計數器可以定義為用于根據發生的事件對特定事件進行計數的設備，計數器在計算機或數字邏輯系統中的主要作用是根據CLK信號計算和存儲過程或事件發生的次數。

最常見的計數器類型是包含單個CLK和多個輸出的時序邏輯電路。這里的輸出用二進制代碼表示二進制或十進制數字。每個CLK信號要么增加數量，要么減少數量。按照計算方式的不同，計數器可以分為多個種類，例如同步計數器、異步計數器等。在本文中，小編簡單介紹下同步計數器的電路圖、主要類型及工作原理。

基本概念

使用時鐘信號改變其轉換的計數器稱為“同步計數器”，這意味著同步計數器依賴于它們的時鐘輸入來改變狀態值。在同步計數器中，所有觸發器都連接到相同的時鐘信號，所有觸發器將同時觸發。此計數器的另一個名稱是同時計數器，該計數器沒有傳播延遲和漣漪效應。

與同步計數器相比，異步類型的計數器設計非常簡單，但異步計數器有最大工作頻率的限制。為了克服這個限制，但異計數器主要是通過提供同步時鐘來設計的，因此輸出通過時鐘的輸入同步變化。

下面是一個3位同步計數器的電路圖，該電路設計有2個AND邏輯門，3個JK觸發器和一個用于啟用觸發器的CLK信號。

在該電路中，向觸發器A的輸入端提供高電平有效信號。因此，它在每個CLK輸入的下降沿觸發。類似地，AND門被提供給觸發器-B，在這種情況下，輸出主要取決于先前的觸發器輸入和輸出B。一旦AND門打開，觸發器B將在觸發器A輸出為高電平時簡單地切換。

這時候，觸發器C的輸入將成為第二個AND門的輸出。因此，一旦A2邏輯門被激活，觸發器C就會觸發。當A1邏輯門和觸發器-B的輸出為高電平時，A2邏輯門將被激活。

其電路工作過程簡單的表示如下：

在電路開始時，觸發器排列在0，三個觸發器輸出將為零，即QCQBQA=000。但在主CLK信號的下降沿，觸發器A輸出切換從零到一。所以在觸發器 B和C 處，不會發生任何變化，因為這兩個觸發器的輸入端都是0，直到下一個CLK信號到來。

在提供第一個CLK信號時，觸發器的輸出將為QCQBQA =001。在應用第二個時鐘信號之前，由于柵極A1輸出為高電平，因此A和B輸入等觸發器均為 1。因此，在第二個CLK信號的下降沿，兩個觸發器將再次切換。因此，這會將 FFA 輸出從1更改為0，并將FFB輸出從0更改為 1。因此，輸出將是 010;A1和A2等邏輯門都將關閉。

一旦應用了第三個時鐘信號，觸發器A的輸出將翻轉，邏輯門A1和A1將打開，因此輸出將為011。一旦應用了第四個時鐘信號，則所有三個FF輸入將是在電路中高。因此，第四個觸發器的下降沿將觸發所有觸發器輸出，從而將QA和QB更改為0，QC更改為1。因此，這個特定CLK信號的整體o/p將為100，因此邏輯門A1和A2將被關閉。

一旦出現下一個CLK信號，然后在第五個CLK信號的下降沿，觸發器-A 輸出將再次從低電平切換到高電平。結果，輸出QCQBQA將為10，因此邏輯門 A1和A2將被激活。

最后施加第六個CLK信號，觸發器A在其下降沿從1切換到0。觸發器B的輸入也因此為高電平，其輸出從0切換到1。因此，在這種情況下，QCQBQA將為110。此外，此過程將繼續，在第8個CLK信號的下降沿，所有觸發器輸出(即QCQBQA)將重置為000。

