4. Счетчики

Счетчик – функциональный узел накапливающего типа, предназначенный в основном для подсчета числа поступивших на вход импульсов.

Они применяются для подсчета шагов программы, циклов, построения распределителей импульсов и т. п.

В зависимости от выполняемой арифметической операции различают суммирующие (выполняется сложение поступающих на вход импульсов с тем числом, которое хранилось в счетчике), вычитающие (выполняется отнимание поступающих на вход импульсов от предыдущего числа) и реверсивные счетчики (выполняют сложение и вычитание поступающих импульсов в зависимости от управляющего сигнала, который переключает счетчик в режим сложения или вычитания).

По способу организации цепей переноса счетчики делятся на счетчики с последовательным (наиболее простые по схеме, но быстродействие ниже, чем у счетчиков с параллельным переносом), сквозным и групповым переносом.

Наибольшее распространение в микропроцессорной технике получили двоичные счетчики.

Емкость счетчика характеризуется максимально-возможным числом N двоичных сигналов, которые им могут быть зафиксированы. Триггеры, которые входят в счетчик, создают его разряды. Между емкостью счетчика и цифрой разрядов, размещенных в нем, существует соответствие N=2ⁿ-1, где n – число разрядов счетчика.

В суммирующих счетчиках вход каждого следующего триггера соединен с выходом предыдущего так, что при переходе триггера младшего разряда из состояния 1 в состояние 0, в цепи переноса между триггерами появляется сигнал переноса, под воздействием которого триггер старшего разряда изменяет свое состояние на противоположное.

В вычитающих счетчиках при переходе триггера младшего разряда их состояния 0 в состояние 1 в цепи переноса появится сигнал заема, который переводит триггер старшего разряда в противоположное состояние.

В реверсных счетчиках с помощью счетных элементов осуществляется переключение связей между триггерами, поэтому результат в счетчике может увеличиваться, так и уменьшаться на единицу с поступлением входного импульса.

Основой для построения счетчиков являются асинхронные или синхронные Т-триггеры, реализованные на D-триггерах с динамическим управлением или на JK-триггерах (применяются чаще всего).

Для построения счетчика на основе D-триггера и создания его счетного входа необходимо инверсный вход соединить с входом D, а счетным входом при этом будет вход С.

Если соединить инверсные выходы триггеров с входом С следующих триггеров, то получится суммирующий счетчик (рис. 34) с последовательным переносом.

Рис. 34. Суммирующий счетчик с последовательным переносом

Максимальное число разрядов, которое может в себе вместить счетчик, определяется числом триггеров счетчика.

Удаление показателей счетчика осуществляется подачей на вход R уровня логического 0. При этом все триггеры установятся в положение 0, а на выходах – уровни логической 1.

При поступлении первого импульса на вход счетчика С, триггер DD1.1 меняет свое состояние, в результате чего на выходе Q1 устанавливается уровень логической 1, а на выходе – уровень логического 0.

Изменение сигналов на входе С любого из триггеров счетчика с уровня логической 1 на уровень логического 0 не повлияет на его состояние, а с 0 на 1 – приведет его к изменению состояния. Так как при подаче первого импульса на вход счетчика при скачке триггера DD1.1 на выходе Q1 единица изменится на 0, а выход соединенный с входом С триггера DD1.2, то скачек триггера DD1.2 произойдет. Поэтому после поступления на вход счетчика одного импульса, выходы триггеров примут следующие логические уровни: – 1, а – 0.

Подача второго импульса на вход счетчика приведет к тому, что на выходе Q1 появится 0, а на выходе – 1. При этом на входе С второго триггера DD1.2 вместо 0 появится 1, что приведет к скачку триггера DD1.2, это значит, на выходе Q2 установится 1, а на выходе – 0. Таким образом, при поступлении на вход счетчика двух импульсов на выходах установится 1, а на выходах – 0.

Аналогичным образом можно проследить, какие значения примут выходы счетчика для любого числа поступающих импульсов. Например, при поступлении пяти импульсов, 1 появится на выходах , а 0 – на выходах .

