Halkalı Sayaçlar

Halkalı Sayaçlar
Bir kaydıran yazmacın çıkışı girişine verilirse halkalı sayaçlar oluşur Sayaçtaki veri deseni saat darbeleri uygulandığı sürece dolanacaktır Mesela aşağıdaki şekilde veri deseni kendini her dört saat darbesinde tekrar edecektir Fakat bir veri deseni yüklememiz gerekir Bütün 0 lar ve bütün 1 ler sayılmaz Böyle bir durumdaki devamlı mantık seviyesi kullanışlımıdır?

Aşağıda halkalı sayaç olarak biçimlendirilmiş paralel-giriş/seri-çıkışı olan bir kaydıran yazmaca veri yüklemesi için gerekli hazırlığı yaparız Rasgele herhangi bir desen yüklenebilir En çok kullanışlı olan desen tek bir 1 dir

Yukarıdaki halkalı sayaca ikili 1000 ı kaydırmadan önce yüklemek görünebilir bir desen oluşturur Tek bir basamaktaki veri deseni bizim dört basamaklı örneğimizde her dört saat darbesinde kendini tekrar eder Her dört basamak için dalga formları aynı görünür sadece bir basamaktan diğerine bir saat zaman gecikmesi haricinde Aşağıdaki şekle bakınız

Yukarıdaki devre 4 e bölme sayacıdır Saat girişini çıkışlardan herhangi biri ile karşılaştırırsan 4:1 oranında bir frekans elde ederiz 10 a böle halkalı sayacı için kaç basamağa ihtiyacımız vardır? On basamak her 10 saat darbesinde 1 i çevirir

Yukarıda halkalı sayacı 1000 durumuna getirecek alternatif bir metot gösterilmiştir Kayan dalga formları yukarıdaki ile aynıdır ve her dört saat darbesinde kendini tekrar eder Sıfırlama ihtiyacı bir halkalı sayacın diğer sıradan sayaçlara göre bir dezavantajıdır En azından başlama esnasında sıfırlanmış olması gerekir çünkü flip-flop ların başlangıçta hangi durumda olacağını tahmin etmenin bir yolu yoktur Teoride tekrar sıfırlama gerekmez Gerçek uygulamada flip-flop lar gürültü ile veri desenini bozabilir Sıradan eşzamanlı ikili sayaç benzeri bir "kendinden düzeltmeli" sayaç daha güvenli olur

Yukarıdaki ikili eşzamanlı sayaç sadece iki kademeye ihtiyaç duyar fakat çözücü kapılar gerektirir Halkalı sayaçta daha fazla basamak var fakat kendisi çözdüğü için yukarıdaki çözücü kapılara ihtiyaç kalmaz Halkalı sayaçların bir diğer dezavantajı da "kendi kendine başlatılamamalarıdır" Eğer çözülmüş çıkışlara ihtiyacımız olursa halkalı sayaç daha kullanışlıdır, özellikle mantığın çoğu tek bir kaydıran yazmaç paketinin içinde ise Eğer değilse sıradan ikili sayaç çözücüsü olmadığı için daha basittir

Eşzamanlı ikili sayaçtan çözülen dalga formları az önceki halkalı sayaç dalga formları ile benzerdir Sayaç düzeni (QA QB) = (00 01 10 11) dir
Johnson sayaçları
Johnson sayacı olarak da bilinen anahtar-kuyruklu halka sayacı halkalı sayacın bir takım sınırlamalarının üstesinden gelir Bir halkalı sayaç gibi Johnson sayacı da kendi üzerine beslenen bir kaydıran sayaçtır Verilen bir bölme oranı için halkalı sayacın yarısı kadar basamağa ihtiyaç duyar Eğer bir halkalı sayacın tümleyen çıkışı gerçek çıkış yerine girişe geri beslenirse bir Johnson sayacı elde edilir Bir halkalı sayaç ile Johnson sayacı arasındaki fark son basamağın hangi çıkışının geri beslendiğidir (Q veya Q') Aşağıdaki geri besleme bağlantısıyla daha önceki halkalı sayacı dikkatlice karşılaştırın

