Wir haben bereits gesehen, dass Toggle-Flipflops vom Typ T als individuelle Divide-by-Two-Zähler verwendet werden können. Wenn man mehrere Toggle-Flipflops in Reihe schaltet, kann man einen digitalen Zähler erzeugen, der die Anzahl des Auftretens einer bestimmten Zählsequenz speichert oder anzeigt.

Getaktete T-Flipflops fungieren als binäre Divide-by-Two-Zähler, und bei asynchronen Zählern liefert der Ausgang einer Zählstufe den Takt für die nächste Stufe. Ein Flipflop-Zähler hat also zwei mögliche Ausgangszustände, und durch Hinzufügen weiterer Flipflop-Stufen können wir einen Divide-by-2N-Zähler erstellen. Das Problem mit 4-Bit-Binärzählern ist jedoch, dass sie von 0000 bis 1111 zählen. Das ist von 0 bis 15 in Dezimalzahlen.

Um einen digitalen Zähler zu bauen, der von 1 bis 10 zählt, müssen wir den Zähler nur die Binärzahlen 0000 bis 1001 zählen lassen. Das heißt von 0 bis 9 in Dezimalzahlen, und zum Glück für uns sind Zählschaltungen als integrierte Schaltungen leicht erhältlich, wobei eine solche Schaltung der asynchrone 74LS90 Dekadenzähler ist.

Digitale Zähler zählen bei Anlegen eines Taktsignals von Null bis zu einem vorher festgelegten Zählwert aufwärts. Sobald der Zählwert erreicht ist, wird der Zähler durch Rücksetzen wieder auf Null gesetzt und beginnt von vorn.

Ein Dekadenzähler zählt in einer Zehnerfolge und kehrt nach der Zählung von neun wieder auf Null zurück. Um bis zu einem binären Wert von neun zu zählen, muss der Zähler natürlich mindestens vier Flipflops in seiner Kette haben, um jede Dezimalziffer wie gezeigt darzustellen.

BCD-Zähler-Zustandsdiagramm

Dann hat ein Dekadenzähler vier Flip-Flops und 16 mögliche Zustände, von denen nur 10 verwendet werden, und wenn wir eine Reihe von Zählern miteinander verbinden, können wir bis 100 oder 1.000 oder bis zu jeder beliebigen Endzahl zählen.

Die Gesamtzahl der Zählungen, bis zu der ein Zähler zählen kann, nennt man seinen MODULUS. Ein Zähler, der nach n Zählungen auf Null zurückgeht, wird als Modulo-n-Zähler bezeichnet, z. B. ein Modulo-8-Zähler (MOD-8) oder ein Modulo-16-Zähler (MOD-16) usw., und bei einem „n-Bit-Zähler“ reicht der gesamte Zählbereich von 0 bis 2n-1.

Wie wir jedoch im Tutorial über asynchrone Zähler gesehen haben, wird ein Zähler, der nach zehn Zählungen mit einer durch 10 geteilten Zählsequenz von binär 0000 (dezimal „0“) bis 1001 (dezimal „9“) zurückgesetzt wird, als „binär kodierter Dezimalzähler“ oder kurz BCD-Zähler bezeichnet, und ein MOD-10-Zähler kann mit mindestens vier Toggle-Flipflops konstruiert werden.

Er wird als BCD-Zähler bezeichnet, weil seine zehn Zustandsabfolgen die eines BCD-Codes sind und im Gegensatz zu einem reinen Binärzähler kein regelmäßiges Muster aufweisen. Ein einstufiger BCD-Zähler wie der 74LS90 zählt von dezimal 0 bis dezimal 9 und kann daher bis zu maximal neun Impulse zählen. Man beachte auch, dass ein digitaler Zähler aufwärts oder abwärts oder auf- und abwärts (bidirektional) zählen kann, abhängig von einem Eingangssteuersignal.

Der binär codierte Dezimalcode ist ein 8421-Code, der aus vier Binärziffern besteht. Die Bezeichnung 8421 bezieht sich auf das binäre Gewicht der vier verwendeten Ziffern oder Bits. Zum Beispiel: 23 = 8, 22 = 4, 21 = 2 und 20 = 1. Der Hauptvorteil des BCD-Codes besteht darin, dass er die einfache Umwandlung zwischen Dezimal- und Binärformen von Zahlen ermöglicht.

Der 74LS90 BCD-Zähler

Der integrierte Schaltkreis 74LS90 ist im Grunde ein MOD-10-Dekadenzähler, der einen BCD-Ausgangscode erzeugt. Der 74LS90 besteht aus vier Master-Slave-JK-Flipflops, die intern verbunden sind, um einen MOD-2-Zähler (Zählung bis 2) und einen MOD-5-Zähler (Zählung bis 5) bereitzustellen. Der 74LS90 hat ein unabhängiges Toggle-JK-Flipflop, das vom CLK-A-Eingang angesteuert wird, und drei Toggle-JK-Flipflops, die einen asynchronen Zähler bilden, der vom CLK-B-Eingang angesteuert wird, wie gezeigt.

