Цифровые счетчики импульсов

Цифровым счетчиком (англ. Counter) импульсов называется устройство, предназначенное для счета числа входных импульсов и фиксирующее это число в двоичном коде.

Счетчики строятся на основе триггеров, поэтому счет импульсов ведется в двоичной системе счисления.

Основными параметрами счетчика являются разрядность п и коэффициент (модуль) счета К_сч. Разрядность п определяется числом двоичных разрядов счетчика, а коэффициент счета К_сч — общим числом комбинаций, которые могут появиться на его выходе.

Максимальное число, которое может зарегистрировать счетчик, определяется выражением N_max = К_сч — 1, так как в одном из тактов счетчик принимает нулевое состояние.

Классификация. По коэффициенту счета счетчики подразделяются на двоичные, двоично-десятичные и с произвольным коэффициентом счета.

К двоичным относятся счетчики, у которых коэффициент счета определяется соотношением К_сч = 2^п (где п — число разрядов счетчика).

К двоично-десятичным относятся счетчики, у которых коэффициент счета К_сч = 10¹ (где I — число декад в счетчике).

По направлению счета (по характеру производимой арифметической операции) счетчики делятся на суммирующие, вычитающие и реверсивные.

Если при поступлении на вход очередного активного уровня сигнала его содержимое увеличивается на единицу, то такой счетчик называется суммирующим, а если уменьшается на единицу — вычитающим.

Реверсивный счетчик допускает в процессе работы переключение из режима суммирования в режим вычитания и наоборот.

По способу подачи счетных импульсов различают счетчики синхронные (параллельные) и асинхронные.

Счетчик называют синхронным, если состояния всех его выходов устанавливаются в определенные моменты времени, определяемые импульсами синхронизации. У асинхронных счетчиков состояния могут устанавливаться с некоторой задержкой друг относительно друга.

По способу передачи сигналов переноса различают счетчики параллельного, сквозного, последовательного и смешанного типов.

Асинхронный суммирующий двоичный счетчик. В суммирующем счетчике поступление на вход очередного импульса вызывает увеличение на единицу хранимого в счетчике числа. В результате в счетчике устанавливается число, которое получается путем суммирования предыдущего значения с единицей. Это суммирование производится по правилам арифметического сложения в двоичной системе счисления.

На рис. 11.35, а приведена схема четырехразрядного асинхронного суммирующего двоичного счетчика.

Счетчик состоит из последовательно соединенных Т-триггеров DD1. .DD4. Прямой выход Q предыдущего триггера подключен к Т-входу последующего. Для построения четырехразрядного счетчика используется четыре Т-триггера с динамическим управлением по срезу. Входные импульсы подаются на счетный вход первого триггера. Прямые выходы триггеров Q₀, Q_l5 Q₂, Q₃ представляют собой выходы счетчика. Каждый выход счетчика представляет собой разряд двоичного кода. Причем выход Q₀ является младшим разрядом счетчика, а выход Q₃ — старшим. Счет числа входных импульсов ведется в двоичной системе счисления.

Триггеры имеют асинхронные инверсные R-входы предварительной установки, которые объединены и представляют собой общий вход R счетчика.

На рис. 11.35, в приведены временные диаграммы, поясняющие работу асинхронного суммирующего двоичного счетчика.

При установочном сигнале R = 0 все триггеры устанавливаются в исходное состояние (сбрасываются). В результате счетчик будет находиться в состоянии сброса, и на выходах счетчика будем иметь Q₃ = = Q2 ⁼ Qi = Qo = 0- Это состояние будет длиться сколь угодно долго, пока на входе R присутствует лог.О. В течение всего этого времени счетчик не будет реагировать на входные импульсы.

При установочном сигнале R = 1 происходит работа счетчика, которая заключается в следующем.

Срезом каждого входного импульса переключается первый триггер DD 1. Срезом импульса с выхода Q₀ первого триггера DD 1 переключается второй триггер DD2. Срез импульса с выхода Q₃ второго триггера DD2 вызывает переключение третьего триггера DD3. И, наконец, срезом импульса с выхода Q₂ третьего триггера DD3 переключается четвертый триггер DD4.

Рис. 11.35. Асинхронный суммирующий двоичный счетчик:

а — схема; б — условное обозначение; в — временные диаграммы работы При поступлении среза 16-го импульса счетчик автоматически обнуляется (переполняется), т. е. на его выходах устанавливается Q₃ = Q₂ = = Qi ⁼ Qo ⁼ 0.

