Счетчики

Счетчиком называют устройство, которое производит подсчет по­ступающих на его вход импульсов.

Количество разрядов счетчика определяется наибольшим числом, которое должно быть получено в каждом конкретном случае. В счетчиках имеется один вход и п выходов, в зависимости от количества раз­рядов.

В общем случае счетчик имеет п устойчивых состояний. Под дей­ствием входных сигналов счетчик, установленный в исходное состояние, изменяет свое состояние и сохраняет его до тех пор, пока на вход не поступит следующий сигнал. Каждому состоянию счетчика соответ­ствует порядковый номер 0, 1, 2, ..., N. Счетчики находят широкое применение как в вычисли­тельной технике, так и в различных устройствах автома­тики. Они применяются для формирования адреса ячеек запоминающих устройств, для счета количества циклов вы­полнения операций, для за­поминания кода в аналого-цифровых преобразователях и т. д.

По своему назначению счетчики подразделяют на суммирующие, вычитающие и реверсивные.

В суммирующих счетчиках производится сложение поступающих на вход импуль­сов с тем числом, которое хранилось в счетчике.

Вычитающие счетчики производят вычитание посту­пивших на вход импульсов из начального числа.

Реверсивные счетчики мо­гут производить как сложе­ние, так и вычитание поступающих на вход импульсов в зависимости от управляющего сигнала, который переключает счетчик (с помощью специальной схемы переключения), либо в режим сложения, либо в режим вычитания.

Рисунок 1 – Схема счетчика импульсов (а) и временная диаграмма его работы (б).

Для построения счетчиков чаще всего используют статические триг­геры со счетным сходом. Применяют также динамические триггеры, феррит-транзисторные и феррит-диодные ячейки.

Рассмотрим принцип действия счетчика, приведенного на рисунке 1, а. Импульсы, которые требуется сосчитать, подаются на счетный вход триггерной ячейки 1-го разряда (Т₁).

Каждый приходящий импульс перебрасывает первую триггерную ячейку из одного устойчивого состояния в другое. Предположим, что все разряды счетчика стояли в положении «0», что соответствует коду «000» на 3-разрядном счетчике.

Первый входной импульс перебросит 1-й разряд в положение «1».

Второй входной импульс переведет его в положение «0». При этом возникает импульс переноса из 1-го во 2-й разряд, который перебра­сывает триггерную ячейку 2-го разряда в положение «1».

Код на счетчике станет «010».

Триггерная ячейка 2-го разряда вновь перебросится в положение «О» только после 4-го импульса.

При этом возникают импульсы переноса (ИП) из 1-го во 2-й разряд и затем из 2-го в 3-й. На счетчике устанавливается число 4 или в двоич­ном коде 100. Код третьего разряда изменится теперь только при по­ступлении 8-го импульса. Таким образом, каждая последующая счет­ная ячейка перебрасывается в два раза реже, чем предыдущая, т. е. происходит деление частоты (временная диаграмма работы счетчика, на рисунок 1, б).

В рассматриваемом счетчике импульс переноса возникает в резуль­тате дифференцирования фронта выходного сигнала триггера, соот­ветствующего перебросу триггера из положения «1» в положение «0».

В данном случае на емкость С подается сигнал с выхода «0» триггерной ячейки. Образовавшийся дифференцированный импульс поступает на счетный вход триггерной ячейки.

Количество просчитанных импульсов можно определить по поло­жению триггеров счетчика. Код, стоящий на счетчике, точно соответ­ствует числу поступивших на вход импульсов, выраженному в двоич­ном коде. Поэтому количество каскадов, которое должен иметь счет­чик, равно количеству двоичных разрядов необходимого числа импуль­сов, поступивших на счетчик при одном подсчете, т. е. до установки счетчика в положение «0». Если после заполнения счетчика (код 111..1) не прекратится подача входных импульсов, то после перехода счетчика через положение «0» во всех разрядах подсчет импульсов начнется сначала. Этот режим работы счетчика называется циклическим. За один цикл работы на счетчик поступает 2ⁿимпульсов, где п — количество разрядов счетчика.

