Счетчики импульсов

Счетчиком называют устройство, предназначенное для подсчета числа импульсов, поданных на вход. Кроме подсчёта счётчики выполняют функцию делителей частоты.

Подсчет числа импульсов является наиболее распространенной операцией в устройствах цифровой обработки информации. Повышен­ный интерес к таким устройствам объясняется их высокой точностью, возможностью применения регистрирующих приборов с непосред­ственным цифровым представлением результата, а также возможно­стью осуществления связи с ЭВМ.

В устройствах цифровой обработки информации измеряемый пара­метр (угол поворота, перемещение, скорость, частота, время, темпе­ратура и т. д.) преобразуется в импульсы напряжения, число которых в соответствующем масштабе характеризует значение данного пара­метра. Эти импульсы подсчитываются счетчиками импульсов и выра­жаются в виде цифр

Основными показателями счетчиков являются коэффициент счета К и быстродей­ствие. Коэффициент счета определяет число импульсов, которое может быть сосчитано счетчиком.

Основой любого счетчика явля­ется линейка из нескольких триггеров. Между триггерами могут быть введены дополнительные обратные связи, позво­ляющие получить любой коэффициент счёта, а не только равный 2ⁿ. Например, счетчик, состоящий из четырех триг­геров, может иметь максимальный коэффициент счёта 2⁴=16. Для четырехтриггерного счетчика минимальный выходной код - 0000, максимальный -1111, а при коэффициенте счёта К_с = 10 выходной счет останавливается при коде 1001 = 9.

Быстродействие счетчика характеризуется максимальной часто­той f_сч следования счетных импульсов и связанным с ней временем f_уст установки счетчика. Величина f_уст определяет максимальное время протекания переходных процессов во всех разрядах счетчика с по­ступлением на вход очередного счетного импульса.

Счет числа поступающих импульсов производится с использова­нием двоичной системы счисления.

Рисунок 66 - Схема двоичного счетчика (а) и его временные диаграммы (б)

Простейший многоразрядный двоичный счётчик с коэффициентом счёта (деления) 2ⁿ можно получить, соединив после­довательно n триггеров Т-типа (рис. 68). Счетные импульсы подаются на счетный вход первого триггера. Счетные входы последующих тригге­ров связаны непосредствен­но с прямыми выходами пре­дыдущих триггеров: вход второго триггера соединен с выходом первого триггера, вход третьего - с выходом второго и т. д.

Принцип действия двоич­ного счетчика с непосредст­венной связью рассмотрим на примере четырехразрядного счетчика, показанного на рис. 66, а. Работу схемы иллюстрируют временные диаграм­мы, приведенные на рис. 66, б и таблица 7 состояний счётчика.

Перед поступлением счетных импульсов все разряды счетчика устанавливаются в состояние «0» (Q₁ = Q₂ = Q₃ = Q₄ = 0) по­дачей импульса на вход «Установка нуля». При поступлении первого счетного импульса первый разряд подготавливается к переключению в противоположное состояние и после окончания дей­ствия входного импульса переходит в состояние Q = 1. В счетчик записывается число 1. Уровень 1 с выхода Q₁ воздействует на счетный вход второго разряда, подготавливая его к переключению.

Таблица 7 - Таблица состояний 4-х разрядного счётчика

По окон­чании второго счетного импульса первый разряд счетчика переходит в состояние «0», а второй разряд переключается в состояние «1». В счет­чике записывается число 2 с кодом 0010.

Подобным образом осуществляется работа схемы с приходом по­следующих импульсов. Первый разряд счетчика, как видно из рис. 66, б, переключается с приходом каждого входного импульса, второй разряд — каждого второго, третий - каждого четвертого, а четвертый разряд срабатывает на каждый восьмой счетный импульс.

По окончании 15-го импульса все разряды счетчика устанавлива­ются в состояние «1» (рис. 66, б, табл. 7), а 16-й импульс переклю­чает первый разряд счетчика в состояние «0». Уровень Q1 = 0 пере­водит второй разряд счетчика в состояние Q₂ = 0, что, в свою оче­редь, вызывает Q₃ = 0, а затем и Q₄ = 0, т. е. счетчик переходит в исходное состояние.

В соответствии с рис. 66, б и табл. 7 установка в исходное со­стояние «0» двух последовательно включенных триггеров (Т₁ и Т₂) осуществляется четвертым счетным импульсом, трех триггеров (Т₁ - Т₃) - восьмым и четырех триггеров (Т₁ - Т₄) - 16-м счетным импульсом. Из этого следует, что коэффициент счета двухразрядного, трех­разрядного и четырехразрядного двоичных счетчиков равен соответ­ственно 4, 8 и 16. Коэффициент счета двоичного счет­чика находят из соотношения К_сч = 2^N, где N - число разрядов счетчика.

В процессе работы двоичного счетчика частота следования импуль­сов на выходе каждого последующего триггера уменьшается вдвое по сравнению с частотой его входных импульсов (рис. 66, б). Это свойство схемы используют для построения делителей час­тоты.

Используется множество раз­личных вариантов счетчиков: асинхронные и синхронные; двоич­ные и десятичные; однонаправленные (с увеличением счета) и двунаправленные (с увеличением или уменьшением счета), называемые реверсивными (рис. 67), с постоянным или переключае­мым коэффициентом деления (коэффициентом счёта).

В асинхронном счетчике каждый последующий триггер получает тактовый импульс от предыдущего триггера.

В синхронном счетчике все триггеры получают тактовый импульс одновременно. В такой счетчик можно осуществить синхронную (с тактовым импульсом) параллельную (в каждый триггер) загрузку исходных данных. Дополнительно введен­ные логические элементы управления позволяют сделать про­цесс счета реверсивным, т. е. с приходом каждого тактового импульса содержимое счетчика можно либо увеличивать, либо уменьшать на единицу.

Рисунок 67 - Двоичные суммирующий (а) и вычитающий (в)

диаграммы их работы (б) и (г) соответственно