注意：在同步計數器中，一次復位電路中的所有觸發器非常重要，計數器設置時間等于電路內每個觸發器的傳播延遲。所以，同步計數器可以通過一個高頻CLK信號來控制。

真值表

3位同步計數器基于上述說明的真值表：

主要類型

在數字電子電路中，有不同類型的同步計數器，分別是：

二進制計數器

4 位同步遞增計數器

4位同步遞減計數器

4位同步加減計數器

可加載計數器

BCD計數器

環形計數器

約翰遜計數器

下面簡單介紹幾個比較常用同步計數器的工作過程。

1、4位同步遞增計數器

下圖所示的4位遞增計數器是使用JK觸發器設計的，外部時鐘脈沖與所有觸發器并聯。對于計數器的設計，首選選擇JK觸發器。使用JK觸發器的意義在于，如果兩個輸入都為高電平，它可以切換其狀態，具體取決于時鐘脈沖。

第一個觸發器的輸入連接到HIGH(邏輯1)，這使得觸發器在每個時鐘脈沖進入它時進行切換。因此同步計數器將使用單個時鐘信號并隨著每個脈沖改變其狀態。

第一個JK觸發器 (Q) 的輸出連接到第二個觸發器的輸入。AND門(外部連接)驅動其他兩個觸發器的輸入。這些與門的輸入由前一級觸發器輸出提供。

如果FF2的輸入直接連接到FF1的Q1輸出，則計數器將無法正常工作。這是因為，Q1值在計數為210時為高電平，這意味著FF2觸發器將為第三個時鐘脈沖切換。這會導致錯誤的計數操作，計數為710而不是 410。

為了防止這個問題，在FF2和FF3 的輸入端使用了AND門。只有當Q0、Q1輸出為高時，AND門的輸出才會為高。因此，對于下一個時鐘脈沖，計數將為00012。

類似地，當Q0、Q1和Q2為高電平時，觸發器FF3將觸發第四個時鐘脈沖。Q3輸出在第8個時鐘脈沖之前不會切換，并將再次保持高電平直到第16個時鐘脈沖。在第16個時鐘脈沖之后，所有觸發器的q輸出將返回0。

工作原理過程如下：

在遞增同步計數器中，4位二進制序列從0000開始遞增到1111。所以在了解上述遞增計數器電路的工作之前，可能需要JK觸發器有所熟悉。

在上述電路中，觸發器的兩個輸入連接在一起。因此，只有兩種可能的情況會發生，即兩個輸入要么是高電平，要么是低電平。如果兩個輸入為高，則JK觸發器切換，如果兩者均為低，JK觸發器會記住，即它保持在先前的狀態。

下面介紹下它的工作過程(其實類似上面的3位同步計數器)。另外，這里的時鐘脈沖表示邊沿觸發的時鐘脈沖。

在第一個時鐘脈沖中，所有觸發器的輸出都為0000。

在第二個時鐘脈沖中，由于J和K的輸入連接到邏輯高電平，JK觸發器(FF0)的輸出改變其狀態。因此，第一個觸發器(FF0)的輸出改變其狀態為每個時鐘脈沖。在下面的時序圖中可以看到，最低有效位(LSB)交替改變其狀態。從而產生-0001

在第三個時鐘脈沖中，下一個觸發器 (FF1) 將接收其JK輸入，即(邏輯高)并改變其狀態。在此狀態下，FF0將其狀態更改為0。因此FF1上的輸入為0。因此輸出為-0010。

同樣，在第四個時鐘脈沖FF1不會改變其狀態，因為它的輸入處于低電平狀態，它保持在其先前的狀態。盡管它向FF2產生輸出，但由于AND門的存在，它不會改變其狀態。FF0將再次將其輸出切換到邏輯高狀態。因此輸出為0011。

