Типы счетчиков. 
Типы счетчиков

На базе последовательностных устройств, можно строит другие последовательностные схемы. Так, например, пользуясь свойством триггера хранить предыдущее состояние, а так же свойством Т-триггера переключаться каждым последующим импульсом, можно построить схему осуществляющую подсчёт поступившего числа импульсов.

Такая схема — счетчик, это цифровой автомат последовательностного типа, осуществляющий счет и хранение числа подсчитанных сигналов. Счетчики находят весьма широкое применение в радиотехнических системах для построения устройств синхронизации, осреднения, накопления и т. д. Кроме этого счетчики используются в качестве умножителей периода или делителей частоты следования импульсных последовательностей.

Счётчик (СТ) — автомат последовательностного типа, предназначенный для счёта поступающих на его входы импульсов и фиксирующий это число в каком либо коде.

Назначение счётчиков.

Счётчики предназначены для:

подсчёта числа некоторых событий или временных интервалов;

упорядочения событий в хронологической последовательности;

адресации;

делении частоты;

запоминании;

для построения устройств синхронизации, осреднения, накопления и т. д.

Классификация счётчиков.

Счётчики классифицируются по следующим основным признакам:

По принципу действия (по направлению счёта):

суммирующие (зарегистрированное в счётчике число увеличивается);

вычитающие (зарегистрированное в счётчике число уменьшается);

реверсивные (работают как на сложение, так и на вычитание).

По логике (последовательности работы):

асинхронные (переключение элементов счётчика происходит последовательно);

синхронные (переключение элементов счётчика происходит одновременно).

По модулю счёта:

двоичные, двоично-десятичные;

десятичные;

с постоянным модулем счёта;

с переменным модулем счёта.

По назначению:

цифровые счётчики (счётчики);

счётчики-делители (делители).

По способу реализации внутренних связей:

с последовательным переносом;

с параллельным переносом;

с комбинированным переносом;

кольцевые.

Условное обозначение счётчиков.

Как правило, счётчики исполняются в микроминиатюрном исполнении и обозначаются следующим образом:

К-155ИЕ1,.

где:

Е — счётчики, И — элементы арифметических и дискретных устройств.

На схемах счётчики имеют следующее обозначение:

Рис. 1. Устройство счётчиков

Счётчик состоит из последовательно соединённых ячеек — триггеров, работающих в счётном режиме. Каждая ячейка называется разрядом. Простейшей ячейкой является JK-триггер, Т-триггер с прямым или инверсным входом управления или D — триггер. Наиболее удобен JK — триггер, т.к. одним из его главных достоинств является отсутствие запроса состояния.

Рассмотрим для примера простейший счётчик на Т-триггерах.

Рис. 2.

Такой счётчик переключается перепадом от 1 к 0, и обозначается: 1. Если переключение происходит перепадом от 0 к 1 (обозначается 0/1, то входы триггеров соединяются с инверсным выходом.

Принцип действия счётчиков.

Каждому числу импульсов на входе соответствует совокупность единиц и нулей на выходах ячеек. Полученное n-разрядное двоичное число однозначно определяет количество прошедших на входе импульсов.

Каждый разряд может находиться в 2-х состояниях: 1 и 0.

Основные характеристики.

Одним из основных параметров счетчика является модуль счета К_сч. Модуль счета (коэффициентом счёта, или коэффициентом пересчёта) К_сч — это число, характеризующее количество различных состоянии счетчика и определяет его ёмкость. Ёмкость — это число импульсов, доступных счёту за один цикл.

После поступления счетных сигналов счетчик возвращается в исходное состояние.

К_сч= М=2ⁿ, где n-числа разрядов.

Если число импульсов больше ёмкости (М) счётчика, то импульс под номером N=M переключит счётчик в нулевое состояние и счёт начнётся с начала.

Так например, 3-х разрядный счётчик может сосчитать 8 импульсов (от 0 до 2^n-1=7). При каждом 8 импульсе все триггеры переключатся в нулевое состояние и начинается новый цикл счёта.

Быстродействие счетчиков характеризуется двумя параметрами: Т_сч -разрешающее время счетчика и Т_уст — время установления кода счетчика. Разрешающее время счетчика Т_сч — минимальный период поступления счетных сигналов при котором не происходит ошибок в счете. Разрешающее время определяет максимальную рабочую частоту счетчика.

F_сч = 1/Т_сч

Время установления кода счетчика Т_уст — это интервал времени между поступлением счетного сигнала на вход счетчика и установлением соответствующей кодовой комбинации на выходах счетчика. Поскольку при работе счетчика этот интервал зависит от конкретной кодовой комбинации (от того какие триггеры переключаются), за Т_уст принимается максимальный интервал времени, который имеет место при работе счетчика на всех возможных кодовых комбинациях.