Из анализа временных диаграмм построим таблицу переходов (табл. 11.22) суммирующего двоичного счетчика.

Из табл. 11.22 видно, что десятичный эквивалент двоичного кода на выходах счетчика представляет собой количество поступивших на его счетный вход импульсов.

Например, при приходе на вход счетчика среза 9-го импульса на его выходах установится двоичный код 1001, десятинный эквивалент которого будет равен подсчитанному количеству импульсов:

Коэффициент счета данного четырехразрядного двоичного счетчика будет равен К_сч = 2^П = 2⁴ = 16, а максимальное число, подсчитанных импульсов — iV_max = К_сч — 1 = 16 — 1 = 15.

После записи максимального числа счетчик автоматически обнуляется и при дальнейшем поступлении на вход импульсов начинается новый цикл счета. Следует отметить, что частота повторения выходного сигнала в i-м разряде в 2^г раза меньше частоты входных импульсов (см. рис. 11.35, в). По этой причине суммирующие счетчики часто также применяются в качестве делителей частоты.

Таблица 11.22

Таблица переходов суммирующего двоичного счетчика

Рассмотренный счетчик является асинхронным, так как триггеры срабатывают не одновременно из-за задержек в последовательном распространении сигнала. На временных диаграммах (см. рис. 11.35, в) эти задержки не показаны.

Такие счетчики часто называют счетчиками с последовательным переносом.

На рис. 11.35, б изображено условное обозначение четырехразрядного суммирующего двоичного счетчика.

Вверху основного поля изображено обозначение СТ2, указывающее на то, что это устройство — двоичный счетчик. Счетчик имеет один счетный вход С с динамическим управлением_по срезу и асинхронный инверсный вход предварительной установки R с активным логическим уровнем лог.О. Счетчик — четырехразрядный, так как имеет четыре выхода, обозначенные цифрами 1, 2, 4, 8, представляющими весовые коэффициенты разрядов двоичного кода. На выходах счетчика нет инверсий (кружочков), следовательно, его выходы — прямые.

Асинхронные суммирующие двоичные счетчики входят в состав некоторых ИМС, например, четырехразрядный двоичный счетчик КР1533ИЕ5.

Асинхронный суммирующий двоично-десятичный счетчик. Двоично-десятичным (десятичным) счетчиком называется счетчик с коэффициентом счета К_сч = 10.

Схему двоично-десятичного счетчика можно получить введением в двоичный счетчик дополнительных логических связей, обеспечивающих его работу в соответствии с двоично-десятичным кодом (bcdкодом).

На рис. 11.36, а приведена схема асинхронного суммирующего двоично-десятичного счетчика.

Схема состоит из двоичного счетчика на Т-триггерах DD1… DD4 (см. рис. 11.36, а) и ЛЭ «И» на DD5 и «ИЛИ-HE» на DD6, обеспечивающих дополнительные логические связи. Входы ЛЭ «И» на DD5 подключены к выходам триггеров на DD2 и DD4, т. е. к выходам счетчика Q₂ и Q₃ соответственно. Один вход ЛЭ «ИЛИ-HE» на DD6 подключен к выходу ЛЭ DD5, а другой — является внешним входом установки R. При этом выход ЛЭ DD6 соединен с входами R предварительной установки всех триггеров.

На рис. 11.36, в приведены временные диаграммы, поясняющие работу асинхронного суммирующего двоично-десятичного счетчика.

При установочном сигнале R = 0 все триггеры устанавливаются в исходное состояние (сбрасываются) и на выходах счетчика устанавливается Q₃ = Q₂ = Qi = Qo = 0. В течение всего этого времени счетчик не будет реагировать на входные импульсы.

При установочном сигнале R = 1 происходит работа счетчика, которая заключается в следующем. До прихода на вход счетчика 10-го импульса (среза) счетчик работает как асинхронный суммирующий двоичный счетчик (см. рис. 11.36, в). При поступлении на его вход среза 10-го импульса выходы устанавливаются в состояние Q₃ = 1, Q₂ = О, Q_x = 1, Q₀ = 0, что соответствует двоичному коду 1010. Лог.1 на выходах Q₃ и Q_x поступают на входы ЛЭ DD5 и устанавливают на его выходе также лог.1. Лог.1 с выхода ЛЭ DD5 поступает на один из входов ЛЭ DD6, что приводит к появлению на его выходе лог. О, который является активным для входов предварительной установки R Т-триггеров DD1…DD4. В результате триггеры сбрасываются, и на выходах счетчика устанавливается.