在第五個時鐘脈沖中，FF2接收輸入并改變其狀態。同時，FF0的輸出將具有低邏輯，FF1也將處于低狀態，產生0100。

這個過程一直持續到1111。

4位遞增同步計數器的真值表如下圖所示，可以清楚的說明上述工作過程：

上圖表示4個觸發器Q1、Q2、Q3、Q4的輸出。第一個觸發器在每個邊沿觸發脈沖上切換，而第二個觸發器僅在其輸入在給定時鐘脈沖時為高電平時觸發。如果兩個輸出Q1和Q2為高電平，則第三個觸發器切換。同樣，如果所有三個Q1、Q2、Q3 都為高電平，則Q4將切換。這樣，再次達到零后，三個觸發器切換到邏輯低電平，即0000并再次開始計數。

4位遞增同步計數器時序圖如下所示：

2、4位同步遞減計數器

遞減同步計數器按遞減順序計算數字，類似于遞增計數器，不同的是減少其計數。所以JK觸發器的輸入連接到反相Q(Q')。下圖所示的4位遞減計數器是使用JK觸發器設計的。相同的外部時鐘脈沖連接到所有觸發器，如下所示：

由于計數器必須對序列進行倒計時，因此最初所有輸入都將處于高電平狀態，因為它們必須對序列進行倒計時。它將以1111開始并以0000結束，類似于遞增計數器。

在遞減計數器中，應該記住，只有當前觸發器在其輸出端產生低邏輯時，前觸發器才會切換。

3、4位同步加/減計數器

將上述兩個計數器合在一起在稱為同步加/減計數器，這可以從它的輸入中選擇。帶有JK觸發器的加/減同步計數器的設計如下所示：

加/減計數器是通過2輸入AND門具有“加”和“減”計數模式，用于檢測計數操作的適當位數條件。OR門用于組合來自每個JK觸發器的ADN門的輸出。

這里還提供了一條上/下控制線，它使上或下系列AND門能夠將JK觸發器Q 、 Q' 的輸出傳遞到級聯布置中的下一級觸發器。如果向上/向下控制線設置為高電平，則頂部與門處于啟用狀態，電路充當向上計數器。如果向上/向下控制線設置為低電平，則底部與門處于啟用狀態，電路充當向下計數器。

主要應用

同步計數器的應用包括以下幾個方面，簡單列舉下：

機器的運動控制

電機轉速計數器

旋轉軸編碼器

脈沖發生器

數碼時鐘

報警系統

數字手表

其中，最常見和眾所周知的應用是機器運動控制，即旋轉軸編碼器將機械脈沖轉換為電脈沖的過程。這些脈沖將作為加/減計數器的時鐘輸入，并啟動電路運動。其典型的電路如下：

該電路由光電晶體管或光傳感器和連接到轉子軸的LED組成。這種安排連接到加/減同步計數器。當機器開始移動時，它通過連接和干擾(接通和斷開)光傳感器和LED之間的光束來轉動編碼器軸。

通過這種運動，轉子產生時鐘脈沖以增加向上/向下計數器電路的計數。因此，計數器會降低軸的運動并給出轉子移動了多少距離的值。

為了計算轉子軸的運動，這里通過沿一個方向移動軸來增加計數，并通過沿另一個方向移動來減少計數。因此，還使用了編碼器/解碼器電路來區分運動方向。

優缺點

同步計數器的優點包括以下幾點內容：

與異步計數器相比，設計簡單。

可以同時工作。

基本上沒有傳播延遲。

計數系列通過邏輯門控制。

更快的操作。

同步計數器的主要缺點是，它需要大量額外的邏輯來執行：

所有觸發器都通過單個或公共CLK信號驅動。

需要大型組件和電路。

使用復雜的邏輯電路和比較多的狀態。

總結

以上就是同步計數器電路、類型及工作原理等相關內容的介紹。不難發現，與異步計數器相比，同步計數器電路設計非常簡單。更重要的是，所有觸發器的CLK 輸入都以相同的CLK信號相互計時，因此所有輸出狀態將同時改變或切換。

目前，同步計數器在數字電子電路中應用非常廣泛，其特點是大大提高了計數器工作頻率，可以高效的實現數字測量、邏輯運算和機電控制。