Счётчик числа импульсов — устройство, на выходах которого получается двоичный (двоично-десятичный) код, определяемый числом поступивших импульсов. Счётчики могут строиться на двухступенчатых D-триггерах, T-триггерах и JK-триггерах.
Основной параметр счётчика — модуль счёта — максимальное число единичных сигналов, которое может быть сосчитано счётчиком. Счётчики обозначают через СТ (от англ. counter).
Счётчики классифицируют:
· по числу устойчивых состояний триггеров
· на двоичных триггерах
· на троичных триггерах[1]
· на n-ичных триггерах
· по модулю счёта:
· двоично-десятичные (декада);
· двоичные;
· с произвольным постоянным модулем счёта;
· с переменным модулем счёта;
· по направлению счёта:
· суммирующие;
· вычитающие;
· реверсивные;
· по способу формирования внутренних связей:
· с последовательным переносом;
· с ускоренным переносом;
· с параллельным ускоренным переносом;
· со сквозным ускоренным переносом;
· с комбинированным переносом;
· кольцевые;
· по способу переключения триггера:
· синхронные;
· асинхронные;
· Счётчик Джонсона[2]
Цифровым счетчиком импульсов называют последовательностный цифровой узел, который осуществляет счет поступающих на его вход импульсов. Результат счета формируется счетчиком в заданном кoдe и может храниться требуемое время.
Счетчики строят на Т-триггерах и ТV-триггерах с применением при необходимости логических элементов в цепях межразрядных связей. Количество триггеров N должно быть таким, чтобы множество внутренних состояний счетчика 2N было не меньше максимального числа импульсов, которое должно быть зафиксировано. С приходом очередного счетного импульса изменяется состояние счетчика, которое в заданном коде отображает результат счета.
Считывание результата параллельным N-разрядным кодом может быть произведено после каждого счетного импульса. Если количество счетных импульсов не ограничивать, то счетчик будет работать в режиме деления их числа на коэффициент (модуль) счета Ксч равный 2N. Через каждые 2Nимпульсов он будет возвращаться в начальное состояние и снова считать импульсы. Эта операция называется делением, а счетчики, ее осуществляющие, делителями.
Если необходимый коэффициент счета не равен 2N применяют различные способы сокращения числа внутренних состояний счетчика. Для построения счетчика могут применять не только триггеры со счетным входом, но и D-триггеры, и JК-триггеры двухступенчатой структуры или с динамическим управлением.
Счетчики можно классифицировать по ряду признаков. По направлению счета их делят на суммирующие (с прямым счетом), вычитающие (с обратным счетом) и реверсивные. В суммирующих счетчиках с приходом очередного счетного импульса результат увеличивается на единицу, в вычитающих – уменьшается на единицу. Реверсивными называются счетчики, которые могут работать как в режиме суммирующего счетчика, так и в режиме вычитающего счетчика.
По способу организации переноса различают счетчики с последовательным, параллельным и комбинированным (параллельно-последовательным) переносом.
Конструктивно цифровые счетчики могут быть выполнены в виде совокупности интегральных микросхем-триггepов определенным образом соединенных, и в виде одной микросхемы повышенного уровня интеграции, содержащей сформированную на единой подложке.
2.2.2. Счетчики с последовательностным переносом
Рассмотрим пример реализации трехразрядного суммирующего в коде 8-4-2-1 счетчика с последовательным переносом.
Порядок смены состояний счетчика задан табл. 2.4. В качестве исходного принято состояние, которое определяется нулевым уровнем на выходах всех триггеров, т. е. Q1 = Q2 = Q3 = 0. Как следует из таблицы, с приходом очередного счетного импульса к содержимому счетчика прибавляется единица. При этом увеличивается на единицу номер состояния, являющийся десятичным эквивалентом соответствующего данному состоянию двоичного числа.
Изменение состояния каждого последующего разряда происходит при изменении состояния предыдущего разряда от 1 к 0. Это означает, что если данный триггер в счетчике переходит из состояния 1 в состояние 0, на его выходе должен формироваться сигнал переноса, опрокидывающий следующий триггер. Если же данный триггер переходит из 0 в 1, то сигнала переноса на его выходе не должно быть.
Из табл. 2.4 также следует, что триггер первого, самого младшего разряда, должен менять свое состояние каждый раз с приходом очередного счетного импульса, а триггер каждого последующего разряда – вдвое реже триггера предыдущего разряда.
Описанные порядок смены состояний счетчика и характер процесса их установления могут быть реализованы, если счетчик будет построен на последовательно соединенных Т-триггерах. Каждый последующий разряд при этом будет переключаться сигналом переноса, формируемым на выходе предыдущего разряда. Счетные импульсы должны быть поданы на вход триггера самого младшего разряда. Счетчики, построенные таким образом, получили название счетчиков с последовательным переносом.
