디지털 논리실험 10주차 예비보고서

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1. 비동기식 카운터와 동기식 카운터

비동기식 카운터는 첫 번째 D Flip-flop의 CP입력에만 CLK 펄스가 입력되고 앞쪽에 있는 D Flip-flop의 출력 값이 뒤쪽에 있는 D Flip-flop의 CLK으로 들어간다. 반면 동기식 카운터는 모든 J-K Flip-flop이 하나의 CLK으로 연결 되어 있다. 두 카운터는 모두 CLK을 줄 때 마다 숫자를 카운트 하는데 실험은 4-bit 카운터이므로 0부터 15까지 순차적으로 나타낸다. 반면 하나의 펄스가 입력되면 모든 J-K Flip-flop이 동시에 작동하는 동기식 카운터와 달리 비동기 식 카운터는 이전 D Flip-flop의 출력이 다음 D Flip-flop을 동작시키므로 전 파지연이 발생한다.
2. Positive edge triggered D Flip-flop 회로 결선

[그림 1]에서는 이전 Flip-flop의 Q값을 다음 Flip-flop의 CLK으로 넣어주었는데 이때 CLK 쪽에 NOT 표시가 되어 있는 것에 주의해야 한다. 실험에서 사용하는 Flip-flop은 positive edge triggered D Flip-flop이므로 Q값이 아닌 Q값을 CLK에 넣어 주어야 한다.
3. 비동기식 십진 카운터 동작 원리

십진 카운터는 0(0000)부터 9(1001)까지의 수를 순차적으로 카운트하고 9 다음 수가 10(1010)이 아닌 0(0000)이 되어야 한다. 이를 위하여 NAND 게이트를 이용하여야 한다. NAND 게이트를 통해 10이 되기 전 카운터를 CLR하여 순환 시킨다. NAND 게이트를 사용하여 10(1010)을 디코딩하고 그 출력 값을 모든 Flip-flop의 CLR과 연결한다. CLR에 발생한 glich로 카운터가 리셋 된다.
4. 동기식 십진 카운터 동작 원리

첫 번째 Flip-flop의 Q의 출력은 매 CLK 펄스마다 상태를 바꾸고 J와 K를 1로 하여 토글이 발생한다. 두 번째 Flip-flop은 Q=1, Q=0일 때, 다음 CLK에서 Q의 출력이 변화한다. 세 번째 Flip-flop은 Q=1, Q=1일 때, 다음 CLK에서 Q의 출력이 변화한다. 네 번째 Flip-flop에서 Q=1, Q=1, Q=1이거나 Q=1, Q=1일 때, 다음 CLK에서 Q의 출력이 변화한다.

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1. 비동기식 카운터와 동기식 카운터

비동기식 카운터와 동기식 카운터는 각각 장단점이 있습니다. 비동기식 카운터는 클럭 신호에 동기화되지 않고 상태 변화가 즉시 발생하므로 빠른 동작 속도를 가지지만, 상태 변화 시 글리치 현상이 발생할 수 있습니다. 반면 동기식 카운터는 클럭 신호에 동기화되어 동작하므로 안정적이지만 속도가 상대적으로 느립니다. 따라서 응용 분야에 따라 적절한 카운터 방식을 선택해야 합니다. 비동기식 카운터는 고속 디지털 회로에 적합하고, 동기식 카운터는 안정성이 중요한 경우에 사용됩니다. 두 방식의 장단점을 고려하여 설계 요구사항에 맞는 카운터를 선택하는 것이 중요합니다.
2. Positive edge triggered D Flip-flop 회로 결선

Positive edge triggered D Flip-flop 회로는 클럭 신호의 상승 에지에 동기화되어 동작합니다. 입력 D 신호는 클럭 신호의 상승 에지에 맞춰 출력 Q로 전달됩니다. 이 회로는 데이터 저장 및 전달, 시퀀싱, 타이밍 제어 등 다양한 디지털 회로에 사용됩니다. 회로 결선 시 클럭 신호, 데이터 입력 D, 출력 Q, 보조 출력 Q_bar 등의 연결이 중요합니다. 또한 플립플롭의 동작 특성상 데이터 입력 변화 시점과 클럭 신호 상승 에지 사이의 타이밍 관계가 중요하므로, 이를 고려하여 회로를 설계해야 합니다. 적절한 회로 결선과 타이밍 설계를 통해 Positive edge triggered D Flip-flop 회로를 안정적으로 구현할 수 있습니다.
3. 비동기식 십진 카운터 동작 원리

비동기식 십진 카운터는 각 비트 단위로 독립적으로 동작하는 특징이 있습니다. 입력 클럭 신호가 들어오면 최하위 비트부터 순차적으로 상태 변화가 일어나며, 상위 비트로 전달됩니다. 이 과정에서 상태 변화가 비동기적으로 발생하므로 글리치 현상이 나타날 수 있습니다. 하지만 구현이 간단하고 속도가 빠르다는 장점이 있습니다. 비동기식 십진 카운터는 주로 고속 디지털 회로, 타이밍 생성 회로 등에 사용됩니다. 설계 시 글리치 현상을 최소화하기 위해 적절한 논리 게이트 사용, 레이아웃 설계 등의 고려가 필요합니다. 또한 응용 분야에 따라 동기식 카운터와 비교하여 최적의 카운터 방식을 선택해야 합니다.
4. 동기식 십진 카운터 동작 원리

동기식 십진 카운터는 모든 비트가 클럭 신호에 동기화되어 동작합니다. 입력 클럭 신호의 상승 에지에 맞춰 모든 비트가 동시에 상태 변화를 일으키므로 안정적인 동작이 가능합니다. 하지만 비동기식 카운터에 비해 속도가 상대적으로 느리다는 단점이 있습니다. 동기식 십진 카운터는 주로 안정성이 중요한 응용 분야, 예를 들어 디지털 신호 처리, 제어 시스템 등에 사용됩니다. 설계 시 클럭 신호의 타이밍, 논리 게이트 지연 등을 고려해야 하며, 안정적인 동작을 위해 적절한 설계 기법을 적용해야 합니다. 또한 응용 분야에 따라 비동기식 카운터와 비교하여 최적의 카운터 방식을 선택하는 것이 중요합니다.

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