Le compteur anneau Johnson consiste en un certain nombre de compteurs connectés ensemble avec la sortie renvoyée à l’entrée. Dans ce tutoriel, nous verrons que le compteur anneau Johnson est un type de compteur créé à l’aide de registres à décalage. Dans le précédent tutoriel sur les registres à décalage, nous avons vu que si nous appliquons un signal de données en série à l’entrée d’un registre à décalage série à sortie série, la même séquence de données sortira du dernier bascule de la chaîne de registre.

Ce mouvement de données en série à travers le registre se produit après un nombre prédéterminé de cycles d’horloge, permettant ainsi au registre SISO d’agir comme une sorte de circuit de délai pour le signal de données d’entrée d’origine.

Mais que se passerait-il si nous connectons la sortie de ce registre à décalage à son entrée afin que la sortie de la dernière bascule, Q_D, devienne l’entrée de la première bascule, Q_A ? Nous aurions alors un circuit en boucle fermée qui « recirculerait » le même bit de DONNÉES autour d’une boucle continue pour chaque état de sa séquence, et c’est le principal fonctionnement d’un compteur annulaire.

En bouclant la sortie vers l’entrée (rétroaction), nous pouvons convertir un circuit de registre à décalage standard en compteur annulaire. Considérons le circuit ci-dessous.

Compteur Anneau à 4 Bits

Le compteur anneau synchrone présenté ci-dessus est présélectionné de sorte qu’exactement un bit de données dans le registre soit réglé à logique “1”, tous les autres bits étant remis à “0”. Pour y parvenir, un signal « CLEAR » est d’abord appliqué à toutes les bascules ensemble afin de « RÉINITIALISER » leurs sorties à un niveau logique “0”, puis une impulsion de « PRÉRÉGLAGE » est appliquée à l’entrée de la première bascule ( FFA ) avant que les impulsions d’horloge soient appliquées. Cela place alors une seule valeur logique “1” dans le circuit du compteur anneau.

À chaque impulsion d’horloge successive, le compteur fait circuler le même bit de données entre les quatre bascules encore et encore autour de la « boucle » à chaque quatrième cycle d’horloge. Mais pour faire circuler correctement les données autour du compteur, nous devons d’abord « charger » le compteur avec un motif de données approprié, car toutes les logiques “0” ou toutes les logiques “1” produites à chaque cycle d’horloge rendraient le compteur anneau invalide.

Ce type de mouvement de données est appelé « rotation », et comme dans le registre à décalage précédent, l’effet du mouvement du bit de données de gauche à droite à travers un compteur anneau peut être présenté graphiquement comme suit, accompagné de son diagramme temporel :

Mouvement de Rotation d’un Compteur Anneau

Étant donné que l’exemple de compteur anneau montré ci-dessus a quatre états distincts, il est également connu comme un compteur « modulo-4 » ou « mod-4 », chaque sortie de bascule ayant une valeur de fréquence égale à un quart (1/4) de la fréquence d’horloge principale.

Le « MODULO » ou « MODULUS » d’un compteur est le nombre d’états que le compteur compte ou leurs séquences avant de se répéter, et un compteur anneau peut être configuré pour produire n’importe quel numéro modulo. Un compteur anneau « mod-n » nécessitera « n » bascules connectées ensemble pour faire circuler un seul bit de données fournissant « n » états de sortie différents.

Par exemple, un compteur anneau mod-8 nécessite huit bascules et un compteur anneau mod-16 nécessiterait seize bascules. Cependant, comme dans notre exemple ci-dessus, seules quatre des 16 états possibles sont utilisés, rendant les compteurs anneau très inefficients en termes d’utilisation de leurs états de sortie.

Compteur Anneau Johnson

Le compteur anneau Johnson ou « compteurs à anneau torsadés » est un autre registre à décalage avec rétroaction exactement identique à celle du compteur anneau standard ci-dessus, sauf que cette fois la sortie inversée Q de la dernière bascule est maintenant reconnectée à l’entrée D de la première bascule comme montré ci-dessous.