При соединении триггеров необходимо учитывать вид сигнала, которым Т-триггер переключается. Напомним, что триггеры с динамическим управлением опрокидываются при поступлении на прямой Т-вход перепада уровня от 0 к 1, а на инверсный Т-вход от 1 к 0. Триггеры двухступенчатой структуры с прямым Т-входом изменяют свое состояние с окончанием входного импульса, т. е. после перепада уровня от 1 к 0. Если вход инверсный, то изменение состояния триггера происходит после перепада входного уровня от 0 к 1.
Следовательно, если суммирующий счетчик строится на триггерах двухступенчатой структуры с прямым статическим входом или триггерах с инверсным динамическим входом, то следует соединять вход каждого последующего триггера с прямым выходом предыдущего. Формируемый при этом на выходе каждого разряда сигнал переноса в виде перепада уровня от 1 к 0 опрокидывает триггер последующею разряда. Пример трехразрядного счетчика на Т-триггерах двухступенчатой структуры приведен на рис. 2.10. Для установки исходного состояния служит шина «Уст. 0», которой объединены R-входы всех триггеров.
На рис. 2.10, б показано, что его входом является Т1-вход первого разряда, а на правом поле указан «вес» каждого разряда.
Широко применяют также и триггеры с прямым динамическим входом, которые для опрокидывания требуют перепада уровня от 0 к 1. При использовании таких триггеров для построения суммирующего счетчика с последовательным переносом необходимо вход каждого последующего триггера соединять с инверсным выходом предыдущего. Пример такого счетчика на Т-триггерах, полученных из D-триггеров с динамическим управлением, приведен на рис. 2.11.
Рис. 2.10. Счетчик с последовательностным переносом: а – функциональная схема; б – условное обозначение; в – временные диаграммы
Вычитающий счетчик с последовательным переносом имеет обратный порядок смены состояний: с приходом очередного счетного импульса содержащееся в счетчике число уменьшается на единицу (табл. 2.5).
Рис. 2.11. Счетчик на D-триггерах с динамическим управлением: а – функциональная схема; б – условное обозначение
Из таблицы следует еще одна особенность вычитающего счетчика, отличающая его от суммирующего и состоящая в том, что триггер каждого последующего разряда опрокидывается при изменении уровня на выходе триггера предыдущего разряда от 0 к 1, т. е. при сигнале займа, обратном сигналу переноса в суммирующем счетчике. Строится вычитающий счетчик так же, как суммирующий, но с тем отличием, что со входом каждого последующего триггера соединяется другой выход предыдущего триггера.
Из временных диаграмм (рис. 2.10, в) видно, что в наихудшем случае новое состояние счетчика устанавливается с задержкой, равной утроенной задержке переключения одного триггера, что вызвано последовательным по времени распространением сигнала переноса через все разряды счетчика. Таким образом, в счетчике с последовательным переносом неэффективно используется быстродействие триггеров, особенно при большом числе разрядов. В этом состоит существенный недостаток счетчиков с последовательным переносом, из-за которого, несмотря на простоту и удобство реалиизации схемы, область их применения ограничивается цифровыми устройствами с небольшим числом разрядов и невысоким быстродействием.
2.2.3. Счетчик с параллельным переносом
Для повышения быстродействия счетчиков применяют различные способы ускорения переноса, как это делают и в сумматорах для сокращения времени сложения чисел.
Один из широко применяемых способов ускорения переноса в счетчиках основан на введении логических элементов, с помощью которых достигается возможность одновременного (параллельного) формирования сигналов переноса для всех разрядов. Для реализации этого способа применяют ТV-триггеры. На Т-входы всех триггеров одновременно подаются счетные импульсы, а на V-вход каждого триггера поступает сигнал переноса, формируемый логической схемой в виде уровня 1. Триггеры, на V-входе которых имеется сигнал переноса, одновременно опрокидываются с приходом очередного счетного импульса, и таким образом устанавливается новое состояние счетчика. Для определения вида цепи переноса в счетчике обратимся к уже рассмотренной табл. 2.4. Из нее следует, что первый разряд, как и в счетчике с последовательным переносом, должен быть построен на Т-триггере. Если применяется ТV-триггер, то на его V-вход следует подать 1 или соединить его с Т-входом.