Рассмотрим суммирующий и вычитающий асинхронный счётчик и суммирующий синхронный счётчик.

2. Асинхронные счётчики

В ряде случаев от счетчиков не требуется высокое быстродействие, в частности, время установления кода Т_уст может быть достаточно большим, например, в делителях частоты, тогда как схема счетчика должна быть по возможности простой, иметь меньшее число элементов и потреблять меньшую мощность. В этом случае целесообразно использовать асинхронные счетчики. Упрощение схемы асинхронного счетчика достигается тем, что разрешающий сигнал поступает на тактовые входы С триггеров не в каждом такте, как в синхронных счетчиках, а по возможности только в те такты, когда триггер должен изменить свое состояние. В остальные такты работы разрешающий сигнал стремятся не подавать, и это позволяет иметь произвольные сигналы на информационных входах триггеров. В результате упрощаются уравнение входов триггеров и, как следствие, упрощается схема счетчика.

Синтез асинхронных счетчиков производится в семь этапов.

• 1. Определение количества разрядов счетчика и составление таблицы функционирования.
• 2. Определение сигналов, подаваемых на тактирующие входы триггеров.
• 3. Заполнение прикладных диаграмм Вейча и выделение на них ячеек соответствующих отсутствию разрешающего сигнала на трактующих входах триггеров.
• 4. Заполнение диаграмм Вейча для уравнений входов с использованием прикладных диаграмм Вейча и характеристических таблиц используемых триггеров.
• 5. Считывание с диаграмм Вейча уравнений входов в минимизированном виде с учетом дополнительных появившихся факультативно задаваемых значений.
• 6. Перевод уравнений входов в структурный вид в используемом базисе логических элементов.
• 7. Изображение схемы счетчика.

Суммирующий асинхронный счётчик (суммирующий счётчик с последовательным переносом).

Устройство суммирующего асинхронного счётчика.

В основе лежит асинхронный Т-триггер. На рисунке, ключ S1 служит для обнуления счётчика.

Схема суммирующего асинхронного счётчика.

Рис. 3.

Триггер срабатывает по перепаду 1. Диаграмма работы и таблица состояния имеют вид, показанный, соответственно, на:

Рис. 4.

Таблица № 1

Изменение состояния триггеров происходит последовательно. Каждый более старший разряд переключается, если предыдущий разряд переключается из 1 в 0. Восьмой импульс переключает все триггеры в нулевое состояние и с 9-го импульса начинается новый цикл счёта.

Такой счётчик работает в весовом коде 1−2-4. Каждый разряд имеет свой «вес». Чем больше разряд, тем большим весом он обладает.

Под термином «вес» имеется ввиду объём информации, принятый счётчиком после установки его триггеров в единичное состояние.

Т.е. если вес равен «1» это значит, что триггер Т1 переключается каждым импульсом. Если вес равен «2» — что второй триггер Т2 переключается каждым вторым импульсом. Если «4» — что триггер Т3 переключается каждым четвёртым импульсом.

Счёт начинается со старшего разряда, имеющего максимальный вес.

Наибольшее распространение получили 4-х разрядные счётчики, работающие в весовом коде 1−2-4−8.

Вывод:

• 1. Триггер младшего разряда всегда переключается первым.
• 2. Разряды переключаются последовательно.
• 3. Триггер более старшего разряда переключается если на выходе предыдущего триггера «1» переходит в «0».

Если в счётчике используется триггер переключающийся перепадом 0/1, то входная последовательность соединяется с инверсным выходом предыдущего триггера.

Вычитающий асинхронный счётчик (вычитающий счётчик с последовательным переносом).

Вычитающий асинхронный счётчик такой счётчик, в котором зарегистрированное в нём число уменьшается.

Принцип действия вычитающего асинхронного счётчика.

По входам S в разряды счётчика заносится двоичное число, из которого вычитается число, представленное количеством входных импульсов.

Схема вычитающего асинхронного счётчика.

Рис. 5.

В случае если все разряды находятся в 1, после первого входного импульса, триггер Т1 переключается в 0. При этом на инверсном выходе возникает перепад 0/1, который ещё не переключает триггер Т2, при поступлении второго импульса на его прямом выходе получается 1, а на инверсном перепад от 1 к 0 (1).

Вывод:

• 1. Триггер младшего разряда переключается всегда.
• 2. Триггер более старшего разряда переключается если на выходе предыдущего триггера ноль переходит в единицу.
• 3. Разряды переключаются последовательно.