В ряде случаев требуется, чтобы число импульсов было отличным от 2ⁿ. Допустим, счетчик требуется выполнить на 10 импульсов.

Количество разрядов этого счетчика должно быть равно 4, так как ближайшее число 2ⁿ, большее 10, равно 16. Для того чтобы цикл рав­нялся 10 импульсам, необходимо после каждого 10-го импульса про­изводить установку счетчика в положение «0». На рисунке 2 приведена схема счетчика с циклом на 10 импульсов.

Рисунок 2 – Счетчик с пересчетом на 10.

Схема состоит из четырех триггеров. Образование импульса пере­носа осуществляется так же, как и в предыдущей схеме. Установка счетчика в положение «0» производится с помощью схемы совпадения на двух вентилях В₁ и В₂. Потенциальные входы этих вентилей подключе­ны соответственно на единичные выходы триггеров 1-го и 4-го разрядов. Вентили одновременно открыты, когда на счетчике стоит код 1001 (т. е. число 9). Таким образом, схема совпадения открыта только для 10-го импульса, который должен установить счетчик в положение «0». Вы­ходной импульс вентиля В₂ нельзя подавать непосредственно на входы У «0» триггерных ячеек, так как при этом произойдет только сдвиг числа в счетчике влево. Поэтому вначале устанавливают каждый раз­ряд счетчика в положение «1» путем подачи импульса с вентиля В₂ на единичные входы триггерных ячеек. В этом случае импульсов пере­носа не образуется. Затем 1-й разряд устанавливается в. положение «0» подачей выходного импульса вентиля В₂ через линию задержки τ₂ на вход У «0» триггера. Образовавшийся в 1-м разряде импульс переноса последовательно перебросит все триггеры в положение «0».

Линия задержки τ₂ становится для того, чтобы импульс с вентиля В ₂ пришел на вход У «0» триггерной ячейки 1-го разряда после уста­новления всех триггеров в положение «1».

Поэтому импульс с вентиля В₂ подается только на единичные входы У «1» 1-го и 3-го разрядов. Линия задержки τ₁ на входе 1-го разряда включается для того, чтобы входной импульс смог пройти через вентиль В₁ до переброса триггера Т₁ в положение «0».

Одной из характеристик счетчика является коэффициент пересчета.

Если суммирующий счетчик имеет п разрядов, то лишь после подачи 2ⁿ входных импульсов на единичном выходе триггера старшего разряда появится первый сигнал.

Следовательно, коэффициент пересчета такого счетчика равен 2^п.

Коэффициентом пересчета счетчика К_сч, называют отношение ча­стоты импульсов, подаваемых на его вход, к частоте импульсов, обра­зующихся на выходе его старшего разряда.

Считывание числа, записанного в счетчике, производится так же, как и в регистрах, т. е. в прямом коде с единичных выходов триггеров и в обратном коде с нулевых выходов.

Рисунок 3 – Вычитающий триггерный счетчик.

На рисунке 3 приведена схема вычитающего счетчика. В этом счет­чике счетный вход триггеров старших разрядов соединяется не с единичным, а с нулевым выходом предыдущих разрядов триггеров. Каж­дый входной импульс уменьшает величину кода, установленного в вы­читающем счетчике, на единицу.

Если, например, в счетчике записан код 100, то первый входной импульс перебрасывает триггер Т₁ из нулевого в единичное положение.

Возникающий на его выходе импульс переноса переводит триггер Т₂ также в единичное положение, а импульс переноса триггера Т₂ пе­реводит триггер Т₃ из единичного положения в нулевое.

В результате в счетчике будет установлен код 011. Второй входной импульс уменьшит показание счетчика еще на единицу и т. д.

