1. Счетчики Основные параметры и классификация

Счетчиком называется функциональный узел ЭВМ, предназначенный для подсчета числа входных сигналов и хранения результата счета в двоичном коде. Счетчики выполняются на элементах памяти (триггерах), образующих двоичные разряды, и элементах комбинационной логики.

Счетчики могут быть с естественным и произвольным порядком счета. При естественном порядке счета результат счета изменяется на единицу при поступлении на вход счетчика каждого сигнала (импульса). В счетчиках с произвольным порядком счета, называемых также пересчетными устройствами, при поступлении входных сигналов результат счета может изменяться произвольно в соответствии с заданным законом.

Основными параметрами счетчиков являются модуль счета (коэффициент пересчета, емкость счетчика) Ксч и быстродействие. Модулем счета называют число состояний, которые он приобретает под действием входных сигналов. Если счетчик начал считать с начального состояния, то через каждые Кcч входных сигналов он снова возвращается в начальное состояние, а на его выходе появляется сигнал Ксч-ичного переноса. Быстродействие счетчика определяется разрешающей способностью и временем установки. Разрешающая способность t _Р характеризуется периодом входных импульсов Т_СЧ, при котором счетчик еще работает без сбоев, а время установки t_УСТ — интервалом времени от момента поступления сигнала на вход счетчика до завершения перехода счетчика в новое состояние.

По значению модуля счета счетчики делятся на двоичные (Ксч =2ⁿ, где n число разрядов), двоично-кодированные (имеют произвольный модуль счета, но все состояния кодируются двоичными кодами), счетчики с одинарным кодированием (состояние счетчика определяется местом расположения единственной единицы), счетчики с унитарным кодированием (состояние счетчика представлено числом единиц) и др.

По направлению счета счетчики могут быть суммирующими (прямого счета), вычитающими (обратного счета) и реверсивными, т.е. способными работать как в режиме суммирования, так и в режиме вычитания.

По структурной организации счетчики делятся на последовательные (асинхронные), параллельные (синхронные) и параллельно-последовательные.

Помимо входа для приема подсчитываемых сигналов счетчик может иметь вход общего сброса R и входы данных D_i для параллельной загрузки произвольного кода. В последнем случае для осуществления загрузки предусматривается еще один вход — вход разрешения параллельной загрузки PL (parallel 1оаd).

Счетчики используются в ЭВМ для осуществления последовательного выполнения команд программы, подсчета числа циклов выполненных операций, образования адресов при обращении к запоминающим устройствам, в качестве делителей частоты в цифровых электронных часах и частотомерах и др.

2-3 Последовательные счетчики

В счетчиках, показанных на рис.12.1, используется непосредственная связь между выходами и входами триггеров. Поскольку каждый триггер (кроме первого) переключается выходным сигналом предыдущего, в таких счетчиках нет специальных схем формирования сигналов переноса или заема: их роль выполняют сигналы с выходов старшего разряда. Наращивание разрядности достигается путем последовательного подключения нужного количества триггеров. Однако несмотря на эти достоинства, а также простоту схемной реализации, область применения последовательных счетчиков с непосредственными связями ограничивается пределом их быстродействия.

На рис. 12.2 приведены временные диаграммы трехразрядного суммирующего счетчика, выполненного по схеме рис. 12.1, а.

Параметр t_ТГ характеризует задержку переключения триггера при поступлении на его вход отрицательного перепада напряжения. Наличие этой задержки вызывает появление "ошибочных" результатов, не предусмотренных таблицей его функционирования (см. табл. 12.1). Так, например, после окончания действия второго входного импульса перед правильным состоянием Q₂Q₁Q₀=010 на некоторое время возникает неправильное состояние Q₂Q₁Q₀=000, соответствующее переходным процессам в триггерах нулевого и первого разрядов. Из-за переходных процессов при переключениях триггеров всех трех разрядов после окончания четвертого (а также восьмого) входного импульса установлению правильного состояния Q₂Q₁Q₀=100 предшествуют два неправильных: 010 и 000. Следовательно индикацию результата счета в таком счетчике (а значит, и интервал между входными импульсами) следует осуществлять не ранее, чем через время t=3t_ТГ. При этом максимальная частота следования входных импульсов определяется формулой:

,

где t_И - длительность импульса.

С увеличением разрядности счетчика увеличивается время задержки переключения триггера n-го разряда относительно среза входных импульсов, поэтому для n-разрядного счетчика с последовательным переносом максимальная частота входных импульсов будет равна:

.

На диаграммах виден и режим деления частоты: каждый последующий триггер переключается вдвое реже, чем предыдущий. Поскольку предыдущий триггер выполняет роль генератора импульсов для последующего, то максимальная частота входных импульсов в режиме деления частоты ограничивается возможностями триггера младшего разряда и равна 1/t_ТГ. Задержки переключения триггеров последующих разрядов вызовут лишь появление фазовых сдвигов между входной и выходной последовательностями импульсов.

Примером интегрального двоичного счетчика с непосредственными связями может служить микросхема К155ИЕ5 (рис.  12.3,  а). Она представляет собой 4-разрядный двоичный счетчик, выполненный на двухступенчатых JK-триггерах с двумя счетными входами С₁ и С₂ и двумя входами сброса в нуль R₁ и R₂. Выход Q₀ внутренне не соединен с последующими триггерами, что дает возможность использовать схему в качестве 3-разрядного или 4-разрядного двоичного счетчика. В первом случае счетные импульсы подают на вход С₂, а во втором – на вход С₁, предварительно объединив выход Q₀ со входом C₂. Входы сброса R₁ и R₂ обеспечивают сброс счетчика в нулевое состояние при R₁=R₂=1. При выполнении операции счета на одном из входов R₁ или R₂ ( или на обоих ) должен присутствовать потенциал низкого уровня.

Условное обозначение счетчика дано на рис. 12.3, б.