11 ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТНЫЕ УСТРОЙСТВА
4.2. Счетчики
Счетчиками называются устройства для счета числа импульсов. Каждый счетчик представляет собой схему, для которой установлена связь между числом поступивших на вход импульсов и кодовой комбинацией, появившейся на выходах. Если число различных комбинаций выходных переменных, определяющих состояние схемы, равно n , то с помощью счетчика можно считать число импульсов в диапазоне от 0 до (n −1) . Количество различных состояний схемы определяет модуль счета.
Взаимосвязь между числом входных импульсов и входным кодом может быть произвольной. На практике выбирают такой способ кодирования, при котором обеспечивается удобство и простота выполнения различных операций с выходными кодовыми словами. Наиболее распространенным является двоичное кодирование, при котором число импульсов отображается в двоичном коде. При этом возможны различные направления счета. Например, после каждого входного импульса выходное число увеличивается на единицу. Такой счетчик, ведущий прямой счет, называется суммирующим. Вычитающий счетчик производит обратный счет. Число, представляемое выходным кодом этого счетчика, уменьшается на единицу после каждого входного импульса. Реверсивный счетчик может работать в режимах прямого и обратного счета.
Схемы счетчиков создаются на базе триггеров. JK-триггер при J=K=1 представляет собой простейшую счетную схему, имеющую два состояния (рис. 2.18 [1]). Из одного состояния в другое она переходит под действием входного импульса. Ее модуль счета равен двум. Увеличение модуля счета может быть достигнуто объединением нужного числа триггеров в единую систему. Различные счетчики отличаются друг от друга главным образом способом связей между триггерами.
4.2.1. Асинхронный двоичный счетчик
Вдвоичном счетчике число поступивших импульсов отображается
вдвоичном коде. Взаимосвязь между числом импульсов n и кодовыми
комбинациями Q3 −Q0 выходных переменных для суммирующего счетчика с модулем 16 приведена в таблице 4.2.
Анализ таблицы позволяет отметить следующее:
−переменная Q0 меняет свое значение после каждого входного импульса:
12
−переменная Qi ( i ≥1) меняет свое значение тогда, когда переменная в соседнем младшем разряде Qi−1 переходит из единичного состояния в нулевое.
Таблица 4.2
Таблица состояний 4-разрядного двоичного суммирующего счетчика
n |
Q3 |
Q2 |
Q1 |
Q0 |
|
23 |
22 |
21 |
20 |
||
|
|||||
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
|
2 |
0 |
0 |
1 |
0 |
|
3 |
0 |
0 |
1 |
1 |
|
4 |
0 |
1 |
0 |
0 |
|
5 |
0 |
1 |
0 |
1 |
|
6 |
0 |
1 |
1 |
0 |
|
7 |
0 |
1 |
1 |
1 |
|
8 |
1 |
0 |
0 |
0 |
|
9 |
1 |
0 |
0 |
1 |
|
10 |
1 |
0 |
1 |
0 |
|
11 |
1 |
0 |
1 |
1 |
|
12 |
1 |
1 |
0 |
0 |
|
13 |
1 |
1 |
0 |
1 |
|
14 |
1 |
1 |
1 |
0 |
|
15 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
16 |
0 |
0 |
0 |
0 |
Эти закономерности реализованы в схеме, показанной на рис.4.7. JK-триггер типа M-S работает так, как показано на рис. 2.18 [1], т.е. срабатывает по срезу каждого импульса C . Следующий триггер
переключается по отрицательному перепаду выхода Q0 . и т.д. (рис. 4.7 б).
До 15-го импульса счет проходит в соответствии с таблицей. После каждого 16-го импульса на всех выходах устанавливаются нули, и счетчик возвращается в исходное состояние. Но при этом отрицательный перепад
Q3 мог бы привести к переключению младшего триггера счетчика
следующей ступени, т.е. произошел бы перенос единицы в разряд счетчика с весовым коэффициентом 24=16.
ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ. ЧАСТЬ 2
13 ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТНЫЕ УСТРОЙСТВА
Рис. 4.7. 4-х разрядный двоичный асинхронный счетчик: а – схема, б, в – временные диаграммы
После каждого импульса кодовая комбинация Q3 −Q0 представляет
собой число поступивших импульсов в двоичной форме. Выходной код можно подавать в другие устройства для дальнейшей обработки или, например, преобразовать его с помощью дешифратора в код индикатора для отображения числа импульсов. Счетчик может использоваться и в
качестве делителя частоты. Например, на выходе Q3 частота импульсов в 16 раз меньше частоты входного сигнала.
14
Если после некоторого импульса изменяется несколько разрядов кода, то переключение соответствующих триггеров в схеме рис. 4.7а происходит последовательно во времени. Например, по срезу 8-го
импульса с задержкой t р происходит переключение T0 , по срезу Q0 с
задержкой t р переключается T1 и т.д. (рис. 4.7в). Поэтому счетчики,
собранные по схеме рис. 4.7а, называются асинхронными, или последовательными. Неодновременное переключение триггеров из-за покаскадной задержки распространения переноса по цепочке триггеров приводит к ограничению частоты счета. В многоразрядных счетчиках последний триггер может не успеть переключиться до прихода следующего импульса. Поэтому период следования входных импульсов должен превышать время задержки распространения переноса в счетчике. Если счетчик используется только для деления частоты, то неодновременное переключение триггеров не является недостатком. В этом случае предельная частота входных импульсов будет определяться только граничной частотой первого триггера.
Для построения вычитающего счетчика, работающего в режиме обратного счета, нужно использовать закономерности табл. 4.3:
−переменная Q0 меняет свое значение после каждого входного импульса;
−переменная Qi ( i ≥1) меняет свое значение тогда, когда переменная в соседнем младшем разряде Qi−1 переходит из нулевого состояния в единичное.
Схема рис. 4.7а превратится в вычитающий счетчик, если триггеры типа M-S, срабатывающие по срезу тактовых импульсов, заменить на триггеры, переключающиеся по фронту. Для этого достаточно эти входы подключить к инверсным входам предыдущих триггеров.
ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ. ЧАСТЬ 2
15 ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТНЫЕ УСТРОЙСТВА
Таблица 4.3
Таблица состояний 4-разрядного двоичного вычитающего счетчика
n |
Q3 |
Q2 |
Q1 |
Q0 |
|
23 |
22 |
21 |
20 |
||
|
|||||
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
|
2 |
1 |
1 |
0 |
1 |
|
3 |
1 |
1 |
0 |
0 |
|
4 |
1 |
0 |
1 |
1 |
|
5 |
1 |
0 |
1 |
0 |
|
6 |
1 |
0 |
0 |
1 |
|
7 |
1 |
0 |
0 |
0 |
|
8 |
0 |
1 |
1 |
1 |
|
9 |
0 |
1 |
1 |
0 |
|
10 |
0 |
1 |
0 |
1 |
|
11 |
0 |
1 |
0 |
0 |
|
12 |
0 |
0 |
1 |
1 |
|
13 |
0 |
0 |
1 |
0 |
|
14 |
0 |
0 |
0 |
1 |
|
15 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
16 |
1 |
1 |
1 |
1 |
Пример ИС:
К155ИЕ5 – 4–разрядный двоичный асинхронный суммирующий счетчик (рис.4.8).
ИС содержит 4 JK-триггера типа M-S с логикой 2И на входах сброса. В режиме счета хотя бы один из входов R0 должен иметь нулевой
уровень, для сброса (установки счетчика в нулевое состояние) на обоих входах должен быть единичный уровень. Три триггера, включенных последовательно, образуют 3-разрядный счетчик. Для получения 4-разрядного счетчика необходимо с помощью внешней коммутации
подключить Q0 к C2 (или Q3 к C1 , тогда Q0 будет выходом старшего разряда, а C2 - счетным входом схемы).