リングカウンター
シフトレジスタの出力が入力にフィードバックされる場合。リングカウンタが発生します。シフトレジスタに含まれるデータパターンは、クロックパルスが印加されている限り再循環します。
たとえば、データパターンは、次の図の4クロックパルスごとに繰り返されます。ただし、データパターンをロードする必要があります。
すべて 0 のまたはすべての 1 はカウントされません。このような状態からの連続論理レベルは役に立ちますか？
以下のリングカウンタとして構成されたパラレル入力/シリアル出力シフトレジスタにデータをロードするための準備をします。
任意のランダムパターンをロードできます。最も一般的に役立つパターンは、単一の 1 です。 。
バイナリの読み込み 1000 シフトする前に、上のリングカウンターに入れると、目に見えるパターンが得られます。
単一ステージのデータパターンは、4ステージの例では4クロックパルスごとに繰り返されます。
あるステージから次のステージへの1クロック時間の遅延を除いて、4つのステージすべての波形は同じように見えます。下の図を参照してください。
上記の回路は 4 による除算です カウンター。クロック入力を出力のいずれかと比較すると、4：1の周波数比が示されています。
Q：10リングカウンターで除算するには、どのようにステージが必要ですか？
A：10段階で 1 が再循環します すべての 10 クロックパルス。
リングカウンタを 1000 に初期化する別の方法 上に示されています。シフト波形は上記と同じで、4クロックパルスごとに繰り返されます。
初期化の要件は、従来のカウンターに比べてリングカウンターの欠点です。
少なくとも、どの状態のフリップフロップがパワーアップするかを予測する方法がないため、パワーアップ時に初期化する必要があります。
理論的には、初期化は二度と必要とされるべきではありません。実際には、フリップフロップは最終的にノイズによって破損し、データパターンを破壊する可能性があります。
従来の同期バイナリカウンタのような「自己修正」カウンタの方が信頼性が高くなります。
上記のバイナリ同期カウンタには2つのステージしか必要ありませんが、デコーダゲートが必要です。
リングカウンターにはより多くのステージがありましたが、自己デコードであり、上記のデコードゲートを節約しました。
リングカウンタのもう1つの欠点は、「自己起動」しないことです。
デコードされた出力が必要な場合、特にロジックのほとんどが単一のシフトレジスタパッケージに含まれている場合、リングカウンターは魅力的に見えます。そうでない場合、従来のバイナリカウンタは、デコーダがなければそれほど複雑ではありません。
同期バイナリカウンタからデコードされた波形は、前のリングカウンタの波形と同じです。
カウンターシーケンスは（ Q A Q B ） =（ 00 01 10 11 。
ジョンソンカウンター
スイッチテールリングカウンター 、ジョンソンカウンターとしても知られています 、リングカウンタの制限のいくつかを克服します。
リングカウンターのように、ジョンソンカウンターはそれ自体にフィードバックされるシフトレジスタです。与えられた分割比に対して、同等のリングカウンターの半分のステージが必要です。
リングカウンターの補数出力が実際の出力ではなく入力にフィードバックされると、ジョンソンカウンターが生成されます。
リングカウンターとジョンソンカウンターの違いは、最終ステージのどちらの出力がフィードバックされるか（QまたはQ ’）です。
以下のフィードバック接続を前のリングカウンターと慎重に比較してください。
この「逆」フィードバック接続は、他の点では同様の回路の動作に大きな影響を及ぼします。
単一の 1 を再循環させる リングカウンタの周りは、入力クロックをステージ数に等しい係数で除算します。
一方、ジョンソンカウンターは、ステージ数の2倍に等しい因数で除算されます。
たとえば、4ステージのリングカウンターは 4 で除算されます 。 4ステージのジョンソンカウンターは 8 で割ります 。
すべてのステージを 0 にクリアして、ジョンソンカウンターを開始します s最初の時計の前。これは多くの場合、電源投入時に行われます。
下の図を参照すると、最初のクロックは3つ 0 シフトします。 s from（ Q A Q B Q C ）右に（ Q B Q C Q D ）。 1 Q D で ’ （Qの補集合）は Q A に戻されます 。
したがって、 1 のシフトを開始します s右に、 0 を置き換えます s。リングカウンターが単一の 1 を再循環させた場所 、4ステージのジョンソンカウンターは4つの 0 を再循環します 次に4つの 1 s 8ビットパターンの場合は、繰り返します。
上記の波形は、多相方形波がジョンソンカウンターによって生成されることを示しています。
上記の4ステージユニットは、50％のデューティサイクルの4つのオーバーラップフェーズを生成します。三相波形のセットを生成するには、いくつのステージが必要ですか？
たとえば、360ヘルツの時計で駆動される3ステージのジョンソンカウンターは、3つの120 o を生成します。 60ヘルツの位相方形波。
ジョンソンカウンターのフロップフロップの出力は、単一の状態に簡単にデコードできます。
