Tricky Circuit

二进制计数器与时钟分频

用四盏灯数事件

时钟是重复的定时信号;CLK 是 Clock 的缩写。上升沿是逻辑 0 到 1 的变化。二进制计数器每收到一个上升沿就加一。位是 0 或 1 的二进制数字;四位保存 16 个状态,从 0000 到 1111。Hz(赫兹)表示每秒周期数。

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实验台

改变电路设置,预测读数,再检查挑战结果。这些是教学模型,每课都会说明模型的假设。

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工作原理

选择已收到的 0–32 个边沿,或按时钟脉冲按钮加一。这是历史采样,不是自动运行的时钟。频率决定重复输出的速率,不改变所选计数。忽略延迟和触点抖动。 时钟脉冲按钮到 32 个边沿时停止。重置开始新的历史采样。

n 是收到的边沿数。四位计数为 n 对 16 取余。Q0 是最低位,Q3 是最高位。连续计数时,Q0 每两个边沿完成一个周期,Q3 每十六个边沿完成一个周期。

难度
  1. 搭建 · 观察

    通电。选择 3 个已收到的边沿和 8 Hz。得到计数 3,二进制 0011。

    需要提示?

    n=3; f=8 Hz → 0011

  2. 探索 · 实验

    在 8 Hz 时选择 16 个边沿。观察回绕到 0,二进制 0000。

    需要提示?

    n=16; f=8 Hz → 0000

  3. 独立解题 · 解决

    选择 19 个边沿和 16 Hz。得到计数 3、Q0 频率 8 Hz、Q3 频率 1 Hz。

    需要提示?

    n=19; f=16 Hz → 0011; fQ0=8 Hz; fQ3=1 Hz

延伸阅读与电路配方

二进制计数器与时钟分频

每盏灯都有位权,如里程表的各位数字。最右位变化最快。同一个计数器也能产生逐级变慢的节拍。

count = n mod 16; fQ0 = fCLK/2; fQ3 = fCLK/16

计数回答已收到多少边沿,频率回答重复波形每秒完成多少周期。改变频率不会重写所选历史。

实用关联

两次状态翻转构成一个完整周期。所以 Q0 频率是 f/2,不是 f。

意外细节

回绕不表示事件消失。四位只保留余数;更多位能保存更多计数。

值得避开的误区

持续高电平不是多个上升沿。真实按钮可能抖动并产生额外边沿;这里每次按下是一个干净边沿。

四位计数 15 又收到一个上升沿。新计数为…

  1. 0
  2. 16
  3. 15
延伸阅读

只能保存 16 个状态,所以 1111 后面是 0000。

小事件计数器

选择三个干净的已收到边沿。

显示的四位字为 0011。

分割节拍

选择 16 Hz 时钟和十九个已收到边沿。

计数为 3;Q0 以 8 Hz 重复,Q3 为 1 Hz。

试试其他变化

把边沿数从 15 变为 16、17。先预测 1111、0000、0001。再只改变频率,检查计数不变。

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