Размещено на http://www.allbest.ru/

Счетчиком называется устройство, предназначенное для подсчета числа импульсов, поданных на вход. Число разрешенных состояний счетчика называют его модулем или коэффициентом счета Ксч.

Используется множество различных вариантов счетчиков: асинхронный и синхронный; двоичные и десятичные; однонаправленные (с увеличением счета) и двунаправленные (с увеличением или уменьшением счета), называемые реверсивными, с постоянным или переключаемым коэффициентом деления. Основа любого счетчика является линейка из нескольких триггеров. Между триггерами могут быть введены дополнительные обратные связи, позволяющие получить любой коэффициент деления, а не только равный 2n. Например, счетчик, состоящий из четырех триггеров, может иметь максимальный коэффициент деления 24=16.

Для четырехтриггерного счетчика минимальный выходной код - 0000, максимальный - 1111, а при коэффициенте деления КД=10 выходной счет останавливается при коде 1001=9.

Следовательно, удобно выпускать четырехтригерные счетчики в двух вариантах: двоичном и десятичном. Расширить функции счетчиков можно, видоизменяя их цепи управления и вводя дополнительные связи между триггерами.

Основными временными характеристиками счетчиков являются максимальная частота поступления счетных импульсов fсч и время перехода из одного состояния в другое.

По характеру операций счета счетчики делятся на суммирующие, вычитающие и реверсивные. В зависимости от основания системы счисления, в которой осуществляется счет, они могут быть двоичными, двоично-десятичными, двоично-пятеричными и т.д. По схемным признакам счетчики могут быть асинхронными и синхронными.

В асинхронных счетчиках на тактирующие входы синхронных триггеров или на информационные входы асинхронных триггеров информация поступает с выходов соседних триггеров, поэтому триггеры в таких схемах срабатывают не одновременно, а последовательно, друг за другом. В синхронных счетчиках все триггеры переключаются одновременно под действием общего синхронизирующего сигнала, поступающие на тактирующие входы всех триггеров одновременно.

По способу организации цепей переноса они делятся на схемы с последовательным, параллельным и групповым переносом.

В счетчиках с последовательным переносом перенос в соседний старший разряд формируется только после переключения триггера в предыдущем разряде. Их быстродействие определяется суммой времен установления (задержки) триггеров всех разрядов.

В счетчиках с параллельным переносом аргументами функций переносов для каждого разряда являются только сигналы на выходах триггеров соответствующих сигналов, причем переносы для всех разрядов счетчика формируются одновременно. Их быстродействие определяется временем установки одного триггера и одной комбинационной схемы независимо от числа разрядов счетчика.

Сброс данных счетчика может быть асинхронным или синхронным. Счетчики с переменными коэффициентами деления позволяют на входах управления набирать заданный код.

Цепи сквозного переноса организуются таким образом, чтобы функция переноса i-го разряда счетчика являлась аргументом функции переноса (i+1)-го разряда. В этом случае сигналы переносов для каждого разряда формируются поочередно, начиная с младших разрядов счетчика. Счетчики со сквозным переносом требуют меньшего числа логических элементов для организации цепей переноса, но уступают счетчикам с параллельным переносом в быстродействии. Их быстродействие определяется в худшем случае переключением n логических схем в цепях сквозного переноса и одного триггера (n - число разрядов счетчика).

В счетчиках с групповым переносом разряды счетчика сбиваются на группы. В пределах одной группы обычно организуется параллельный перенос, а между группами - последовательный или сквозной.

Если счет выполняется в канонической двоичной системе счисления (в однородной позиционной двоичной системе счисления с естественным порядком весов), то такой счетчик называют с естественным порядком счета. Коэффициент счета при этом может быть Ксч?2n, но независимо от его значения счет выполняется от 0 до Ксч.

Если счет выполняется в неканонических системах (например, символических, с искусственным порядком весов и т.д.), то порядок счета считается искусственным (произвольным).

В счетчиках Ксч ?2n и произвольным порядком счета наиболее часто применяются схемы с принудительным насчетом и с начальной установкой.

Счетчики, выполненные в виде отдельных функциональных узлов, имеются в составе многих серий микросхем. Номенклатуру счетчиков отличает большое многообразие. Многие из них обладают универсальными свойствами и позволяют управлять коэффициентом и направлением счета, вводить до начала цикла исходное число, прекращать по команде счет, наращивать число разрядов и т.п.

В ряде случаев, однако, может возникнуть необходимость в счетчике с нетиповыми характеристиками. Такие счетчики синтезируются из отдельных триггеров и логических элементов.

Аналитический обзор

Простейший двоичный счетчик может быть реализован путем последовательного соединения счетных Т-триггеров (рис. 1).

Рис. 1- Двоичный суммирующий счетчик с последовательным переносом

При построении временных диаграмм учитывалось, что каждый триггер изменяет свое состояние по спадающему фронту «1-0» на своем синхровходе. Логические уровни на выходах триггеров соответствуют двоичным числам, которые возрастают с приходом каждого входного импульса. Это объясняет название: «суммирующий двоичный счетчик».

