カウンタICとは
カウンタICとは、デジタル回路の1種で、カウント (計数) する機能を備え、主に特定の事象の頻度を数えるために使用される集積回路です。
特定のイベントやクロックパルスに基づいて、内部のレジスタに格納された数値を1つずつ増やす (アップカウント) 、または減らし (ダウンカウント) 、目指す数値に達したとき、もしくは外部機器から要求があったときに計数結果を出力します。カウンタICにはさまざまな種類がありますが、最も基本的なタイプはバイナリカウンタです。
バイナリカウンタは2進数で数を数えることが可能で、例えば4ビットのバイナリカウンタは、0から15までの値を２進数で表現します。また、リングカウンタやジョンソンカウンタなど異なる動作モードを持つカウンタICもあります。
カウンタICの使用用途
カウンタICは、デジタル回路の設計や制御システムなどのさまざまなアプリケーションで使用されるものです。タイマーや順序制御、周波数分周器などが具体的な応用例として挙げられます。
1. タイマー
カウンタICは、特定の時間間隔やイベントの計測に使用されるタイマー回路で使用されています。例えば、デジタル時計やストップウォッチなどがその具体例です。
2. 順序制御
カウンタICは、順序制御回路でも使用されます。例えば、シーケンシャルロジック回路や状態遷移マシンなどで利用され、特定の順序で動作するデバイスやシステムを制御することが主な機能です。
3. 周波数分周器
カウンタICは、入力信号を分割して周波数分周器回路とすることも可能です。これにより高周波信号から整数分の1の周波数の信号を作成することができます。主な用途は、周波数合成や周波数制御などのアプリケーションです。
4. イベント計数
カウンタICは、特定のイベントが発生した回数を計測するためにも使用されます。例えば、交通量調査における車両の台数や通行人の計数などです。
5. データ通信
カウンタICは、データ通信回路で使用されることもあります。シリアル通信やパケット伝送などでデータ数を設定する際に利用されます。
カウンタICの原理
カウンタICは、以下で挙げる要素で構成されています。
1. Dフリップフロップ
カウンタICを構成する論理回路では、Dフリップフロップが主に使われています。この論理回路は1ビットの情報を記憶する機能があるため、この素子を組み合わせて各種のカウンタICを構成します。
Dフリップフロップは、クロック端子 (CLK)、データ入力端子 (D) 、データ出力端子 (Q) とその反転出力を備え、クロックの立ち上がりエッジのタイミングでデータ入力端子に入力されているデータをそのままデータ出力端子へ出力する機能を有したものです。
2. カウンタ
反転出力を入力端子に直結するとともに、データ出力端子を次段のDフリップフロップのデータ入力端子に入力することが基本的な構成です。これをN段縦続に接続することにより、2のN乗のバイナリカウンタが出来上がります。
3. 周波数分周器
Dフリップフロップを前述の端子間接続を行うことで、D端子へ入力したデータの出力は1/2に分周されるとの見方ができます。この機能を利用することにより、カウンタICで周波数分周器を作ることが可能です。
4ビットのバイナリカウンタの場合、2の4乗 (16) となるので入力クロックに対して入力クロックの1/16の周波数を出力することになります。8ビットのバイナリカウンタの場合は同様にして2の8乗 (256) となるので、入力クロックの1/256の周波数を出力することが可能です。
カウンタICの種類
カウンタICにはさまざまな種類があります。代表的なものは、以下のとおりです。
1. バイナリカウンタ
最も基本的なカウンタICであり、2進数で数え上げることができます。Nビットのバイナリカウンタは、0から (2の N乗-1) までの数値を表現できます。
2. リングカウンタ
リング状のカウンタICで、クロック毎に内部のビットが順番にシフトされるものです。各フリップフロップの入リュク端子は前のフリップフロップの出力端子に接続され、最後の出力が最初のフリップフロップの入力端子にフィードバックされます。ビット”1″が、順番に隣のフリップフロップに移動するように機能するものです。
3. ジョンソンカウンタ
ジョンソンカウンタはリングカウンタの一種ですが、最後段の出力を反転して先頭のフリップフロップの入力信号とする点が異なります。特定のパターンが、クロック毎に隣のフリップフロップにシフトされるよう動作するものです。ジョンソンカウンタは、シーケンシャルロジック回路やデコーダ回路などで利用されます。
4. アップカウンタ
アップカウンタは、1つずつ数が増加していくカウンタICで、クロックパルスまたは特定のイベントに応じて、内部の値が増加します。
5. ダウンカウンタ
ダウンカウンタは、1つずつ数が減少していくカウンタICで、クロックパルスまたは特定のイベントに応じて、内部の値が減少します。
6. プリセットカウンタ
プリセットカウンタは、事前に設定された値からカウントを開始するカウンタICです。特定の条件や入力に応じて、指定された初期値からカウントが開始されます。
7. リアルタイムカウンタ
リアルタイムカウンタは、実時間での計測やタイミングに使用されるカウンタICです。内部のカウンタ値をクロックパルスや外部信号に基づいて増加または減少させ、時間の計測やイベントのタイミング制御に利用されます。
参考文献
https://www.marutsu.co.jp/contents/shop/marutsu/mame/93.html