たとえば、以下では、4ステージのジョンソンカウンタの8つの状態が、状態ごとに2つ以下の入力ゲートによってデコードされます。
この例では、2つの入力ゲートのうち8つが、この例のJohnsonカウンターの状態をデコードします。
ジョンソンカウンターの長さに関係なく、必要なのは2入力デコーダーゲートだけです。
AND への非反転入力を使用できた可能性があることに注意してください FFでゲート入力を真から反転に変更することでゲートします。 Q to Q ’ 、（およびその逆）。
ただし、上記の図をCD4022Bのデータシートとできるだけ一致させるようにしています。
上記では、4つの位相の方形波 Q A Q D へ 8つの信号にデコードされます（ G 0 G 7 へ ）完全な8クロックサイクルのうちの1クロック期間中にアクティブになります。
例： G 0 両方の Q A がアクティブハイの場合、 および Q D 低いです。したがって、さまざまなレジスタ出力のペアが、ジョンソンの反例の8つの状態のそれぞれを定義します。
上記は、CD4022Bジョンソンカウンターのより完全な内部図です。省略されている詳細については、メーカーのデータシートを参照してください。
前の図と比較して図に新しく追加された主なものは、許可されていない状態検出器です。 2つの NOR で構成されています ゲート。
はめ込み状態テーブルを見てください。表にリストされているように、8つの許容される状態があります。
シフターには4つのフリップフロップがあるため、合計16の状態があり、そのうち8つの禁止状態があります。それは表にリストされていないものになります。
理論的には、シフトレジスタがリセットである限り、許可されていない状態になることはありません。 最初に使用する前に。
ただし、予期しないノイズ、電力線の障害、落雷の近くなどが原因で何日も継続して動作した後の「現実の世界」では、ジョンソンカウンターが許可されていない状態の1つになる可能性があります。
信頼性の高いアプリケーションの場合、このスリムな可能性を計画する必要があります。さらに深刻なのは、電源投入時に回路がクリアされない場合です。
この場合、回路がパワーアップする16の状態を知る方法はありません。
許可されていない状態になると、ジョンソンカウンターは介入なしに許可された状態に戻ることはありません。それが NOR の目的です ゲート。
テーブルのシーケンスを調べます（ Q A Q B Q C ）=（ 010 ）。このシーケンスは、許可された状態のテーブルのどこにも表示されません。
したがって（ 010 ）は許可されていません。それは決して起こらないはずです。含まれている場合、Johnsonカウンターは許可されていない状態にあり、許可されている状態に戻る必要があります。
（ Q A Q B Q C ）=（ 010 ）。 2番目の NOR ゲートが Q B に置き換わります = 1 0 で D で FFへの入力 Q C 。
言い換えれば、問題のある 010 000 に置き換えられます 。そして 000 表に表示されている、は右にシフトされます。
表にはトリプル0シーケンスが含まれる場合があります。これが NOR の方法です ゲートは、ジョンソンカウンターを許可されていない状態から許可された状態にします。
すべての許可されていない状態に 010 が含まれているわけではありません 順序。ただし、数クロック後、このシーケンスが表示されるため、許可されていない状態は最終的にエスケープされます。
リセットなしで回路の電源が入っている場合 、許可された状態に達するまで、出力は数クロックの間予測できません。
これが特定のアプリケーションで問題になる場合は、必ずリセットしてください。 電源投入時。
ジョンソンカウンターデバイス
出力状態がデコードされた集積回路ジョンソンカウンタデバイスのペアが利用可能です。
ジョンソンカウンターの説明では、CD4017の内部ロジックについてはすでに説明しました。
4000シリーズデバイスは、3V〜15Vの電源で動作できます。 TTL互換性のために設計された74HCの部品は、2Vから6Vの電源で動作し、カウントが速く、出力駆動能力が優れています。
完全なデバイスデータシートについては、リンクをたどってください。
- 10個のデコードされた出力を備えたCD4017Johnsonカウンター8個のデコードされた出力を備えたCD4022Johnsonカウンター
- 74HC4017 Johnsonカウンター、10個のデコードされた出力
モジュロのANSIシンボル -10（10で除算）およびモジュロ8ジョンソンカウンターが上に表示されています。
シンボルは、シフトレジスタの派生物ではなく、カウンタの特性を帯びています。
CD4022モジュロ8の波形と操作は前に示しました。 CD4017B / 74HC4017ディケードカウンターは、10個のデコードされた出力を備えた5ステージのジョンソンカウンターです。
動作と波形はCD4017と同様です。実際、CD4017とCD4022はどちらも同じデータシートに詳しく記載されています。
74HC4017は、ディケードカウンターのより現代的なバージョンです。
これらのデバイスは、通常のカウンターにあるバイナリまたはBCD（Binary Coded Decimal）出力の代わりに、デコードされた出力が必要な場合に使用されます。