Le principal avantage de ce type de compteur anneau est qu’il nécessite seulement la moitié du nombre de bascules par rapport au compteur anneau standard, donc son numéro modulo est également divisé par deux. Ainsi, un compteur Johnson à « n étages » circulera un seul bit de données en donnant une séquence de 2n états différents et peut donc être considéré comme un « compteur mod-2n ».

Compteur Anneau Johnson à 4 Bits

Cette inversion de Q avant d’être renvoyée à l’entrée D fait que le compteur « compte » de manière différente. Au lieu de parcourir un ensemble fixe de motifs comme le compteur anneau normal, par exemple pour un compteur à 4 bits, « 0001 » (1), « 0010 » (2), « 0100 » (4), « 1000 » (8) et ainsi de suite, le compteur Johnson compte vers le haut puis vers le bas alors que la logique « 1 » initiale passe à droite en remplaçant la logique « 0 » précédente.

Un compteur anneau Johnson à 4 bits passe des blocs de quatre logiques “0” puis quatre logiques “1”, produisant ainsi un motif à 8 bits. Comme la sortie inversée Q est connectée à l’entrée D, ce motif à 8 bits se répète continuellement. Par exemple, « 1000 », « 1100 », « 1110 », « 1111 », « 0111 », « 0011 », « 0001 », « 0000 » et cela est démontré dans le tableau suivant.

Table de Vérité pour un Compteur Anneau Johnson à 4 Bits

En plus de compter ou de faire tourner des données autour d’une boucle continue, les compteurs anneau peuvent également être utilisés pour détecter ou reconnaître divers motifs ou valeurs numériques dans un ensemble de données. En connectant des portes logiques simples telles que les portes ET ou OU aux sorties des bascules, le circuit peut être conçu pour détecter un nombre ou une valeur précisés.

Les compteurs anneau Johnson standard à 2, 3 ou 4 étages peuvent également être utilisés pour diviser la fréquence du signal d’horloge en variant leurs connexions de rétroaction, et des sorties de division par 3 ou division par 5 sont également disponibles.

Par exemple, un compteur anneau Johnson à 3 étages pourrait être utilisé comme générateur de forme d’onde carrée déphasée à 120 degrés en se connectant aux sorties de données à A, B et NON-B.

Le compteur Johnson standard à 5 étages, tel que le CD4017 couramment disponible, est généralement utilisé comme circuit de compteur/diviseur décimal synchrone.

D’autres combinaisons telles que le circuit plus petit à 2 étages, également appelé oscillateur ou générateur de « quadrature » (sinus/cosinus), peuvent être utilisées pour produire quatre sorties individuelles qui sont chacune déphasées de 90 degrés par rapport aux autres afin de produire un signal d’horloge à 4 phases comme montré ci-dessous.

Générateur de Quadrature à 2 Bits

Comme les quatre sorties, A à D, sont déphasées de 90 degrés les unes par rapport aux autres, elles peuvent être utilisées avec des circuits supplémentaires pour entraîner un moteur pas à pas à 2 phases pour le contrôle de position ou la capacité de faire tourner un moteur à un emplacement particulier comme montré ci-dessous.

Contrôle de Moteur Pas à Pas

Circuit de Moteur Pas à Pas à 2 Phases (Unipolaire) Full-Step

La vitesse de rotation du moteur pas à pas dépendra principalement de la fréquence d’horloge et d’autres circuits seraient nécessaires pour répondre aux exigences de puissance du moteur. Comme cette section vise seulement à donner au lecteur une compréhension de base des compteurs anneau Johnson et de leurs applications, d’autres bons sites Web expliquent plus en détail les types et les exigences de conduite des moteurs pas à pas.

Les compteurs anneau Johnson sont disponibles sous forme standard de CI TTL ou CMOS, comme le CD4017, compteur de décade Johnson à 5 étages avec 10 sorties décodées actives en HAUT ou le CD4022, compteur Johnson à 4 étages, divisant par 8 avec 8 sorties décodées actives en HAUT.