Счетчики импульсов

•Счетчик импульсов представляет собой последовательностное устройство – цифровой автомат, который последовательно переходит из одного состояния в другое при поступлении на его вход счетных импульсов. Состояния счетчика определяются количеством поступивших на его вход импульсов.

•Счетчики импульсов могут иметь дополнительные входы предварительной установки его в какое-либо исходное состояние, например вход асинхронного сброса R (Reset) и вход асинхронной параллельной загрузки кода. Счетчики строятся на триггерах. Простейшим счетчиком является Т-триггер, который при подаче двух импульсов на его вход T возвращается в исходное состояние. В общем случае счетчик состоит из m триггеров.

•Чаще всего двоичный код Q = (q1, q2, …, qm), зафиксированный в счетчике, определяется количеством n поступивших входных импульсов. Состояние счетчика определяется двоичным кодом Q, зафиксированным на триггерах счетчика. Правила работы счетчика, т.е. порядок изменения кода Q при подаче каждого очередного входного импульса, задаются в виде таблицы или графа переключения счетчика.

•Важнейший параметр счетчика – коэффициент счета Kсч (модуль счета Mсч). Это количество возможных состояний счетчика. Или количество поступивших на вход счетчика импульсов, после которого счетчик снова переходит в исходное состояние. Другие важные параметры:

oвремя установки кода tуст - интервал времени между поступлением на вход счетчика очередного счетного импульса и моментом завершения перехода счетчика в новое состояние;

oмаксимальная частота входных сигналов FMAX = 1 / tуст.

Счетчики импульсов

Классификация счетчиков.

По порядку счета:

oс естественным порядком счета – новое состояние Q(n+1) отличается от предыдущего Q(n) на +/- 1;

oс произвольным порядком счета.

По направлению счета (для счетчиков с естественным порядком счета:

oсуммирующие счетчики: Q(n+1) = Q(n) + 1 ;

oвычитающие счетчики: Q(n+1) = Q(n) – 1;

oреверсивные счетчики – в зависимости от управляющих сигналов могут работать и как суммирующие, и как вычитающие.

Счетчики импульсов

• По коэффициенту счета:

oдвоичные – Kсч = 2m;

oнедвоичные – Kсч < 2m;

oдвоично-десятичные – Kсч = 10. Это частный случай недвоичного счетчика.

•По способу организации межразрядного переноса:

oсчетчики с последовательным переносом. В них i-й триггер счетчика переключается выходным сигналом (i-1)-го триггера. Переключение триггеров в новое состояние происходит последовательно, от младшего разряда к старшему;

oсчетчики с параллельным переносом. В них входной импульс воздействует на все триггеры счетчика одновременно. Кроме того, на триггеры подаются и дополнительные управляющие сигналы, формируемые в зависимости от текущего состояния счетчика, которые заставляют все триггеры счетчика одновременно переключиться в новое состояние;

oсчетчики с групповым переносом (или с параллельно-последовательным переносом). Счетчик состоит из нескольких групп триггеров, при этом в пределах группы реализуется параллельный перенос, а между группами - последовательный.

•Счётчики входят в состав разнообразных цифровых устройств: электронных часов, делителей частоты, распределителей импульсов, вычислительных и управляющих устройств. Выпускаемые промышленностью интегральные счётчики представляют собой схемы средней интеграции (например, микросхемы серий К155, К176 и др.).

Счетчики импульсов

•Двоичные счетчики с последовательным переносом основаны на последовательном соединении Т-триггеров, которые могут быть реализованы на D-триггерах или на JK-триггерах. Таблица состояний суммирующего и вычитающего счетчиков с коэффициентом счета, равным 8:

Символом “ “ обозначены межразрядные переносы

Как видно из табл. 3.1, суммирующий и вычитающий двоичные счетчики отличаются только формированием сигнала переноса. Для суммирующего счетчика переключение триггера старшего разряда происходит при изменении состояния триггера младшего разряда из «1» в «0», а для вычитающего счетчика - при изменении состояния из «0» в «1».

Счетчики импульсов

•Трехразрядный двоичный счетчик представлен тремя делителями частоты на 2, соединенными последовательно. На предыдущих схемах они синхронизируются фронтом импульса C. Если же синхронизация делителей осуществляется срезом импульса C, то суммирующий счетчик становится вычитающим и наоборот.

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

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

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 T-входам триггеров DD2, DD3, а ЛЭ «НЕ» на DD6 — раздельную работу этих цепей.

Счетчики импульсов

•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 импульса.

•При установочном сигнале R = 0 все триггеры устанавливаются в ноль, в результате чего на выходах счетчика будем иметь Q2 = Q1 = Q0 = 0. В течение времени действия сигнала R = 0 счетчик не будет реагировать на входные импульсы.

•При установочном сигнале R = 1 происходит работа счетчика.

•При сигнале лог.1 на входе U / D прямые выходы Q0 и Q1 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.

•При сигнале лог.0 на входе U / D с помощью ЛЭ «И» DD4.1 и DD4.3 отключается цепь передачи переносов режима сложения. В то же время лог.1 с выхода ЛЭ «НЕ» DD6 инверсные выходы Q0 и Q1 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.

•Недостаток двоичных счетчиков с последовательным переносом: время установки кода tуст пропорционально количеству разрядов m счетчика. Если каждый триггер обладает задержкой To, то

tуст = m * To.

•Для уменьшения времени установки кода счетчика используются методы параллельного и группового переноса между триггерами счетчика.

Счетчики импульсов

•Счетчики с параллельным переносом бывают как двоичные, так и недвоичные, принципы их построения одинаковы. Чаще всего они реализуются на синхронных JK-триггерах, при этом входные импульсы подаются одновременно на входы синхронизации всех триггеров. Этим обеспечивается одновременное переключение всех триггеров счетчика.

Для примера показан двухразрядный счетчик. На информационные входы J и K триггеров подаются управляющие сигналы, которые формируются комбинационными схемами КС1 и КС2 (рис. 3.2) в соответствии с текущим состоянием счетчика. Эти сигналы обеспечивают установку счетчика в следующее состояние. Синтез счетчика с параллельным переносом сводится к синтезу комбинационных схем КС, которые и обеспечивают функционирование счетчика в соответствии с заданной таблицей переходов. Для синтеза счетчиков применяется следующая методика, которая иллюстрируется синтезом суммирующего счетчика с коэффициентом счета 5.

1. Определяют необходимое для реализации счетчика количество триггеров m (для примера m=3).