9.1. Краткие теоретические сведения

Счетчики импульсов и делители частоты

Счетчик – конечный автомат, который под действием входных импульсов переходит из одного состояния в другое, фиксируя число поступающих на их вход импульсов в том или ином коде, и внутреннее состояние которого определяется количеством сигналов ‘1’, поступивших на вход. Счетчик - узел, служащий для подсчета числа входных импульсов и формирующий на выходе сумму входного кода. Их используют в лог. автоматах для осуществления последовательного выполнения команд программ, подсчета числа циклов операций или времени.

Сигналы лог. ‘0’ не изменяют внутреннее состояние внутренних триггеров.

Любой счетчик может выполнять функции делителя частоты входного сигнала.

По способу кодирования счетчики делят на двоичные и двоично-десятичные, тетрадные, счетчики с кодом “1 из N” и др.

По способу организации внутренних связей различают счетчики с суммированием и вычитанием, с последовательным, параллельным и комбинированным переносом, а также счетчики с естественным и произвольным порядком счета.

Счетчик с произвольным порядком счета формирует выходной сигнал только после подачи на вход определенной суммы импульсов.

Счетчики делят на суммирующие, вычитающие и реверсивные с определенным коэффициентом (модулем) счета. Коэффициентом пересчета (К_СЧ) называют такое количество поступивших на вход импульсов, которое приводит счетчик в исходное состояние. Элементарный счетчик – триггер.

Количество триггеров, необходимых для реализации счетчика:

n = log2*К_СЧ. (9.1)

где: n – ближайшее целое число. (К_СЧ = М модуль счета).

Если возможное количество внутренних состояний счетчика 2ⁿ окажется больше модуля счета, то часть состояний (2 ⁿ - К_СЧ) является избыточной.

По признаку наличия или отсутствия тактирующих сигналов, счетчики разделяют на асинхронные, синхронные и комбинированные.

Асинхронные счетчики строят на основе D-триггеров, на входы которых поступает управляющий выходной сигнал предыдущего каскада.

Двоичными называют счетчики с модулем М = 2ⁿ, где n - целое число.

Для реализации вычитающего счетчика на входы (С) последующих триггеров необходимо подать сигналы с инверсных выходов предыдущих триггеров.

На выходах формируется двоичный код Y₁ Y₂ Y₃ Y₄.

Триггеры переключаются из одного состояния в другое только по спаду (заднему фронту) счетного импульса.

Недостаток асинхронных счетчиков - суммирование задержки импульсов переключения с ростом числа разрядов триггеров, что снижает общее быстродействие.

Для повышения быстродействия счетчики выполняют синхронными с параллельным (сквозным) переносом.

Реверсивные счетчики могут работать на суммирование или вычитание входящих ‘1’ в зависимости от управляющих сигналов.

По виду связей между каскадами счетчики подразделяются на схемы с последовательным и параллельным переносом.

В счетчиках с последовательным переносом в формировании сигнала на старших разрядах участвует предыдущий младший разряд.

Время задержки сигнала переноса в таких схемах определяется

Т_{ЗАДЕРЖКИ} = (К-1)t_ПЕР. (9.2)

где: К- количество разрядов;

t_ПЕР - время задержки переноса.

Счетчик, реализующий функцию С_i = С+1, называется суммирующим.

Если функция С_i = С-1, то счетчик называется вычитающим.

Счетчики, реализующие обе функции во времени называют реверсивными.

Некоторые типы счетчиков имеют знак переполнения по выходу - вывод (P_i)

и знак переноса по входу (P₀), которые можно соединять при соединении нескольких ИМС и схем в многодекадные счетчики.

Сигнал переполнения вырабатывает импульс переноса, который является счетным для последующей ИМС и схемы.

В вычитающем счетчике сигнал переполнения отмечает переход через "0", что соответствует заёму (займу) в старшем разряде счетчика.

Счетчики применяют как делитель частоты с соответствующим коэффициентом деления, если на каждые N тактовых (счетных) сигналов по входу, на выходе фиксировать только (1) импульс. где: N -любое целое число имп-сов (от 2 до К).

Соединяя последовательно двоичные или десятичные счетчики, можно организовать делитель или счетчик с любой разрядностью.

Примером применения счетчиков/делителей является схема формирования интервалов эталонного времени в таймерах или частотомерах:

Здесь частота от кварцевого генератора поступает на счетный вход схемы 4х декадного делителя частоты на ИМС, на выходе которой формируются эталонные частоты f₁, f₂, f₃, f₄, нужные для изменения пределов измерения частотомера.

Счетчики импульсов, работающие в режиме сложения

Счетчики импульсов, выполняющих функцию сложение, позволяют подсчитывать любое количество поступающих на вход импульсов.

Результат счета в них записывается в двоичном коде.

Мах. число N, которое может быть записано в счетчике равно (2ⁿ-1),

где n - число разрядов счетчика.

Каждый разряд счетчика включает в себя триггер.

Наиболее простую схему можно выполнить на синхронных Т-триггерах.

С хема осуществляет счет импульсов от 0 до 7. Число N может быть увеличено при подключении к выходу счетчика дополнительных разрядов. Первый триггер образует младший разряд. Сигнал Q₁ поступает на вход 2-го разряда, выходное напряжение которого подается на вход 3-го разряда и т.д.

Рассмотрим функционирование счетчика по диаграмме.

Состояние разрядов представляет собой запись числа поступивших импульсов в двоичном коде.

После записи мах. числа N счетчик автоматически обнуляется, т.е. устанавливается в состояние 0, когда: Q₁ = Q₂ = Q₃ = 0.

На рис. 9.1 приведена схема 3-х разрядного счетчика на сложение.

При поступлении дальнейших импульсов начинается новый цикл счета.

Частота повторения входного сигнала в i-разряде в 2ⁱ раза меньше частоты повторения импульсов Т, т.е. схему счетчика можно использовать в качестве делителя частоты.

Аналогично строится счетчик на вычитание.