Двоичные суммирующие счетчики с непосредственной связью.
Двоичные счетчики производят счет поступающих импульсов в двоичной системе счисления. 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 связью
выполняются путем последовательного соединения счетных триггеров. Счетные импульсы подаются на счетный вход первого триггера. Счетные входы последующих триггеров связаны непосредственно с прямыми выходами предыдущих триггеров: вход второго триггера соединен с выходом первого триггера, вход третьего — с выходом второго и т. д.
Принцип действия ДВОИЧНОГО счетчика с непосредственной связью рассмотрим на примере четырехразрядного счетчика, показанного на рис. 2.1, а. Схема выполнена на счетных Tt-триггерах с внутренней задержкой . Работу схемы иллюстрируют временные диаграммы, приведенные на рис. 2.1, б .
Перед поступлением счетных импульсов все разряды счетчика устанавливаются в состояние «0» (Q1 = Q2 = Q3 = Q4 = 0) подачей импульса на вход «Установка нуля». При поступлении первого счетного импульса (рис. 2.1, б) первый разряд подготавливается к переключению в противоположное состояние и после окончания действия входного импульса переходит в состояние Q=1- В счетчик записывается число 1. Уровень 1 с выхода Q1 воздействует на счетный вход второго разряда, подготавливая его к переключению. По окончании второго счетного импульса первый разряд счетчика переходит
ч
в состояние «0», а второй разряд переключается в состояние «1». В счетчике записывается число 2 с кодом 0010.
Подобным образом осуществляется работа схемы с приходом последующих импульсов. Первый разряд счетчика, как видно из рис. 2.1, б, переключается с приходом каждого входного импульса, второй разряд — каждого второго, третий — каждого четвертого, а четвертый разряд срабатывает на каждый восьмой счетный импульс.
По окончании 15-го импульса все разряды счетчика устанавливаются в состояние «1» (рис. 2.1, б, табл. 1.1), а 16-й импульс переключает первый разряд счетчика в состояние «0». Уровень Q1 = 0 переводит второй разряд счетчика в состояние Q2 = 0, что, в свою очередь, вызывает Q3 = 0, а затем и Q4= 0, т. е. счетчик переходит в исходное состояние.
В соответствии с рис. 2.1, б и табл. 1.1 установка в исходное состояние «0» двух последовательно включенных триггеров (T1 и T2) осуществляется четвертым счетным импульсом, трех триггеров (T1, —Т3) — восьмым и четырех триггеров (T1,—T4)— 16-м счетным импульсом. Из этого следует, что модуль счета двухразрядного, трех- разрядного и четырехразрядного двоичных счетчиков ранен соответственно 4, 8 и 16. Модуль счета двоичного счетчика находят из соотношения Ксч= =2N, где N — число разрядов счетчика.
В процессе работы двоичного счетчика частота следования импульсов на выходе каждого последующего триггера уменьшается вдвое по сравнению с частотой его входных импульсов (рис. 2,1, б). Это свойство схемы используют для построения делителей частоты. При использовании схемы в качестве делителя частоты входной сигнал подают на счетный вход первого триггера, а выходной снимают с последнего триггера. Выходная и входная частоты связаны соотношением fвых=fвх/Ксч.
Максимальное время установки tуст mах в двоичных счетчиках с непосредственной связью характеризуется суммарной задержкой в последовательной передаче информации от младшего к старшему разряду счетчика. Другими словами, параметр tуст mах определяется временем перехода счетчика из кода 2N — 1 в код00...0. Его находят из соотношения
где tз.т — задержка переключения Ttтриггера после окончания счетного импульса.
Время установки возрастает с увеличением числа разрядов, что сказывается на быстродействии счетчика. Максимальная частота следования счетных импульсов ограничивается величиной
При работе счетчика в режиме деления частоты его предельная частота определяется предельной частотой переключения триггера первого разряда, т. е.
Существенное сокращение времени установки двоичных счетчиков, а следовательно, повышение их быстродействия дает использование в счетчиках так называемой последовательной или параллельной переносной связи.
Счетчики с коэффициентом счета Ксч 2N. В рассмотренных двоичных счетчиках коэффициент счета связан определенной зависимостью с числом разрядов (триггеров) счетчика Ксч = 2N и может быть равен 2, 4, 8, 16, 32 и т. д. Однако на практике часто возникает необходимость в счетчиках, коэффициент счета которых не соответствует указанным значениям. В частности, требуются счетчики с коэффициентом счета Ксч = 3, 10 и т. д., т. е. счетчики, принимающие в процессе работы соответственно 3, 10 состояний и т. д.
Такие счетчики выполняются на основе двоичных счетчиков. Общий принцип их построения основывается на исключении у счетчика с Kсч = 2N соответствующего числа «избыточных» состояний. Число избыточных (запрещенных) состояний s определяется разностью:
где 2N — количество состояний двоичного счетчика; Ксч — требуемый коэффициент счета.