Из временных диаграмм (рис. 3.44) следует, что частота на выходе каждого триггера уменьшается в два раза. Поэтому двоичные счетчики называют также делителями частоты. Общий коэффициент деления равен:

где: n - количество последовательно включенных триггеров.

На основе Т-триггеров можно построить вычитающий двоичный счетчик, если на вход следующего триггера подавать сигналы с инверсного выхода предыдущего триггера (рис. 3.45). Вычитающий двоичный счетчик можно реализовать также по схеме на рис. 3.43, если использовать Т-триггеры, управляемые восходящим фронтом «0-1».

Рис. 2 - Вычитающий двоичный счетчик с последовательным переносом

Логические уровни на выходах триггеров соответствуют двоичным числам, которые уменьшаются с приходом каждого входного импульса. Из нулевого состояния счетчик переходит - в максимальное (для четырехразрядного счетчика - это код 15).

Рис. 3 - Временные диаграммы двоичного вычитающего счетчика

На рис. 3 приведен фрагмент реверсивного счетчика. Этот счетчик может работать как суммирующий при подаче на управляющий вход «D/~U» низкого логического уровня или как вычитающий, если подать на управляющий вход высокий логический уровень.

Переключение режимов реверсивного счетчика осуществляется мультиплексорами «2 на 1».

Рис. 4 - Реверсивный двоичный счетчик с последовательным переносом

В большинстве случаев счетчики имеют цепи установки всех триггеров в исходное состояние (на рис. 3.47 показана цепь асинхронного сброса всех триггеров в нулевое состояние).

Общим недостатком всех счетчиков с последовательным переносом (в литературе встречается также название «асинхронные счетчики») являются большие и неравномерные задержки распространения входного сигнала до всех выходов триггеров. Особенно большие задержки распространения сигнала заметны на выходе последнего триггера.

Если выходные логические уровни триггеров подать на входы дешифратора, то на выходах дешифратора будут заметны «ложные импульсы» (за счет эффекта гонок) длительностью до 12*tз и более.

Для выравнивания временных задержек всех триггеров применяют счетчики с параллельным переносом (рис. 5), которые называются также «синхронными счетчиками», потому что входной сигнал С подают параллельно на синхровходы всех триггеров.

Рис. 5 - Двоичный суммирующий счетчик с параллельным переносом

Синхронный счетчик реализован на J-K-триггерах, имеющих по три входа J и три входа К, объединенных логической операцией конъюнкции.

Временные диаграммы этого счетчика такие же, как на рис. 3.44. Первый триггер работает в счетном режиме. Для этого на его входы J и K постоянно поданы уровни логической «1».

Второй триггер (согласно временным диаграммам на рис. 3.44) изменяет (инвертирует) свое состояние по фронту «1-0» входного сигнала только при единичном уровне на выходе Q1. С учетом таблицы состояний J-K-триггера (см. последнюю строку в табл. 3.14) входы J,K второго триггера подключены к выходу Q1.

Третий триггер изменяет свое состояние по фронту «1-0» входного сигнала С только при единичных уровнях на выходах первого и второго триггера. Четвертый триггер изменяет свое состояние, когда три первых триггера находятся в единичном состоянии. Поэтому на входы J, K последнего триггера поданы выходные сигналы первых трех триггеров.

Все триггеры могут изменять свои состояния только одновременно по фронту «1-0» входного сигнала. Поэтому задержки распространения сигналов на всех выходах будут примерно равны (если не считать технологический разброс параметров триггеров). Такой счетчик (рис. 3.48) обладает минимальными задержками распространения сигналов от входа С ко всем выходам и поэтому - максимальным быстродействием.

Рассмотрим микросхему К555ТВ6, которая представляет собой двоичный суммирующий счетчик и содержит два JK-триггера. Данные в каждом триггере переносятся от входа на выходы по отрицательному перепаду тактового импульса С. Когда импульс С переходит от высокого уровня к низкому, сигналы на входах J и К изменяться не должны. Данные от входов J и К следует загружать в триггер, когда на входе С присутствует напряжение высокого уровня. Режимы работы триггера м/с ТВ6 следует выбирать по табл.1.27

У триггеров м/с нет входов S. Асинхронные входы сброса R имеют низкий активный уровень. Если на входе R будет напряжение низкого уровня, прохождение сигналов от входов С, J, K запрещается. На выходе Q появляется напряжение низкого уровня. Остальные четыре режима работы возможны лишь при напряжении высокого уровня на входе R. Отметим, что при J=K=H, состояние выходов под действием отрицательного перепада на тактовом входе С не меняется. М/с 1потр=8мА, до 30 МГц.

Дискретные счётчики строятся из двоичных ячеек - триггеров. В настоящее время в счетчиках используется большое разнообразие триггеров: RS-, T-, JK-, D-триггеры. Наиболее универсальными из перечисленных типов триггеров являются JK -триггеры. Счетчики с любым коэффициентом пересчёта выполняются на этих триггерах без каких-либо дополнительных элементов. Это обусловило широкое применение JК - триггеров в электронных счетчиках.

