Zähler, Frequenzteiler, Decoder

Heute geht es wieder um ein Gastvideo von mg-spots.
Und zwar geht es um einen Rundumschlag zum Thema Zähler, Frequenzteiler und Decoder.
Bei Zählern geht es darum, Ereignisse zu zählen. Ein Ereignis kann beispielsweise die positive Flanke eines Taktsignals sein.
Wenn man beispielsweise aus der 50 Hz Wechselspannung mit Hilfe eines Schmitt-Triggers ein schönes Rechtecksignal macht und dann jeweils 50 Flanken zählt, hat man daraus schon ein Sekundensignal gemacht.
Zählt man dann 60 dieser Sekundensignale erhält man ein Minutensignal. 60 dieser Minutensignale gezählt ergibt ein Stundensignal. Und schließlich: 24 dieser Stundensignale gezählt und die Uhr ist fertig.
Ein Frequenzteiler ist im Prinzip nichts anderes. Wechselt man nach 2 positiven Flanken das Ausgangssignal hat man die Frequenz geteilt.
Bei Decodern geht es darum, Informationen, die in einer Codierung vorliegen in eine andere Codierung zu überführen.

Aber der Reihe nach ….

Aufbau und Funktionsweise von Frequenzteilern und Zählern

Wie sind Frequenzteiler und Zähler aufgebaut?
Am einfachsten ist der Aufbau von Frequenzteilern und Zählern mit T-Flipflops, bzw. mit JK-Flipflops, bei denen die J- und K-Eingänge jeweils auf logisch „1“ gesetzt sind. (Das ergibt ja schließlich ein T-Flipflop).
Herr Wagener von mg-spots zeigt im Video dieses Artikels, wie ein Frequenzteiler aufgebaut wird.

Frequenzteiler 16:1

Für einen 16:1 Frequenzteilers benötigt man 4 T-Flipflops, weil sich die Frequenz nach jedem Flipflop halbiert.
Nach dem ersten Flipflop erhalten wir also die halbe Frequenz, nach dem zweiten Flipflop die viertel Frequenz, nach dem dritten Flipflop die achtel und nach dem vierten Flipflop die sechszehntel Frequenz.

Asynchroner 4-Bit Vorwärtszähler

Der 16:1 Frequenzteiler zählt also 16 Zustände. An den Ausgängen der vier Flipflops lassen sich die Zahlen von 0 bis 15 ablesen. Man erhält also einen 4-Bit-Zähler der von 0 bis 15 zählt (binär von 0000 bis 1111).

Asynchroner 4-Bit Rückwärtszähler

Eine kleine Änderung am Vorwärtszähler macht aus der Schaltung einen 4-Bit Rückwärtszähler. Man muss lediglich die Negierung der Takteingänge an den T-Flipflops entfernen. Schön zählt der Zähler rückwärts.

Schaltsymbole

Wenn man Zähler in einer Schaltung verwendet, zeichnet man nicht die einzelnen Flipflops, sondern fasst die gesamte Zählerschaltung zu einem Schaltbild zusammen.
Nebenstehend sieht Du ein Beispiel für einen 8-Zähler, der also von 0 bis 255 zählen kann.
Außerdem kann dieser Zähler mit einem Startwert geladen werden, fängt also nicht unbedingt bei 0 an zu zählen.

4-Bit-Binär-Hexadezimal-Decoder (1 aus 16)

Es ist häufig etwas umständlich, binäre Zahlen zu lesen. Vor allem, wenn die Zahlen größer werden.
Mit Hilfe von Decodern, können diese Binärwerte dann in eine andere gewünschte Darstellung umgewandelt werden. Herr Wagener zeigt in dem Video eine einfache Decodierung ist das Hexadezimalsystem.

Dezimalzähler mit 10 dekodierten Ausgängen

Für viele Decodieraufgaben gibt es fertige integrierte Schaltungen. So möchte man beispielsweise Binärzahlen sehr häufig in das für uns Menschen gebräuchliche Dezimalsystem umwandeln.
Das macht man mit sogenannten BCD-Decodern.

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10-Kanal-Lauflicht mit einem Zählerbaustein

Gemeinsam mit einem Taktgenerator lässt sich mit einem Zählerbaustein auf sehr einfache Art und Weise ein Lauflicht erstellen. Wie man das macht, wird im Video deutlich.

Dezimal-7-Segment-Decoder

Wenn die Zahlen bereits in einem BCD-Code vorliegen lässt sich sehr leicht ein Decoder realisieren, der die entsprechenden Zahlen auf einer 7-Segment-Anzeige ausgibt.
Wie so etwas aussieht, wird ebenfalls im Video gezeigt.

Zähler 7490 mit dem Decoder 7447 und einer 7-Segment-Anzeige

So sieht dann eine komplette Schaltung mit 7-Segment-Anzeige aus.

Spezielle Zähler

Mit den Kenntnissen, die Du mittlerweile mit Hilfe der Videos gesammelt hast, kannst Du auch eigene Zählerschaltungen aufbauen.
Im Video werden hier zwei Beispiele vorgestellt.

4-Bit Rückwärtszähler mit Vorwahl

Den 4-Bit-Rückwörtszähler kann man so erweitern, dass der Startwert vorgegeben werden kann.
Es muss also nicht mehr von 0000 angefangen werden. Durch das Hinzufügen einiger NAND-Gatter kann man das realisieren.

4 Bit Vor-/Rückwärtszähler

Interessant, und im übrigen sehr gerne bei Klassenarbeiten als Aufgabe genommen 😉 ist die Erweiterung des 4-Bit Zählers als Vor-/Rückwärtszählers.
Bei diesem Zähler kann durch ein Signal vorgegeben werden, on vprwärts oder rückwärts gezählt werden soll.

Modulo n-Zähler

Sehr häufig werden Modulo-n Zähler benötigt.
Modulo-n zählen von 0 bis zu einem bestimmten Wert n-1 (also n Zustände). Ein Modulo 5 Zähler zählt beispielsweise von 0 bis 4.
Hier findest Du ein etwas aufwändigeres Projekt zur Entwicklung eines synchronen Modulo 6 Vorwärts-/Rückwärtszählers mit JK-Master-Slave-Flipflops.

4-Bit Synchron-Vorwärtszähler

Asynchrone Zähler haben den Nachteil, dass die Flipflops nacheinander geschaltet werden. Hierdurch ist die mögliche Taktfrequenz eingeschränkt. Zudem erhält man an den Ausgängen Zwischenwerte, die in manchen Anwendungen nicht zulässig sind.
Abhilfe leisten synchrone Zähler, bei den alle Flipflops gleichzeitig geschaltet werden.

Häufig verwendete Zähler-Bausteine

Zu Abschluss des Videos findest Du noch eine Vorstellung einiger häufig verwendeten Zählerbausteine.

So wie der Artikel etwas länger als gewöhnlich geworden ist, ist auch das Video etwas umfangreicher.
Bring am besten eine halbe Stunde Zeit mit 😉

Noch Fragen zum Video?


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