74LS90 BCD-Zähler

Die vier Ausgänge des Zählers werden durch das Buchstabensymbol Q mit einem tiefgestellten numerischen Zeichen bezeichnet, das dem binären Gewicht des entsprechenden Bits im Code der BCD-Zählerschaltungen entspricht. Also zum Beispiel QA, QB, QC und QD. Die Zählsequenz des 74LS90 wird bei der negativen Flanke des Taktsignals ausgelöst, d.h. wenn das Taktsignal CLK von logisch 1 (HIGH) auf logisch 0 (LOW) geht.

Die zusätzlichen Eingangsstifte R1 und R2 sind Zähler-„Reset“-Stifte, während die Eingänge S1 und S2 „Set“-Stifte sind. Wenn sie mit einer logischen 1 verbunden sind, setzen die Reset-Eingänge R1 und R2 den Zähler auf Null, 0 (0000), zurück, und wenn die Set-Eingänge S1 und S2 mit einer logischen 1 verbunden sind, setzen sie den Zähler auf den Maximalwert oder 9 (1001), unabhängig von der tatsächlichen Zählnummer oder Position.

Wie wir bereits gesagt haben, besteht der 74LS90-Zähler aus einem Divide-by-2-Zähler und einem Divide-by-5-Zähler im selben Gehäuse. Dann können wir einen der beiden Zähler verwenden, um nur einen Divide-by-2-Frequenzzähler zu erzeugen, nur einen Divide-by-5-Frequenzzähler oder beide zusammen, um unseren gewünschten Divide-by-10-BCD-Zähler zu erzeugen.

Wenn die vier Flipflops, aus denen der Divide-by-5-Zählerteil besteht, deaktiviert sind, können wir, wenn ein Taktsignal an den Eingangspin 14 (CLKA) angelegt und der Ausgang von Pin 12 (QA) abgenommen wird, einen Standard-Divide-by-2-Binärzähler für die Verwendung in Frequenzteilungsschaltungen wie gezeigt erzeugen.

74LS90-Divide-by-2-Zähler

Um einen Standard-Divide-by-5-Zähler zu erzeugen, können wir das erste Flipflop oben deaktivieren und das Takteingangssignal direkt an Pin 1 (CLKB) anlegen, wobei das Ausgangssignal von Pin 11 (QD) abgenommen wird, wie gezeigt.

74LS90-Divide-by-5-Zähler

Beachten Sie, dass bei dieser Divide-by-5-Zählerkonfiguration die Ausgangswellenform nicht symmetrisch ist, sondern ein Tastverhältnis von 4:1 aufweist. Das heißt, vier Eingangstaktsignale erzeugen einen LOW- oder logischen „0“-Ausgang und das fünfte Eingangstaktsignal erzeugt einen HIGH- oder logischen „1“-Ausgang.

Um einen durch 10 teilbaren BCD-Dekadenzähler zu erzeugen, werden beide internen Zählerschaltungen verwendet, was einen 2 mal 5 teilbaren Wert ergibt. Da der erste Ausgang QA des Flipflops „A“ nicht intern mit den nachfolgenden Stufen verbunden ist, kann der Zähler zu einem 4-Bit-BCD-Zähler erweitert werden, indem dieser QA-Ausgang wie gezeigt mit dem CLKB-Eingang verbunden wird.

74LS90-Divide-by-10-Zähler

Dann sehen wir, dass BCD-Zähler Binärzähler sind, die von 0000 bis 1001 zählen und sich dann zurücksetzen, da sie die Fähigkeit haben, alle ihre Flip-Flops nach der neunten Zählung zu löschen. Wenn wir einen Drucktastenschalter (SW1) an den Takteingang CLKA anschließen, zählt der Zähler jedes Mal, wenn der Drucktastenschalter losgelassen wird, um eins. Wenn wir Leuchtdioden (LED’s) wie gezeigt an die Ausgangsklemmen QA, QB, QC und QD anschließen, können wir die binär kodierte Dezimalzählung sehen, während sie stattfindet.

74LS90 BCD Dekadenzähler

Wenn der Drucktastenschalter SW1 betätigt wird, erhöht sich die Zählung bis zu neun, 1001. Bei der zehnten Betätigung werden die Ausgänge ABCD wieder auf Null gesetzt, um eine neue Zählsequenz zu beginnen. Mit einer solchen runden Anzahl von MOD-10-Impulsen können wir den Dekadenzähler zur Ansteuerung einer Digitalanzeige verwenden.

