3.8 Счетчики.

Одной из наиболее распространенных операций в устройствах дискретной обработки информации является счет импульсов. Эту операцию выполняют счетчики которые по назначению делятся на простые, выполняющие операцию сложения или вычитания и реверсивные. Простые счетчики осуществляют переход от предыдущего состояния к последующему только в одном направлении, т. е. могут только суммировать или вычитать. Реверсивные счетчики имеют переход в прямом и обратном направлении. В зависимости от способа кодирования делятся на двоичные и десятичные. Двоичные состоят из нескольких последовательно соединенных триггеров управляемых по счетному входу.

Каскад десятичного счетчика (декада) состоит из четырех триггеров с обратными связями. Синхронизация счета бывает двух типов: синхронная (по фронту импульса) и асинхронная (по самому мипульсу). Коэффициент деления счетчика состоящего из n-триггеров типа Т составляет 2ⁿ (n-число двоичных разрядов счетчика). В настоящее время используется много вариантов счетных схем: асинхронные и синхронные, двоичные и десятичные, однонаправленные (только с увеличением счета) и двунаправленные (счет уменьшается или увеличивается - реверсивные). Коэффициент деления счетчика может быть либо постоянным, либо изменяемым.

Основой любой из этих схем служит линейка из нескольких триггеров. Указанные варианты счетчиков различаются схемой управления этими триггерами. Между тригерами добавляются логические связи назначение которых - запретить прохождение в цикле счета лишним импульсам. Например, 4-х триггерный счетчик может делить исходную частоту на 16 (т. к. 2⁴=16). При этом получим минимальный выходной код 0000, а максимальный - 1111. Чтобы построить счетчик - делитель на 10 трех триггеров недостаточно (т. к. 2³=8), поэтому десятичный счетчик содержит в своей основе 4 триггера, но имеет обратные связи, останавливающие счет при коде 9 равном 1001.

24	23	22	21	20
0	1	1	1	0

Т. о. удобно выпускать 4-х триггерные счетчики в 2-х вариантах: двоичные и десятичные. Примером таких микросхем служат пары К155ИЕ6 - К155ИЕ7 и К155ИЕ16 - К155ИЕ17. Расширять функции счетчиков можно, видоизменяя их цепи управления. Первоначально счетчики были асинхронными. В асинхронном режиме предыдущий триггер вырабатывает для последующего тактовые импульсы (их называют счетчиками пульсации). В синхронном счетчике все триггеры получают тактовые импульсы одновременно, поскольку тактовые входы их соединены параллельно, поэтому триггеры переключаются практически одновременно. В счетчике пульсаций каждый триггер вносит в процессе счета определенную задержку, поэтому младшие разряды результирующего кода появляются на выходах триггеров не одновременно (т. е. не синхронно с соответствующим тактовым импульсом). Например, для 4-х разрядного счетчика пульсациий выходной параллельный код 1111 появится на выходах триггеров после того как поступит 16-й тактовый импульс. Кроме того эти четыре единицы сформируются не одновременно.

Синхронная схема значительно сложнее асинхронной, на ее выходах данные от каждого разряда появляются одновременно и строго синхронно с последним входным импульсом. В синхронных счетчиках разрешена (синхронно с тактовым импульсом параллельно в каждый триггер) загрузка начальных данных. Триггерная линейка синхронного счетчика снабжается шифратором, который называется схемой ускоренного переноса (СУП). Внутренние логические элементы управления, которыми часто снабжаются счетчики, позволяют сделать процесс счета реверсивным. Согласно команде, подаваемой на вход управления счетом (больше - меньше), можно либо увеличивать, либо уменьшать на единицу содержимое счетчика при каждом очередном тактовом импульсе. У некоторых счетчиков тактовые входы на увеличение и уменьшение раздельные. Сброс данных (чтобы на всех выходах установился нулевой код) у одних схем асинхронный (обозн. R), у других синхронный (SR), происходит одновременно с приходом тактового импульса. Также имеются счетчики с переменным коэффициентом деления. Устанавливаемый коэффициент деления зависит от кода, набранного на входах управления.

Примеры стандартных счетчиков.

Микросхемы К155ИЕ6 и К155ИЕ7-четырехразрядные реверсивные счетчики, аналогичные по структуре. Счетчик ИЕ6 (рис. 1.67, а) двоично-десятичный, а счетчик ИЕ7 (рис. 1.67, б) - двоичный. Внутреннюю схему счетчика К155ИЕ7 можно изучить по рис. 1.67, в. На рис. 1.67, г показана цоколевка этих счетчиков. Импульсные тактовые входы для счета на увеличение Сu (вывод 5) и на уменьшение Сd (вывод 4) в этих микросхемах раздельные. Состояние счетчика меняется по положительным перепадам тактовых импульсов от низкого уровня к высокому на каждом из этих тактовых входов.

