4.2.3. Счетчики.

Счетчиком называют устройство, сигналы, на выходе которого в определенном коде отображают число импульсов, поступивших на счетный вход. Счетчик, образованный цепочкой из m триггеров, сможет подсчитать в двоичном коде 2^m импульсов. Каждый из триггеров такой цепочки называют разрядом счетчика. Число m определяет количество разрядов двоичного числа, которое может быть записано в счетчик. Число К_СЧ= 2^m называют коэффициентом (модулем) счета.

Информация снимается с прямых и (или) инверсных выходов всех триггеров. В паузах между входными импульсами триггеры сохраняют свои состояния, то есть счетчик запоминает число поступивших на вход импульсов.

Когда число входных импульсов N_ВХ > K_СЧ происходит переполнение, после чего счетчик возвращается в нулевое состояние и повторяет цикл работы. После каждого цикла счета на выходах последнего триггера счетчика возникают перепады напряжения. Это свойство определяет второе назначение счетчиков: деление числа входных импульсов. Если входные импульсы периодичны и следуют с частотой f_ВХ, то частота выходных импульсов будет f_ВЫХ=f_ВХ/ К_СЧ.

Основными эксплуатационными показателями счетчика являются емкость и быстродействие. Емкость счетчика численно равна коэффициенту счета К_СЧ. Быстродействие счетчика определяется двумя параметрами: разрешающей способностью t_{РАЗ. СЧ.} и временем установки кода счетчика. Под разрешающей способностью подразумевают минимальное время между двумя входными сигналами, при котором еще не возникают сбои в работе счетчика. Обратная величина f_МАХ=1/t_{РАЗ. СЧ} называется максимальной частотой счета. Время установки кода t_УСТ равно времени между моментом поступления входного сигнала и переходом счетчика в новое устойчивое состояние.

Классифицируют счетчики по нескольким параметрам:

• по модулю счета: двоичные, двоично-десятичные (декадные) или с другим основанием счета, с произвольным постоянным модулем, с переменным модулем;

• по направлению счета: суммирующие, вычитающие, реверсивные;

• по способу организации внутренних связей: с последовательным переносом, с параллельным переносом, с комбинированным переносом, кольцевые.

Классификационные признаки независимы и могут встречаться в различных сочетаниях.

Счетчики могут быть асинхронными и синхронными (тактируемыми).

Рассмотрим примеры счетчиков. Двоичный трехразрядный суммирующий счетчик с последовательным переносом представлен на рис. 4.29.

Перед началом счета, то есть в исходном состоянии все триггеры по выходам устанавливают в 0, подав импульс на вход R (установка «0»). Каждый триггер счетчика срабатывает при переходе своего входного сигнала из 1 в 0 (на отрицательный перепад входного сигнала), поэтому, как видно из временных диаграмм, каждый триггер делит частоту входного сигнала на два, что и используется в делителях частоты. Модуль счета счетчика К_СЧ=2³=8, т.е. через каждые восемь импульсов цикл повторяется. Из временных диаграмм видно, что количеству поступивших на вход счетчика импульсов от 0 до 7 соответствует двоичное число, определяемое состояниями триггеров. Причем код числа возрастает на 1 при поступлении очередного входного импульса, поэтому счетчик называют суммирующим.

Для получения вычитающего счетчика (рис. 4.30) в цепочке триггеров счетный вход каждого последующего триггера подключают к инверсному выходу предыдущего, а не к основному, как в предыдущем случае.

Из временных диаграмм вычитающего счетчика (рис. 4.30,а) видно, что с приходом первого счетного импульса в счетчике устанавливается максимальное двоичное число 111 (двоичное число 7), а при подаче каждого последующего импульса уменьшается на единицу.

Часто возникает необходимость в счетчиках, которые под действием дополнительного управляющего сигнала могли бы осуществлять либо сложение, либо вычитание. Такие счетчики называют реверсивными. Один из вариантов такого счетчика приведен на рис. 4.31.