Wenn wir die Zählsequenz mit einer Sieben-Segment-Anzeige anzeigen wollen, muss der BCD-Ausgang entsprechend decodiert werden, bevor er angezeigt werden kann. Ein digitaler Schaltkreis, der die vier Ausgänge unseres 74LS90 BCD-Zählers dekodieren und die erforderlichen Segmente der Anzeige aufleuchten lassen kann, wird als Dekoder bezeichnet.

Ansteuerung einer Anzeige

Glücklicherweise hat jemand bereits einen BCD-zu-7-Segment-Anzeigedekoder-IC wie den 74LS47 entworfen und entwickelt, der genau das tut. Der 74LS47 hat vier Eingänge für die BCD-Ziffern A, B, C und D und Ausgänge für jedes der Segmente der 7-Segment-Anzeige.

Eine Standard-7-Segment-LED-Anzeige hat in der Regel acht Eingangsanschlüsse, einen für jedes LED-Segment und einen, der als gemeinsamer Anschluss für alle internen Anzeigesegmente dient. Einige Anzeigen haben auch eine Option für den Dezimalpunkt (DP).

74LS47 BCD zu 7-Segment-Treiber

Der 74LS47-Anzeigendecoder empfängt den BCD-Code und erzeugt die erforderlichen Signale, um die entsprechenden LED-Segmente zu aktivieren, die für die Anzeige der angelegten Impulszahl verantwortlich sind. Da der 74LS47-Dekoder für die Ansteuerung einer Common-Anode-Anzeige ausgelegt ist, leuchtet ein LOW-Ausgang (Logik-0) ein LED-Segment auf, während ein HIGH-Ausgang (Logik-1) es „ausschaltet“. Für den normalen Betrieb müssen LT (Lampentest), BI/RBO (Blanking Input/Ripple Blanking Output) und RBI (Ripple Blanking Input) alle offen oder mit Logik-1 (HIGH) verbunden sein.

Beachten Sie, dass der 74LS47 aktive LOW-Ausgänge hat und für die Dekodierung einer 7-Segment-LED-Anzeige mit gemeinsamer Anode ausgelegt ist, während der 74LS48 Dekoder/Treiber-IC genau dasselbe ist, außer dass er aktive HIGH-Ausgänge für die Dekodierung einer 7-Segment-Anzeige mit gemeinsamer Kathode hat. Je nach Art der 7-Segment-LED-Anzeige benötigen Sie also einen 74LS47 oder einen 74LS48 Decoder-IC.

Die binär codierten Dezimal-Eingänge des 74LS47 können an die entsprechenden Ausgänge des 74LS90 BCD-Zählers angeschlossen werden, um die Zählfolge auf der 7-Segment-Anzeige anzuzeigen, wie sie bei jedem Drücken des Drucktasters SW1 angezeigt wird. Durch Ändern der Position des Druckknopfes und des 1kΩ-Widerstandes kann die Zählung bei Betätigung oder Loslassen des Druckknopfschalters SW1 geändert werden.

Endgültige 4-Bit-BCD-Zählerschaltung

Beachten Sie, dass eine 7-Segment-Anzeige aus sieben einzelnen Leuchtdioden besteht, die die Anzeige bilden. Die beste Methode zur Begrenzung des Stroms durch eine 7-Segment-Anzeige ist die Verwendung eines Strombegrenzungswiderstands in Reihe mit jeder der sieben Leuchtdioden, wie gezeigt. Wir können dies auf zwei Arten tun.

Strombegrenzungswiderstände

Einzelner Widerstand – hier wird ein einzelner Strombegrenzungswiderstand R in Reihe verwendet. Wenn es Ihnen nicht so sehr auf eine konstante Helligkeit der Anzeige ankommt, ist dies die leichteste und einfachste Möglichkeit, die 7-Segment-Anzeige zu steuern.

Die von einer LED ausgestrahlte Lichtmenge variiert mit dem Strom durch das Gerät, wobei der durch den Widerstand fließende Strom auf die Anzahl der Anzeigesegmente verteilt wird. Dann hängt die Helligkeit der Anzeige davon ab, wie viele Segmente gleichzeitig beleuchtet werden.

Mehrere Widerstände – hier hat jedes Segment seinen eigenen Strombegrenzungswiderstand, wie in unserer einfachen BCD-Zählerschaltung oben gezeigt.

Im Allgemeinen benötigen 7-Segment-Anzeigen etwa 12 bis 20 Milli-Ampere, um die Segmente zu beleuchten, daher wird der Widerstandswert des Strombegrenzungswiderstands (alle sind identisch) so gewählt, dass der Strom innerhalb dieser Werte liegt. Beachten Sie, dass einige Anzeigen zerstört werden können, wenn sie mit 40 mA und mehr betrieben werden.

