20 СЧЁТЧИКИ ИМПУЛЬСОВ. СУММАТОРЫ

(Сост. Никонов А.В.)

Подсчет числа импульсов является наиболее распространенной операцией в устройствах цифровой обработки информации. В устройствах цифровой обработки информации измеряемый параметр (угол поворота, перемещение, скорость, частота,

время, температура и т. д.) преобразуется в импульсы напряжения, число которых в

соответствующем масштабе характеризует значение данного параметра.

Эти импульсы подсчитываются счетчиками импульсов и выражаются в виде цифр.

По целевому назначению счетчики подразделяют на простые и реверсивные.

Простые счетчики, в свою очередь, подразделяют на суммирующие и вычи-

тающие.

Суммирующий счетчик предназначен для выполнениясчета в прямом направлении, т. е. для сложения. С приходом очередного счетного импульса на

вход счетчика его показание увеличивается на единицу.

Вычитающий счетчик служит для осуществлениясчета в обратном на-

правлении, т. е. для вычитания. Каждый счетный импульс, поступающий на вход

вычитающего счетчика, уменьшает его показание на единицу.

Реверсивные счетчики предназначены для выполнения операции счета как в прямом, так и в обратном направлении, т. е. они могут работать в режиме сло-

жения и вычитания.

Основными параметрами счетчиков являются модуль счета (коэффици-

ент счета К) и быстродействие.

Коэффициент счета определяет число импульсов, которое может быть сосчитано счетчиком.

Быстродействие счетчика характеризуется максимальной частотойfсч

следования счетных импульсов и связанным с ней временем tуст установки счет-

чика.

Величина tуст определяет максимальное время протекания переходных про-

цессов во всех разрядах счетчика с поступлением на вход очередного счетного

импульса. Счетчики импульсов выполняются на основе триггеров. Счет числа по-

ступающих импульсов производится с использованием двоичной системы счисле-

ния.

Двоичные суммирующие счетчики с непосредственной связ.ьюДвоичные

счетчики производят счет поступающих импульсов в двоичной системе счисле-

ния. Основным узлом двоичного счетчика (служащим также его разрядом) является

триггер со счетным запуском, осуществляющий подсчет импульсов по модулю 2.

Многоразрядные двоичные суммирующие счетчики с непосредственной свя-

зью выполняются путем последовательного соединения счетных триггеров.

Принцип действия двоичного счетчика с непосредственной связью рассмот-

рим на примере четырехразрядного счетчика, показанного на рисунке 20.1.

Схема выполнена на счетныхТt-триггерах с внутренней задержкой. Работу схемы иллюстрируют временные диаграммы, приведенные на рисункеи табли-

ца 20.1.

tИ

t

Q1

Q2

Q3

Q4

Рисунок 20.1 – Двоичный четырёхразрядный счётчик

По окончании 15-го импульса все разряды счетчика устанавливаются в состоя-

ние «1», а 16-й импульс переключает первый разряд счетчика в состояние «0».

В соответствии с рисунком 20.1 и таблицей 20.1, установка в исходное состоя-

ние «0» двух последовательно включенных триггеров (DD1 и DD2) осуществляется

четвертым счетным импульсом, трех триггеров (DD1 – DD3) – восьмым и четырех триггеров – 16-м счетным импульсом.

Из этого следует, что модуль счета двухразрядного, трехразрядного и четы-

рехразрядного двоичных счетчиков равен соответственно 4, 8 и 16.

Модуль счета двоичного счетчика находят из соотношения Ксч = 2N, где N –

число разрядов счетчика.

Таблица 20.1 – Состояние триггеров счётчика

В процессе работы двоичного счетчика частота следования импульсов на

выходе каждого последующего триггера уменьшается вдвое по сравнению с час-

тотой его входных импульсов.

Это свойство схемы используют для построения делителей частоты.

При использовании схемы в качестве делителячастоты входной сигнал пода-

ют на счетный вход первого триггера, а выходной снимают с последнего тригге-

ра.

Выходная и входная частоты связаны соотношением: fвых = fвх/Ксч.

Максимальное время установки tуст max в двоичных счетчикахс непосредст-

венной связью характеризуется суммарной задержкой в последовательной пе-

редаче информации от младшего к старшему разряду счетчика.