Второй триггер опрокидывается счетным импульсом при наличии 1 на выходе первого триггера, а третий триггер опрокидывается при наличии 1 на выходах двух предыдущих триггеров. Обобщая эту закономерность на случай N-разрядного счетчика, получим, что каждый последующий триггер должен опрокинуться под воздействием счетного импульса при наличии 1 на выходах всех предыдущих триггеров. Следовательно, для формирования сигнала переносов каждый разряд счетчика необходимо включить элемент И и соединить его входы с прямыми выходами всех предыдущих разрядов, а выход с V-входом триггера данного разряда. Пример суммирующего счетчика с параллельным переносом на ТV-триггерах приведен на рис. 2.12. Быстродействие этого счетчика выше, чем счетчика с последовательным переносом, поскольку оно равно быстродействию одного разряда.
Рис. 2.12. Счетчик с параллельным переносом
Это является важным достоинством счетчиков с параллельным переносом, обеспечившим им широкое применение. Недостаток необходимости включения в схему логических элементов с разным, причем нарастающим от разряда к разряду, числом входов. Это нарушает регулярность структуры счетчика и ограничивает возможность наращивания его схемы. Частично этот недостаток можно устранить при использовании триггеров с входной логикой.
Многие серии микросхем содержат JК-триггеры с входной логикой. Для преобразования JК-триггера в ТV-триггер необходимо объединить входы J и К в один, это и будет V-вход. У триггера с тремя конъюнктивно связанными J-входами и тремя конъюнктивно связанными К-входами могут быть образованы, следовательно, три конъюнктивно связанных V-входа. При реализации счетчика на таких триггерах исключаются дополнительные логические элементы в цепях переноса. Однако ограничение в разрядности счетчика остается. Поскольку имеющиеся интегральные JК-триггеры позволяют получить до трех V-входов, на них может быть построен лишь четырехразрядный счетчик с параллельным переносом (рис. 2.13).
Рис. 2.13. Счетчик на JK-триггерах с входной логикой
Вычитающий счетчик с параллельным переносом строится так же, как и суммирующий, но сигналы переноса снимаются с инверсных, относительно используемых в суммирующем счетчике, выходов триггеров.
Реверсивный счетчик, объединяющий возможности суммирующего и вычитающего, строится таким образом, чтобы обеспечивалось управление направлением счета с помощью сигналов на сложение Сс и вычитание Св. Поэтому его схема содержит дополнительную комбинационную часть, выполняющую указанную функцию.
Многие счетчики с параллельным переносом, выпускаемые в виде микросхем, имеют помимо основных выходов – дополнительные (рис. 2.14). На одном из выходов, обозначенном «> 15», сигнал 1 появляется при заполнении счетчика единицами, т. е. когда он перешел в состояние с номером 15. Следовательно, на этом выходе формируется сигнал переноса в следующий счетчик. На другом выходе, обозначенном «<0», сигнал появляется при заполнении счетчика нулями и является сигналом займа в следующий счетчик в режиме вычитания.
Рис. 2.14. Реверсивный счетчик на TV-триггерах
Реверсивный счетчик можно построить и на Т-триггерах (рис. 2.15, а). Как и в рассмотренном ранее суммирующем счетчике, счетные импульсы поступают на Т вход триггера через логические элементы только в том случае, если они открыты единичными сигналами с выходов предыдущих разрядов.
В счетчике на рис. 2.15, а для счетных импульсов предусмотрены два входа. Если счетчик должен работать в режиме прямого счета, импульсы следует подавать на вход «+1», в режиме обратного счета – на вход «-1». При использовании такого счетчика в качестве реверсивного с одним источником импульсов необходимо предусмотреть внешнее устройство коммутации счетных импульсов на суммирующий «+1» либо на вычитающий «-1» входы. Вариант такой коммутирующей приставки к счетчику приведен на рис. 2.15, б. При подаче положительного импульса на S-вход RS-триггера на его прямом выходе установится единичный уровень, который откроет элемент 1 для счетных импульсов С0. Счетчик будет работать в режиме сложения. Если подать положительный импульс на R-вход триггера, откроется для счетных импульсов элемент 2 и счетчик будет работать в режиме вычитания.
Комбинированный, т. е. параллельно-последовательный перенос применяется при построении многоразрядных счетчиков, которые должны иметь высокое быстродействие. Функциональная схема таких счетчиков состоит из группы триггеров, внутри каждой из которых организуется параллельный перенос, а между группами – последовательный. В примере на рис. 2.15 счетчик состоит из четырехразрядных счетчиков с параллельным переносом. На выходе каждой группы триггеров включен элемент И, который формирует сигнал переноса в следующую группу при заполнении триггеров единицами.
