8.4. Счетчики: классификация, функционирование, использование

Счетчики – общее название последовательностных элементов цифровой микросхемотехники, выполняющих несколько логических функций. Основной функцией может быть либо подсчет поступающих на вход импульсов (счетных импульсов) с выдачей текущего результата счета в заданном коде, либо выделение нужного числа импульсов из серии постоянной длины, либо деление количества импульсов (частоты) входного импульсного сигнала. Основное ПРАВИЛО РАБОТЫ счетчика – последовательный переход при поступлении счетного импульса в состояние, отличающееся на единицу от предшествующего. Состояние счетчика отображается на его выходах в виде кодового слова с разрядностью, зависящей от конструкции счетчика.

Счетчики, способные выполнять и подсчет импульсов и деление частоты, можно отнести к полным, а выделяющие заданное число импульсов K из серии N – к специальным. Делители с этой точки зрения представляют собой частный случай специальных счетчиков с выдачей на выход одного импульса из N входных. Дополнительные функции обеспечивают установку счетчика в заданное состояние перед счетом, переход в режим хранения, управление направлением счета, сброс и др. Структурно счетчики состоят из нескольких соединенных каскадно схем Т-триггеров.

На УГО все счетчики обозначаются СТ (counter). В маркировке функциональная подгруппа счетчиков кодируется буквами ИЕ.

Наиболее характерны два способа построения счетчиков: с последовательным (рис. 64, а) и с параллельным переносом (рис. 64, б – цепь обнуления R не показана). В счетчике

Рис. 64

с последовательным переносом триггеры соединены последовательно, так что каждый последующий разряд срабатывает после того, как переключился предыдущий. Результат снимается в виде двоичного кода с выходов всех разрядов одновременно. Сигнал с выхода старшего разряда может использоваться для подачи на вход счетчика старших разрядов (Q₄ = P₄). Быстродействие таких счетчиков невелико, что обусловлено последовательным во времени срабатыванием разрядов. Соответственно быстродействие счетчика в n раз меньше быстродействия составляющих его триггеров (n – разрядность счетчика), смена кодов на выходах может сопровождаться последовательностью ложных переходных состояний (например, вместо перехода 0111₂-1000₂ получаем 0111-0110-0100-0000-1000). Микросхемы счетчиков с такой организацией переноса называют асинхронными.

Счетчик с параллельным переносом (синхронный) характеризуется наибольшим быстродействием, поскольку счетные импульсы воздействуют одновременно на все триггеры (рис. 64,б). Условие переключения определяет логический элемент И, включенный на входе Е каждого разряда счетчика. На выходе этого элемента формируется разрешающий переключение сигнал, если ВСЕ предыдущие разряды имеют состояние лог.1. Таким образом, с поступлением каждого счетного импульса переключаются те триггеры, которым предшествуют разряды с состоянием лог.1 на выходах. При заполнении счетчика единицами формируется сигнал переноса P₄ в старший разряд. Наличие выхода сигнала переноса позволяет объединять между собой четырехразрядные счетчики путем соединения выхода переноса одной микросхемы со счетным входом другой. Быстродействие полученного каскадированного счетчика будет меньше быстродействия составляющих его микросхем. Другим классификационным признаком счетчиков является направление счета. По этому признаку различают счетчики суммирующие (up-counter), вычитающие (down-counter) и реверсивные (updown-counter). В первых с каждым счетным импульсом результат увеличивается на 1. В вычитающих счетчиках имеет место обратная смена состояний. Реверсивные счетчики могут работать в режимах суммирования и вычитания.

По способу кодирования внутренних состояний полные счетчики делятся на подгруппы: двоичные, двоично-десятичные (декадные), двенадцатиричные (ИЕ4) счетчики, счетчики Джонсона (выпускаются в сериях КМОП) и др. Наиболее полно представлены в различных сериях микросхем двоичные счетчики. Как правило, микросхемы двоичного счетчика содержат четыре разряда, могут иметь выходы сигналов переноса и, следовательно, допускают непосредственное соединение с другой такой же микросхемой при наращивании разрядности счетчика. Наряду с двоичными широкое распространение получили двоично-десятичные счетчики. В отличие от двоичных они имеют число состояний, равное 10, а не 2ⁿ. В схеме такого счетчика четыре триггера, но шесть "лишних" состояний исключены. Во всех счетчиках предусмотрены дополнительные входы обнуления R, а во многих – входы разрешения предварительной установки состояния L. Эти функции обычно используют при реализации делителей. Выполняться они могут как асинхронно, так и синхронно (в момент подачи очередного счетного импульса). Функция L обычно имеет приоритет перед функцией счета, а функция R – перед ними обеими, так что одновременная подача нескольких управляющих воздействий ведет к выполнению наиболее приоритетной функции. Следует обратить внимание на то, что у счетчиков ИЕ1...ИЕ8, ИЕ19 входы сброса R прямые, а у счетчиков ИЕ9...ИЕ11, ИЕ14, ИЕ15, ИЕ18 – инверсные.

