2.30 Цифровые счетчики импульсов. Построение счетчика с произвольным коэффициентом счета на основе микросхем ие2 и ие5.

Цифровой счетчик импульсов - это цифровой узел, который осуществляет счет поступающих на его вход импульсов. Результат счета формируется счетчиком в заданном коде и может храниться требуемое время. Счетчики строятся на триггерах, при этом количество импульсов, которое может подсчитать счетчик определяется из выражения N = 2ⁿ - 1, где n - число триггеров, а минус один, потому что в цифровой технике за начало отсчета принимается 0. Счетчики бывают суммирующие, когда счет идет на увеличение, и вычитающие - счет на уменьшение. Если счетчик может переключаться в процессе работы с суммирования на вычитание и наоборот, то он называется реверсивным. Коль счетчики строят на триггерах, посмотрим, как все это работает:

Рис. 2.1 - Схема счетчика с последовательным переносом на Т-триггерах и графики, поясняющие принцип его работы

В качестве исходного состояния принят нулевой уровень на всех выходах триггеров (Q₁ - Q₃), т. е. цифровой код 000. При этом старшим разрядом является выход Q₃. Для перевода всех триггеров в нулевое состояние входы R триггеров объединены и на них подается необходимый уровень напряжения (т. е. импульс, обнуляющий триггеры). По сути это сброс. На вход С поступают тактовые импульсы, которые увеличивают цифровой код на единицу, т. е. после прихода первого импульса первый триггер переключается в состояние 1 (код 001), после прихода второго импульса второй триггер переключается в состояние 1, а первый - в состояние 0 (код 010), потом третий и т. д. В результате подобное устройство может досчитать до 7 (код 111), поскольку 2³ - 1 = 7. Когда на всех выходах триггеров установились единицы, говорят, что счетчик переполнен. После прихода следующего (девятого) импульса счетчик обнулится и начнется все с начала. На графиках изменение состояний триггеров происходит с некоторой задержкой t_з. На третьем разряде задержка уже утроенная. Увеличивающаяся с увеличением числа разрядов задержка является недостатком счетчиков с последовательным переносом, что, несмотря на простоту, ограничивает их применение в устройствах с небольшим числом разрядов.

Счетчики с параллельным переносом

Для повышения быстродействия применяют способ одновременного формирования сигнала переноса для всех разрядов. Достигается это введением элементов И, через которые тактовые импульсы поступают сразу на входы всех разрядов счетчика. Посмотрим на схему:

Рис. 2.2 - Счетчик с параллельным переносом и графики, поясняющие его работу

С первым триггером все понятно. На вход второго триггера тактовый импульс пройдет только тогда, когда на выходе первого триггера будет лог. 1 (особенность схемы И), а на вход третьего - когда на выходах первых двух будет лог. 1 и т. д. Задержка срабатывания на третьем триггере такая же, как и на первом. Такой счетчик называется счетчиком с параллельным переносом. Как видно из схемы, с увеличением числа разрядов увеличивается число лог. элементов И, причем чем выше разряд, тем больше входов у элемента. Это является недостатком таких счетчиков.

Реверсивный счетчик

Описанные выше счетчики однонаправленные и считают на увеличение, однако на практике часто необходимо менять направление счета в процессе работы. Счетчики, которые в процессе работы могут менять направление счета называются реверсивными.

Рис. 2.3 - Реверсивный счетчик

Для счетных импульсов предусмотрены два входа: "+1" - на увеличение, "-1" - на уменьшение. Соответствующий вход (+1 или -1) подключается ко входу С. Это можно сделать схемой ИЛИ, если влепить ее перед первым триггером (выход элемента ко входу первого триггера, входы - к шинам +1 и -1). Непонятная фигня между триггерами (DD2 и DD4) называется элементом И-ИЛИ. Этот элемент составлен из двух элементов И и одного элемента ИЛИ, объединенных в одном корпусе. Сначала входные сигналы на этом элементе логически перемножаются, потом результат логически складывается.

Число входов элемента И-ИЛИ соответствует номеру разряда, т. е. если третий разряд, то три входа, четвертый - четыре и т. д. Логическая схема является двухпозиционным переключателем, управляемым прямым или инверсным выходом предыдущего триггера. При лог. 1 на прямом выходе счетчик отсчитывает импульсы с шины "+1" (если они, конечно, поступает), при лог. 1 на инверсном выходе - с шины "-1". Элементы И (DD6.1 и DD6.2) формируют сигналы переноса. На выходе >7 сигнал формируется при коде 111 (число 7) и наличии тактового импульса на шине +1, на выходе <0 сигнал формируется при коде 000 и наличии тактового импульса на шине -1.

Все это, конечно, интересно, но красивей смотрится в микросхемном исполнении:

Рис. 2.4 Четырехразрядный двоичный счетчик

Вот типичный счетчик с предустановкой. СТ2 означает, что счетчик двоичный, если он десятичный, то ставится СТ10, если двоично-десятичный - СТ2/10. Входы D0 - D3 называются информационными входами и служат для записи в счетчик какого-либо двоичного состояния. Это состояние отобразится на его выходах и от него будет производится начало отсчета. Другими словами, это входы предварительной установки или просто предустановки. Вход V служит для разрешения записи кода по входам D0 - D3, или, как говорят, разрешения предустановки. Этот вход может обозначаться и другими буквами. Предварительная запись в счетчик производится при подаче сигнала разрешения записи в момент прихода импульса на вход С. Вход С тактовый. Сюда запихивают импульсы. Треугольник означает, что счетчик срабатывает по спаду импульса. Если треугольник повернут на 180 градусов, т. е. задницей к букве С, значит он срабатывает по фронту импульса. Вход R служит для обнуления счетчика, т. е. при подаче импульса на этот вход на всех выходах счетчика устанавливаются лог. 0. Вход PI называется входом переноса. Выход p называется выходом переноса. На этом выходе формируется сигнал при переполнении счетчика (когда на всех выходах устанавливаются лог. 1). Этот сигнал можно подать на вход переноса следующего счетчика. Тогда при переполнении первого счетчика второй будет переключаться в следующее состояние. Выходы 1, 2, 4, 8 просто выходы. На них формируется двоичный код, соответствующий числу поступивших на вход счетчика импульсов. Если выводы с кружочками, что бывает намного чаще, значит они инверсные, т. е. вместо лог. 1 подается лог. 0 и наоборот. Более подробно работа счетчиков совместно с другими устройствами будет рассматриваться в дальнейшем. [3]

