異步計數(shù)器　　“異步計數(shù)器”是指其中各種觸發(fā)器由其時鐘輸入處的各種時鐘信號驅動的計數(shù)器。異步計數(shù)器中只有第一個觸發(fā)器使用時鐘脈沖進行外部同步；計數(shù)器中所有后續(xù)觸發(fā)器都使用前一個觸發(fā)器的輸出作為其時鐘輸入。異步計數(shù)器采用串聯(lián)的觸發(fā)器來給出輸入時鐘脈沖中的紋波的印象。

　　圖 1：異步計數(shù)器
　　異步計數(shù)器非常適合用于分頻應用，因為它可能有 2 n -1 種不同的計數(shù)狀態(tài)，例如 MOD-16 是一個 4 位計數(shù)器，從 (0-15) 計數(shù)。然而，基本的異步計數(shù)器設置也可用于創(chuàng)建計數(shù)狀態(tài)小于其最大輸出數(shù)的獨特計數(shù)器，它們被稱為 MOD 計數(shù)器或模計數(shù)器。具有截斷序列的異步計數(shù)器可以通過強制計數(shù)器將其自身重置為預定義值為零來創(chuàng)建。那么，模數(shù)小于最大值的n位計數(shù)器被稱為截斷計數(shù)器，而計數(shù)到其最大模數(shù)(2 n )的n位計數(shù)器被稱為完整序列計數(shù)器。然而，為什么我們希望構建一個不是 MOD-4、MOD-8 或其他 2 次方模數(shù)的異步截斷計數(shù)器呢？答案是，我們可以通過利用組合邏輯來利用觸發(fā)器上的異步輸入。通過使用額外的邏輯門修改模 16 異步計數(shù)器，可以創(chuàng)建十進制（除以 10）計數(shù)器輸出，用于常見的十進制計數(shù)和算術電路。更準確地說，這些計數(shù)器稱為“十年計數(shù)器”。當輸出計數(shù)達到十進制值 10 或 DCBA = 1010 時，十進制計數(shù)器必須重置為零。為了實現(xiàn)這一點，我們必須將此條件發(fā)送回復位輸入。盡管二進制十進制計數(shù)器更常見，但計數(shù)序列范圍從二進制“0000”（BCD =“0”）到“1001”（BCD =“9”）的計數(shù)器通常稱為 BCD 二進制編碼十進制計數(shù)器計數(shù)器，因為它的十狀態(tài)序列是 BCD 碼的序列。
　　　　圖 2：十年計數(shù)器
　　這種異步計數(shù)器從 0000 開始，在輸入時鐘信號的每個后沿向上計數(shù)，一直持續(xù)到輸出 1001（十進制 9）。QA 和QD 的輸出現(xiàn)在相當于邏輯“1”。當施加后續(xù)時鐘脈沖時，74LS10 NAND 門的輸出從邏輯“1”電平切換到邏輯“0”電平。由于 NAND 門的輸出連接到每個 74LS73 JK 觸發(fā)器的CLEAR（ CLR 條）輸入，因此該信號在計數(shù)到 10 時將所有 Q 輸出重置為二進制 0000。與非門的輸出返回到邏輯電平“1”，因為由于觸發(fā)器剛剛被重置，輸出 QA 和 QD 現(xiàn)在都等于邏輯“0”，并且計數(shù)器恢復為 0000?，F(xiàn)在，我們有Modulo-10 遞增計數(shù)器或十進制?！　∈暧嫈?shù)器真值表

