Счетчики и делители

Счетчики и делители

1. Понятие и назначение счетчика

Счетчик предназначен для подсчета количества единиц информации (счетных импульсов). Поступление единицы информации заключается в воздействии на вход счетчика перепада напряжения 0 – 1 при входе или 1 – 0 при инверсном входе. Так как один импульс содержит тот и другой перепады, то его и отождествляют с единицей информации независимо от типа входа счетчика.

Счетчик имеет K_n устойчивых состояний, каждое из которых повторяется после подсчета K_n счетных импульсов. Иначе говоря, счет импульсов осуществляется с коэффициентом (модулем) пересчета K_n.

По способу кодирования числовой информации различают счетчики с позиционным (единичным, двоичным, десятичным и т.д.) и непозиционным (например, в кодах Грея) кодированием. В счетчиках с позиционным кодированием числовое выражение текущего состояния определяется формулой:

где n – количество разрядов; Q_i – логическое значение разряда (Q_i=0,1); M_i – вес i-го разряда.

В счетчиках с непозиционным кодированием разряды не имеют постоянных весов, и числовое выражение состояния предписывается каждому набору значений Q_i. Этот тип счетчиков встречается на практике существенно реже, чем счетчики с позиционным кодированием.

Ниже рассматриваются наиболее распространенные счетчики, ведущие счет в двоичной системе счисления, - двоичные счетчики основу их построения положены n счетных триггеров. Каждому из них ставится в соответствие один определенный вес из набора: 2⁰, 2¹,...,2^n-1. Количество поступивших импульсов представляется в виде суммы

или для краткости записи – в виде позиционного набора Q_n-1Q_n-2 … Q₁Q₀. Максимальный коэффициент пересчета двоичного счетчика K_n=2ⁿ.

Счетчики подразделяются еще по другим классификационным признакам. По назначению различают суммирующие, вычитающие реверсивные; по способу запуска – асинхронные и синхронные; по способу организации переноса – с последовательным, сквозным и параллельным переносами.

Основными параметрами счетчиков являются: разрешающая способность, время установления и емкость.

Разрешающая способность—это минимальный период следования счетных импульсов T_ст, при которых сохраняется работоспособность счетчика. Обратная величина

характеризует максимальную частоту счета.

Время установления T_уст – это интервал между началом подачи на вход счетного импульса и моментом окончания самого продолжительного переходного процесса в счетчике.

Параметры T_ст и T_уст характеризуют быстродействие счетчика.

Емкость счетчика определяется максимальным числом импульсов, которое он может зарегистрировать. Численно емкость равна коэффициенту пересчета K_п.

Делители—это те же счетчики, но имеют, как правило, один выход, на котором появляется импульсный сигнал после каждых K_п счетных импульсов. Нередко предусматривается возможность изменять коэффициент деления K_п с помощью специального управляющего кода. В принципе делители можно строить и на основе двоичных счетчиков, подключив к выходам дешифратор какого-либо одного состояния.

В большинстве практических случаев интегральные пересчетные устройства делаются комбинированными – счетчиками-делителями. С этой целью счетчик дополняют дешифратором старшего состояния, выходной сигнал которого может быть использован как сигнал переноса при наращивании разрядности с помощью нескольких микросхем, либо как выходной сигнал делителя.

2. Счетчики с последовательным переносом

2.1 Суммирующие счетчики

Суммирующий счетчик должен функционировать так, чтобы при поступлении на его вход одного импульса записанное в нем число увеличилось на единицу. Принцип построения суммирующего счетчика следует из правила прибавления к двоичному числу единицы. В соответствии с этим правилом, например, трехразрядный счетчик должен последовательно принимать состояния 000, 001, 010, 011, 100, …, 111.

Видно, что триггер младшего разряда переключается каждым счетным импульсом, т.е. входом счетчика служит вход этого триггера. Состояния второго и третьего триггеров меняются соответственно каждым вторым и четвертым импульсом. Это обеспечивается последовательным соединением триггеров.

Из правила прибавления к двоичному числу единицы также известно, что изменение значения i-го разряда происходит тогда, когда до прибавления очередной единицы все предыдущие разряды были единицами. Отсюда следует правило: если триггеры имеют прямой счетный вход, то он подключается к инверсному выходу предыдущего триггера; если имеет инверсный вход, то он подключается к прямому выходу.

Иллюстрирующий пример трехразрядного суммирующего счетчика с временными диаграммами работы и условным изображением приведен на рис. 1. Счетчик может принимать 8 различных состояний, которые повторяются через каждые 8 входных импульсов (K_n=8). С наибольшей частотой переключается триггер младшего разряда, следовательно, разрешающая способность счетчика определяется временем задержки переключение триггера (Т_ст=Т_тг). Это положение распространяется на все типы двоичных счетчиков.

Рисунок 1 – схема (а), условное графическое обозначение (б) и временные диаграммы трехразрядного суммирующего счетчика с последовательным переносом.

Данный счетчик называют счетчиком с последовательным переносом, так как переключение триггера i-го разряда происходит в результате последовательного переключения всех предыдущих триггеров младших разрядов, т. е. информация распространится по цепочке триггеров последовательно. Время установления счетчика

.

Это говорит о том, что если, например, необходимо снимать информацию после каждого входного импульса, период следования их должен быть T>nT_ТГ.

Существенное ухудшение быстродействия с ростом разрядности – основнй недостаток счетчиков с последовательным переносом.