環(huán)形計(jì)數(shù)器是使用移位寄存器構(gòu)成的時(shí)序邏輯電路。根據(jù)時(shí)鐘脈沖，相同的數(shù)據(jù)在計(jì)數(shù)器中循環(huán)。

目前，環(huán)形計(jì)數(shù)器有兩種類型，即普通環(huán)形計(jì)數(shù)器和約翰遜計(jì)數(shù)器(Johnson counter)，本文就環(huán)形計(jì)數(shù)器種類、工作原理及應(yīng)用特性進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

4位環(huán)形計(jì)數(shù)器

4位環(huán)形計(jì)數(shù)器是觸發(fā)器的級(jí)聯(lián)連接，其中最后一個(gè)觸發(fā)器的輸出連接到第一個(gè)觸發(fā)器的輸入。在環(huán)形計(jì)數(shù)器中，如果任何階段的輸出為1，則其提醒為0。環(huán)形計(jì)數(shù)器在整個(gè)電路中傳輸相同的輸出。

這意味著如果第一個(gè)觸發(fā)器的輸出為1，則將其轉(zhuǎn)移到下一級(jí)，即第二個(gè)觸發(fā)器。通過(guò)將輸出轉(zhuǎn)移到下一級(jí)，第一個(gè)觸發(fā)器的輸出變?yōu)?。這個(gè)過(guò)程將持續(xù)到環(huán)形計(jì)數(shù)器的所有級(jí)。如果在環(huán)形計(jì)數(shù)器中使用n個(gè)觸發(fā)器，“1”每n個(gè)時(shí)鐘周期循環(huán)一次。

4位環(huán)形計(jì)數(shù)器的電路圖如下圖所示：

在這里，使用D觸發(fā)器設(shè)計(jì)了環(huán)形計(jì)數(shù)器。這是一個(gè)Mod 4環(huán)形計(jì)數(shù)器，它有4個(gè)串聯(lián)的D觸發(fā)器。時(shí)鐘信號(hào)被施加到每個(gè)觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入，同時(shí)RESET脈沖被施加到所有觸發(fā)器的CLR輸入。

操作過(guò)程如下：

最初，環(huán)形計(jì)數(shù)器中的所有觸發(fā)器通過(guò)應(yīng)用CLEAR信號(hào)復(fù)位為0。在應(yīng)用時(shí)鐘脈沖之前，將PRESET脈沖應(yīng)用到觸發(fā)器，觸發(fā)器將值“1”分配給環(huán)形計(jì)數(shù)器電路。對(duì)于每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，數(shù)據(jù)在環(huán)形計(jì)數(shù)器的所有4個(gè)觸發(fā)器級(jí)之間循環(huán)。

這種4級(jí)環(huán)形計(jì)數(shù)器稱為Mod 4環(huán)形計(jì)數(shù)器或4位環(huán)形計(jì)數(shù)器。為了在環(huán)形計(jì)數(shù)器中正確循環(huán)數(shù)據(jù)，必須向計(jì)數(shù)器加載所需的值，例如全0或全1。

4位環(huán)形計(jì)數(shù)器中的數(shù)據(jù)循環(huán)

眾所周知，環(huán)形計(jì)數(shù)器類似于串聯(lián)的移位寄存器。下圖顯示了四級(jí)觸發(fā)器作為我們的移位寄存器的并行串行，數(shù)據(jù)輸入為Da、Db、Dc和Dd。

通過(guò)傳遞復(fù)位信號(hào)，觸發(fā)器最初處于復(fù)位狀態(tài)。當(dāng)PRESET應(yīng)用于環(huán)形計(jì)數(shù)器時(shí)，電路的輸入變?yōu)?。該輸入連接到該系列中的第一個(gè)觸發(fā)器，因此觸發(fā)器QA設(shè)置為1，其余觸發(fā)器的所有其他輸出將為低電平。

如果將觸發(fā)器“A”的數(shù)據(jù)輸入設(shè)為低電平，則數(shù)據(jù)脈沖為010。然后對(duì)于第二個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，第一個(gè)觸發(fā)器的輸出將再次發(fā)生變化，然后是“B”的輸出' 會(huì)變高。這意味著數(shù)據(jù)脈沖001出現(xiàn)。

