2.4.Счетчики импульсов

Счетчики импульсов предназначены для подсчета импульсов, по­ступивших на вход, и фиксации их числа, которое отождествляется с некоторым числовым кодом. В счетчиках используются числовые коды с различными основаниями счета т. Наиболее часто применяют коды двоичные (т = 2), четверичные (т = 4), восьмеричные (т = 8), десятич­ные (т = 10) и т.д.

Общее число состояний счетчика N (модуль счета) определяется по формуле

N = (2.1)

где п — число разрядов счетчика.

Чтобы отображать все символы числового кода, каждый разряд счетчика должен иметь столько же состояний, сколько цифр в ис­пользуемой для кодирования системе счисления. Выходы одноразряд­ного счетчика, его состояния и цифры обозначаются 0, 1, 2, ..., т-1. Символом счетчика на схемах служат буквы СТ (рис. 2.14). Если сиг­нал 1 присутствует на выходе 0, значит счетчик находится в исход­ном состоянии 0. На остальных вы­ходах при этом будут сигналы 0. При поступлении на вход счетчика одно­го импульса счетчик переключается в состояние 1, сигнал 1 будет на выхо­де 1, на остальных выходах — 0.

Счетчики импульсов подразделя­ются на простые и реверсивные. Про­стые счетчики могут быть суммирую­щие (их показания увеличиваются на схема одноразрядного счетчика единицу с поступлением на вход каждого следующего импульса) и вычитающими (их показания умень­шаются на единицу). Реверсивные счетчики могут работать одновре­менно как суммирующие и как вычитающие и являются по сути ком­бинациями суммирующих и вычитающих счетчиков. Переключение с прямой работы на обратную (со сложения на вычитание) в ревер­сивном счетчике осуществляется автоматически с помощью специ­альных схем.

Двоичные счетчики обычно выполняются на основе JK и D-триггеров и имеют выходной код в двоичной системе счисления. Модуль счета двоичного счетчика N = 2^п (п — число триггеров в счетчике).

На рис. 2.15, а представлена функциональная схема асинхронно­го трехразрядного двоичного счетчика импульсов с последователь­ным соединением JK-тригтеров (см. рис. 2.10) и комбинированными входами Ти R (вход S не используется). Импульсы поступают на счет­ные входы Т, которыми соединены триггеры. Входы R триггеров со­единены между собой и служат для сброса триггеров в состояние 0.

Пусть в исходном положении все триггеры находятся в состоя­нии 0 (рис. 2.15, б). При поступлении на T-вход первого импульса триггер Т1 переключится в состояние 1 и на его выходе Q1 появится отрицательный потенциал. Код на выходе счетчика 001. Входной кон­денсатор второго триггера перезарядится, и триггер тем самым под­готовится к переключению. С приходом на вход счетчика Т второго импульса триггер Т1 переключится в состояние 0, потенциал на его вы­ходе повышается до +Е_К, в результате чего заряженный входной кон­денсатор начнет разряжаться на базу открытого транзистора триггера Т2, и последний переключится в состояние 1 (код на выходе счетчика 010). Таким же образом происходит переключение счетчика при поступ­лении на его вход последующих импульсов. После отсчета семи импуль­сов (код 111) счетчик на восьмом импульсе вернется в исходное состоя­ние 000. Кодовые комбинации счетчика приведены в табл. 2.5.

Рассмотренный счетчик является суммирующим. Однако если в схеме рис. 2.15, а соединить последовательно не прямые выходы 1, а инверсные — 0, то счетчик будет работать как вычитающий.

Начальное состояние всех трех триггеров при снятии потенциа­лов с инверсных выходов — 111 (семь в десятичной системе). Посту­пающий на T-вход импульс переводит триггер Т1 в состояние 0 при неизменном состоянии остальных триггеров, в счетчик будет запи­сано двоичное число ПО (шесть в десятичной системе). При поступ­лении на T-вход счетчика еще одного импульса число, записанное в нем, уменьшится еще на единицу в соответствии с табл. 2.6.

В синхронных счетчиках счетный сигнал T подается одновремен­но на входы синхронизации С триггеров всех разрядов (рис. 2.16, а). На входы JK первого триггера подается сигнал «1». При поступлении на общий вход сигнала 1 информация о состоянии триггеров предварительно запоминается, а вводится при сигнале 0 на входе Т. При работе счетчика в суммирующем цикле в цепях переноса инфор­мации используются прямые выходы Ql, Q2, Q3. Временная диаг­рамма синхронного счетчика (рис. 2.16, 6) практически совпадает с диаграммой счетчика на рис. 2.15, 6.

Асинхронный двоичный счетчик на Т-триггерах приведен на рис. 2.17. Входы R-триггеров счетчика подключаются к шинке «Сброс» и исполь­зуются для перевода триггеров в исходное состояние 0. Принимаем в качестве числового кода комбинации логических сигналов на прямых выходах Q3, Q2, Q1. В исходном состоянии все суммирующиие тригге­ры находятся в состоянии логического нуля и комбинация сигналов на выходах 000. Для связи триггеров использованы инверсные выходы Q , поэтому на информационных входах T второго Т2 и третьего ТЗ триг­геров — логические единицы.

