Счетчики

Счетчиком называется последовательное устройство, предназначенное для счета входных импульсов и фиксации их числа в двоичном коде. Любые счетчики строятся на основе N однотипных связанных между собой разрядных схем, каждая из которых в общем случае состоит и TG и некоторой комбинационной схемы, предназначенной для формирования сигналов управления триггером. Счетчик может выполнять следующие микрооперации над кодовым словом:

1. установка в исходное состояние (запись нулевого кода)- установка в нулевое состояние;

2. запись входной информации в параллельной форме;

3. хранение информации;

4. выдача хранимой информации в параллельной форме;

5. инкремент – увеличение хранящегося кодового слова на единицу;

6. декремент - уменьшение хранящегося кодового слова на единицу.

Основные параметры счетчика:

1. Модуль счета М – основной статический параметр, который характеризует максимальное число импульсов, после прихода которого счетчик устанавливается в исходное состояние.

2. Время установления выходного кода tk – основной динамический параметр, который характеризует временной интервал между моментом подачи входного сигнала и моментом установления нового кода на выходе.

Классификация счетчиков

1.По значению модуля счета: - двоичные, Мкот = целой степени числа 2 (М=2ⁿ); - двоично-кодированные, в которых М может принимать любое неравное целой степени числа 3, значение.

2.По направлению счета: - суммирующие, выполняющие микрооперацию инкремента над хранящимся входным словом; - вычитающие выполняющие микрооперацию декремента над хранящимся входным словом; - реверсивные, выполняющие либо микрооперацию инкремента, либо декремента в зависимости от управляющего сигнала.

3.По способу организации межразрядных связей: - счетчик с последовательным переносом, в котором переключение триггеров разрядных схем происходит последовательно один за другим; - счетчик с параллельным переносом, в котором переключение всех триггеров разрядных схем происходит одновременно по сигналу синхронизации С; - счетчик с комбинированным последовательно-параллельным переносом, когда используются различные комбинации способов переноса.

Двоичные счетчики   Рассмотрим на примере счетчик с модулем счета М=8 , необходимо как минимум  три триггера.    Обратимся к таблице трехразрядных двоичных чисел:

C	Q2	Q1	Q0
1	0	0	0
1	0	0	1
1	0	1	0
1	0	1	1
1	1	0	0
1	1	0	1
1	1	1	0
1	1	1	1

Младший разряд Q0 изменяет свое состояние с приходом каждого импульса синхронизации С.

-Q1 – изменяет свое состояние с приходом каждого 2-го С. - Q2 - изменяет свое состояние с приходом каждого 4-го С. Данный алгоритм можно реализовать на асинхронных Т-триггерах:

 

Синхронизация каждого следующего триггера производится выходным сигналом предыдущего триггера, а переключение первого триггера (формирующего Q0) – непосредственно последовательностью синхроимпульсов. 

 

Переключение триггера должно происходить по спаду импульса. Инкремент (сложение) реализуется на асинхронном Т-триггере с инверсным динамическим входом. Декремент (вычитание) реализуется на асинхронным Т –триггере с прямым динамическим входом.    Если для синхронизации каждого последующего асинхронного триггера использовать инверсный выход триггера,  Суммирующий счетчик инкремент: ( используется прямой динамический вход)

вычитающий счетчик (используется инверсный динамический вход)

Направление счета счетчика может изменятся путем изменения межразрядных  связей: включается в состав каждой разрядной схемы MS (как в последовательно- параллельном или реверсивном RG)

Сигнал V определяет направление счета :

V=1 суммирующий счетчик V=0 вычитающий счетчик    Все рассмотренные выше счетчики являются счетчиками с последовательным переносом, т.к. переключение каждого последующего триггера происходит только после переключения предыдущего триггера.  Достоинство- счетчика с последовательным переносом – простота внутренней структуры. Недостаток - счетчика с последовательным переносом – большое время установления выходного кода tk tk≠const, зависит от конкретного значения его выходного кода. tк max будет в случае изменения выходного кода со значения 111….в 000….. или наоборот tк max=Ntkтр., где  N – число разрядов в счетчике tkтр – время переключения одного разряда счетчика Понизить tmax можно при условии, что все триггеры его разрядных схем будут переключаться одновременно. Для этого: 1.используют синхронные триггеры 2.организуют сигналы, определяют порядок переключения триггеров до прихода сигнала С.                Вернемся к таблице последовательности двоичных чисел: для суммирующего счетчика (для вычитающего таблица пойдет вверх)

Q3	Q2	Q1	Q0
0	0	0	0
0	0	0	1
0	0	1	0
0	0	1	1
0	1	0	0
0	1	0	1
0	1	1	0
0	1	1	1
1	0	0	0
1	0	0	1
1	0	1	0
1	0	1	1
1	1	0	0
1	1	0	1
1	1	1	0
1	1	1	1

 Из таблицы видно, что переключение каждого последующего триггера происходит только, когда все предыдущие триггеры установлены в 1, т.е. , где Qi,n+1 - значение i-го разряда счетчика в (n+1) момент времени Qi,n - значение i-го разряда счетчика n-ный момент времени  pi  = Q0,n ,Qi,n Qi-1,n  - сигнал переноса Необходимо сформировать сигнал переноса.

Время установленных сигнала счетчика tmax=1tmp время переключения одного триггера

Счетчик с параллельным переносом

Сложность практической реализации данных счетчиков состоит в том, что с увеличением числа разрядов счетчика увеличивается и число входов в логический элемент «И», используемых в цепях формирования переноса.    В счетчиках с параллельным переносом направление счета не зависит от вида динамического входа Т (прямой или инверсный) .    Зависит только от вида выхода Т, который используется для формирования сигнала переноса.  Комбинированные схемы, идея которых состоит в разбиении разрядных схем счетчика на группы, внутри которых осуществлен параллельный; либо последовательный перенос.     Формирование сигнала переноса между группами выполняется логическим элементом «И» только когда триггеры всех входящих в данную группу разрядных схем установлены в «1» 

  Время установки выхода кода tmax=1tтр.группы Как в схемах с параллельным, так и комбинированным переносом для подготовки счетчика к следующему переключению должно пройти время tкод=tзадержки логического элемента «И».

Схемы со сквозным переносом Принцип действия

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.

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.