Bu "ters çevrilmiş" geri besleme bağlantısı normalde birbirine benzeyen bu devreler üzerinde çok derin bir etkiye sahiptir Bir halkalı sayacının etrafında tek bir 1 i döndürmek giriş saatini aşama sayısına böler Fakat bir Johnson sayacı aşama sayısının iki katına böler Mesela 4-aşamalı bir halkalı sayaç 4 e böler 4-aşamalı bir Johnson sayacı 8 e böler
Bir Johnson sayacına ilk saatten önce tüm aşamaları temizleyip 0 a eşitleyerek başlayın Bu genellikle başlatma zamanında yapılır Aşağıdaki şekle bakarsak ilk saat ( QA QB QC) den üç tane 0 ı ( QB QC QD) ye gönderir QD' (Q nun tümleyeni) deki 1QA ya geri gönderilir Böylece 1 leri sağa kaydırmaya 0 ları yerine yerleştirmeye başlarız Halkalı bir sayaç tek bir 1 döndürürken 4-aşamalı Johnson sayacı 8-bitlik bir desen için dört tane 0 ve dört tane 1 döndürür ve sonra kendini tekrar eder

Yukarıdaki dalga formu çok-fazlı kare dalgaların Johnson sayaçları tarafından oluşturulduğunu gösterir Yukarıdaki 4-basamaklı ünite bir iş döngüsünün %50 sinde üst üste binmiş dört faz üretir Üç fazlı dalga formu kümesi üretmek için kaç aşama gerekir? Örneğin, üç aşamalı bir Johnson sayacı 360 Hertz lik bir saat ile beslenirse 60 Hertz de üç tane 120o fazda kare dalgası üretir
Bir Johnson sayacındaki flip-flop çıkışlarının tek bir duruma çözülmesi kolaydır Aşağıda 4-aşamalı bir Johnson sayacının sekiz durumu her bir durum için en fazla iki giriş geçidi ile çözülmüştür Bizim Johnson sayacımızda sekiz giriş geçidinden ikisi durumları çözer

Johnson sayacı ne kadar uzun olursa olsun sadece 2-girişli çözücü geçit gerekir FF (Q dan Q' ya veya tersine) lerdeki geçit girişlerini doğrudan tersine değiştirerek AND geçitlerine evirilmemiş girişleri kullanabilirdik Fakat pratikte yukarıdaki diyagramın CD4022B nin veri tablosuna mümkün olduğunca uyması için uğraşıyoruz

Yukarıda QA dan QD olan dört fazlı kare dalgalarımız G0 dan G7 ye sekiz sinyale çözülür, bu sinyaller bütün 8-saat döngüsü içinde bir saat zamanında aktiftir Örneğin G0 hem QA hem de QD düşükken aktiftir Böylece çeşitli yazmaç çıkış çiftleri Johnson sayacı örneğimizdeki sekiz durumdan her birini tanımlar

Yukarıda CD4022B Johnson sayacının tam bir dahili diyagramı vardır İhmal edilen küçük noktalar için üreticinin veri tablosuna bakınız Daha önceki şekillerde bu diyagrama yapılan yeni eklenti iki NOR geçidinden oluşan izin verilmemiş durum algılayıcısı dır Şekil içindeki durum tablosuna bakınız Tabloda listelendiği gibi 8-izinli durum vardır Bizim kaydıranımızın dört flip-flop u vardır toplamda 16-durum vardır, bunlardan 8 tanesi izin verilmemiş durumlardır Bunlar tabloda gösterilmemiş olan durumlardır
Teoride ilk kullanımdan önce kaydıran yazmaç RESET edildiyse bu izin verilmemiş durumlarla karşılaşmayız Fakat "gerçek hayatta" günlerce süren devamlı kullanım sonucunda gürültü, güç hattındaki dalgalanmalar, yakınlara yıldırım düşmesi gibi sebeplerle Johnson sayacı bu izin verilmeyen durumlardan birine girebilir Yüksek kararlılık gerektiren uygulamalarda bu küçük ihtimali de göz önünde bulundurup planlarımızı buna göre yapmalıyız Daha önemli bir durum ise başlatma esnasında devrenin temizlenmemiş olmalısıdır Bu durumda devrenin 16-durumdan hangisi ile başlayacağını bilmemizin bir yolu yoktur Bu izin verilmeyen durumlardan birine girerse Johnson sayacının dışarıdan müdahale olmaksızın tekrar izin verilen durumlara dönmesi mümkün değildir NOR geçitlerinin amacı budur
(QA QB QC) = (010) düzeni için oluşturulmuş tabloyu inceleyin İzin verilen durumların tablosunda bu düzen hiç bir yerde gözükmez Bu yüzden (010) izin verilmemiş durumdur Hiçbir zaman meydana gelmemelidir Eğer meydana gelirse Johnson sayacı izin verilmemiş bir durumda demektir ve izin verilen durumlardan birine çıkması gerekir (QA QB QC) = (010) olduğunu varsayalım İkinci NOR geçidi FF QC nin D girişindeki QB = 1 i 0 la değiştirir Başka bir ifadeyle problemli 010000 la değiştirilmiş olur ve tabloda görünen 000 sağa doğru kayar Tabloda üç-0 lı bir çok dizi var Bu şekilde NOR geçitleri Johnson sayaçlarını izin verilmeyen durumlardan izin verilen duruma geçirir durumu
Bütün izin verilmeyen durumlar 010 dizisi içermezler Fakat birkaç saat zamanı sonra bu dizi ortaya çıkar ve diğer izin verilmeyen durumlardan kaçınılmış olur Eğer devre RESET lenmeden başlatılırsa çıkışlar geçerli bir duruma ulaşana kadar birkaç saat zamanı boyunca tahmin edilemez olur Eğer bu belirli bir uygulama için bir sorun oluşturacak ise açmadan önce RESET yapın
Johnson sayaç cihazları