1. К первой группе полных счетчиков отнесем ИЕ2, ИЕ4, ИЕ5 и ИЕ19 (рис. 65). Это нереверсивные счетчики с асинхронной

Рис. 65

установкой в состояние 0 и в состояние 9 (только для ИЕ2). Микросхема ИЕ19 содержит два счетчика по модулю 16, микросхема ИЕ5 – счетчик по модулю 2 и счетчик по модулю 8, микросхема ИЕ4 – счетчик по модулю 2 и счетчик по модулю 6, микросхема ИЕ2 – счетчик по модулю 2 и счетчик по модулю 5. ИЕ2 и ИЕ5 требуют внешнего соединения между счетчиками. Для получения скважности 2 при делении частоты на 10 с помощью ИЕ2 рекомендуется входной сигнал подавать на счетчик по модулю 5, а старший его выход соединять со входом счетчика по модулю 2. То же относится к ИЕ4 при делении частоты на 12. В режиме счета импульсов входной сигнал следует подавать на счетчик по модулю 2, его выход соединять со входом счетчика по модулю 5 или 6. На микросхеме ИЕ5 можно собрать счетчик по модулю 12, соединив выходы Q2 и Q3 со входами R1 и R2. Изобразите все описанные схемы коммутации.

2. Ко второй группе полных счетчиков можно отнести ИЕ14, ИЕ15 (рис.66,а). Это нереверсивные счетчики с асинхронной установкой в 0. Их особенностью является возможность загрузки произвольного начального состояния, устанавливаемого кодом на входах D и загружаемого при L=0. Микросхема ИЕ15 содержит счетчик по модулю 2 и счетчик по модулю 8, микросхема ИЕ14 – счетчик по модулю 2 и счетчик по модулю 5. Для счета импульсов входной сигнал следует подавать на счетчик по модулю 2, его выход соединять со входом счетчика по модулю 5 или 8. Счетчики ИЕ9 (по модулю 10), ИЕ10 (по модулю 16) – также загружаемые нереверсивные счетчики, но они имеют вход переноса Р0, выход переноса Р4 и вход разрешения ввода переноса Е. На рис. 66, б показан счетчик ИЕ10, охваченный обратными связями для счета по модулю 11. Вообще, для счета по заданному модулю d в момент переполнения в счетчик перезаписывают число D=16-d. Счетчики ИЕ11 (по модулю 10) и ИЕ18 (по модулю 16) отличаются от ИЕ9, ИЕ10 тем, что вход R у них синхронный, т.е. сброс выполняется только в момент фронта сигнала С. Подробно возможности этих счетчиков изложены в /5/.

3. Следующая группа представлена счетчиками ИЕ6 и ИЕ7 (рис. 67, а). Это загружаемые реверсивные счетчики по модулю 10 и 16 соответственно с асинхронной установкой в 0.

Структурно счетчики состоят из четырех соединенных каскадно схем тактируемых RS-триггеров с комбинационной логикой на входах. Эта логика обеспечивает замыкание обратных связей, переводящее триггеры в счетный режим, параллельный перенос между разрядами, загрузку произвольного кода и установку триггеров в "0". При этом реализуется приоритет функции загрузки перед функцией счета, а функции начальной установки – перед ними обеими, так что одновременная подача нескольких управляющих воздействий ведет к выполнению наиболее приоритетной функции. Вход CU (count up, обозначается также С1 или "+1") предназначен для подачи подсчитываемых импульсов в режиме прямого счета, а вход CD (count down, C2, "-1") – в режиме обратного счета. Входы CU и CD являются динамическими, причем сигналы на этих входах воспринимаются схемой счетчика тогда, когда они изменяют свое состояние с "0" на "1". При прямом счете на входе

а) б)

