1.1 数字计数器简介
在数字电子学中，除了移位寄存器和其他组合电路之外，还有一种我们经常使用的非常重要的元件，那就是计数器。计数器不仅用于计数，还用于测量频率和时间以及递增存储器地址。
什么是计数器？
计数器是专门设计的同步时序电路，其中计数器的状态等于由触发器保存在电路中的计数值。计数器用于计算或记录事件发生的次数。
计数器是至关重要的硬件组件，被定义为“用于计数脉冲数量的数字电路”。计数器也被称为“定时器”。计数器电路是触发器应用的绝佳示例。计数器是通过将触发器组合在一起并施加单一时钟信号来设计的。简单来说，计数器是那些具有存储元件（如触发器）以保存计数的电路。
计数器有模式。计数器的“模”（mod）表示计数器在返回到初始状态之前循环通过的状态数量。例如，一个二进制模8计数器有8个可计数状态，从到。因此，模8计数器从0计数到7。
一个二进制模4计数器有4个计数状态，从到。因此，模4计数器从0计数到4。一般来说，一个模计数器可以包含个触发器，其中。
计数器的需求
计数意味着相对于其前一个状态值递增或递减操作符的值。因此，要执行数学运算，我们使用的设备除了计数器之外别无他选。我们无法使用除计数器之外的任何其他逻辑设备来完成计数操作。
计数器的类型
数字电路中有两种类型的计数器可供使用，分别是：
- 同步计数器
- 异步计数器
以下是不同类型的计数器的详细说明。
同步计数器
通过时钟信号来改变其状态转换的计数器被称为“同步计数器”。这意味着同步计数器依赖于时钟输入来改变状态值。同步计数器中的所有触发器均由相同的时钟信号触发。
特点：
- 它们的结构设计非常简单。所有触发器相互连接，并由相同的时钟信号驱动。
- 前一个触发器的状态输出决定了当前触发器的状态变化。
- 由于所有触发器同步工作，同步计数器不需要稳定时间。
- 实现同步计数器需要使用一定数量的逻辑门。
- 它们的操作速度较快。
异步计数器
定义：在计数器中，状态转换的变化不依赖于时钟信号输入的计数器被称为“异步计数器”。在这些计数器中，第一个触发器连接到外部时钟信号，其余触发器由前一个触发器的状态输出（和）进行时钟驱动。
特点：
- 异步计数器的另一个名称是“逐级触发计数器”。
- 它们的设计非常简单。
- 由于设计简单，它们在构建异步计数器时使用的逻辑门数量较少。
- 与同步计数器相比，异步计数器的操作速度较慢。
同步计数器与异步计数器的对比
让我们比较同步计数器和异步计数器的操作和特点。它们的差异如下表所示。
| 特点 | 同步计数器 | 异步计数器 |
|---|---|---|
| 传播延 迟 | 非常低 | 高于同步计数器 |
| 操作频率 | 非常高 | 最大操作频率较低 |
| 操作速度 | 比逐级触发计数器快 | 操作速度慢 |
| 逻辑门数量 | 需要较多逻辑门 | 需要较少逻辑门 |
| 成本 | 较高 | 较低 |
| 设计难度 | 设计简单 | 设计复杂 |
| 标准逻辑封装 | 有标准逻辑封装 | 没有标准逻辑封装 |
计数器的实际应用
我们在许多应用中都使用计数器。在任何使用定时器的地方，我们都使用同步类型的计数器。
例如，在厨房电器中，我们使用微波炉。在其中，我们设置一定的温度来加热放在其中的食物。内部的计数器计算温度的增加或减少以及时间。如果达到预设温度，则防止进一步加热并避免食物损坏。
在洗衣机中，我们也使用计数器。与微波炉中的计数操作类似，洗衣机中的计数器计算我们设置的运行时间。在微波炉和洗衣机中，我们设置设备为特定时间，然后它每秒递减一次。当计数器的值变为零时，它会激活开关的开/关。因此，设备的运行由计数器控制。
在其他应用中，我们还在入口处或门上使用计数器来计算进入和离开体育场或礼堂的人数。这些计数器会统计人数。对于每个人进入，计数器的值增加1；对于每个人离开，计数器的值减少1。
计数器的应用领域
计数器在许多数字电子设备中都有应用。它们的一些应用如下：
- 频率计数器
- 数字时钟
- 模数转换器
- 通过对其设计进行一些更改，计数器可以作为分频电路使用。分频电路是将输入频率精确地除以2的电路。
- 在时间测量方面，例如在微波炉和洗衣机等电子设备中计算时间。
- 我们还可以通过使用计数器设计数字三角波发生器。
除了同步计数器和异步计数器之外，还有许多其他类型的计数器，例如十进制计数器、二进制计数器、环形计数器、约翰逊计数器、加减计数器等，我们将在后续的课程中讨论它们。