デコードとは、従来のカウンターの4ビットBCDコードの代わりに、「4017」で一度に10行のうち1行がアクティブであることを意味します。
‘4022 Octal Johnsonカウンターの1/8デコードについては、以前の波形を参照してください。
実用的なアプリケーション
上記のジョンソンカウンターは、点灯しているLEDを10のリングの周りで5分の1秒ごとにシフトします。
前者の部分はより多くの電流駆動能力を備えているため、「40017」の代わりに74HC4017が使用されていることに注意してください。
データシートから、（上記のリンクで）V CC で動作しています =5V、V OH =4mAで4.6V。
言い換えると、出力は4.6Vで4mAを供給して、LEDを駆動できます。 LEDは通常、10〜20mAの電流で駆動されることに注意してください。
ただし、1maまで表示されます。この単純な回路は、「HC4017」のアプリケーションを示しています。
展示用の明るいディスプレイが必要ですか？次に、反転バッファを使用して、より低い値のアノード抵抗によって電源にプルアップされたLEDのカソードを駆動します。
非安定マルチバイブレータとして機能する555タイマーは、R 1 によって決定されるクロック周波数を生成します。 R 2 C 1 。
これにより、リング上で点灯する単一のLEDで示されるように、74HC4017がクロックごとに1ステップ駆動されます。
555が ‘4015のクロックピンを確実に駆動しない場合は、555と‘ 4017の間の単一のバッファステージを通過させてください。
変数R 2 ステップレートを変更する可能性があります。デカップリングコンデンサC 2 の値 重要ではありません。同様のコンデンサを「4017」の電源ピンと接地ピンの間に適用する必要があります。
上記のジョンソンカウンターは、60 o の位相の3相方形波を生成します。 （ Q A Q B Q C 。
ただし、120 o が必要です 電力アプリケーションの位相波形（ボリュームII、ACを参照）。
P 1 を選択する =Q A P 2 =Q C P 3 =Q B ’ 120 o を生成します 必要なフェーズ。下の図を参照してください。
これらの場合（ P 1 P 2 P 3 ）は、正弦波にローパスフィルター処理されて増幅されます。これは、3相電源の始まりである可能性があります。
たとえば、小型の3相400 Hz航空機モーターを駆動する必要がありますか？
次に、上記の回路に6x400Hzを供給します CLOCK 。これらの波形はすべて50％のデューティサイクルであることに注意してください。
以下の回路は、3相ステッピングモーターを駆動するための、50％未満のデューティサイクルの3相非重複波形を生成します。
上記では、重複する出力をデコードします Q A Q B Q C 重複しない出力へ P 0 P 1 P 2 以下に示すように。
これらの波形は、上記のULN2003ドライバー、または次の回路に示すディスクリートコンポーネントのダーリントンペアドライバーを使用して、ミリアンペアレベルからフラクショナルアンプレベルに適切に増幅した後、3相ステッピングモーターを駆動します。
モータードライバーを除いて、この回路には3つのIC（集積回路）パッケージが必要です。2つのデュアルタイプ「D」FFパッケージと1つのクアッドNANDゲートです。
上記の単一のCD4017は、カウント 3 でジョンソンカウンターをクリアすることにより、上記の回路で必要な3相ステッパー波形を生成します。 。
3 を数える 自己をクリアする前に、マイクロ秒未満持続します。その他のカウント（ Q 0 =G 0 Q 1 =G 1 Q 2 =G 2 ）それぞれフルクロック期間残ります。
上記のダーリントンバイポーラトランジスタドライバは、ULN2003の内部回路の代替品です。
ドライバーの設計は、このデジタルエレクトロニクスの章の範囲を超えています。どちらのドライバもどちらの波形発生回路でも使用できます。
上記のウェイスフォームは、このセクションで前述したCD4017の内部ロジックのコンテキストで最も意味があります。
ただし、 AND 内部デコーダのゲーティング方程式が示されています。信号 Q A Q B Q C ジョンソンカウンターダイレクトシフトレジスタ出力はピン配置では使用できません。
Q D 波形は、 ‘4017 のリセットを示しています 3クロックごと。 Q 0 Q 1 Q 2 などは、実際に出力ピンで使用できるデコードされた出力です。
上記では、ユニポーラステッピングモーターを駆動するための波形を生成しています。 、駆動信号の1つの極性のみが必要です。
つまり、ドライブの極性を巻線に逆にする必要はありません。これにより、「4017」とモーターの間のパワードライバーが簡素化されます。
前の図のダーリントンペアをULN3003の代わりに使用できます。
繰り返しになりますが、CD4017Bは、ターミナルカウント後にリセットされた必要な波形を生成します。
デコードされた出力 Q 0 Q 1 Q 2 Q 3 Q 4 を使用して、ステッピングモーターの巻線を連続的に駆動します 4つのパルスの各グループの終わりにカウンターをリセットします。
関連するワークシート：
- カウンターワークシート
- シフトレジスタワークシート
産業技術