カウンタ (英 えい : counter )とは、クロックパルスを数 かぞ えることにより数値 すうち の処理 しょり を行 おこな うための論理 ろんり 回路 かいろ (デジタル回路 かいろ )である。カウンタにより計数 けいすう された2進数 しんすう 、あるいは2進化 しんか 10進数 しんすう を、デコーダ を通 とお して7セグメント LED などで表示 ひょうじ される数字 すうじ に変換 へんかん することにより、人間 にんげん が認識 にんしき できる情報 じょうほう となる。また、情報 じょうほう をエンコーダ により2進数 しんすう などに変換 へんかん することで、カウンタによる計数 けいすう 処理 しょり を行 おこな うことができる。
水晶 すいしょう 振動 しんどう 子 こ を用 もち いた発振 はっしん 回路 かいろ によって発生 はっせい された非常 ひじょう に高 たか い周波数 しゅうはすう (例 たと えば215 =32,768Hz )の電気 でんき 信号 しんごう を、低 ひく い周波数 しゅうはすう (例 たと えば1Hz へるつ )の信号 しんごう に変換 へんかん するためにも用 もち いられる。このための回路 かいろ を分 ぶん 周 しゅう 器 き (プリスケーラ) と呼 よ ぶ。分 ぶん 周 しゅう 器 き は1926年 ねん 、日本人 にっぽんじん の古賀 こが 逸 いつ 策 さく によって発明 はつめい された。
必要 ひつよう とする出力 しゅつりょく ・対 たい 雑音 ざつおん 特性 とくせい ・速度 そくど などに応 おう じて各種 かくしゅ のカウンタが使用 しよう される。
各 かく ビットの重 おも み付 づ けがあり変化 へんか の周期 しゅうき が違 ちが うものをウェイティング・カウンタ (weighting counter ) と呼 よ び、バイナリ・カウンタ、グレイ・コード・カウンタはこれに含 ふく まれる。対 たい して、各 かく ビットに重 おも み付 づ けがないものをノンウェイティング・カウンタ (nonweighting counter ) と呼 よ び、リング・カウンタ、ジョンソン・カウンタ、ワンホット・ステート・カウンタはこれに含 ふく まれる。線形 せんけい 帰還 きかん シフトレジスタ (Linear feedback Shift Register ) と呼 よ ばれ、任意 にんい のビット列 びっとれつ をクロック・パルスごとに隣 とな りのフリップフロップへ移動 いどう していく機能 きのう を持 も つレジスタがあり、ノンウェイティング・カウンタにはこれがよく用 もち いられる。
また、ビット列 びっとれつ の組 く み合 あ わせを全 すべ て使用 しよう するものをフィルド・コード・カウンタ (filled code counter ) と呼 よ ぶ。ビット列 びっとれつ を全 すべ て使用 しよう するため、大 おお きな数 かず のカウントに適 てき するが、デコーダは複雑 ふくざつ になる。バイナリ・カウンタ、グレイ・コード・カウンタ、2ビットのジョンソン・カウンタはこれに含 ふく まれる。対 たい して、ビット列 びっとれつ の組 く み合 あ わせを制限 せいげん したものをアンフィルド・コード・カウンタ (unfilled code counter ) と呼 よ ぶ。使用 しよう していない組 く み合 あ わせになった場合 ばあい の回復 かいふく 回路 かいろ が必要 ひつよう だが、デコード回路 かいろ が小 ちい さく高速 こうそく 化 か が可能 かのう である。リニア・フィードバック・シフト・レジスタ、リング・カウンタ、3ビット以上 いじょう のジョンソン・カウンタ、ワンホット・ステート・カウンタはこれに含 ふく まれる。
D型 がた フリップフロップによる4ビット同期 どうき 型 がた カウンタ
バイナリ・カウンタ (binary counter ) とは、2進数 しんすう を出力 しゅつりょく するカウンタである。D型 がた フリップフロップ の
Q
¯
{\displaystyle {\bar {Q}}}
出力 しゅつりょく をD入力 にゅうりょく および次段 じだん のCLK入力 にゅうりょく に接続 せつぞく し、各 かく 段 だん からのQ出力 しゅつりょく を設 もう けた回路 かいろ である。このような接続 せつぞく により、初段 しょだん に入力 にゅうりょく されたクロックパルスの立 た ち上 あ がりが1個 いっこ 増 ふ えるごとに、Q出力 しゅつりょく の0と1が反転 はんてん を繰 く り返 かえ すため、初段 しょだん からの出力 しゅつりょく は入力 にゅうりょく されたクロックパルスの数 かず を2進数 しんすう 表示 ひょうじ した場合 ばあい の最下位 さいかい の桁 けた 、2段 だん 目 め は下 した から2番目 ばんめ の桁 けた …というように、2進数 しんすう による出力 しゅつりょく を行 おこな うことができる。