Der Vorteil ist hier, dass die Helligkeit eines bestimmten LED-Segments nicht vom Zustand der anderen sechs LEDs abhängt, wodurch die Anzeige eine konstante Helligkeit erhält. Die Werte der Strombegrenzungswiderstände können so gewählt werden, dass sie die richtige Helligkeit liefern, da die Menge des Umgebungslichts auch die erforderliche LED-Intensität bestimmt.

Unsere Schaltung zeigt einen einfachen digitalen Zähler von 0 bis 9, der einen 74LS90 BCD-Zähler und einen 74LS47 7-Segment-Anzeigetreiber verwendet. Um über 10 zu zählen und einen zweistelligen Basis-Zehn-Zähler und eine Anzeige zu erzeugen, müssten wir zwei separate Zehner-Teiler kaskadieren. Ein zweistelliger BCD-Zähler würde dezimal von 00 bis 99 (0000 0000 bis 1001 1001) zählen und dann wieder auf 00 zurückgesetzt werden. Beachten Sie, dass, obwohl es sich um einen zweistelligen Zähler handelt, Werte, die Hexadezimalzahlen von A bis F darstellen, in diesem Code nicht gültig sind.

Wenn wir ebenfalls von 0 bis 999 (0000 0000 0000 0000 bis 1001 1001 1001) zählen wollten, wären drei kaskadierte Dekadenzähler erforderlich. Tatsächlich können mehrere Dekadenzähler einfach durch Kaskadierung einzelner BCD-Zählerschaltungen aufgebaut werden, eine für jede Dekade, wie gezeigt.

Zweistelliger BCD-Zähler von 00 bis 99

BCD-Zähler Zusammenfassung

In diesem Lehrgang haben wir gesehen, dass ein BCD-Zähler ein Gerät ist, das eine Folge von zehn Zuständen durchläuft, wenn es getaktet wird, und nach der Zählung von 9 auf 0 zurückkehrt. In unserem einfachen Beispiel oben stammen die Eingangstaktimpulse von einem Drucktastenschalter, aber Zähler können zum Zählen vieler realer Ereignisse verwendet werden, z. B. zum Zählen sich bewegender Objekte.

Es kann jedoch eine geeignete Schaltung erforderlich sein, um die elektrischen Impulse für jedes zu zählende Ereignis zu erzeugen, da diese Ereignisse in diskreten Zeitintervallen auftreten oder völlig zufällig sein können.

In vielen digitalen elektronischen Schaltungen und Anwendungen werden digitale Zähler mit Toggle-Flip-Flops oder mit jeder anderen Art von Flip-Flop implementiert, die angeschlossen werden kann, um die erforderliche Schaltfunktion zu erhalten, oder mit der Verwendung von speziellen Zähl-ICs wie dem 74LS90. Binäre Zähler sind Zähler, die eine binäre Sequenz durchlaufen, und ein n-Bit-Binärzähler besteht aus „n“ Flipflops, die von 0 bis 2n-1 zählen.

BCD-Zähler folgen einer Sequenz von zehn Zuständen und zählen unter Verwendung von BCD-Zahlen von 0000 bis 1001 und kehren dann zu 0000 zurück und wiederholen sich. Ein solcher Zähler muss mindestens vier Flipflops haben, um jede Dezimalziffer darzustellen, da eine Dezimalziffer durch einen Binärcode mit mindestens vier Bits dargestellt wird, der eine MOD-10-Zählung ergibt.

Wir haben auch gesehen, dass die BCD-codierte Ausgabe mit vier LEDs oder mit einer Digitalanzeige angezeigt werden kann. Um jedoch jede Zahl von 0 bis 9 anzuzeigen, ist eine Decoderschaltung erforderlich, die eine binär codierte Zahlendarstellung in die entsprechenden logischen Pegel auf jedem der Anzeigesegmente übersetzt.

Anzeigende Decoderschaltungen können aus kombinatorischen Logikelementen aufgebaut werden, und es gibt viele spezielle integrierte Schaltungen auf dem Markt, die diese Funktion erfüllen, wie z. B. der 74LS47 BCD to 7-segment decoder/driver IC.

Die meisten 7-Segment-Anzeigen werden in der Regel in mehrstelligen Zählapplikationen verwendet, so dass durch Kaskadierung mehrerer BCD-Zähler 4-stellige Zähler gebaut werden können, die Anzeigen mit einer maximalen Anzeige von 9999 ergeben.

Der 74LS90 BCD-Zähler ist ein sehr flexibler Zählschaltkreis und kann als Frequenzteiler verwendet werden oder dazu gebracht werden, eine beliebige ganze Zahl von 2 bis 9 zu teilen, indem die entsprechenden Ausgänge zu den Reset- und Set-Eingängen des ICs zurückgeführt werden.