Первый импульс на входе счетчика переключает триггер Т1 в состояние 1. На его инверсном выходе появляется сигнал 0, триггер Т2 сохраняет свое состояние 0, следовательно, триггер ТЗ также ос­тается в состоянии 0. На выходах Q3, Q2, Q1 комбинация 001. Вто­рой импульс возвращает первый триггер в состояние 0, на его ин­версном выходе формируется сигнал переноса информации, и триг­гер Т2 переключается в состояние 1, на выходе счетчика — 010. Дальнейшая работа протекает аналогично. Комбинации на выхо­дах счетчика при поступлении на его вход Т импульсов соответ­ствует приведенным в табл. 2.5.

Для перехода к вычитающему счетчику достаточно в цепи пере­носа заменить инвертирующий выход прямым. Работу вычитающе­го счетчика иллюстрирует табл. 2.6.

Двоичные счетчики с обратными связями являются наиболее эко­номичными по количеству используемых триггеров. Двоичный счет­чик, содержащий четыре триггера, имеет 16 состояний. Используя 10 из них, можно отображать цифры десятичной системы 0, 1, 2,..., 9.

Двоичные счетчики могут быть обращены в недвоичные с моду­лем счета N_Cч = 2 введением дополнительных логических связей. Число разрядов п выбирают таким, чтобы двоичный счетчик обес­печивал ближайшее большее число состояний, чем заданное. Так для получения десятичного счетчика, считающего в двоично-десятичном коде, нужно использовать четыре двоичных разряда. При этом счет­чик имеет число кодовых комбинаций N - 16, из которых 10 будут использоваться для кодирования цифр десятичной системы.

Двоично-десятичный счетчик на JK-триггерах приведен на рис. 2.18, а. Для исключения дополнительных логических элементов в схеме исполь­зован триггер, имеющий несколько J входов, объединенных логичес­кой операцией И. При поступлении на вход С первых 7 импульсов счетчик работает как рассмотренный ранее двоичный асинхронный. В со­стоянии Т (0111) на вход J четвертого разряда поступают две единицы из второго и третьего разрядов (выходы Q2 и Q3), при счете 8 поступает сигнал с Q1 на его вход С, триггер переключается в состояние 1. Логи­ческий нуль с его инверсного выхода поступит на вход J второго разря­да, удерживая второй и третий разряды в состоянии 0. При счете 9 пере­ключится только триггер первого разряда. На выходах триггеров будет комбинация 1001. При этом четвертый триггер подготавливается к пе­реключению в состояние 0. Десятый импульс приведет к сбросу в состо­яние 0 триггеров первого и четвертого разрядов, счетчик вернется в ну­левое состояние, на выходах комбинация 0000. Процесс переключений счетчика представлен на временной диаграмме (рис. 2.18, 6).

Временные диаграммы также наглядно убеждают, что счетчики им­пульсов одновременно являются делителями частоты. У каждого пос­ледующего триггера период переключений в два раза больше, чем у предыдущего, а у первого — в два раза больше периода входного сиг­нала, так T₃ = 2Т₂, = 2 , = 2 T (см. рис. 2.15, б). Частота же пере­ключений соответственно уменьшается в два раза у каждого следующего триггера по сравнению с предыдущим. Действительно, если частота им­пульсов на входе первого триггера f= 1/T, то на его выходе на выходе второго третьего и т.д.

Кроме двоично-десятичных счетчиков получили широкое распро­странение и другие счетчики с обратными связями и различными коэффициентами деления, в схему которых вводится дополнитель­ный логический элемент, исключающий лишние состояния.

Кольцевые сдвигающие счетчики применяют при основании систе­мы счета больше двух (т > 2). В кольцевом счетчике число триггеров равно числу состояний (основанию счета). При этом единица на каж­дом тактовом импульсе перемещается в любом состоянии счетчика. Из последнего триггера единица вновь поступает в первый.

Кольцевые счетчики выполняются на D- и JK-триггерах, но на D-триггерах счетчики выполнять более просто. На рис. 2.19, а при­ведена схема пятиразрядного кольцевого счетчика. При пуске пер­вый триггер переходит в состояние 1, остальные — в 0. Далее при каждом тактовом импульсе на входе С триггер, находящийся в со­стоянии 1, сбрасывается в 0, переключая при этом следующий за ним триггер в состояние 1. При сбросе пятого триггера с его выхода Q5переключающий импульс поступает на вход D-первого триггера, ко­торый переключается в состояние 1. После этого цикл переключе­ний повторяется (рис. 2.19, б).

В результате сбоев в состояние 1 могут одновременно переклю­читься несколько триггеров. Для предотвращения этого в счетчиках применяют специальную схему самовосстановления на логических элементах, блокирующих вход первого триггера до перехода всех триггеров в состояние 0. Благодаря этому работа счетчика при лю­бых сбоях восстанавливается к началу следующего цикла.

Кольцевые счетчики можно использовать в качестве распределите­лей импульсов при относительно небольшом числе выходных цепей.