Работа JК- триггера описывается следующим логическим уравнением:

,

где Qn, Кn, Jn - соответственно значения выходного сигнала и сигналов на входах К и J на данном такте;

Qn+1 - значение выходного сигнала на последующем такте.

По уравнению (1.1) можно построить таблицу состояний JK триггера для различных входных сигналов.

Из уравнения и таблицы видно, что JК- триггер не меняет своего состояния, если на входах J и К действуют нули, устанавливается в состояние «1», если на входе J действует «1», на входе К - «О», устанавливается в состояние «О», при наличии на входе J «нуля», а на входе К - «единицы, и, наконец, изменяет свое состояние на противоположное, если на обоих входах действуют единичные сигналы. Отсюда следует, что при воздействии сигналов в отдельности на входы J и К , JК - триггер аналогичен RS -триггеру, а при подаче сигналов одновременно на К, J - входы (т.е. при их объединении) работает как счетный триггер. Причем, переключение происходит по окончании сигнала. JК- триггеры, выпускаемые в микроисполнении, обычно имеют счетный вход, несколько J и К входов и два установочных входа. По счетному, J, K входам триггер управляется единичными сигналами, а по установочным - нулевыми. Например, сдвоенный ТТЛ JК - триггер типа К555ТВ6, имеет по одному счётному и по одному J, K, R -входу. Его параметры следующие: U0вых 0,4 В, U1вых 2,5 В, Краз=10, t1,0зр 10 нс, t0,1зр 10 нс, Рпот 2 мВт, f15 МГц.

Двоичные счетчики. Триггер со счётным входом делит частоту входных сигналов на два. Двоичный счётчик получают путём каскадного соединения триггеров. Частота выходных импульсов n- разрядного двоичного счётчика в 2n раз меньше частоты входных сигналов. При использовании JK- триггеров, а также других триггеров, выход Q (прямой) предыдущего триггера соединяют со счётным входом последующего. Если со счётными входами соединить не выходы Q, а инверсные выходы , считая по-прежнему выходами Q, то счётчик будет вычитающим.

Вводя специальные логические схемы между триггерами, можно осуществить в одном счётчике и суммирование и вычитание. Такой счётчик называется реверсивным.

Счетчики с произвольным коэффициентом пересчета. В ряде случаев требуется при помощи бинарных ячеек построить счетчик, работающий в системе счисления с основанием, не равным целой степени числа 2. Особенно часто применяют десятичные счетчики, работающие в десятичной системе счисления. Для построения такого счетчика (одной декады) обычно используют четыре триггера. При этом возникает задача исключения лишних состояний четырехразрядного двоичного счетчика. Эта задача решается самыми различными способами, число которых весьма велико. Конечная цель этих способов - сброс счетчика в “ноль” по приходу десятого импульса.

По одному из способов второй и третий триггер после восьмого или девятого импульса принудительно устанавливаются в единичное состояние. При этом в счетчике будет записано двоичное число 1110 или 1111. Тогда в первом случае после поступлении еще двух, а во втором - одного импульса счетчик устанавливается «ноль». Названные способы связаны с некоторым неудобством при дешифрации двоичного кода.

Другие способы направлены на то, чтобы предотвратить срабатывание второго и третьего триггера при поступлении десятого импульса и сбросить в «ноль» первый и четвертый. Это достигается введением различных запрещающих и разрешающих обратных связей и созданием “обходных” путей. Конкретная реализация того или иного способа зависит от типа применяемых триггеров.

Рассмотрим работу десятичного счетчика на JК - триггерах, в котором реализуется последний способ исключении избыточных состояний (рис. 1). Пусть исходное состояние счетчика - нулевое. При поступлении на вход первых семи импульсов счетчик работает как двоичный. Сигналы, поступающие с выхода первого триггера Q1 на вход К четвертого триггера, до этого не меняют его состояния. После седьмого импульса состояние счетчика будет 0111, значит, на входах J,К четвертого триггера будут действовать «единицы». По приходу восьмого импульса первый, второй и третий триггеры переключаются в нулевое состояние. При этом четвертый триггер устанавливается в единичное состояние. На выходе Q4 устанавливается “ноль”. Этот “ноль” подаётся на вход J второго триггера и запрещает его переключение по счётному входу. Девятый импульс переводит первый триггер в единичное состояние. На входе четвертого триггера при этом действует “0”, а на входе К - “1”. Десятый импульс переключает первый триггер в нулевое состояние и поэтому четвертый триггер также устанавливается в «ноль» (переключение J,K триггера происходит на заднем фронте сигнала). Так как переключение триггеров происходит с определенной задержкой, то к моменту установления на выходе Q4 единичного уровня на счетном входе второго триггера успевает установиться ноль и его состояние (нулевое) не меняется. Таким образом, счетчик в целом устанавливается в нулевое состояние. Аналогичным способом может быть построен счетчик и с другим коэффициентом пересчета, не равным 2.