n段 だん のバイナリ・カウンタは、クロックの周波数 しゅうはすう を1/2n に変換 へんかん すると見 み ることもできる。2進化 しんか 10進数 しんすう でカウンタ動作 どうさ を行 おこな うには、各 かく 桁 けた の出力 しゅつりょく が1010(10進数 しんすう の『10』)に達 たっ した場合 ばあい に0000にリセット する回路 かいろ を設 もう ける。同様 どうよう に、数値 すうち を検出 けんしゅつ してリセットすることにより、クロックパルスの周波数 しゅうはすう を 1/(任意 にんい の数 かず ) に変換 へんかん できる。
4段 だん バイナリ・カウンタの動作 どうさ
0123456789ABCDEF
Q1 0101010101010101
Q2 0011001100110011
Q3 0000111100001111
Q4 0000000011111111
グレイ・コード・カウンタ (Gray code counter ) とは、同時 どうじ に1つのビットしか変化 へんか しないよう、数値 すうち にグレイ・コード を割 わ り当 あて て、デコード時 じ のスタティック・ハザード (短時間 たんじかん のスパイク状 じょう のノイズ)を防止 ぼうし したものである。
4段 だん グレイ・コード・カウンタの動作 どうさ
0123456789ABCDEF
Q1 0110011001100110
Q2 0011110000111100
Q3 0000111111110000
Q4 0000000011111111
リング・カウンタ (ring counter ) とは、最終 さいしゅう 段 だん の出力 しゅつりょく を1段 だん 目 め の入力 にゅうりょく に接続 せつぞく したもので、特定 とくてい の初期 しょき 値 ち をフリップフロップにロードしておき、そのビット列 びっとれつ をクロック・パルスごとに隣 とな りのフリップフロップへ移動 いどう して行 い くもの。シフトレジスタ に似 に ているが、すべてのビット列 びっとれつ をシフトし終 お えた(以下 いか の例 れい では太字 ふとじ の列 れつ )次 つぎ のステップで初期 しょき 値 ち にリセットされる点 てん が異 こと なる。
初期 しょき 値 ち を0011とした4ビットのリング・カウンタの動作 どうさ (Q1が最 さい 上位 じょうい ビット 、Q4が最下位 さいかい ビット である)
0123 4
Q1 1001 1
Q2 1100 1
Q3 0110 0
Q4 0011 0
ジョンソン・カウンタ (Johnson counter ) とは、2つのビットをデコードするだけで、任意 にんい の信号 しんごう を取 と り出 だ せるようにコードを割 わ り当 あ てたもの。"1"と"0"の期間 きかん が同 おな じ対称 たいしょう 形 がた のものと、不 ふ 均一 きんいつ な非対称 ひたいしょう 型 がた とがあるが、いずれもスタティック・ハザード はない。
4ビットの対称 たいしょう 形 がた ジョンソン・カウンタの動作 どうさ
01234567
Q1 01111000
Q2 00111100
Q3 00011110
Q4 00001111
ワンホット・ステート・カウンタ (one-hot state counter ) とは、計数 けいすう に対応 たいおう するフリップフロップのみを1とし、他 た は0としてデコードを不要 ふよう としたものである。数 かぞ える数 かず だけフリップフロップが必要 ひつよう なためカウンタ本体 ほんたい の回路 かいろ 規模 きぼ は最 もっと も大 おお きくなる、外来 がいらい ノイズなどによって動作 どうさ が化 ば けたなどの場合 ばあい の検出 けんしゅつ は複雑 ふくざつ である、といった点 てん が不利 ふり である。一方 いっぽう 、デコーダが不要 ふよう ないし極 ごく く単純 たんじゅん 、次 つぎ の状態 じょうたい を決定 けってい する論理 ろんり をそのまま埋 う め込 こ むことができる、以上 いじょう によりカウンタ本体 ほんたい も総合 そうごう 的 てき にも高速 こうそく 、といった点 てん が有利 ゆうり である。
4ビットのワンホット・ステート・カウンタの動作 どうさ
0123
Q1 1000
Q2 0100
Q3 0010
Q4 0001
次 つぎ のような機能 きのう を持 も つカウンタもある。
アップ・ダウン機能 きのう
通常 つうじょう の、数値 すうち を順 じゅん に加算 かさん して計数 けいすう する機能 きのう に加 くわ えて、数値 すうち を減算 げんざん して計数 けいすう したり、またこれらの機能 きのう を切 き り替 か えできる機能 きのう 。
プリセット機能 きのう
0以外 いがい の初期 しょき 値 ち をあらかじめセットしておき、その値 ね から計数 けいすう を行 おこな う機能 きのう 。