這樣，隨著第一個(gè)觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)和輸入發(fā)生變化，其他觸發(fā)器的輸出也會(huì)發(fā)生變化。由于最后一個(gè)觸發(fā)器的輸出串聯(lián)連接到第一個(gè)觸發(fā)器的輸入，數(shù)據(jù)序列在環(huán)形計(jì)數(shù)器中旋轉(zhuǎn)或循環(huán)。

4位環(huán)形計(jì)數(shù)器真值表

下圖簡(jiǎn)單說(shuō)明4 位環(huán)形計(jì)數(shù)器的真值表：

當(dāng)CLEAR輸入CLR=0時(shí)，所有觸發(fā)器都設(shè)置為1。當(dāng)CLEAR輸入CLR=1時(shí)，環(huán)形計(jì)數(shù)器開始運(yùn)行。對(duì)于一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，計(jì)數(shù)器開始運(yùn)行。在下一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)上，計(jì)數(shù)器再次重置為0000。環(huán)形計(jì)數(shù)器有4個(gè)序列：0001、0010、0100、1000。

4位環(huán)形計(jì)數(shù)器時(shí)序圖

4位環(huán)形計(jì)數(shù)器的時(shí)序圖將解釋時(shí)鐘信號(hào)改變了計(jì)數(shù)器每一級(jí)的輸出，因此CLK信號(hào)將幫助數(shù)據(jù)從一個(gè)觸發(fā)器循環(huán)到另一個(gè)觸發(fā)器。由于4位環(huán)形計(jì)數(shù)器(4級(jí)或4個(gè)觸發(fā)器)在一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)內(nèi)循環(huán)預(yù)設(shè)數(shù)字，每個(gè)觸發(fā)器的輸出頻率是主時(shí)鐘頻率的1/4。

4位環(huán)形計(jì)數(shù)器狀態(tài)圖

4位環(huán)形計(jì)數(shù)器的狀態(tài)圖如上圖所示，它表示對(duì)于一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，預(yù)設(shè)數(shù)字(在這種情況下，預(yù)設(shè)數(shù)字為1)的位置正在從LSB改變?yōu)镸SB。

另外，4位環(huán)形計(jì)數(shù)器優(yōu)點(diǎn)是，可以使用D和JK觸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，它是一個(gè)自解碼電路。但其缺點(diǎn)是，15個(gè)狀態(tài)中只有4個(gè)是有效狀態(tài)。

約翰遜(Johnson)計(jì)數(shù)器

約翰遜計(jì)數(shù)器是環(huán)形計(jì)數(shù)器的改進(jìn)型。在這種情況下，最后一級(jí)觸發(fā)器的反相輸出連接到第一個(gè)觸發(fā)器的輸入。如果使用n觸發(fā)器來(lái)設(shè)計(jì)約翰遜計(jì)數(shù)器，則稱為 2n位 約翰遜計(jì)數(shù)器或Mod 2n約翰遜計(jì)數(shù)器。

這是約翰遜計(jì)數(shù)器的一個(gè)優(yōu)勢(shì)，它只需要環(huán)形計(jì)數(shù)器使用的觸發(fā)器數(shù)量的一半，即可設(shè)計(jì)相同的Mod。

4位環(huán)形計(jì)數(shù)器和約翰遜計(jì)數(shù)器的主要區(qū)別在于，在4位環(huán)形計(jì)數(shù)器中，將最后一個(gè)觸發(fā)器的輸出直接連接到第一個(gè)觸發(fā)器的輸入。但是在約翰遜計(jì)數(shù)器中，將最后一級(jí)的反相輸出連接到第一級(jí)輸入。

約翰遜計(jì)數(shù)器也稱為Twisted Ring Counter，帶有反饋功能。在約翰遜計(jì)數(shù)器中，第一個(gè)觸發(fā)器的輸入與最后一個(gè)觸發(fā)器的反相輸出相連。約翰遜計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)方式克服了環(huán)形計(jì)數(shù)器的局限性，主要是減少了設(shè)計(jì)電路所需的觸發(fā)器數(shù)量。

與環(huán)形計(jì)數(shù)器類似，約翰遜計(jì)數(shù)器中的時(shí)鐘信號(hào)同時(shí)連接到每個(gè)觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入。

