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 Di).
|
|
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.