Asynchrone BCD-Zähler

Wandelt man die Dualzahlen zur Anzeige in Dezimalziffern um, so lassen sich Dualzähler auch im Dezimalsystem einsetzen. Für die Zahlen 0 ... 9 jeder Dekade ist ein 4-Bit Dualzähler notwendig. Da dieser aber erst nach dem 16. Zähltakt auf 0 zurücksetzt, muss er durch eine Zusatzschaltung vorzeitig nach dem 10. Takt in einen neuen Zyklus gezwungen werden. Dualzähler mit diesen Eigenschaften werden BCD-Zähler (binär codierte Dezimalzahl) genannt. BCD-Zähler gibt es als Vorwärts-, Rückwärts- und Umkehrzähler.

BCD-Vorwärtszähler

Ein asynchron arbeitender 4-Bit Dualzähler mit 2x SN 7476 JK-Master-Slave Flipflops soll zum BCD-Zähler erweitert werden. Nach dem 8.Takt hat zum ersten Mal die höchste Dualstelle Q3 auf High gewechselt und nach dem 10. Takt steht zusätzlich auch der zweite Ausgang Q1 auf High. In der Zehnerdekade ist diese Kombination einmalig und kann zum Rücksetzen aller Speicher genutzt werden. Die beiden Ausgänge Q1 und Q3 sind mit einem NAND Gatter verbunden, dessen Ausgang mit allen Low aktiven Clear-(R)-Eingängen der JK-Master-Slave Speicher verbunden ist. Das Bild zeigt die Blockschaltung und die Zeitablaufdiagramme.

Beim SN 7476 liest jeder JK-Master-Slave-Speicher die Information auf der steigenden Taktflanke ein. Auf der fallenden Taktflanke übernimmt der Slave die im Master gespeicherte Information. Nach Ablauf der Ausgangsverzögerungszeit liegt sie am Q-Ausgang an. Der zeitlich gedehnte Ausschnitt des 10. Takts zeigt deutlich, dass dieser Zähler dadurch kurzzeitig den Dualwert 1010 oder dezimal 10 ausgibt und erst danach auf 0 zurück gesetzt wird. Mit Beginn des 11. Takts startet die neue Dekade. Dieser 10. Zählimpuls kann in einigen Anwendungen Fehlsteuerungen verursachen und sollte vermieden werden.

Mit den im folgenden Bild farblich markierten Erweiterungen der Schaltung kann das Problem vermieden werden. Beim Dualzähler verhält sich jedes Speicher-FF wie ein T-Flipflop und halbiert die Frequenz seines Steuertakts. Beim BCD-Zähler darf das Flipflop II mit dem 10. Takt nicht auf High schalten. Der J-Eingang des zweiten Speichers ist daher nicht dauerhaft mit der Versorgungsspannung, sondern mit dem Q-nicht Ausgang des vierten Speichers verbunden. Das Flipflop IV schaltet erst nach dem 8. Takt am Q-nicht Ausgang von High auf Low. Solange arbeitet das Flipflop II wie ein T-FF und setzt nach dem 8. Takt auf Low zurück. Das Flipflop III arbeitet unverändert als Frequenzteiler.

Das Flipflop IV wird vom Q-Ausgang des Flopflops I getaktet. Es kann nur dann auf High gesetzt werden, wenn sein J-Eingang vom UND Gatter gesteuert High Pegel hat. Das ist nach dem 6. Takt der Fall, wo Q1 (FF II) und Q2 (FF III) gesetzt sind. Zu diesem Zeitpunkt ist aber der Steuertakt Q0 für das Flipflop IV Low, sodass sein Ausgang nicht gesetzt wird. Auf den Eingangstakt bezogen liest der Master des Flipflop IV folglich seine J- und K-Pegel auf der fallenden Flanke des 7. Takts ein und gibt sie erst auf der fallenden Flanke des 8. Takts an Q3 aus. Der Dualwert 1000 nach dem 8. Takt entspricht der Dezimalzahl 8. Zu diesem Zeitpunkt wechselt auch der J-Pegel des Flipflop IV auf Low. Zum Ende des 9. Takts hat das noch keine Auswirkung, da erst jetzt von Q0 gesteuert der Master des vierten Speichers die veränderten J- und K-Pegel einliest und nach dem 10. Eingangstakt mit Low das Flipflop IV zurück setzt. Der Dualwert zeigt 0000 ohne den kurzzeitigen Zwischenwert 1010 an.

Umschaltbare Zählrichtung

Mit einer Zusatzschaltung kann zwischen Vorwärts- und Rückwärtszählung umgeschaltet werden. Es kann der gleiche aus drei NAND Gatter geschaltete Funktionsblock wie bei den asynchronen Dual-Umkehrzählern verwendet werden. Mit einem statischen High oder Low Steuerpegel wird entweder das Q- oder Q-nicht Ausgangssignal auf den Takteingang der folgenden Speicherstufe geschaltet.

BCD-Rückwärtszähler

Ausgehend vom anfangs beschriebenen BCD-Vorwärtszähler ist es mit wenigen Änderungen möglich, nach dem Umschalten der Zählrichtung abwärts zu zählen. Ein Dual-Rückwärtszähler startet mit dem Dualwert 1111. Der BCD-Rückwärtszähler muss mit Dual 1001 beginnen. Nach dem Umschalten der Richtung ist der Zähler auf diesen Wert zu setzen. Im Kapitel der Asynchronzähler ist eine passende Schaltungserweiterung beschrieben worden, die sogar die Vorwahl beliebiger Startwerte erlaubt.

BCD-Dekadenzähler

Sind mehrere asynchrone BCD-Zähler kaskadiert in Reihe geschaltet, kann man über mehrere Dekaden zählen. Der höchste Ausgang eines Zählers stellt mit seinem most significant Bit (MSB) den Zähltakt der folgenden nächsthöheren Dekade. Das Bild zeigt die Blockschaltung mit zwei SN 7490, die als asynchrone Dekadenzähler geschaltet sind und zusammen zyklisch von 0 ... 99 zählen.