При подаче на шину Т_СУМ единицы, а на шину Т_ВЫЧ нуля получаем суммирующий счетчик, так как прямые выходы триггеров соединяются со счетным входом последующих через верхние логические элементы И. При сигналах на шинах Т_СУМ=0 и Т_ВЫЧ=1 счетчик переключается на вычитание. Теперь сигналы с инверсных выходов предыдущих триггеров поступают на счетные входы последующих через нижние логические элементы И.

Основной недостаток счетчиков с последовательным переносом – сравнительно низкое быстродействие, поскольку триггеры здесь переключаются последовательно один за другим.

Для повышения быстродействия используются схемы счетчиков с параллельной (сквозной) передачей единиц переноса. Принцип построения таких счетчиков основан на особенности сложения двоичных чисел, заключающейся в том, что если к двоичному числу прибавить единицу младшего разряда, то результат может быть получен заменой в этом числе первого нуля в младших разрядах (считая, справа налево) единицей, а всех единиц, расположенных справа от этого нуля, - нулями. Например,

Здесь первым нулем в числе является 0 в третьем разряде, ему предшествуют единицы в первом и втором разрядах. Как видно из примера, заменив этот нуль единицей, а предшествующие ему единицы – нулями, получим число на единицу больше исходного.

Вариант счетчика со сквозным переносом показан на рис. 4.32.

Таблица 4.9.
Число импуль-сов	Выходы
	Q1	Q2	Q3	Q4
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16	0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0	0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0	0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0	0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 ! 1 ! 1 ! 1 ! 1 ! 0

Предположим, что к моменту поступления очередного входного импульса триггеры первый и второй находились в положении 1, а триггер третий – положении 0 (таблица 4.9, третья строчка). Входной импульс поступает одновременно на вход T первого триггера и вход элемента И1. Так как с выходов триггеров 1 и 2 подаются разрешающие потенциалы на нижние входы соответственно элементов И1 и И2, то входной импульс проходит через элементы И1 и И2 и на счетный вход триггера 3 и переводит его в положение 1. Одновременно этот импульс переводит в положение 0 триггеры 1 и 2. Состояние триггера 4 не меняется. Таким образом, показание счетчика увеличивается на единицу. Цепь сквозного переноса единиц обладает малой задержкой и время установления счетчика практически определяется длительностью опрокидывания одного триггера. Обнуление счетчика производится при подаче на общую шину R сигнала 0.

Довольно часто требуется построить счетчик, работающий в системе счисления, основание которой не равно целой степени числа 2 (К_СЧ2^m). В общем случае задача формулируется следующим образом. Требуется получить счетчик с коэффициентом пересчета К_СЧ2^m, причем 2^m-1<К_СЧ<2^m.

Для этого необходимо m триггеров и исключить 2^m-К_СЧ линейных состояний в счетчике. Это условие можно реализовать различными способами.

Наибольшее распространение получили десятичные (декадные) счетчики, работающие с привычным К_СЧ=10. Если десятичный счет осуществляется в двоично-десятичном коде (двоичный – по коду счета, десятичный – по числу состояний), то такой счетчик называют двоично-десятичным.

Для построения такого счетчика необходим четырехразрядный двоичный счетчик, имеющий К_СЧ=2⁴=16. Избыточные шесть состояний исключаются за счет обратных связей. На рис. 4.33 приведена схема двоично-десятичного счетчика, который построен на основе двоичного четырехразрядного счетчика, изображенного на рис. 4.32. В цепи обратной связи включен логический элемент И-НЕ. Счетчик производит счет в двоичном коде до момента, когда на вход приходит 10-й импульс (10 строка табл. 4.10). При этом на обоих входах элемента И-НЕ устанавливается сигнал 1. Низким уровнем выходного импульса элемента И-НЕ, подаваемого на вход R счетчика, счетчик обнуляется, исключая лишние состояния. Начинается новый цикл счета.

Если входы элемента И-НЕ подключить к выходам Q3 и Q4 счетчика получим счетчик с коэффициентом пересчета К_СЧ=12 и так далее.