Счетчики со сквозным переносом. Быстродействие рассмотренных счетчиков зависит как от скорости переброса триггера младшего разряда, так и от времени передачи импульсов переноса по цепи счетчика. Повысить быстродействие счетчика можно за счет создания цепей, ко­торые обеспечивают параллельную передачу импульсов переноса. Та­кие счетчики называют счетчиками со сквозным переносом. Принцип работы счетчиков со сквозным переносом основан на особенности сло­жения двоичных чисел, заключающейся в следующем.

Если к некоторому двоичному числу прибавляется единица млад­шего разряда, то получаемая сумма двух чисел может быть получена заменой первого нуля (считая справа налево) единицей, а всех единиц, стоящих справа от этого нуля, нулями. Например:

+ 1

В первом слагаемом первый стоящий справа нуль расположен в третьем разряде. Производя замену этого нуля единицей, а стоящих перед ним единиц нулями, получим сумму, которая на единицу больше первого слагаемого.

Рисунок 4 – Счетчик со сквозным переносом.

На рисунке 4 приведена схема счетчика со сквозным переносом. Предположим, что в счетчике записано число 0111. При подаче входного импульса сигнал пройдет через открытые вентили В₁ ÷ В₃ по цепи сквозного переноса и поступит на вход триггера Т₄. В результа­те триггер Т₄ будет установлен в единичное положение. Одновременно при прохождении импульса по цепи переноса триггеры Т₁, Т₂ и Т₃ поочередно будут установлены в нулевое положение. Таким образом, в результате прохождения первого входного импульса на счетчике будет установлено число 1000.

Реверсивные счетчики. В этих счетчиках предусматривается спе­циальная переключающая схема, предназначенная для переклюю-чения счетчика либо на сложение, либо на вычитание. На рисунке 5 приведе­на схема реверсивного счетчика на три числовых разряда.

Рисунок 5 – Реверсивный счетчик.

В счетчике используются триггеры со счетным входом Т₁, Т₂ и Т₃.Триггер управления Т_у и вентили управления В_с и В_в представляют собой переключающую схему. Счетчик содержит также знаковый разряд Т_зн.

В режиме сложения счетчик работает следующим образом. В ис­ходном состоянии триггеры Т₁ ÷ Т₃ находятся в состоянии «0» и на их единичных выходах имеется низкий потенциал, поэтому входные сигналы через цепочку вентилей В_с1 ÷ В_с3 не пройдут.

При подаче сигнала сложения У_с триггер Т_у устанавливается в еди­ничное положение, в результате чего будет открыт вентиль В_с и вход­ные импульсы U_BX проходят в цепь сложения. Вентили В_с1 ÷ В_с3 образуют цепь сквозного переноса в режиме сложения. При этом сигналы, управляющие вентилями В_с1 ÷ В_с3, поступают с единичных выходов триггеров Т₁ ÷ T₃.

Первый входной импульс U_BX перебросит в единичное положение триггер Т₁ в результате чего вентиль В _с1 откроется, а вентиль В_в1 закроется. Второй входной импульс перебросит триггер Т₁ в нулевое положение и, пройдя вентиль В_с1, установит триггер Т₂ в состояние «1».

Третий входной импульс переводит триггер Т₁ в единичное положе­ние.

Четвертый импульс проходит через открытые вентили В_с1 и В_с2 и перебрасывает триггер Т₃ в единичное положение. Он же переводит триггеры Т₁ и Т₂ в нулевое положение и т. д. Чтобы счетчик работал в режиме вычитания, управляющий сигнал У_в подается на триггер Т_у. В результате триггер будет установлен в нулевое положение, при котором открывается вентиль В_в, а вентиль В_с закрывается. В этом случае входные импульсы будут теперь поступать уже в цепь вычитания – вентили В_В1 ÷ B_B3, которые образуют цепь сквозного переноса при вычитании. Эти вентили будут находиться в открытом состоянии при нулевом положении соответствующих триггеров Т₁ ÷ Т₃.

Знак числа, записанного в счетчике, может быть установлен 'с по­мощью триггера знака Т_зн. Нулевое положение этого триггера соответствует положительному числу, а единичное – отрицательному числу в дополнительном коде.