а	б		в
г		д
Рис. 2.5. Счетчики с Ксч= 10 (а), с Ксч= 6 (б), Ксч= 7 (в), и делитель с Кдел= 7 (г) на базе микросхемы 555ИЕ2; счетчик с Ксч= 16 на микросхеме 555ИЕ5 (д)

Для построения счетчика с произвольным коэффициентом счета используют способ управляемого сброса. Этот способ базируется на организации обратных логических связей, осуществляющих принудительное возвращение счетчика в исходное нулевое состояние. Это происходит после того, как счетчик пройдет число состояний, равное коэффициенту счета. Например, для построения счетчика с К_сч = 6 входы R₀ соединяют с выходами Q₂, Q₃, на которых появляются единицы в момент прихода комбинации 0110 (число 6). При этом почти мгновенно происходит сброс счетчика в нулевое состояние (рис. 2.5, б), а комбинация числа 6 на выходах счетчика не наблюдается. Не всегда количество единиц в коде коэффициента счета равно количеству входов, осуществляющих сброс счетчика. Поэтому, в общем случае счетчик дополняется элементом И, который по состоянию выходов Q_n обнаруживает код конца счета, после чего по цепи R₀ сбрасывает счетчик в нулевое состояние (рис. 2.5, в). Число входов элемента И зависит от кода конца счета. В случаях счетчика с К_сч = 7 это элемент 3И. Достоинством этого способа является естественная двоичная последовательность кодов от 0 до К, что позволяет использовать этот способ для построения счетчиков и делителей.

Когда счетчик работает в роли делителя числа импульсов, последовательность операций счета становится несущественной. Важно, сколько импульсов прошло, прежде чем на выходе появится импульс с частотой в несколько раз меньшей. Тогда организация счетчиков – делителей становится еще проще, в частности делитель с К_дел = 7 можно построить на базе ИМС 555ИЕ2 без дополнительных логических элементов. Для этого нужно соединить выходы Q₂, Q₃ счетчика с установочными входами R₉. При этом комбинация «шестерки» 0110 преобразуется в комбинацию «девятки» 1001, после которой счетчик автоматически сбрасывается в ноль (рис. 2.5, г).

Интегральный счетчик 555ИЕ5 имеет принципиальную схему, аналогичную схеме счетчика 555ИЕ2. В ней один из четырех триггеров обособлен и является счетчиком с К_сч = 2. У микросхемы есть вход С₁ и выход Q₁ этого счетчика. На остальных трех триггерах реализован счетчик с К_сч = 8. У него в корпусе есть свой тактовый вход С₂ и выходы Q₂, Q₃, Q₄. Схема 555ИЕ5 имеет только два установочных входа R₀, которыми все четыре триггера устанавливаются в нулевое состояние.

Если соединить выход первого счетчика Q₁ c тактовым входом второго, то можно получить двоичный четырехразрядный асинхронный счетчик с К_сч = 16. Входы сброса при этом необходимо соединить с «землей» (рис. 2.5, д).

Для построения счетчиков – делителей с коэффициентами счета (деления) больше 10 и 16 используют несколько микросхем 555ИЕ2 или 555ИЕ5. Но чаще всего такие счетчики строят на двоично-десятичных счетчиках, в которых удобно индицировать состояние счетчика в десятичной системе счисления.

Схема счетчика-делителя с К_дел = 75 приведена на рис. 2.6, а. В ней использованы два синхронных счетчика 555ИЕ2 с К_сч = 10. Первый счетчик считает единицы, второй – десятки. Когда второй счетчик досчитает до 7, а первый до пяти, первая схема И выделит эти комбинации и осуществит сброс по входу R₀ через логический элемент ИЛИ. Элемент ИЛИ используется для начальной установки счетчика, например, при включении питания. Выходной сигнал в этой схеме можно снимать с выхода Q₃ второго счетчика в виде перепада из 1 в 0, либо с выхода первой ячейки И в виде короткого положительного импульса.

а

б

Рис. 2.6. Схема делителя с Ксч= 75 на базе ИМС 555ИЕ2 (а); схема делителя с Ксч= 75 на базе ИМС 555ИЕ5 и 555ИЕ2 (б)

При использовании схем только в качестве делителей, когда промежуточные состояния не анализируются и порядок счета не важен, требуемый коэффициент деления разбивают на сомножители К_дел = К₁, К₂, …, К_n, а схему строят путем последовательного соединения счетчиков с коэффициентами счета К₁, К₂, …, К_n. Часто при таком способе требуется меньшее число ИМС для заданного К_дел. Особенно желательно выделять сомножители 5, 8, 6, 10, 12, 16, то есть те, на которые есть готовые счетчики. Таким образом, если коэффициент деления 75 представить в виде произведения К_дел = 15·5, то получится схема делителя, как на рис. 2.6, б. [4]