Synchrone Zähler & Asynchrone Zähler

Im Bereich der Digitalelektronik ist ein "Zähler" eine sequentielle Logikschaltung. Die Schaltung besteht aus einer Reihe von Flip-Flops: elektronischen Schaltungen mit zwei stabilen Zuständen, die jeweils einem von zwei alternativen Eingangssignalen entsprechen. Die Schaltungen können eine Folge von Zuständen durchlaufen. Es gibt zwei Arten von Zählern: synchron und asynchron.

Synchronzähler bestehen typischerweise aus einem Speicherelement, das unter Verwendung von Flip-Flops implementiert wird, und einem kombinatorischen Element, das traditionell unter Verwendung von Logikgattern implementiert wird. Logikgatter sind Logikschaltungen mit einem oder mehreren Eingangsanschlüssen und einem Ausgangsanschluss, bei denen der Ausgang zwischen zwei Spannungspegeln umgeschaltet wird, die durch eine Kombination von Eingangssignalen bestimmt werden. Die Verwendung von Logikgattern für kombinatorische Logik reduziert typischerweise die Kosten von Komponenten für Zählerschaltungen auf ein absolutes Minimum und bleibt daher ein beliebter Ansatz.

Synchrone Zähler haben eine interne Uhr, asynchrone Zähler nicht. Dadurch werden alle Flip-Flops in einem Synchronzähler gleichzeitig von einem einzigen gemeinsamen Takt angesteuert. In einem asynchronen Zähler wird das erste Flip-Flop durch einen Impuls von einem externen Taktgeber angesteuert und jedes nachfolgende Flip-Flop wird durch den Ausgang des vorhergehenden Flip-Flops in der Folge angesteuert. Dies ist der wesentliche Unterschied zwischen synchronen und asynchronen Zählern.

Asynchrone Zähler, auch als Ripple-Zähler bekannt, sind der einfachere Typ und erfordern weniger Komponenten und weniger Schaltungen als synchrone Zähler. Asynchrone Zähler sind einfacher zu konstruieren als ihre synchronen Gegenstücke, aber das Fehlen einer internen Uhr bringt auch mehrere große Nachteile mit sich. Die Flip-Flops in einem asynchronen Zähler ändern ihren Zustand zu unterschiedlichen Zeiten, sodass sich die Verzögerungen beim Wechsel von einem Zustand in einen anderen – bekannt als Ausbreitungsverzögerungen – zu einer Gesamtverzögerung addieren. Je mehr Flip-Flops ein asynchroner Zähler enthält, desto größer ist die Gesamtverzögerung.

Typischerweise sind asynchrone Zähler in komplexen Hochfrequenzsystemen weniger nützlich als synchrone Zähler. Einige integrierte Schaltkreise reagieren schneller als andere, wenn also ein externes Ereignis in der Nähe eines Übergangs zwischen Zustände -- wenn einige, aber nicht alle, der integrierten Schaltkreise den Zustand geändert haben -- kann dies Fehler in die Zähler. Solche Fehler sind wegen der zufällig variablen Zeitdifferenz zwischen Ereignissen schwer vorherzusagen. Außerdem können Ausbreitungsverzögerungen es schwierig machen, den Ausgangszustand einer asynchronen Zählerschaltung elektronisch zu detektieren oder zu decodieren.