Счетчики

5.1 Общие положения

 

Счётчиком называется функциональное последовательностное устройство, комбинация выходных сигналов которого изменяется по определенному закону при поступлении активного перепада импульса на его счётный вход С. Закон изменения выходных сигналов определяется выбранным способом кодирования внутренних состояний счётчика. Чаще других используются двоичный, двоично-десятичный и унитарный коды. Счётчики, в которых они используются, выпускаются в интегральном исполнении и называются, соответственно, двоичными, двоично-десятичными и кольцевыми. Кроме счетного входа счётчик может иметь и другие входы, расширяющие его возможности (установка в начальное состояние, разрешение работы и т.д.).

Единая система конструкторской документации (ЕСКД) допускает несколько вариантов обозначения счетных входов С (и вообще динамических входов ИМС). Эти варианты представлены на рисунке 5.1а) - управление по перепаду с 0 на 1 (положительному перепаду, фронту), и на рису рисунке 5.1б) - управление по перепаду с 1 на 0 (отрицательному перепаду, спаду). Форма 1 изображения является предпочтительной.

Зная начальное состояние счётчика и используемый код, можно по комбинации выходных сигналов определить число импульсов, поступивших на его счётный вход к данному моменту. Поэтому счётчики можно использовать для подсчёта импульсов.

Количество устойчивых состояний (комбинаций сигналов на выходах) счётчика называется модулем или коэффициентом счёта. Модуль счёта обозначается М, и счётчик называется счётчиком по модулю М. Максимальное число импульсов, которое может быть подсчитано счётчиком (ёмкость счётчика) равно  М-1. При поступлении на счётный вход следующего по счету после М-1 активного перепада импульса, счётчик переходит в начальное состояние. Такая ситуация называется переполнением счётчика.

Модуль счётчика зависит от используемого кода и числа выходов счётчика. При числе выходов “n” максимальный модуль счёта равен 2 ⁿдля двоичного и “n” для кольцевого счётчиков (число выходов равно числу разрядов). У двоично-десятичного счётчика для одного десятичного разряда (декады) необходимо четыре выхода и максимальный модуль счёта такой декады-10.

Если на вход счётчика подается последовательность импульсов с частотой f, то переполнение счётчика возникает периодически с частотой   . Это свойство используется для деления частоты. Выходной сигнал в этом случае   снимается   с   последнего   разряда   или   со специального выхода, на котором формимируется импульс при возникновении   переполнения.  Поэтому счётчики, предназначенные только для деления частоты имеют один основной выход и называются счётчиками-делителями или цифровыми таймерами.

В зависимости от порядка изменения состояний счётчики бывают суммирующие (при возрастающем порядке) и вычитающие (при убывающем порядке). Например, в суммирующем двоичном счётчике каждый активный перепад импульса на счётном входе увеличивает записанное в этом счётчике число на единицу, а в вычитающем уменьшает на единицу. Если счётчик может работать в обоих режимах, он называется реверсивным. В интегральном исполнении выпускаются суммирующие и реверсивные счётчики. Начальная комбинация у них в режиме суммирования нулевая, в режиме вычитания М-1.

Счётчики строятся из триггеров и в зависимости от их разновидности делятся на синхронные и асинхронные. В состав синхронных счётчиков входят только синхронные триггеры, а в составе асинхронных обязательно есть асинхронные триггеры. По структуре асинхронные счётчики могут быть с последовательным или параллельным переносом. Синхронные счётчики самые сложные и быстродействующие.

Быстродействие является важным параметром. Оно определяется минимальным временем между двумя активными перепадами t_сч, при, котором еще не происходят сбои в работе (разрешающая способность) и промежутком времени между появлением активного перепада и установкой нового состояния t_у (время установки). Максимальная частота счёта (деления) определяется как. 1/t_сч.

У многих счётчиков можно по желанию изменять начальное состояние. Для этого у них имеются специальные входы установки начального состояния, на которые подается кодовая комбинация, соответствующая нужному начальному состоянию и вход управление загрузкой.

У счётчиков с асинхронной загрузкой информация с входов установки начального состояния переписывается на выход, как только на входе управления загрузкой появится активный уровень сигнала. У счётчиков с синхронной загрузкой это произойдет в момент появления активного перепада на счётном входе и, если при этом на входе управления загрузкой активный уровень сигнала.

Почти все счётчики имеют вход сброса в нулевое состояние. Он имеет главный приоритет перед остальными входами.

Счётчики используются, как самостоятельные элементы, для просчета числа различных сигналов, уменьшения частоты, а также при построении разнообразных устройств (цифровых фазовращателей, синтезатор частот и др.).