Рис. 2.15. Реверсивный счетчик на Т-триггерах: а – функциональная схема; б – схема управляющая напряжением счета
Рис. 2.16. Многоразрядный счетчик с комбинированным переносом
Интегральные четырехразрядные счетчики с выходами переноса и займа объединяются с использованием этих выходов. Например, при объединении суммирующих счетчиков необходимо соединить выход «>15» одного со счетным входом другого. При объединении реверсивных счетчиков, имеющих выходы сигналов переноса «> 15» и займа «<О», необходимо эти выходы соединить соответственно с суммирующим и вычитающим входами следующего счетчика. Пример восьмиразрядного реверсивного счетчика приведен на рис. 2.17. Возможности указанной микросхемы допускают установку заданного исходного состояния счетчика путем записи в него по D-входам (D1÷D4) нужной кодовой комбинации (а0 ... а7) при наличии разрешающего сигнала на входе Сз а п. Кроме того, по шинам «Уст. О» и «Уст. 1» счетчик можно заполнить нулями или единицами.
Рис. 2.17. Восьмиразрядный реверсивный счетчик
Результат счета снимается с выходов Q1 ÷ Q8. Счетчик можно использовать для деления числа (частоты повторения) импульсов на 16, если использовать выход «> 15» первой микросхемы, и на 256, если использовать аналогичный выход второй микросхемы.
2.2.4. Счетчики-делители
Счетчики-делители предназначены для деления числа или частоты повторения импульсов на заданный коэффициент Ксч. Обычно требуемый коэффициент меньше числа состояний счетчика 2N, что обусловливает необходимость исключения «лишних» состояний. Например, для построения счетчика-делителя с Ксч = 10 необходим четырехразрядный счетчик, число состояний которого следует уменьшить с 16 до 10 исключением шести лишних. Пример реализации десятичного счетчика на JК-триггерах с входной логикой приведен на рис. 2.18. Счетчики-делители такого вида, построенные как счетчики с параллельным переносом, обладают наибольшим быстродействием, поскольку счетные импульсы поступают на все триггеры одновременно.
Счетчик-делитель может быть реализован и на D-триггерах. Однако функциональная схема получается более сложной из-за большого числа дополнительных логических элементов. Поэтому для таких делителей предпочтительнее JК-триггеры с входной логикой.
Широкое применение на практике находят делители, построенные на основе счетчиков с последовательным переносом, в схему которых вводится обратная связь для исключения лишних состояний. Такой счетчик работает в режиме суммирования или вычитания до некоторого состояния, задаваемого коэффициентом счета Ксч. Это состояние дешифрируется устройством, на выходе которого формируется сигнал сброса счетчика в исходное нулевое состояние. Сигнал сброса по цепи обратной связи поступает на R-входы всех триггеров одновременно, благодаря чему они устанавливаются в нуль.
Рис. 2.18. Счетчик-делитель на 10 с параллельным переносом
Счетчик-делитель мажет быть построен и без дополнительных элементов. Для построения такого счетчика необходимо разложить заданный коэффициент деления на сомножители, каждый из которых содержит целую степень числа 2 или целую степень числа 2 с добавлением единицы:
Кдел = 2α + 1 или Кдел = 2β (2α + 1), или Кдел = 2β (2α + 1) +1 или Кдел = = 2γ [2β (2α + 1) +1];
где α, β, γ – целые числа 1, 2, 3, ...
Примеры такого разложения для Ксч = 2÷00 приведены в табл. 2.6.
Рассмотрим несколько примеров построения счетчиков-делителей с использованием табл. 2.6.
Пример 1. Счетчик-делитель на 3.
Коэффициент деления разлагается на сумму (2+1). Для реализации счетчика требуются два JК-триггера, соединенных, как показано на рис. 2.19, а. Как следует из временных диаграмм (рис. 2.19, б) в качестве выхода делителя можно использовать выход любого из триггеров.
Рис. 2.19. Счетчик-делитель на 3: а – функциональная схема; б – временные диаграммы
Пример 2. Счетчик-делитель на 5.
Разложение коэффициента деления счетчика-делителя на 5 можно представить в виде 22+1. Функциональная схема счетчика и временные диаграммы приведены на рис. 2.20. Два первых триггера соединяют в схему вычитающею счетчика с последовательным переносом. А третий подсоединяют J3-входом к Q2-выходу второго триггера. Как видно из временных диаграмм, выходом делителя может быть только выход второго триггера Q2.
Рассмотренные счетчики входят в состав логических структур некоторых микросхем: К1533ИЕ4 (Кдел = 3) и К1533ИЕ2 (Кдел = 5).
Рис. 2.20. Счетчик-делитель на 5: а – функциональная схема; б – временные диаграммы
В следующем разделе будут рассмотрены примеры интегральных схем счетчиков серии ТТЛ и КМОП.
Как видно из изложенного, такие счетчики обладают свойством наращиваемости и не требуют дополнительных логических элементов. Их недостаток – большое число триггеров.
Счетчик-делитель может быть построен на регистре сдвига, охваченном перекрестными обратными связями. Счетчики такого вида называют счетчиками Джонсона (подразд. 2.34).