　　圖 3：十年計數(shù)器真值表
　　十年計數(shù)器時序圖

　　圖 4：十年計數(shù)器時序圖　　通過利用截斷計數(shù)器輸出序列的相同概念并改變與與非門輸入的連接或利用不同的邏輯門組合，可以容易地修改上述電路以適應其他計數(shù)周期。例如，通過僅從“QC”和“QD”處的輸出饋送 NAND 門的輸入，可以輕松創(chuàng)建 12（模 12）的標度，請記住輸出“QA”是最低有效位（ LSB），1100 相當于 12 的二進制。由于 2 n是使用 n 個觸發(fā)器可以實現(xiàn)的最大模數(shù)，因此在創(chuàng)建截斷異步計數(shù)器時，您應該選擇大于或等于所需模數(shù)的 2 的最低冪。假設我們要從 0 數(shù)到 39，或者 mod-40。那么，六個觸發(fā)器將是所需的最大數(shù)量 (n = 6)，這將導致最大 MOD 為 64。五個觸發(fā)器是不夠的，因為這只能提供 MOD-32，我們可以驗證使用 2 n公式相同。假設我們要構建一個“除以 128”的計數(shù)器進行分頻，則需要級聯(lián) 7 個觸發(fā)器，因為 128 等于 2 7。即使使用像 74LS74 這樣的雙觸發(fā)器，仍然需要四個集成電路來提供電路。

　　圖 5：除以 128 電路
　　使用兩個 TTL 7493S 制作一個四位紋波計數(shù)器將是一種簡單的替代技術。TTL 7493S是一款1:16計數(shù)器，可分為1:2和1:8。一個 7493 可以設置為“除以 16”計數(shù)器，另一個設置為“除以 8”計數(shù)器，因為 128 = 16 x 8。如圖所示，兩個集成電路將級聯(lián)在一起以提供“除以 128”分頻器。當然，也有傳統(tǒng)的集成電路異步計數(shù)器。例如，TTL 74LS90 可編程紋波計數(shù)器/除法器可設置為除以二、除以五或兩者的任意組合。74LS390 是一款用途極為廣泛的雙十進制驅動器集成電路，有多種“分頻”選擇。這些組合包括除以 2、4、5、10、20、25、50 和 100。
　　分頻器
　　由于紋波計數(shù)器可以截斷序列以創(chuàng)建“除以 n”輸出，因此它們作為分頻器特別有用，可以將高時鐘頻率降低到更易于管理的數(shù)字，以用于計時和數(shù)字時鐘應用。讓我們舉一個例子，我們需要在精確的 1Hz 定時信號上運行數(shù)字時鐘。通過將標準 555 定時器芯片設置為非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，我們可以輕松生成 1Hz 方波信號。然而，制造商的數(shù)據(jù)表告訴我們，555 定時器通常有 1-2% 的計時誤差，具體取決于制造商，并且這 2% 的計時誤差在 1Hz 等低頻下效果不佳。數(shù)據(jù)表還指出，555 定時器的最高工作頻率約為 300 kHz，在這個高頻下（最大 6 kHz 仍然相當重要），2% 的誤差是可以接受的。因此，我們可以簡單地通過使用更高的定時頻率（例如262.144kHz）和18位紋波（Modulo-18）計數(shù)器來創(chuàng)建如下所示的精確1Hz定時信號。　　來自 18 位異步紋波計數(shù)器的 1HZ 定時信號

