1.3Счетчики

1.3.1Основные характеристики счетчиков

Счетчиком называют функциональный узел, предназна­ченный для счета сигналов. По мере поступления входных сигналов счетчик последовательно перебирает свои состоя­ния в определенном для данной схемы порядке. Длину спи­ска используемых состояний (параметр К) называют моду­лем пересчета, основанием пересчета или емкостью счетчи­ка. Одно из возможных состояний счетчика принимается за начальное (нулевое). Если счетчик начал считать с началь­ного состояния, то через каждые К сигналов в нем снова устанавливается начальное состояние, а на выходе счетчика при этом появляется сигнал К-ичного переноса CR (от car­ry — нести).

Различные схемы счетчиков могут перебирать свои со­стояния в самом различном порядке. Чаще всего применяют двоичные счетчики, у которых порядок смены состояний триггеров соответствует последовательности двоичных чи­сел. Кроме того, применяют одинарное кодирование, когда состояние счетчика представлено местом расположения единственной единицы (например, сдвигающий регистр с од­ной двигающейся единицей), унитарное кодирование, когда состояние представлено числом единиц и более сложные ви­ды кодирования.

Обычно счетчик перебирает свои состояния в возраста­ющем порядке. Если состояния перебираются в убывающем порядке, то такой счетчик называют вычитающим, а если направление перебора может изменяться, то счетчик называют реверсивным. Счетчики, которые в процессе работы для переключения требуют подачи синхросигналов, назы­вают синхронными, а счетчики, у которых для переключе­ния достаточно подавать лишь входные сигналы, — асин­хронными.

Часто счетчик снабжен входом общего сброса R и входами данных D для параллель­ной загрузки произвольного кода. За­грузка осуществляется при подаче сиг­нала на еще один вход — вход парал­лельной загрузки PL (parallel load).

Рисунок 1.3.1.1 – Условное обозначение счетчика

Условное изображение счетчика по­казано на рисунке 1.3.1.1. Здесь Q0 - Q3 - выходы счетчика, комбинация значе­ний которых определяет номер его со­стояния; СR - выход переноса. Суммирующий вход счетчика обозначается «+1», вычи­тающий - «-1». Это счетные входы. У асинхронных счет­чиков они помечаются таким же символом, как и счетный вход Т-триггера, указывающим полярность перепада вход­ного сигнала, по которому счетчик меняет состояние своего выхода.

1.3.2Синхронные счетчики с асинхронным переносом

Синхронные (или параллельные) счетчики характеризуются тем, что все их разряды в пределах одной микросхемы переключаются одновременно, параллельно. Это достигается существенным усложнением внутренней структуры микросхемы по сравнению с простыми асинхронными счетчиками. В результате полная задержка переключения синхронного счетчика примерно равна задержке одного триггера, то есть синхронные счетчики горазд быстрее асинхронных, причем их быстродействие не падает с ростом количества разрядов выходного кода (конечно, до определенных пределов).

Управление работой синхронного счетчика горазд сложнее, чем в случае асинхронного счетчика, а количество разрядов синхронных счетчиков обычно не превышает четырех. Поэтому синхронные счетчики не всегда могут успешно конкурировать с асинхронными счетчиками, особенно при невысоких требованиях к быстродействию. Зато и возможностей у синхронных счетчиков, как правило, гораздо больше, чем асинхронных, например, они обеспечивают параллельную запись информации в счетчик и инверсный режим счета.

Для объединения нескольких синхронных счетчиков с целью увеличения числа их разрядов (для каскадирования) используется специальный выходной сигнал переноса. В зависимости от принципов формирования этого сигнала переноса и от принципов его использования синхронные счетчики делятся на счетчики с асинхронным переносом и счетчики с синхронным переносом (или полностью синхронные счетчики).

Синхронные счетчики с асинхронным переносом занимают промежуточное положение по быстродействию между асинхронными счетчиками и полностью синхронными счетчиками. Управление их работой проще, чем у синхронных счетчиков, но сложнее, чем у асинхронных. Работают данные счетчики по положительному фронту входного сигнала (или, что то же самое, по заднему фронту отрицательного сигнала). Основная суть их работы сводится к следующему: все разряды одного счетчика переключаются одновременно, но при каскадировании счетчиков каждый следующий счетчик (дающий более старшие разряды) переключается с задержкой относительно предыдущего счетчика (дающего более младшие разряды). То есть задержка переключения многоразрядного счетчика увеличивается в данном случае не с каждым новым разрядом (как у асинхронных счетчиков), а с каждой новой (например, 4-разрядной микросхемой.

Сигнал переноса у этих счетчиков при прямом счете вырабатывается тогда, когда все разряды равны единице (достигнут максимальный код) и когда приходит входной сигнал. Поэтому сигнал переноса, повторяющий входной сигнал, будет задержан относительно входного сигнала. И именно этот сигнал переноса используется в качестве входного для следующего счетчика при каскадировании. То есть входной сигнал второго счетчика задержан относительно входного сигнала первого счетчика, входной сигнал третьего счетчика задержан относительно входного сигнала второго счетчика и т.д.

Временная диаграмма 4-разрядного синхронного счетчика с асинхронным переносом показана на рис.1.3.2. Из рисунка видно, что разряды переключаются одновременно по положительному фронту входного сигнала (с некоторой задержкой), а отрицательный сигнал переноса также задержан относительно входного отрицательного импульса. Понятно, что переключение разрядов счетчика, работающего с этим сигналом переноса в качестве входного, будет происходить с дополнительной задержкой относительно переключения разрядов данного счетчика.

Рисунок 1.3.2 – Временная диаграмма работы синхронного счетчика с асинхронным переносом.