Q.3 ⁼ Q2 ⁼ Qi ⁼ Qo ⁼ О;

Таким образом, при поступлении среза 10-го импульса появление лог.1 на выходе Qj совместно с лог.1 выходе Q₃ приводит к обнулению счетчика, т. е. на выходах устанавливается Q₃ = Q₂ = Qi = Qo = 0.

Счетчик также можно сбросить внешним сигналом лог.1 на входе R, появление которого на входе ЛЭ DD6 приводит к появлению на его выходе лог. О и сбросу триггеров.

Puc. 11.36. Асинхронный суммирующий двоично-десятичный счетчик:

а — схема; б — условное обозначение; в — временные диаграммы работы Из анализа временных диаграмм построим таблицу переходов (табл. 11.23) суммирующего двоичного счетчика.

Из табл. 11.23 видно, что десятичный эквивалент двоичного кода на выходах счетчика представляет собой количество поступивших на его счетный вход импульсов.

Коэффициент счета данного двоично-десятичного счетчика в соответствии с количеством состояний его выходов будет равен К_сч = 10, а максимальное число, подсчитанных импульсов — IV_max = К_сч — 1 = 10 — -1 = 9.

После записи максимального числа счетчик автоматически обнуляется и при дальнейшем поступлении на вход импульсов начинается новый цикл счета.

Рассмотренный счетчик, также как предыдущий двоичный, является асинхронным. На временных диаграммах (рис. 11.36, в) не учтены задержки в распространении сигнала.

На рис. 11.36, б изображено условное обозначение четырехразрядного суммирующего двоичного счетчика.

Вверху основного поля изображено обозначение СТ2/10, указывающее на то, что это устройство — двоично-десятичный счетчик. Счетчик имеет один счетный вход С с динамическим управлением по срезу и асинхронный прямой вход предварительной установки R с активным логическим уровнем лог.1. Счетчик — четырехразрядный, так как имеет четыре выхода, обозначенные цифрами 1, 2, 4, 8, представляющими весовые коэффициенты разрядов двоичного кода. На выходах счетчика нет инверсий (кружочков), следовательно, его выходы — прямые.

Таблица 71.23

Таблица переходов суммирующего двоично-десятичного счетчика

Двоично-десятичные счетчики находят широкое применение в тех случаях, когда число поступающих импульсов необходимо представлять в привычной для человека десятичной системе счисления. Например, если к выходам счетчика подключить преобразователь кода семисегментного индикатора, а к нему индикатор, то на индикаторе можно получать изображение десятичных цифр, соответствующих количеству импульсов, подсчитанных счетчиком.

Асинхронные суммирующие двоично-десятичные счетчики входят в состав некоторых ИМС, например, четырехразрядный двоичный счетчик КР1533ИЕ2.

Синхронные (параллельные) счетчики характеризуются тем, что все их разряды переключаются одновременно, т. е. параллельно. Это достигается существенным усложнением схемы счетчика по сравнению с асинхронными счетчиками. В результате полная задержка переключения синхронного счетчика примерно равна задержке одного триггера, т. е. синхронные счетчики гораздо быстрее асинхронных.

Для построения вычитающего счетчика инверсный выход предыдущего триггера подключен к Т-входу последующего. Входные импульсы подаются на вход Г первого триггера, а прямые выходы триггеров представляют собой выходы счетчика.

Вычитающие двоичные счетчики не выпускаются в виде отдельных ИМС, а являются одним из режимов работы реверсивных счетчиков.

Реверсивный двоичный счетчик. Реверсивный счетчик допускает в процессе работы переключение из режима суммирования в режим вычитания и наоборот.

На рис. 11.37, а приведена схема трехразрядного асинхронного реверсивного двоичного счетчика.

