Счетчики и пересчетные устройства

Понятие «счетчик» является очень широким. К счетчикам относят автоматы, которые под действием входных импульсов переходят из одного состояния в другое, фиксируя тем самым число поступивших на их вход импульсов в том или ином коде.

Счетчиком называют функциональный узел, который осуществляет счет числа поступающих не его вход импульсов и формирует результат счета в заданном коде.

Счетчик характеризуется модулем счета М (емкостью). Модуль определяет число возможных состояний счетчика. После поступления на счетчик М входных сигналов начинается новый цикл, повторяющий предыдущий.

Счетчики можно классифицировать по ряду признаков.

По способу кодирования внутренних состояний различают двоичные счетчики, счетчики Джонсона, счетчики с кодом «1 из N» и др.

В зависимости от направления счета различают суммирующие (с прямым счетом), вычитающие (с обратным счетом) и реверсивные (как с прямым, так и обратным счетом, т.е. с изменением направления счета) счетчики.

По принадлежности к тому или иному классу автоматов различают синхронные или асинхронные счетчики.

Счетчики строятся из разрядных схем, имеющих межразрядные связи. По способу организации межразрядных связей различают счетчики с последовательным, параллельным и комбинированным (последовательно-параллельным) переносом.

Функционально счетчики строятся в виде совокупности Т-триггеров, соответствующим образом соединенных между собой. Двоичные счетчики могут быть построены и на синхронных или двухступенчатых D-триггерах и JK-триггерах, предварительно преобразованных в Т-триггеры.

К основным параметрам двоичного счетчика относятся:

1) модуль счета или емкость счетчика (К) – максимальное число импульсов, которое может быть подсчитано счетчиком;

2) разрешающая способность или минимальное время следования (t _сл) – временной интервал между двумя счетными импульсами, при котором не нарушается надежная работа счетчика. Этот параметр определяет максимально допустимую частоту следования счетных импульсов;

3) время регистрации (t _p) – временной интервал между началом подачи счетного импульса и моментом установления результата счета, т.е. окончания самого длительного переходного процесса в счетчике.

Суммирующие двоичные счетчики. На рис. 30 приведена схема и временные диаграммы, поясняющие работу четырехразрядного суммирующего двоичного счетчика с цепями последовательного переноса (инверсный выход i -го разряда (триггера) соединен с входом (i +1)-го разряда). Счетчик построен на D-триггерах, тактируемых фронтом синхроимпульса, преобразованных в асинхронные Т-триггеры (инверсный выход триггера соединен с информационным входом D_i).

Рис. 30

Входом счетчика служит вход крайнего левого триггера (Т₀), двоичный код результата счета формируется на выходах триггеров Q ₀, Q ₁, Q ₂, Q ₃ (Q ₀ – младший, а Q ₃ – старший разряды результата счета). Емкость рассматриваемого счетчика К = 2⁴ = 16, поэтому максимальное показание счетчика, соответствующее подаче на его вход 15 счетных импульсов Q ₃ Q ₂ Q ₁ Q ₀ = 1111₍₂₎ = 15₍₁₀₎. 16-й счетный импульс устанавливает все триггеры в исходное (нулевое) состояние, следовательно, шина “сброс” (установка “0”) необходима лишь в начале работы счетчика. Так как после подачи каждого очередного входного импульса Т-триггер переходит в противоположное состояние, период следования импульсов на выходах каждого разряда в два раза больше, чем на его входе. В любой момент времени состояние счетчика (триггеров его образующих) однозначно определяет число импульсов, поступивших на его вход. Так, например, после поступления на вход счетчика 3-х счетных импульсов триггеры (разряды) счетчика перейдут в состояния Q ₃ = 0, Q ₂ = 0, Q ₁ = 1, Q ₀ = 1, т.е. результат счета 0011, после 7-го счетного импульса – 0111 и т.д.

Вычитающие счетчики (счетчики обратного счета). На рис. 31 приведена схема асинхронного трехразрядного двоичного вычитающего счетчика, построенного на базе D-триггеров. Отметим, что условия для изменения состояний триггеров вычитающих счетчиков аналогичны условиям для суммирующих счетчиков с той лишь разницей, что они должны “опираться” на значения инверсных, а не прямых выходов триггеров. Следовательно, рассмотренный выше счетчик можно превратить в вычитающий, просто переключив входы С триггеров с выходов Q на выходы. Когда в качестве разрядных триггеров используются D-триггеры, синхронизируемые передним фронтом синхроимпульсов, для получения вычитающего счетчика (асинхронного) входы С последующих триггеров соединяются с прямыми выходами предыдущих, также как в счетчике прямого счета, построенного на JK-триггерах.

Рис. 31

Работа вычитающего счетчика на D-триггерах наглядно иллюстрирована на рис. 31, из которого следует, что после нулевого состояния всех триггеров, с приходом первого синхроимпульса они устанавливаются в состояние “1”. Поступление второго синхроимпульса приводит к уменьшению этого числа на одну единицу и т.д. После поступления восьмого импульса, снова, все триггеры обнуляются и цикл счета повторяется, что соответствует модулю М = 8.

В некоторых случаях необходимо, чтобы счетчик мог работать как в прямом, так и в обратном направлении счета. Такие счетчики называются реверсивными. Реверсивные счетчики могут быть как асинхронного, так и синхронного типа. Они строятся путем применения логических коммутаторов (мультиплексоров) в цепях связи между триггерами. Так, например, асинхронный реверсивный двоичный счетчик можно построить, если обеспечить подачу сигналов с прямого (при суммировании) или с инверсного (при вычитании) выхода предыдущего JK- или Т-триггера на счетный вход последующего. В случае, когда реверсивный счетчик строится на базе D-триггеров, управляемых передним фронтом, для получения режима прямого счета следует соединить инверсный выход предыдущего со счетным входом последующего триггера.

Рассмотренные типы счетчиков могут быть использованы в цифровых устройствах небольшого быстродействия, когда частота следования синхроимпульсов не превышает критического значения, при котором время задержки установки триггеров последних (старших) разрядов счетчика становится соизмеримым с длительностью периода входных тактовых импульсов. В связи с этим, асинхронные счетчики строятся на относительно небольшое количество разрядов, так как при большем количестве разрядов выходные сигналы триггеров старших разрядов появляются позднее, чем управляющие фронты синхроимпульсов (поступающих на вход первого триггера).

Счетчики с произвольным значением модуля счета. Последовательное соединение n триггеров позволяет построить суммирующий или вычитающий счетчик со значением модуля счета К = 2 ⁿ. Часто возникает необходимость построить счетчик, модуль счета которого не равен целой степени основания 2, т.е. К ¹ 2 ⁿ.

На рис. 32 приведен пример схемной реализации суммирующего счетчика с К =10 (декадного счетчика).

Рис. 32

При поступлении на вход счетчика девяти счетных импульсов он переходит в состояние Q ₃ Q ₂ Q ₁ Q ₀ = 1001 и на два входа ЛЭ 3И поступают уровни логической единицы, а после прихода десятого счетного импульса этим ЛЭ формируется импульс переноса и сигнал, устанавливающий все триггеры в исходное (нулевое) состояние. При любых других состояниях Q ₃ Q ₂ Q ₁ Q ₀ (при счете до 10 включительно) ЛЭ 3И не оказывает влияния на функционирование счетчика, и он работает в обычном режиме суммирования.