Рис. 67

CD должно быть напряжение лог.1, при обратном счете напряжение лог.1 должно быть на входе CU. Для записи в счетчик параллельного кода предназначены входы D0-D3, при этом на вход L (load) должен быть подан сигнал логического нуля (иногда этот вход обозначают V или C). Установка счетчика в нулевое состояние (сброс) осуществляется подачей лог.1 на вход R и отрабатывается независимо от значений сигналов на остальных входах. Выходы PU, PD (propagation carry up/down) предназначены для передачи сигнала переноса в соседнюю (старшую) микросхему. На выходе PU (обозначается также "≥15", P) сигнал лог.0 появляется только в том случае, когда все триггеры счетчика находятся в единичном состоянии и поступил очередной импульс на вход CU. На выходе PD ("≤0", B) сигнал лог.0 появляется в том случае, когда все триггеры счетчика находятся в нулевом состоянии и поступил очередной импульс на вход CD.

При последовательном соединении нескольких микросхем К555ИЕ7 (то есть при увеличении разрядности счетчиков) выход РU предыдущей микросхемы соединяется со входом CU последующей, а выход РD предыдущей микросхемы со входом CD последующей – рис. 68.

Рис. 68

4. Счетчики ИЕ16 (по модулю 10), ИЕ17 (по модулю 16) – загружаемые реверсивные счетчики с управляемым переносом (см. рис. 67, б) без сброса. Направление счета определяется подачей U=1 (на увеличение – up) или U=0 (на уменьшение – down). Вопросы каскадирования таких счетчиков рассмотрены в /5/.

5. Делители предназначены для деления числа входных импульсов или частоты их следования на заданный коэффициент. Среди микросхем семейства ТТЛ в законченном виде выпускаются счетчики К555ПЦ1 с делением входной частоты в 2^N раз, где N = 2…31 – рис. 69, табл. 24. В семействе КМОП есть программируемые делители на счетчиках Джонсона К561ИЕ19 и 564ИЕ19 с К_дел от 3 до 21327 /15/. Однако в большинстве случаев делители строят на основе двоичных счетчиков: полных или специальных.

Рассмотрим реализацию делителей на полных счетчиках. Коэффициент деления К_дел может иметь постоянное или переменное, т.­е. программируемое, значение. Делители с переменным К_дел управляются от внешних устройств, задающих коэффициент деления, а делителям с постоянным коэффициентам он задается путем соответствующей коммутации входов и вых одов.

Делители на полных счетчиках могут быть построены по различным схемотехническим вариантам, например, с предварительной установкой исходного состояния, от которого счет ведется (вверх или вниз) до переполнения счетчика (для деления частоты в d раз с помощью реверсивных счетчиков по модулю 16 организуют либо загрузку числа D =16–d и счет вверх, либо загрузку числа D = d и счет вниз), либо с установкой заданного конечного состояния, до которого, начиная с нулевого, ведется счет входных импульсов, после чего результат сбрасывается и начинается новый счетный цикл. Последняя схема может использоваться не только в делителях, но и в узлах счета импульсов по основанию К_дел, тогда как счетчик с предустановкой исходного состояния выдает в ходе счета коды, не соответствующие количеству поступивших импульсов, а, следовательно, для счета использоваться не может. В счетчиках с предустановкой исходного состояния результирующий сигнал снимается с выхода переполнения, а в счетчиках со сбросом – с выхода дешифратора (компаратора) состояний – дополнительной схемы, выявляющей граничное состояние счетчика. Некоторые микросхемы счетчиков имеют для выполнения функции начальной установки встроенные элементы И (например, К555ИЕ5), что позволяет строить делители со сбросом без дополнительных элементов только с помощью обратных связей /13/. Делители с переменным К_дел и установкой заданного конечного состояния включают в себя, помимо счетчика, компаратор кодов, на входы которого подают выходной код счетчика и опорный код А= К_дел, а выход подключают к R-входу счетчика. При достижении счетчиком состояния, код которого равен опорному, компаратор выдает сигнал, возвращающий счетчик в нулевое состояние. Следует отметить, что пребывание счетчика в заданном состоянии оказывается кратковременным (на временной диаграмме виден только так называемый "клык"), так что счетчик последовательно проходит состояния от 0 до К_дел–1 (всего К_дел состояний). Если схема используется в качестве счетчика импульсов по основанию К_дел, наличие "клыков" может быть недопустимым и в схему потребуется вводить дополнительные элементы.

Пример создания делителя с переменным К_дел на основе счетчика ИЕ7 приведен в /17/.