Схема счетчика содержит три Т-триггера DD1…DD3 с динамическим управлением по срезу и асинхронными инверсными входами предварительной установки R. В схеме предусмотрены две цепи передачи переносов, одна из которых соответствует схеме суммирующего счетчика (ЛЭ «И» на DD4.1, DD4.3), другая — схеме вычитающего счетчика (ЛЭ «И» на DD4.2, DD4.4). ЛЭ «ИЛИ» на DD5.1, DD5.2 обеспечивают подключение той или иной цепи передачи переносов к Г-входам триггеров DD2, DD3, а ЛЭ «НЕ» на DD6 — раздельную работу этих цепей.

Счетчик имеет вход управления U / D (от англ. t/p_ — вверх, Down — вниз) для задания направления счета. Асинхронные R-входы предварительной установки всех триггеров также объединены и представляют собой соответственно общий вход установки R счетчика. Счетные импульсы поступают на вход С счетчика и счет ведется по срезу.

При установочном сигнале R = 0 все триггеры устанавливаются в ноль, в результате чего на выходах счетчика будем иметь Q₂ = Qi = Q₀ = 0. В течение этого времени счетчик не будет реагировать на входные импульсы.

При установочном сигнале R = 1 происходит работа счетчика, которая заключается в следующем.

Рис. 11.37. Реверсивный двоичный счетчик:

а — схема; б — условное обозначение К561ИЕ11.

При сигнале лог.1 на входе U / D прямые выходы Q₀ и Q_x триггеров DD1 и DD2 соответственно подключаются с помощью ЛЭ «И» DD4.1 и DD4.3 к соответствующим Т-входам триггеров DD2 и DD3, и счетчик работает в режиме суммирования. При этом с помощью ЛЭ «И» DD4.2 и DD4.4 отключена цепь передачи переносов режима вычитания, так как на одном из входов этих ЛЭ присутствует лог. О с выхода ЛЭ «НЕ» DD6.

При сигнале лог. О на входе U / D с помощью ЛЭ «И» DD4.1 и DD4.3 отключается цепь передачи переносов режима сложения, так как на одном из входов этих ЛЭ присутствует лог.О. В то же время лог.1 с выхода ЛЭ «НЕ» DD6 инверсные выходы Q₀ и Q_: триггеров DD1 и DD2 соответственно подключаются с помощью ЛЭ «И» DD4.2 и DD4.4 к соответствующим Т-входам триггеров DD2 и DD3, и счетчик работает в режиме вычитания.

Рассмотренный счетчик является асинхронным, так как имеет последовательный перенос.

Следует отметить, что в режиме суммирования при приходе на вход среза очередного импульса из состояния 111 выходов Q₂QiQo счетчик перейдет в состояние 000, а в режиме вычитания — из состояния 000 счетчик перейдет в состояние 111.

На рис. 11.37, б приведено условное обозначение четырехразрядного реверсивного двоичного счетчика с параллельным переносом на ИМС К561ИЕ11.

Вверху основного поля изображено обозначение СТ2, указывающее на то, что это устройство — двоичный счетчик. Знак <-" означает, что счетчик реверсивный.

Счетчик имеет один счетный вход С с динамическим управлением по фронту, вход управления ±1 (U/D), асинхронный прямой вход предварительной установки R (сброс), инверсный вход разрешения V, четыре прямых входа предварительной установки D0… D3, прямой вход разрешения записи WR, четыре прямых выхода 1, 2, 4, 8 и инверсный выход переноса Р(переполнения).

Режимы работы счетчика приведены в табл. 11.24.

Режимы работы счетчика К561ИЕ11

Таблица 11.24

При сигнале разрешения V = 1 и сигнале разрешения записи WR = 0 счетчик находится в режиме хранения. При сигналах V = 0 и WR = 0 производится счет импульсов, причем при лог.1 на входе управления.

±1 происходит суммирование поступающих на вход импульсов, а при лог. О — вычитание.

При сигнале разрешения записи WR = 1 происходит параллельный ввод в счетчик данных с входов D0…D3. Эта информация появляется на выходах 1, 2, 4, 8 и сохраняется до начала счета. Для ввода информации с входов D0…D3 используются асинхронные входы S предварительной установки триггеров счетчика, поэтому при WR = 1 счет импульсов не происходит.

Выход переноса Р используется при наращивании счетчиков. Обычное состояние этого выхода Р= 1. Импульс нулевого уровня появляется на нем, когда на выходах 1, 2, 4, 8 устанавливается лог.1 в режиме суммирования и лог. О в режиме вычитания.