Устройство и принцип работы счетчика

Счетчик – устройство для подсчета числа входных импульсов. Число, образованное состоянием его выходов по фронту каждого входного импульса, изменяется на единицу. Счетчик можно реализовать на нескольких триггерах. В суммирующих счетчиках каждый входной импульс увеличивает число на его выходе на единицу, а в вычитающих счетчиках каждый входной импульс уменьшает это число на единицу. Двоичные счетчики являются простыми в схемном решении. Схема суммирующего двоичного счетчика и диаграммы его работы представлены на рис. 2.1.

Как говорилось выше, счетчики можно реализовать на триггерах. При этом триггеры соединяют последовательно. Выход каждого триггера непос-редственно действует на тактовый вход следующего. Для того чтобы реализовать суммирующий счетчик, необходимо счетный вход очередного триггера подключать к инверсному выходу предыдущего. Для того чтобы изменить направление счета (реализовать вычитающий счетчик), можно предложить два способа.

Способ 1 – считывать выходные сигналы счетчика не с прямых, а с инверсных выходов триггеров. Число, образуемое состоянием инверсных выходов триггеров счетчика, связано с числом, образованным состоянием прямых выходов триггеров соотношением:

N_пр = 2ⁿ – N_инв – 1, (2.1)

где n – разрядность выхода счетчика.

Пример связи числа на прямых выходах с числом на инверсных выходах триггеров счетчика приведен в табл. 2.1.

а

б

Рис. 2.1. Схема суммирующего двоичного счетчика (а) и

диаграммы его работы (б)

Таблица 2.1

Состояние входов счетчика

Состояние прямых входов	Число	Состояние инверсных входов	Число
			N				N

Способ 2 – изменить структуру связей в счетчике: подавать на счетный вход следующего триггера сигнал не с инверсного, а с прямого выхода предыдущего, как показано на рис. 2.2. В этом случае изменяется последовательность переключения триггеров.

Счетчики характеризуются числом состояний в течение одного периода (цикла). Для схем, представленных на рис. 2.1 и 2.2, цикл содержит восемь (N = 2³ = 8) состояний (от 000 - до 111). Часто число состояний называют коэффициентом пересчета К_сч, который равен отношению числа импульсов N_c на входе к числу импульсов N_Qст на выходе старшего разряда за период:

. (2.2)

а

б

Рис. 2.2. Схема суммирующего двоичного счетчика (а) и

диаграммы его работы (б)

Если на вход счетчика подавать периодическую последовательность импульсов с часто­той F_c, то частота F_Q на выходе старшего разряда счетчика будет меньше в К_сч раз: К_сч = F_с / F_Q, поэтому счетчики называют делителями частоты, а величину К_сч – ко­эффициентом деления. Для увеличения значения К_сч необходимо увеличивать число триг­геров в цепочке. Каждый дополнительный триггер удваивает число состояний счетчика и коэффициент К_сч. Для уменьшения коэффициента К_сч можно в качестве выхода счетчика рассматривать выходы триггеров промежуточных каскадов. Например, для счет-чика на трех триггерах К_сч = 8, если взять выход второго триггера, то К_сч = 4, при этом К_сч является целой степенью числа 2: 2, 4, 8, 16 и т. д.

Можно реализовать счетчик, для которого К_сч – любое целое число. Например, для счетчика на трех триггерах можно К_сч увеличить от 2 до 7, но при этом один или два триггера могут быть лишними. При использовании всех трех триггеров можно получить: К_сч = 5 – 7; 2² < К_сч < 2³. Счетчик с К_сч = 5 должен иметь пять состояний, которые в простейшем случае образуют последовательность {0, 1, 2, 3, 4}. Циклическое повторение этой последовательности означает, что коэффициент деления счетчика равен пяти.

Для построения суммирующего счетчика с К_сч = 5 необходимо, чтобы после формирования последнего числа из последовательности {0, 1, 2, 3, 4} счетчик переходил не к числу 5, а к числу 0. В двоичном коде это означает, что от числа 100 следует перейти к числу 000, а не к 101. Изменение естественного порядка счета возможно при введении дополнительных связей между триггерами счетчика. Можно воспользоваться следующим способом: как только счетчик попадает в нерабочее состояние (в данном случае – 101), этот факт должен быть опознан и должен повлечь за собой последующую выработку сигнала, который перевел бы счетчик к числу 000. Рассмотрим этот способ более детально.

Факт попадания счетчика в нерабочее состояние описывается логическим уравнением:

(2.3)

Состояние счетчика при числах 110 и 111 также является нерабочим, это учтено при составлении уравнения (2.3). Если на выходе эквивалентной логической схемы F равен нулю, то счетчик находится в одном из рабочих состояний: . Как только счетчик попадает в одно из нерабочих состояний ( ), формируется сигнал F равный единице, появление этого сигнала должно переводить счетчик в начальное состояние, т. е. к числу 000, следовательно, этот сигнал необходимо использовать для воздействия на установочные входы триггеров счетчика, которые осуществляли бы сброс счетчика в состояние Q₁ = Q₂ = Q₃ = 0. При реализации счетчика на триггерах со входами установки «0» для сброса триггеров требуется подать на входы сброса сигнал R, равный нулю. Для обнаружения факта попадания в нерабочее состояние используем схему, реализующую функцию F и выполненную на элементах И-НЕ. Для этого преобразуем вы­ражение для функции F:

(2.4)

Соответствующая схемная реализация приведена на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Схема суммирующего счетчика

Счетчик будет работать следующим образом: при счете от нуля до четырех все происходит, как в обычном суммирующем счетчике с К_сч = 8. Установочные сигналы равны единице и естественно­му порядку счета не препятствуют. Счет происходит по положительному фронту импульса на счетном входе С. В тот момент, когда счетчик находится в состоянии 4 (100), следую­щий тактовый импульс сначала переводит счетчик в состояние 5 (101), что немедленно (за­долго до прихода следующего тактового импульса) приводит к формированию сигнала сброса, который поступает на установочные входы сброса триггеров R. В результате счетчик сбрасывается в ноль, т. е. все триггеры переходят в нулевое значение, и ждет прихода следующего тактового импульса на счетный вход, т. е. один цикл счета закончился, счетчик готов к началу следующего цикла.

Применяя такие схемы с обратной связью для сброса счетчика, нужно иметь в виду, что операция сброса занимает ограниченное время, поэтому непосредственно перед сбросом счетчика в ноль на выходе первого триггера появляются кратковременные импульсы, или «иголки». Это не имеет значения при подключении счетчика напрямую к индикатору, но при использовании этого выхода счетчика в качестве источника тактовых импульсов мо­гут возникнуть определенные проблемы. Схема, в которой это явление устранено, приведе­на на рис. 2.4. Отличием от схем других счетчиков является то, что данная схема обнаруживает не факт попада­ния в нерабочее состояние 101, а факт попадания в состояние 100, и в следующем такте вырабатывает сигнал сброса.

Рис. 2.4. Схема суммирующего счетчика со схемой устранения сбоев