Çıkış durumları çözülmüş olarak entegre devre halinde Johnson sayacı cihazları bulunabilir Johnson sayaçlarıyla ilgili CD4017 dahili mantığını daha önce görmüştük 4000 seri cihazlar 3V ila 15V arasındaki güç kaynakları ile çalışabilir 74HC' parçası TTL uyumlu olarak tasarlanmıştır 2V dan 6V a kadar kaynakla çalışabilir, daha hızlı sayar ve daha çok çıkış besleme yeteneği vardır Cihazın tam bir veri tablosu için aşağıdaki bağlantıları izleyiniz

• CD4017 10 çözülmüş çıkışlı Johnson sayacı, CD4022 8 çözülmüş çıkışlı Johnson sayacı
• 74HC4017 10 çözülmüş çıkışlı Johnson sayacı

Yukarıda modulo-10 (10 a bölme) ve modulo-8 Johnson sayaçları için ANSI sembolleri gösterilmiştir Sembol bir kaydıran yazmaçtan ziyade bir sayaç karakteristiği taşır çünkü zaten bir sayaçtır CD4022 modulo-8 in dalga formları ve çalışması daha önce gösterilmişti CD4017B/ 74HC4017 onlu sayacı 5-basamaklı ve on çözücü çıkışlı bir Johnson sayacıdır Çalışması ve dalga formları CD4017 ye benzerdir Gerçekte CD4017 ve CD4022 aynı veri tablosunda gösterilmiştir, yukarıdaki bağlantılara bakınız 74HC4017 onlu sayaçların daha modern bir sürümüdür
Bu cihazlar normal sayaçlarda bulunan ikili veya BCD (İkili Kodlanmış Onlu (Binary Coded Decimal)) çıkış yerine çözülmüş çıkış gerekli olan yerlerde kullanılır Çözülmüş ile, sıradan sayaçlardaki dört bitlik BCD kodu yerine 4017 de bir anda on hattan birinin aktif olmasını kastediyoruz 4022 Sekizli Johnson sayacı için 8-e-1 çözümlemeyi gösteren dalga formlarına bakınız
Pratik uygulamalar

Yukarıdaki Johnson sayacı yanan bir LEDi on saniyelik bir döngünün her beş saniyesinde kaydırır Burada 40017 yerine 74HC4017 kullanılmıştır çünkü 74HC4017 nin daha fazla akım sürme yeteneği vardır Yukarıda bağlantıda verilen veri tablosundan VCC= 5V ve 4mA de VOH= 4,6V olduğu görülür Diğer bir deyişle çıkışlar LED leri beslemek için 4,6 V da 4 mA verebilir Normalde LED lerin 10 ila 20 mA arası akımla çalıştığını akılda bulundurun Buna rağmen 1 mA e kadar görülebilir Bu basit devre HC4017 nin bir uygulamasını gösterir Bir sergi için parlak bir ışığa mı ihtiyacınız var? Öyle ise LED lerin katotlarını beslemek için düşük değerli anot dirençleri tarafından güç kaynağı seviyesine yükseltilmiş evirilmiş tamponlar kullanılır
555 zamanlayıcı kararsız bir çok katlı titreşici olarak görev yapar ve R1 R2 C12 basamak oranı değiştirebilir Ayrıştırıcı C2 tarafından belirlenen bir saat frekansı üretir Bu çevrimdeki tek bir LED in yanmasıyla gösterildiği gibi 74HC4017 yi her bir saat başına bir adım besler Eğer 555 4015 in saat pinini güvenilir şekilde beslemezse 555 ile 4017 arasında tek bir tampon basamağından geçirin Değişken bir R sığasının değeri önemli değildir Benzer bir sığa 4017 nin güç ve toprak pinleri arasında uygulanmalıdır