Суммирующий асинхронный счётчик по модулю 10. (десятичный счётчик, или декадный счётчик).

Характерным представителем недвоичных счётчиков является Суммирующий асинхронный счётчик по модулю 10.

Такой счётчик считает от 0 до 9 в десятичной системе (декадный).

Устройство суммирующего асинхронного счётчика по модулю 10.

В состав такого счётчика включены 4-х разрядный счётчик и элемент 2 И.

Принцип действия суммирующего асинхронного счётчика по модулю 10.

Принцип действия суммирующего асинхронного счётчика по модулю 10 состоит в том, что по достижении определённого состояния, счётчик принудительно обнуляется, чем исключается его избыточное состояние.

Схема суммирующего асинхронного счётчика по модулю 10.

Рис. 6.

Работа суммирующего асинхронного счётчика по модулю 10.

Когда триггеры устанавливаются в состоянии 1010₂=10₁₀, на выходе элемента И возникнет импульс, устанавливающий счётчик в 0.

Достоинством рассмотренной схемы является её простота.

Однако, ей присущи и недостатки. Это:

сравнительно низкое быстродействие (из-за последовательного переключения триггеров). При этом длительность паузы (времени между поступающими импульсами) между импульсами t_пауз должно быть больше времени переключения триггеров t_перекл, т. е.

t_паузt_перекл(n-1),.

где, n — число разрядов.

ложное срабатывание.

Вывод:

Для увеличения быстродействия вместо асинхронных счётчиков используются синхронные счётчики.

счетчик сигнал цифровой.

3. Синхронные счётчики

Счетчики обычно строятся на базе синхронных триггеров. Для реализации синхронного (параллельного или одновременного) способа переключения разрядов необходимо счетный сигнал подать на входы синхронизации С триггеров всех m разрядов. Выходы триггеров являются выходами счетчика. Тип триггеров, с помощью которых синтезируется счетчик, выбирается исходя из имеющегося их набора в используемой серии ЦИС, быстродействия, простоты схемы и т. д.

Основная часть проектирования счетчика (или собственный синтез) состоит в определении сигналов, которые необходимо подать на информационные входы триггеров всех разрядов.

Последовательность синтеза синхронных счетчиков.

Синтез синхронных счетчиков при заданных модуле счете К_сч, типе триггеров и коде, в котором работает счетчик, производится в шесть этапов.

• 1. Определение количества разрядов счетчика и составление таблицы его функционирования.
• 2. Заполнение прикладных диаграмм Вейча.
• 3. Заполнение диаграмм Вейча для уравнений входов с использованием прикладных диаграмм Вейча и характеристических таблиц используемых триггеров.
• 4. Считывание с диаграмм Вейча уравнений входов в минимизированном виде.
• 5. Перевод уравнений входов в структурный вид в используемом базисе логических элементов.
• 6. Изображение схемы счетчика.

Синхронный суммирующий счётчик (счётчик с параллельным переносом).

Ко всем разрядам такого счетчика информация о состоянии предыдущих разрядов поступает параллельно, также одновременно поступают к ним счетные (входные) импульсы. При этом переключающиеся разряды переходят в новые состояния одновременно. Переключение их в нужной последовательности обеспечивается логическими цепями, которые при поступлении входного импульса одни триггеры удерживают от переключения, а другим разрешают переключиться. Триггеры такого счетчика, кроме счетного, должны иметь информационные входы, на которые поступают разрешения или запреты с логических цепей.

Синхронный счётчик — счётчик, в котором триггеры переходят в новые состояния одновременно (синхронно).

Принцип действия синхронных счётчиков На входы всех триггеров счётные импульсы поступают одновременно, а переключение разрядов в нужной последовательности обеспечивается логическими цепями, которые один триггер удерживают от переключения, а другие переключают. Т. е., как и в асинхронных счётчиках очередной разряд суммирующего счетчика должен переключаться входным импульсом в 1, когда все предыдущие разряды уже находятся в этом состоянии. Такое условие выполняется, если на информационный вход каждого триггера подать конъюнкцию сигналов с прямых выходов предыдущих триггеров. Действительно, с конъюнктора на информационный вход триггера поступит разрешающая переключение 1, если все предыдущие триггеры находятся в 1, и по сигналу на счетном входе он переключится.

Схема суммирующего синхронного счётчика имеет вид:

Рис. 7.