Для упрощения построения счетчиков с числом разрядов, превышающим четыре, обе микросхемы имеют выводы окончания счета на увеличение (_ТСu, вывод 12) и на уменьшение (_ТСd, вывод 13). От этих выводов берутся тактовые сигналы переноса и заема для последующего и от предыдущего четырехразрядного счетчика. Дополнительной логики при последовательном соединении этих счетчиков не требуется: выводы _ТСu и _ТСd предыдущей микросхемы присоединяются к выводам Сu и Сd последующей. По входам разрешения параллельной загрузки РЕ и сброса R запрещается действие тактовой последовательности и даются команды загрузки четырехразрядного кода в счетчик или его сброса.

В микросхемах ИЕ6 и ИЕ7 счетчики основаны на четырех двухступенчатых триггерах "мастер-помощник". Десятичный счетчик отличается от двоичного (см. его схему на рис. 1.67,в) внутренней логикой, управляющей триггерами. Счетчики можно переводить в режимы сброса, параллельной загрузки, а также синхронного счета на увеличение и уменьшение.

Если на вход Cd подается импульсный перепад от низкого уровня к высокому (дается команда на уменьшение-down), от содержимого счетчика вычитается 1. Аналогичный перепад, поданный на входе Сu, увеличивает (up) счет на 1. Если для счета используется один из этих входов, на другом тактовом входе следует зафиксировать напряжение высокого логического уровня. Первый триггер счетчика не может переключиться, если на его тактовом входе зафиксировано напряжение низкого уровня. Во избежание ошибок менять направление счета следует в моменты, когда запускающий тактовый импульс перешел на высокий уровень, т. е. во время плоской вершины импульса.

На выходах _ТСu (окончание счета на увеличение, вывод 12) и _ТСd (окончание счета на уменьшение, вывод 13) нормальный уровень-высокий. Если счет достиг максимума (цифра 9 для ИЕ6 и 15 для ИЕ7), с приходом следующего тактового перепада на вход Cu от высокого уровня к низкому (более 9 или более 15) на выходе _ТСu появится низкое напряжение. После возврата напряжения на тактовом входе Сu к высокому уровню напряжение на выходе _ТСd останется низким еще на время, соответствующее двойной задержке переключения логического элемента ТТЛ.

Аналогично на выходе _ТСd появляется напряжение низкого уровня, если на вход Сu пришел счетный перепад низкого уровня. Импульсные перепады от выходов _ТСu и _ТСd служат, таким образом, как тактовые для последующих входов Сu и Сd при конструировании счетчиков более высокого порядка. Такие многокаскадные соединения счетчиков ИЕ6 и ИЕ7 не полностью синхронные, поскольку на последующую микросхему тактовый импульс передается с двойной задержкой переключения.

Если на вход разрешения параллельной загрузки РЕ (вывод 11) подать напряжение низкого уровня, то код, зафиксированный ранее на параллельных входах DO-D3 (выводы 15, 1, 10 и 9), загружается в счетчик и появляется на его выходах QO-Q3 (выводы 3, 2, 6 и 7) независимо от сигналов на тактовых входах. Следовательно, операция параллельной загрузки - асинхронная.

Параллельный запуск триггеров запрещается, если на вход сброса R (вывод 14) подано напряжение высокого уровня. На всех выходах Q установится низкий уровень. Если во время (и после) операций сброса и загрузки придет тактовый перепад (от Н к В), микросхема примет его как счетный.

Счетчики К155ИЕ6 (74192) и К155ИЕ7 (74193) потребляют ток 102 мА. Маломощные варианты этих микросхем с переходами Шотки имеют ток потребления 34 мА. Максимальная тактовая частота 25 МГц; время задержки распространения сигнала от входа Сu до выхода _Тсu 26 нc, аналогичные задержки от входа РЕ до выхода Q3 составляют 40 нc. Время действия сигнала сброса (от входа R до выходов Q) 35 нc.

На рис. 1.68а показана диаграмма работы десятичного счетчика ИЕ6, где обозначены логические переходы сигналов при счете на увеличение и уменьшение. Кольцевой счет возможен в пределах 0...9, остальные шесть состояний триггерам запрещены. Кольцо счета для двоичного счетчика ИЕ7 внутренних запретов не имеет (см. рис. 1.68,6).

Составив определенную комбинацию входных сигналов, по табл. 1.38 можно выбрать один из четырех режимов работы счетчика ИЕ6. Счет на увеличение здесь закончится при выходном коде ВННВ (9), уменьшение-при НННН (0).

Аналогичные операции со счетчиком ИЕ7 позволяет проводить табл. 1.39. Окончанию счета на увеличение здесь соответствует код ВВВВ (15), а на уменьшение - НННН (0).