Yukarıdaki Johnson sayacı (QA QB QC) ye göre birbirinden 60o faz farklı 3-fazlı kare dalgalar üretir Fakat güç uygulamalarında 120o fazlı dalga formlarına ihtiyacımız vardır P1=QA P2=QC P3=QB' seçmek istenen 120o fazı oluşturur Aşağıdaki şekle bakınız Eğer bu (P1 P2 P3) ü bir düşük-geçiş filtre edilip sinüs dalgaya dönüştürülür ve güçlendirilirse bu 3-fazlı bir güç kaynağının başlangıcı olabilir Örneğin 3-fazlı 400 Hz de çalışan küçük bir uçak motorunu mu beslemek istiyorsunuz? Öyle ise yukarıdaki devre SAAT ine 6x 400Hz besleme yapın Bütün bu dalga formlarının görev döngüsünün %50 sinde çalıştığına dikkat edin

Aşağıdaki devre 3-fazlı üst üste binmeyen %50 den daha az görev döngüsü olan dalga formları üretir, bunlarla 3-fazlı adım motorları beslenebilir

Yukarıda QA QB QC üst üste binen çıkışlarını üst üste binmeyen P0 P1 P2 çıkışlarına aşağıda gösterildiği gibi çözeriz Bu dalga formları aşağıda gösterildiği gibi ULN2003 sürücüleri yada sonraki devrede gösterilen ayrı bileşenli Darlington çift sürücüsü kullanılarak mA seviyesinden kesirli amper seviyesine uygun şekilde yükseltildikten sonra 3-fazlı adım motorunu besler Motor sürücüsünü saymazsak bu devre için üç tane entegre devre (IC) paketine ihtiyacımız var: iki tane çift "D" tipi FF paketi ve bir tane dörtlü NAND geçidi


Yukarıdaki tek CD4017 yukarıda gösterilen devrede gerekli olan 3-fazlı adım dalga formlarını Johnson sayacını üçüncü saymada temizleyerek üretir 3 sayma kendini temizlemeden önce bir mikro saniyeden daha az bir süre devam eder Diğer sayımların (Q0=G0 Q1=G1 Q2=G2) her biri tam bir saat periyodunca var olur
Yukarıda gösterilen Darlington çift kutuplu transistör sürücüleri ULN2003 nin dahili devresi yerine kullanılabilir Bu sürücülerin tasarımı bu sayısal elektronik konusunun dışındadır Herhangi bir sürücü herhangi bir dalga formu oluşturan devre ile kullanılabilir

Bu bölümde daha önce gösterilen CD4017 nin dahili mantığı çerçevesinde yukarıdaki dalga formları çok anlamlıdır Dahili çözücü için AND geçit denklemleri gösterilmiştir QA QB QC sinyalleri pin-çıkışlarında bulunmayan Johnson sayacının direkt kaydıran yazmaç çıkışlarıdır QD dalga formu 4017 nin her üç saatte bir reset olduğunu gösterir Q0 Q1 Q2 vs çıkış pinlerinde bulunan çözülmüş çıkışlardır

Yukarıda tek kutuplu adım motorunu beslemek için dalga formları üretiyoruz, bu motor sadece tek kutuplu bir besleme sinyaline ihtiyaç duyar Yani sarımlara giden beslemenin kutuplanmasını ters çevirmek zorunda değiliz Bu 4017 ile motor arasındaki güç beslemesini kolaylaştırır Daha önce diyagramda gösterilen Darlington çiftleri ULN2003 için kullanılabilir

Tekrar, son sayımdan sonucunda bir reset ile CD4017B gerekli dalga formlarını üretir Q0 Q1 Q2 Q3 çözülmüş çıkışları adım motoru bobinlerini başarılı bir şekilde besler ve Q4 her bir dört darbe grubu sonunda sayacı resetler