0001“、”0000“，该序列将重复用于下一个时钟信号。

约翰逊计数器通过传递四个0和四个1产生一个特殊模式，因此它通过向上计数产生一个特定模式。

约翰逊计数器真值表

下图解释了约翰逊计数器的真值表：

上面状态图表明数据如何在每个时钟脉冲中从一个触发器传输到另一个触发器。4级约翰逊环形计数器通过改变反馈连接用作分频器，所以它们也可以用作分频器电路。

约翰逊计数器时序图

约翰逊计数器的时序图将解释时钟信号改变计数器每一级的输出，使CLK信号帮助数据从一个触发器循环到另一个触发器。

当CLR=0时，触发器的所有输出和输入都预设为0(清零)，但最右边FF的数据输入设置为1。

当CLR=1时，约翰逊计数器开始运行。在每个时钟沿，最后一个触发器 (1) 的输出左移到第三个触发器。由于第一个触发器连接到串行输入即1，因此第三个触发器的输入为1。

在下一个循环中，QA=0，因此0在后半个循环中以环形形式旋转。约翰逊计数器有8个序列：0001、0011、0111、1111、1110、1100、1000和0000。

约翰逊计数器的优点是，它比环形计数器有更多的输出。约翰逊计数器的缺点是，15个状态中只有8个能够被使用。

主要应用

环形计数器用于对连续循环中的数据进行计数。

可用于通过将AND&OR逻辑门连接到环形计数器电路来检测一组信息中的各种数值或各种模式。

2级、3级和4级环形计数器用于分频电路，分别作为2分频、3分频和4分频电路。

3级约翰逊计数器用作3相方波发生器，可产生120°相移。

5级约翰逊计数器电路通常用作同步十进制 (BCD) 计数器，也用作分频器电路。

2级约翰逊计数器也称为“正交振荡器”，用于产生4级单独输出，这些输出彼此异相90°。该正交发生器用于产生4相定时信号。

总结

简单来说，环形计数器是由一个移位寄存器和一个组合反馈逻辑电路闭环构成，反馈电路的输出接向移位寄存器的串行输入端，反馈电路的输入端根据移位寄存器计数器类型的不同，可接向移位寄存器的串行输出端或某些触发器的输出端。

常见的环形计数器有4位环形计数器和翰逊计数器两种，其应用也是非常的广泛，可应用于多种电子电路当中。