環形計數器是使用移位寄存器構成的時序邏輯電路。根據時鐘脈沖，相同的數據在計數器中循環。

目前，環形計數器有兩種類型，即普通環形計數器和約翰遜計數器(Johnson counter)，本文就環形計數器種類、工作原理及應用特性進行簡單的介紹。

4位環形計數器

4位環形計數器是觸發器的級聯連接，其中最后一個觸發器的輸出連接到第一個觸發器的輸入。在環形計數器中，如果任何階段的輸出為1，則其提醒為0。環形計數器在整個電路中傳輸相同的輸出。

這意味著如果第一個觸發器的輸出為1，則將其轉移到下一級，即第二個觸發器。通過將輸出轉移到下一級，第一個觸發器的輸出變為0。這個過程將持續到環形計數器的所有級。如果在環形計數器中使用n個觸發器，“1”每n個時鐘周期循環一次。

4位環形計數器的電路圖如下圖所示：

在這里，使用D觸發器設計了環形計數器。這是一個Mod 4環形計數器，它有4個串聯的D觸發器。時鐘信號被施加到每個觸發器的時鐘輸入，同時RESET脈沖被施加到所有觸發器的CLR輸入。

操作過程如下：

最初，環形計數器中的所有觸發器通過應用CLEAR信號復位為0。在應用時鐘脈沖之前，將PRESET脈沖應用到觸發器，觸發器將值“1”分配給環形計數器電路。對于每個時鐘信號，數據在環形計數器的所有4個觸發器級之間循環。

這種4級環形計數器稱為Mod 4環形計數器或4位環形計數器。為了在環形計數器中正確循環數據，必須向計數器加載所需的值，例如全0或全1。

4位環形計數器中的數據循環

眾所周知，環形計數器類似于串聯的移位寄存器。下圖顯示了四級觸發器作為我們的移位寄存器的并行串行，數據輸入為Da、Db、Dc和Dd。

通過傳遞復位信號，觸發器最初處于復位狀態。當PRESET應用于環形計數器時，電路的輸入變為1。該輸入連接到該系列中的第一個觸發器，因此觸發器QA設置為1，其余觸發器的所有其他輸出將為低電平。

如果將觸發器“A”的數據輸入設為低電平，則數據脈沖為010。然后對于第二個時鐘信號，第一個觸發器的輸出將再次發生變化，然后是“B”的輸出' 會變高。這意味著數據脈沖001出現。

這樣，隨著第一個觸發器的時鐘信號和輸入發生變化，其他觸發器的輸出也會發生變化。由于最后一個觸發器的輸出串聯連接到第一個觸發器的輸入，數據序列在環形計數器中旋轉或循環。

4位環形計數器真值表

下圖簡單說明4 位環形計數器的真值表：

當CLEAR輸入CLR=0時，所有觸發器都設置為1。當CLEAR輸入CLR=1時，環形計數器開始運行。對于一個時鐘信號，計數器開始運行。在下一個時鐘信號上，計數器再次重置為0000。環形計數器有4個序列：0001、0010、0100、1000。

4位環形計數器時序圖

4位環形計數器的時序圖將解釋時鐘信號改變了計數器每一級的輸出，因此CLK信號將幫助數據從一個觸發器循環到另一個觸發器。由于4位環形計數器(4級或4個觸發器)在一個時鐘信號內循環預設數字，每個觸發器的輸出頻率是主時鐘頻率的1/4。

4位環形計數器狀態圖

4位環形計數器的狀態圖如上圖所示，它表示對于一個時鐘信號，預設數字(在這種情況下，預設數字為1)的位置正在從LSB改變為MSB。

另外，4位環形計數器優點是，可以使用D和JK觸發器來實現，它是一個自解碼電路。但其缺點是，15個狀態中只有4個是有效狀態。

約翰遜(Johnson)計數器

約翰遜計數器是環形計數器的改進型。在這種情況下，最后一級觸發器的反相輸出連接到第一個觸發器的輸入。如果使用n觸發器來設計約翰遜計數器，則稱為 2n位 約翰遜計數器或Mod 2n約翰遜計數器。

這是約翰遜計數器的一個優勢，它只需要環形計數器使用的觸發器數量的一半，即可設計相同的Mod。

4位環形計數器和約翰遜計數器的主要區別在于，在4位環形計數器中，將最后一個觸發器的輸出直接連接到第一個觸發器的輸入。但是在約翰遜計數器中，將最后一級的反相輸出連接到第一級輸入。

約翰遜計數器也稱為Twisted Ring Counter，帶有反饋功能。在約翰遜計數器中，第一個觸發器的輸入與最后一個觸發器的反相輸出相連。約翰遜計數器的設計方式克服了環形計數器的局限性，主要是減少了設計電路所需的觸發器數量。

與環形計數器類似，約翰遜計數器中的時鐘信號同時連接到每個觸發器的時鐘輸入。

工作過程如下：

用D觸發器設計的約翰遜計數器如下圖所示，它有四個階段，即四個觸發器串聯或級聯。最初零/空值被饋送到約翰遜計數器，在施加時鐘信號時，輸出將依次變為“1000”、“1100”、“1110”、“111”、“0111”、“0011”、”0001“、”0000“，該序列將重復用于下一個時鐘信號。

約翰遜計數器通過傳遞四個0和四個1產生一個特殊模式，因此它通過向上計數產生一個特定模式。

約翰遜計數器真值表

下圖解釋了約翰遜計數器的真值表：

上面狀態圖表明數據如何在每個時鐘脈沖中從一個觸發器傳輸到另一個觸發器。4級約翰遜環形計數器通過改變反饋連接用作分頻器，所以它們也可以用作分頻器電路。

約翰遜計數器時序圖

約翰遜計數器的時序圖將解釋時鐘信號改變計數器每一級的輸出，使CLK信號幫助數據從一個觸發器循環到另一個觸發器。

當CLR=0時，觸發器的所有輸出和輸入都預設為0(清零)，但最右邊FF的數據輸入設置為1。

當CLR=1時，約翰遜計數器開始運行。在每個時鐘沿，最后一個觸發器 (1) 的輸出左移到第三個觸發器。由于第一個觸發器連接到串行輸入即1，因此第三個觸發器的輸入為1。

在下一個循環中，QA=0，因此0在后半個循環中以環形形式旋轉。約翰遜計數器有8個序列：0001、0011、0111、1111、1110、1100、1000和0000。

約翰遜計數器的優點是，它比環形計數器有更多的輸出。約翰遜計數器的缺點是，15個狀態中只有8個能夠被使用。

主要應用

環形計數器用于對連續循環中的數據進行計數。

可用于通過將AND&OR邏輯門連接到環形計數器電路來檢測一組信息中的各種數值或各種模式。

2級、3級和4級環形計數器用于分頻電路，分別作為2分頻、3分頻和4分頻電路。

3級約翰遜計數器用作3相方波發生器，可產生120°相移。

5級約翰遜計數器電路通常用作同步十進制 (BCD) 計數器，也用作分頻器電路。

2級約翰遜計數器也稱為“正交振蕩器”，用于產生4級單獨輸出，這些輸出彼此異相90°。該正交發生器用于產生4相定時信號。

總結

簡單來說，環形計數器是由一個移位寄存器和一個組合反饋邏輯電路閉環構成，反饋電路的輸出接向移位寄存器的串行輸入端，反饋電路的輸入端根據移位寄存器計數器類型的不同，可接向移位寄存器的串行輸出端或某些觸發器的輸出端。

常見的環形計數器有4位環形計數器和翰遜計數器兩種，其應用也是非常的廣泛，可應用于多種電子電路當中。