На Рис. 7 представлена функциональная схема четырехразрядного счетчика с параллельным переносом на JK-триггерах. На тактовые входы С всех триггеров счетные импульсы поступают одновременно с входа Т. Информационные входы J и К каждого триггера объединены. Триггер Т1 переключается каждым счетным импульсом, так как на его входы J и К постоянно подается 1. Остальные триггеры переключаются счетными импульсами при следующих условиях: Т2 — при Q₁ = 1; ТЗ — при Q₁ = 1, Q₂ = 1; Т4 — при Q₁=1, Q₂=1, Q₃ = 1.

Недостатком описанного счетчика является необходимость иметь конъюнкторы с большим количеством входов, число которых должно возрастать с увеличением числа разрядов.

Количество входов конъюнктора ограничено. Поэтому в многоразрядных счетчиках используют конъюнкторы с небольшим числом входов, которыми составляют многовходовые.

Рис. 8.

На Рис. 8 изображена функциональная схема уже рассмотренного счетчика, содержащая двухвходовые конъюнкторы. Элементы И₁ и И₂ составляют трехвходовой конъюнктор, а элементы И1, И₂, И₃ — четырехвходовой. За счет последовательного включения конъюнкторов увеличивается время распространения логической 1 — сигнала, разрешающего переключение, т. е. уменьшается быстродействие счетчика. Однако время задержки сигнала логическим элементом в несколько раз меньше, чем триггером, поэтому выигрыш в быстродействии по сравнению со счетчиком с последовательным переносом все равно будет существенным.

Таким образом, работа суммирующего синхронного счётчика описывается следующим образом:

Триггер Т1 переключается каждым импульсом.

Триггер Т2 переключается когда Q1=1.

Триггер Т3 переключается когда Q1= Q2=1.

Таблица состояний рассматриваемого счётчика имеет следующий вид.

Таблица № 2

Реверсивный синхронный счетчик.

Назначение.

Такой счетчик должен работать как на сложение, так и на вычитание. Из сравнения схем суммирующего и вычитающего счётчиков следует, что для перехода от сложения к вычитанию и обратно надо изменять подключение входа последующего триггера к выходам предыдущего.

Устройство и схема Такая программа реализуется в схеме реверсивного счетчика.

До некоторой степени эта схема аналогична схеме суммирующего синхронного счетчика: на объединенные входы J и К каждого триггера подается конъюнкция сигналов с выходов предыдущих триггеров. Разница состоит в том, что входы J и К каждого триггера через дизъюнктор могут присоединяться к основному выходу предыдущего триггера (через конъюнктор верхнего ряда) или к инверсному выходу (через конъюнктор нижнего ряда).

Рис. 9.

Работа Чтобы осуществить сложение, на шину сложения подается 1, которой вводятся в действие конъюнкторы верхнего ряда. При этом на шине вычитания присутствует 0, за счет чего конъюнкторы нижнего ряда выключены. Вычитание осуществляется с подачей 1 на шину вычитания и 0 на шину сложения. Счетные импульсы поступают на вход T.

Каждый триггер переключается по тактовому входу С при J=К=1, что имеет место, когда на выходах всех предыдущих триггеров (на основных — при сложении, на инверсных — при вычитании) будут единицы. Как следует из изложенного ранее, это является условием правильной работы счетчиков в натуральном двоичном коде.

Пусть, к примеру, в счетчик, установленный на сложение, записано число 100₂=4₁₀ (Q3=1, Q2=Q1=0). Так как при этом, J3=K3=0, J2=K2=0 и постоянно J1=K1=1, то первый счетный импульс может переключить только первый разряд. Вслед за этим с выхода Q1, на входы J2, K2 поступит 1, поэтому второй счетный импульс установит в 1 второй разряд и сбросит в 0 первый. Далее процесс счета протекает аналогично и с приходом на вход каждого счетного импульса регистрируемое в счетчике число возрастает на единицу.

Пусть при тех же условиях (Q3=1, Q2=Q1=0) счетчик устанавливается в режим вычитания. Теперь входы J и К каждого триггера получают информацию с инверсного выхода предыдущего, т. е. сейчас J3=K3=1, J2=K2=1 и постоянно J1=K1=1. Поэтому первый счетный импульс переключит все рассматриваемые разряды, установив Q3=0, Q2=Q1=1, т. е. уменьшив предварительно записанное в счетчик число на единицу. Аналогично действует каждый входной импульс.

Синхронные счётчики имеют сложные узлы и чаще всего изготавливается в виде ИМС.

Выводы:

• 1. Младшие разряды переключаются всегда.
• 2. Очередной разряд суммирующего счётчика переключается входным импульсом в единицу когда все предыдущие разряды уже находятся в этом состоянии.