　　圖 6：18 位紋波計數(shù)器
　　當然，這是如何創(chuàng)建精確定時頻率的一個非?；镜氖纠?。然而，通過利用高頻晶體振蕩器和多位分頻器，可以創(chuàng)建具有廣泛用途的精密頻率發(fā)生器，包括手表、時鐘、事件計時、電子鋼琴和合成器以及音樂相關應用。不幸的是，異步計數(shù)器的主要缺點之一是，由于門的內部電路，時鐘脈沖到達其輸入端和出現(xiàn)在其輸出端之間存在輕微的延遲。術語“傳播計數(shù)器”指的是異步電路中的這種延遲，在某些高頻場景下，它可能會導致異步紋波計數(shù)器輸出錯誤。如果將各個級的延遲組合起來以在計數(shù)器鏈的末端產生總延遲，則大位紋波計數(shù)器電路中的輸入信號和計數(shù)輸出信號之間可能會出現(xiàn)顯著的時間間隙。因此，在涉及多位的高頻計數(shù)電路中，通常不使用異步計數(shù)器。此外，由于其時鐘順序，計數(shù)器的輸出不會在同一時刻發(fā)生，也不會相互之間具有一組時間連接。換句話說，輸出頻率依次變得可訪問會產生級聯(lián)效應。為了保證計數(shù)的準確性，異步計數(shù)器鏈的最大工作頻率隨著添加的觸發(fā)器數(shù)量而降低。傳播延遲問題的解決方案是開發(fā)同步計數(shù)器。環(huán)形計數(shù)器是異步計數(shù)器的另一種應用，其中環(huán)形中的后續(xù)觸發(fā)器的輸入耦合到前一個觸發(fā)器的輸出。當使用 n 個觸發(fā)器時，通常會循環(huán)使用一位模式來重復每個 n 個時鐘周期的狀態(tài)。一開始只有一個觸發(fā)器處于狀態(tài) 1，其余觸發(fā)器處于狀態(tài) 0。約翰遜計數(shù)器是一種改進的環(huán)形計數(shù)器，其中最后一級的輸出在反轉后被反饋到初始觸發(fā)器。在無限周期內，寄存器循環(huán)通過一組位模式，其長度是移位寄存器的兩倍。在將數(shù)字轉換為模擬的轉換器中經常遇到這種情況。
　　異步計數(shù)器的優(yōu)點：
　　使用 D 型或切換觸發(fā)器創(chuàng)建異步計數(shù)器很簡單。同步計數(shù)器的主要特征是鏈中的所有觸發(fā)器都有一個附加的時鐘輸入，允許所有觸發(fā)器同時計時。鏈中的每個輸出都取決于前一個觸發(fā)器輸出的狀態(tài)如何變化。異步計數(shù)器經常被稱為紋波計數(shù)器的原因是數(shù)據(jù)似乎從一個觸發(fā)器的輸出“紋波”到下一個輸入。為了實現(xiàn)它們，可以使用“除以 n”計數(shù)器電路?？梢允褂媒財嘤嫈?shù)器生成任何模數(shù)計數(shù)。這些用于需要最小功耗的情況。
　　異步計數(shù)器的缺點：
　　可能需要添加另一個“重新同步”輸出觸發(fā)器。需要額外的反饋邏輯來對不等于 2n 的縮短序列進行計數(shù)。當對許多位進行計數(shù)時，后續(xù)階段引起的傳播延遲可能會不必要地增加。由于這種延遲，它們被稱為“傳播計數(shù)器”。當時鐘頻率很高時，就會發(fā)生計數(shù)錯誤。由于同步計數(shù)器使用單個時鐘信號來驅動每個觸發(fā)器，因此它們更可靠且更快。
　　結論
　　異步計數(shù)器的主要應用是產生較短的序列，可以通過強制計數(shù)器在預定義值處將自身重置為零來創(chuàng)建該序列。因此，模數(shù)小于最大值的n位計數(shù)器被稱為“截斷計數(shù)器”?！笆暧嫈?shù)器?！?當輸出計數(shù)達到十進制值 10 或 DCBA = 1010 時，十進制計數(shù)器重置為零。BCD 二進制編碼十進制計數(shù)器是計數(shù)序列從二進制“0000”（BCD =“0”）到“1001”（BCD =“9”）的計數(shù)器。需要七個觸發(fā)器來構造一個“除以128”的計數(shù)器來進行分頻，即128 = 2 7。一個簡單的解決方法是使用兩個 TTL 7493 創(chuàng)建一個四位紋波計數(shù)器。一個 7493 可以配置為“除以 16”計數(shù)器，另一個配置為“除以 8”計數(shù)器，結果是 128 = 16 x 8。通過采用由異步計數(shù)器和高頻晶體振蕩器組成的多位分頻器，頻率發(fā)生器可以用于各種應用，例如手表、時鐘和事件計時。傳播計數(shù)器是可能出現(xiàn)在幾位紋波計數(shù)器電路中的大時間間隔，它是輸入信號和計數(shù)輸出信號之間的延遲，當不同級的延遲加起來達到計數(shù)器鏈末端的累積延遲時。正因為如此，異步計數(shù)器很少用于多位的高頻計數(shù)電路中。異步計數(shù)器還用于約翰遜計數(shù)器、環(huán)形計數(shù)器和分頻器電路。