異步計(jì)數(shù)器是那些輸出不受時(shí)鐘信號影響的計(jì)數(shù)器。由于異步計(jì)數(shù)器中的觸發(fā)器提供有不同的時(shí)鐘信號，因此在產(chǎn)生輸出時(shí)可能會(huì)有延遲。設(shè)計(jì)異步計(jì)數(shù)器所需的邏輯門數(shù)量非常少，所以它們的設(shè)計(jì)很簡單。異步計(jì)數(shù)器的另一個(gè)名稱是“波紋計(jì)數(shù)器”。

異步計(jì)數(shù)器中使用的觸發(fā)器數(shù)量取決于計(jì)數(shù)器的狀態(tài)數(shù)量(例如Mod 4、Mod 2等)。計(jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)數(shù)稱為計(jì)數(shù)器的“模數(shù)”或“MOD”。計(jì)數(shù)器可以擁有的最大狀態(tài)數(shù)為2n，其中n表示計(jì)數(shù)器中使用的觸發(fā)器數(shù)量。例如，如果有2個(gè)觸發(fā)器，則計(jì)數(shù)器的最大輸出數(shù)為4，即 2*2。因此，它被稱為“MOD-4計(jì)數(shù)器”或“模數(shù)4計(jì)數(shù)器”。

主要類型

數(shù)字電子產(chǎn)品中有多種類型的異步計(jì)數(shù)器可用，常見的例如：

4 位異步UP計(jì)數(shù)器

4位異步DOWN計(jì)數(shù)器

4位異步UP/DOWN計(jì)數(shù)器

1、異步4位UP計(jì)數(shù)器

帶D觸發(fā)器的4位異步UP計(jì)數(shù)器如下圖所示，它能夠計(jì)數(shù)從0到15的數(shù)字。所有觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入級聯(lián)，每個(gè)觸發(fā)器的D輸入(DATA輸入)連接到觸發(fā)器的狀態(tài)輸出。

這意味著觸發(fā)器將在時(shí)鐘信號的每個(gè)有效邊沿或上升沿觸發(fā)。時(shí)鐘輸入連接到第一個(gè)觸發(fā)器，而計(jì)數(shù)器中的其他觸發(fā)器接收從前一個(gè)觸發(fā)器的 Q' 輸出輸入的時(shí)鐘信號。當(dāng)時(shí)鐘信號出現(xiàn)上升沿時(shí)，第一個(gè)觸發(fā)器的輸出將發(fā)生變化。

在異步4位UP計(jì)數(shù)器中，觸發(fā)器以切換模式連接，因此當(dāng)時(shí)鐘輸入連接到第一個(gè)觸發(fā)器FF0時(shí)，其在一個(gè)時(shí)鐘脈沖后的輸出將變?yōu)?0。

每個(gè)觸發(fā)器的Q輸出的上升沿觸發(fā)其下一個(gè)觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入，它將下一個(gè)時(shí)鐘頻率觸發(fā)到其應(yīng)用輸入的一半，每個(gè)觸發(fā)器(Q0、Q1、Q2、Q3)的Q輸出表示 4 位UP計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)，例如20 (1) 到23 (8)。

工作原理如下：

現(xiàn)在假設(shè)觸發(fā)器的4個(gè)Q輸出最初為0000。當(dāng)時(shí)鐘脈沖的上升沿施加到FF0時(shí)，輸出Q0將變?yōu)檫壿?，下一個(gè)時(shí)鐘脈沖將Q0輸出變?yōu)檫壿?。這意味著時(shí)鐘脈沖的輸出狀態(tài)在一個(gè)周期內(nèi)切換(從0變?yōu)?)。

由于FF0的Q'連接到FF1的時(shí)鐘輸入，那么第二個(gè)觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入將變?yōu)?。這使得FF1的輸出為高電平(即Q1=1)，表示值為20。這樣下一個(gè)時(shí)鐘脈沖將使Q0再次變高。

所以現(xiàn)在Q0和Q1都為高，這導(dǎo)致4位輸出11002。現(xiàn)在如果應(yīng)用第四個(gè)時(shí)鐘脈沖，它將使Q0和Q1變?yōu)榈蜖顟B(tài)并切換FF2。因此輸出Q2將變?yōu)?0102。由于該電路是4位向上計(jì)數(shù)器，因此輸出是從0、1、2、3….15即00002到11112(0到1510)的二進(jìn)制值序列。

例如，如果當(dāng)前計(jì)數(shù)=3，則遞增計(jì)數(shù)器將計(jì)算下一次計(jì)數(shù)為4。

2、異步4位DOWN計(jì)數(shù)器

下圖顯示了一個(gè)4位異步DOWN計(jì)數(shù)器。這是對UP計(jì)數(shù)器的簡單修改。4位向下計(jì)數(shù)器將從15到0向下計(jì)數(shù)。所有觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入級聯(lián)，每個(gè)觸發(fā)器的D輸入(DATA輸入)連接到邏輯1。

這意味著觸發(fā)器將在時(shí)鐘信號的每個(gè)有效邊沿(正邊沿)處切換。時(shí)鐘輸入連接到第一個(gè)觸發(fā)器。計(jì)數(shù)器中的其他觸發(fā)器接收來自前一個(gè)觸發(fā)器的Q輸出而不是Q' 輸出的時(shí)鐘信號。

這里Q0、Q1、Q2、Q3代表4位遞減計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)。當(dāng)時(shí)鐘信號的上升沿出現(xiàn)時(shí)，第一個(gè)觸發(fā)器的輸出將發(fā)生變化。例如，如果當(dāng)前計(jì)數(shù)=3，則向上計(jì)數(shù)器將計(jì)算下一個(gè)計(jì)數(shù)為2。輸入時(shí)鐘將導(dǎo)致下一個(gè)觸發(fā)器的輸出(計(jì)數(shù))發(fā)生變化。