После пятнадцатого импульса на прямых выходах установится 1, а на инверсных – 0. В таком случае говорят, что счетчик оказался полностью заполненным.

Шестнадцатый импульс вернет счетчик в начальное состояние.

Если в суммирующем счетчике счетные входы последующих триггеров переключить к прямым выходам предыдущих триггеров, то получим вычитающий счетчик (рис. 35).

Рис. 35. Вычитающий счетчик.

Подачей логического 0 на вход каждого триггера они установятся в состояние 1. При этом на выходах появится 1, а на выходах – 0.

Поступление первого импульса на вход счетчика приведет к скачку триггера DD1.1, но он не влияет на состояние триггера DD2.1, т. к. на его входе С сигнал 1 изменяется на 0.

Аналогичным образом можно проанализировать, в каком состоянии будут находиться триггеры счетчика при разном количестве поступающих импульсов. Например, при поступлении 5 импульсов 1 появится на выходах , а 0 – .

Интегральная микросхема счетчиков. Промышленностью выпускаются разные типы счетчиков в виде интегральных микросхем. В качестве примера рассмотрим интегральную микросхему К155ИЕ7 реверсного двоичного четырехразрядного счетчика (рис. 36), который может работать в режиме сложения и вычитания в двоичном коде 8–4–2–1.

Счетчик имеет предварительного импульса С, который позволяет , которая

в счетчике.

Рис. 36. Интегральная микросхема К155ИЕ7 реверсного двоичного четырехразрядного счетчика.

Вход счетчика R0 предназначен для установки всех его триггеров в состояние 0. Если на этом входе установлен уровень логической 1, то триггеры переключаются в состояние 0. При этом в счетчике будет находиться число 0000 независимо от логических уровней на информационных входах и входе предварительной записи.

Для работы счетчика в режиме сложения необходимо на вход +1 подать тактовый импульс, по фронту каждого из которых счетчик переключится в следующее состояние, отраженное на выходах в коде 8–4–2–1. При этом на вход С должен быть подан уровень логической 1, а на вход R0 – 0.

Для работы счетчика в режиме вычитания на входах С и R0 должны находиться такие же состояния, а тактовые импульсы подаются на вход -1.

Для построения счетчика большей разрядностью используются выходы прямого ≥15 и обратного ≤0 переносов. С выхода импульсы переноса подаются на вход прямого счета следующего счетчика. Аналогично, импульсы обратного переноса подаются на вход обратного счета следующего каскада. Входы предыдущей записи и установки нуля при использовании нескольких микросхем объединяются между собой.

Недвоичный счетчик. Рассмотренные ранее счетчики являются двоичными. Каждый из таких счетчиков характеризуется коэффициентом счета (Ксчета), который определяется количеством импульсов, которое необходимо подать на его вход, чтобы в нем оказалась записанной исходная цифра. Чаще всего используются двоично-десятичные счетчики, в которых Ксчета =10.

Рассмотрим принцип построения недвоичных счетчиков на основе двоичных. Одним вариантом построения таких счетчиков является принудительное обнуление. Принцип действия такого счетчика заключается в том, что по достижении необходимого состояния, соответствующего выбранному Ксчета, он вынужденно обнуляется и счет начинается сначала.

Рассмотрим построение двоично-десятичного счетчика на основе интегральной микросхемы К155ИЕ7 и двух логических элементах И-НЕ. Принцип действия схемы такого счетчика для Ксчета=10 (рис. 37) заключается в следующем:

–

Для получения счетчика, у которого двоичный код коэффициента имеет только одну единицу, выход, на котором установлен уровень 1, соединяется непосредственно с входом R0.

Рис. 37. Двоично-десятичного счетчика на основе интегральной микросхемы К155ИЕ7 и двух логических элементах И-НЕ

С помощью двухвходового элемента И на основе четырехразрядного двоичного счетчика можно получить недвоичные счетчики с разными коэффициентами счета 2,3,4,5,6,8,9,10,12. Для других Ксчета необходим трехвходовый логический элемент И.