工作過(guò)程如下：

用D觸發(fā)器設(shè)計(jì)的約翰遜計(jì)數(shù)器如下圖所示，它有四個(gè)階段，即四個(gè)觸發(fā)器串聯(lián)或級(jí)聯(lián)。最初零/空值被饋送到約翰遜計(jì)數(shù)器，在施加時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，輸出將依次變?yōu)椤?000”、“1100”、“1110”、“111”、“0111”、“0011”、”0001“、”0000“，該序列將重復(fù)用于下一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。

約翰遜計(jì)數(shù)器通過(guò)傳遞四個(gè)0和四個(gè)1產(chǎn)生一個(gè)特殊模式，因此它通過(guò)向上計(jì)數(shù)產(chǎn)生一個(gè)特定模式。

約翰遜計(jì)數(shù)器真值表

下圖解釋了約翰遜計(jì)數(shù)器的真值表：

上面狀態(tài)圖表明數(shù)據(jù)如何在每個(gè)時(shí)鐘脈沖中從一個(gè)觸發(fā)器傳輸?shù)搅硪粋€(gè)觸發(fā)器。4級(jí)約翰遜環(huán)形計(jì)數(shù)器通過(guò)改變反饋連接用作分頻器，所以它們也可以用作分頻器電路。

約翰遜計(jì)數(shù)器時(shí)序圖

約翰遜計(jì)數(shù)器的時(shí)序圖將解釋時(shí)鐘信號(hào)改變計(jì)數(shù)器每一級(jí)的輸出，使CLK信號(hào)幫助數(shù)據(jù)從一個(gè)觸發(fā)器循環(huán)到另一個(gè)觸發(fā)器。

當(dāng)CLR=0時(shí)，觸發(fā)器的所有輸出和輸入都預(yù)設(shè)為0(清零)，但最右邊FF的數(shù)據(jù)輸入設(shè)置為1。

當(dāng)CLR=1時(shí)，約翰遜計(jì)數(shù)器開始運(yùn)行。在每個(gè)時(shí)鐘沿，最后一個(gè)觸發(fā)器 (1) 的輸出左移到第三個(gè)觸發(fā)器。由于第一個(gè)觸發(fā)器連接到串行輸入即1，因此第三個(gè)觸發(fā)器的輸入為1。

在下一個(gè)循環(huán)中，QA=0，因此0在后半個(gè)循環(huán)中以環(huán)形形式旋轉(zhuǎn)。約翰遜計(jì)數(shù)器有8個(gè)序列：0001、0011、0111、1111、1110、1100、1000和0000。

約翰遜計(jì)數(shù)器的優(yōu)點(diǎn)是，它比環(huán)形計(jì)數(shù)器有更多的輸出。約翰遜計(jì)數(shù)器的缺點(diǎn)是，15個(gè)狀態(tài)中只有8個(gè)能夠被使用。

主要應(yīng)用

環(huán)形計(jì)數(shù)器用于對(duì)連續(xù)循環(huán)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。

可用于通過(guò)將AND&OR邏輯門連接到環(huán)形計(jì)數(shù)器電路來(lái)檢測(cè)一組信息中的各種數(shù)值或各種模式。

2級(jí)、3級(jí)和4級(jí)環(huán)形計(jì)數(shù)器用于分頻電路，分別作為2分頻、3分頻和4分頻電路。

3級(jí)約翰遜計(jì)數(shù)器用作3相方波發(fā)生器，可產(chǎn)生120°相移。

5級(jí)約翰遜計(jì)數(shù)器電路通常用作同步十進(jìn)制 (BCD) 計(jì)數(shù)器，也用作分頻器電路。

2級(jí)約翰遜計(jì)數(shù)器也稱為“正交振蕩器”，用于產(chǎn)生4級(jí)單獨(dú)輸出，這些輸出彼此異相90°。該正交發(fā)生器用于產(chǎn)生4相定時(shí)信號(hào)。

總結(jié)

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，環(huán)形計(jì)數(shù)器是由一個(gè)移位寄存器和一個(gè)組合反饋邏輯電路閉環(huán)構(gòu)成，反饋電路的輸出接向移位寄存器的串行輸入端，反饋電路的輸入端根據(jù)移位寄存器計(jì)數(shù)器類型的不同，可接向移位寄存器的串行輸出端或某些觸發(fā)器的輸出端。

常見(jiàn)的環(huán)形計(jì)數(shù)器有4位環(huán)形計(jì)數(shù)器和翰遜計(jì)數(shù)器兩種，其應(yīng)用也是非常的廣泛，可應(yīng)用于多種電子電路當(dāng)中。