異步遞減計(jì)數(shù)器的操作與異步遞加計(jì)數(shù)器的操作完全相反。在這里，輸入端的每個(gè)時(shí)鐘脈沖都會(huì)減少單個(gè)觸發(fā)器的計(jì)數(shù)。因此，遞減計(jì)數(shù)器從15、14、13…0計(jì)數(shù)，即(0到1510)或11112到00002。

另外，UP/DOWN計(jì)數(shù)器都是使用異步設(shè)計(jì)的，基于時(shí)鐘信號，目前還沒有廣泛的使用，因?yàn)樗鼈冊诟邥r(shí)鐘速度下并不可靠。

異步3位UP/DOWN計(jì)數(shù)器

通過將UP計(jì)數(shù)器和DOWN計(jì)數(shù)器的概念相加，便可以設(shè)計(jì)出異步3位UP/DOWN計(jì)數(shù)器。3位異步加/減計(jì)數(shù)器如下所示。

它可以根據(jù)時(shí)鐘信號輸入以任何一種方式計(jì)數(shù)，從上到下或從下到上。

向上計(jì)數(shù);如果UP輸入和DOWN輸入分別為1和0，則第一個(gè)觸發(fā)器到第三個(gè)觸發(fā)器之間的NAND門會(huì)將FF0的非反相輸出傳遞到FF1的時(shí)鐘輸入。類似地，F(xiàn)F1的Q輸出將傳遞到FF2的時(shí)鐘輸入。因此向上 / 向下計(jì)數(shù)器執(zhí)行向上計(jì)數(shù)。

向下計(jì)數(shù);如果DOWN輸入和UP輸入分別為1和0，則第一個(gè)觸發(fā)器到第三個(gè)觸發(fā)器之間的NAND門會(huì)將FF0的反相輸出傳遞到FF1的時(shí)鐘輸入。同樣，F(xiàn)F1的Q輸出將通過FF2的時(shí)鐘輸入。因此UP/DOWN計(jì)數(shù)器執(zhí)行向下計(jì)數(shù)。

UP/DOWN計(jì)數(shù)器比UP計(jì)數(shù)器或DOWN計(jì)數(shù)器慢，因?yàn)榧臃▊鞑パ舆t將添加到NAND門網(wǎng)絡(luò)。

關(guān)于時(shí)鐘紋波

驅(qū)動(dòng)電路的各個(gè)時(shí)鐘脈沖的時(shí)間延遲之和稱為“時(shí)鐘紋波”，下圖可以清楚的解釋邏輯門如何在每個(gè)觸發(fā)器中產(chǎn)生傳播延遲。

邏輯門的傳播延遲用藍(lán)線表示，它們中的每一個(gè)都會(huì)增加下一個(gè)觸發(fā)器的延遲，所有這些單獨(dú)的觸發(fā)器的總和稱為電路的傳播延遲。

由于所有觸發(fā)器的輸出以不同的時(shí)間間隔變化，并且對于時(shí)鐘信號的每個(gè)不同輸入，每次輸出都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)新值。例如，在時(shí)鐘脈沖8處，輸出應(yīng)從11102 (710) 變?yōu)?0012 (810)，時(shí)間延遲為400到700ns(納秒)。

對于8個(gè)以外的時(shí)鐘脈沖，序列將發(fā)生變化。雖然該瓶頸問題阻礙了該電路用作可靠的計(jì)數(shù)器，但它作為簡單有效的分頻器仍然很有價(jià)值，其中高頻振蕩器提供輸入，鏈中的每個(gè)觸發(fā)器將頻率除以2。

主要優(yōu)點(diǎn)

異步計(jì)數(shù)器可以很容易地用T觸發(fā)器或D觸發(fā)器設(shè)計(jì)。

異步計(jì)數(shù)器也稱為紋波計(jì)數(shù)器，用于低速電路。

它們用作除以N計(jì)數(shù)器，將輸入除以N，其中N是整數(shù)。

異步計(jì)數(shù)器也用作截?cái)嘤?jì)數(shù)器。這些可用于設(shè)計(jì)任何Mod編號計(jì)數(shù)器，即偶數(shù)Mod(例如：Mod4)或奇數(shù)Mod(例如：Mod3)。

主要缺點(diǎn)

有時(shí)“重新同步”可能需要額外的觸發(fā)器。

要計(jì)算截?cái)嘤?jì)數(shù)器的序列(Mod不等于2n)，可能需要額外的反饋邏輯。

在計(jì)數(shù)大量位時(shí)，異步計(jì)數(shù)器的傳播延遲非常大。

對于高時(shí)鐘頻率，由于傳播延遲，可能會(huì)出現(xiàn)計(jì)數(shù)錯(cuò)誤。

主要應(yīng)用

異步計(jì)數(shù)器用作分頻器，用作除以N的計(jì)數(shù)器。

用于低功率應(yīng)用和低噪聲發(fā)射。

用于設(shè)計(jì)異步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。

用于環(huán)形計(jì)數(shù)器和約翰遜計(jì)數(shù)器。

異步計(jì)數(shù)器用于Mod N紋波計(jì)數(shù)器。例如Mod 3、Mod 4、Mod 8、Mod 14、Mod 10等。

總結(jié)

簡單來說，異步計(jì)數(shù)器可以說成是異步時(shí)序電路，其主要特點(diǎn)是每個(gè)觸發(fā)器的時(shí)鐘脈沖端CP不全都連接在一起，所以觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)時(shí)刻有先有后，其輸出可能會(huì)產(chǎn)生干擾延遲現(xiàn)象，但其電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對簡單。