Другими словами, параметр определяется временем перехода счетчика из кода 2N – 1 в код 00...0.

Его находят из соотношения:

tуст max = Ntзт , ()

где tзт – задержка переключения Тt-триггера после окончания счетного импульса.

Время установки возрастает с увеличением числа разрядов, что сказывается на быстродействии счетчика.

При работе счетчика в режиме деления частотыего предельная частота

определяется предельной частотой переключения триггера первого разр,яда

т. е.:

Счетчики с коэффициентом счета Ксч ¹ 2N.

На практике часто возникает необходимость в счетчиках, коэффициент счета

которых не соответствует указанному значению 2N. Такие счетчики выполня-

ются на основе двоичных счетчиков.

Общий принцип их построения основывается на исключении у счетчика с

Ксч = 2N соответствующего числа «избыточных» состояний.

Число избыточных состояний s определяется разностью:

где 2N – количество состояний двоичного счетчика;

Ксч – требуемый коэффициент счета.

Число триггеров синтезированного счетчика выбирают по минимуму величи-

ны s.

Например, при построении счетчика с Ксч = 3 на двух триггерах и счетчика с

Ксч = 10 на четырех триггерах следует исключить соответственно 1 и 6 состоя-

ний.

Способы построения счетчиков с коэффициентом счета Ксч ¹ 2N достаточно

разнообразны.

Наибольшее распространение получили способ принудительной установки

в состояние «0» всех разрядов двоичного счетчикаи способ принудительного

насчета. По первому способу реализуются счетчики с естественным порядком сче-

та, по второму – счетчики с принудительным счетом.

В счетчиках с естественным порядком счета порядок счета такой же,

как в двоичных счетчиках. Отличие заключается в том, что путем введения до-

полнительных связей счет заканчивается раньше значения 2N.

Так у счетчика с Ксч = 10 переход разрядов в состояние «0» будет происходить с приходом не 16-го, а 10-го счетного импульса («система 16 – 6»).

Пример построения счетчика с естественным порядком счета при К = 10

сч

приведен на рисунке 20.2.

В счетчиках с принудительным насчетом исключение избыточных состоя-

ний двоичного счетчика достигается путем принудительной установки отдель-

ных его разрядов в состояние «1» в процессе счета.

Принудительный насчет осуществляется введением обратных связей со старших разрядов двоичного счетчика в младшие, благодаря чемусоответст-

вующие младшие разряды вне очереди переключаются в состояние «1».

Вследствие принудительного насчетапоказания рассматриваемых счетчи-

ков не соответствуют двоичной системе счисления. По этой причине их относят к классу счетчиков с «произвольным» порядком счета.

Способ реализации счетчиков с принудительным насчетом показан на приме-

ре функциональной схемы счетчика с Ксч = 10 (рисунок 20.3).

вход

выход

Рисунок 20.3 – Функциональная схема декадного счетчика с принудительным насчетом

До записи «1» в четвертый разряд, т. е. до прихода восьмого счетного импуль-

са, счетчик работает как двоичный (таблица 20.2).

Таблица 20.2 – Состояние триггеров счётчика с принудительным счётом

С приходом восьмого счетного импульса «1» записывается в триггер Т4 с осу-

ществлением обратной связи на запись «1» во вторую и третью ячейки.

Таким образом, после восьмого счетного импульса вследствие принудитель-

ного насчета в счетчик записывается число 8 + 6 = 14.

Девятый счетный импульс устанавливает «1» в триггере Т1, а 10-й счет-

ный импульс возвращает счетчик в исходное нулевое состояние.

Счетчики с Ксч = 10 называют десятичными или декадными. Они нашли

широкое применение для регистрации числа импульсовс последующим визу-

альным отображением результата. Десятичные счетчики часто включают после-

довательно (рисунок 20.4).

Рисунок 20.4 – Последовательное соединение декадных счётчиков

Последовательное соединение двух схем десятичного счета дает пересчет на

100, трех – на 1000 и т. д.

Первая декада производит счет единиц входных импульсов от 0 до 9. Деся-

тый импульс устанавливает разряды первой декады в состояние«0», а форми-

руемый ею на выходе импульс записывает «1» во вторую декаду, что соответствует

числу 10.