Число триггеров синтезированного счетчика выбирают по минимуму величины s. Например, при построении счетчика с Kсч = 3 на двух триггерах и счетчика с Ксч = 10 на четырех триггерах следует исключить соответственно 1 и 6 состояний.
Способы построения счетчиков с коэффициентом счета Kсч 2N достаточно разнообразны. Наибольшее распространение получили способ принудительной установки в состояние «0» всех разрядов двоичного счетчика и способ принудительного насчета. По первому способу реализуются счетчики с естественным порядком счета, по второму — счетчики с принудительным насчетом.
В счетчиках с естественным порядком счета порядок счета такой же, как в двоичных счетчиках. Отличие заключается в том, что путем введения
дополнительных связей счет заканчивается раньше значения 2N. Так, у счетчика с Kсч= 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 Ксч = 10 приведен на рис. 2.2. Счетчик содержит четыре Tt-триггера и пять элементов Э1— Э5, управляющих переключением триггеров Tt2-Tt4. Запуск триггера Tt1 осуществляется
непосредственно счетными импульсами, а запуск триггеров Тt2 — Тt4 — счетными импульсами, проходящими через элементы Э1 — Э4.
До наступления 10-го счетного импульса последовательность переключения триггеров та же, что и у двоичного счетчика (табл. 1.2).
Действительно, к приходу счетного импульса на один из входов элементов Э1 — Э4 подается логический «0» с выхода Q1 = 0 и все они закрыты для пропускания первого счетного импульса на входы Тt2 —Тt4 Первый счетный импульс переключает только триггер Тt1 первого разряда (см. табл. 3.4). К приходу второго счетного импульса подготовлен к пропусканию счетного импульса элемент Э1 (на левом его входе присутствует «1» с выхода Q1 = 1, а на правом — «1» с выхода Q4 = 1). Элемент Э2 закрыт по входу Q2 = 0, элемент Э3 — по входам Q2 = Q3 = 0, а элемент Э4 — по входу = 0. Второй счетный импульс переключает в состояние «0» триггер Тt1 и в состояние «1» триггер Тt2. К приходу третьего счетного импульса элементы Э1 — Э4 закрыты по одному из их входов (Q1 = 0) Третий счетный импульс переключает только триггер Тt1. В соответствии с табл. 1.2 происходит переключение триггеров разрядов с приходом и последующих четвертого — девятого счетных импульсов.
После девятого счетного импульса триггеры счетчика принимают следующие состояния: Q1= Q4 = 1, Q2 = Q3 = 0. Сигналы Q2 = Q3 = = 0 закрывают элементы Э1, Э2, Э3, а сигнал Q4 = 1 подготавливает элемент Э4 к отпиранию при поступлении 10-го счетного импульса.
Поступающий 10-й счетный импульс переводит триггеры Тt1 и Тt4 в состояние «0», обеспечивая нулевое исходное состояние всех разрядов счетчика.
В счетчиках с принудительным насчетом исключение избыточных состояний двоичного счетчика достигается путем принудительной установки отдельных его разрядов в состояние «1» в процессе счета.
Принудительный насчет осуществляется введением обратных связей со старших разрядов двоичного счетчика в младшие, благодаря чему соответствующие младшие разряды вне очереди переключаются в состояние «1».
Вследствие принудительного насчета показания рассматриваемых счетчиков не соответствуют двоичной системе счисления. По этой причине их относят к классу счетчиков с «произвольным» порядком счета.
Способ реализации счетчиков с принудительным наечетом в процессе счета покажем на примере структурной схемы счетчика с Ксч =10 (рис. 2.3). Схема состоит из четырех триггеров и цепей обратных связей с выхода четвертого разряда на запись «1» во второй и третий разряды.
До записи «1» в четвертый разряд, т. е. до прихода восьмого счетного импульса, счетчик работает как двоичный (табл. 1.3). С приходом восьмого счетного импульса «1» записывается в триггер Т4 с осуществлением обратной связи на запись «1» во вторую и третью ячейки. Таким образом, после восьмого счетного импульса вследствие принудительного насчета в счетчик записывается число 8 + 6 = 14. Девятый счетный импульс устанавливает «1» в триггере Т1, а 10-й счетный импульс возвращает счетчик в исходное нулевое состояние.
Счетчики с Ксч= 10 называют десятичными или декадными. Они нашли широкое применение для регистрации числа импульсов с последующим визуальным отображением результата. Десятичные счетчики часто включают последовательно (рис. 2.4).
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. Десятый импульс устанавливает разряды первой декады в состояние «0», а формируемый ею на выходе импульс записывает «1» во вторую декаду, что соответствует числу 10. Вторая декада считает десятки (от 10 до 90), третья — сотни (от 100 до 900) и т. д.
Если в пределах всех декад счет ведется в двоичной системе счисления, то, например, числу 978 будет отвечать код 1001 0111 1000, характеризующий двоично-десятичную систему счисления всего счетного устройства.