В настоящее время в интегральном исполнении выпускаются счётчики асинхронные с непосредственной связью, асинхронные с параллельным переносом и синхронные.

 

5.2 Схемы построения счетчиков

 

Самым простым по структуре является асинхронный двоичный счётчик, построенный из асинхронных Т-триггеров, которые соединены последовательно друг за другом, как показано на рисунке 5.2.

Такая схема, в которой выход одного триггера соединен с входом следующего, называется схемой с непосредственной связью и относится к схемам с последовательным переносом. В двоичных счётчиках количество используемых триггеров равно числу разрядов.

 

 

Рисунок 5.2 Счетчик с непосредственными связями 

 

Работу счётчика удобно пояснять с помощью временной диаграммы. Для рассматриваемого счётчика она приведена на рисунке 5.4 Начальное состояние счётчика нулевое. При появлении перепада с 1 на 0 на входе первого триггера он переключается из нуля в единицу (t₁). При появлении второго перепада с 1 на 0 на входе первого триггера он переключается из единицы в нуль, создавая перепад с 1 на 0 на входе второго триггера, который в свою очередь переключается из нуля в единицу (t₂). При появлении третьего перепада с 1 на 0 первый триггер вновь   переключается и   т.д.   Из   диаграммы   видно, что после   восьмого импульса возникает переполнение и счётчик устанавливается в исходное состояние.

В схеме на рисунке 5.2 триггеры переключаются последовательно по отношению к активному перепаду на входе первого триггера через время =, где -число триггеров, -время переключения одного триггера. Получается, что быстродействия таких счётчиков зависит от числа разрядов и при увеличении их числа снижается.

Рисунок 5.3                                                               Рисунок 5.4

 

Несмотря на этот недостаток, благодаря своей простоте и легкости наращивания, такие счётчики находят широкое применение.

УГО двоичного счетчика с непосредственными связями К1533 и его структурная схема приведены на рисунке 5.5. Счетчик имеет два счетных входа С0 и С1 и два входа установки нуля R₁и R₂. Цепочка из триггеров (DD2 – DD4) образует счетчик-делитель на 8, триггер DD1 работает как изолированный делитель на 2. При последовательном включении всех триггеров, когда выход Q0 соединяется с входом С1, получается счетчик с модулем счета 16.

        

Рисунок 5.5  УГО а) и структурная схема  б) счетчика К1533ИЕ5

 

Для повышения быстродействия в счётчиках с непосредственными связями используют параллельный перенос. Принцип построения счётчика с его использованием показан на рисунке 5.6.

 

Рисунок 5.6 Счётчик с параллельным переносом

 

Здесь выход триггера соединен со входом следующего через элемент И, и к каждому следующему элементу И подключены выходы всех предыдущих элементов И, связанных с триггерами более младших разрядов.

Перепад с 1 на 0 входного импульса поступает на все элементы И и первый триггер одновременно, но проходит на входы триггеров только через те элементы И, у которых к этому моменту на всех остальных входах находятся единицы. Пусть, например, счётчик находится в состоянии, соответствующем строке 5 таблицы рисунка 4.3. В этом случае единицы находятся на выходах первого и третьего триггеров. Когда на входе +1 появится перепад с 0 на 1, единицы установятся на всех входах только первого элемента И (на выходе второго триггера, а значит и выходе второго элемента И находится нуль). Поэтому при появлении перепада с 1 на 0 на входе +1 переключается только первый и второй триггер и счётчик перейдет в состояние 110, что соответствует строке 6 таблицы рисунка 5.3.

На выходе последнего элемента И формируется импульс переноса, который используется для наращивания счётчиков.

Время задержки срабатывания последнего триггера по отношению к входному импульсу в такой схеме не зависит от числа триггеров и определяется только временем задержки сигнала в элементе И. Недостатком этого счётчика является усложнение схемы переноса и рост нагрузки на выход элементов И с увеличением разрядности счетчика, а также то, что триггеры переключаются вразнобой, с задержкой, определяемой элементами И.

Примером такого счетчика может служить счетчик К555ИЕ7, показанный на рисунке 5.7. Это реверсивный четырехразрядный двоичный счетчик. Входы «+1», «–1» – счетные входы для выполнения операций суммирования или вычитания соответственно.При подаче на вход «+1» тактовых импульсов на выходах счетчика Q1, Q2, Q3, Q4 образуется двоичный код 1-2-4-8. Когда все триггеры находятся в единичном состоянии, то очередной шестнадцатый тактовый импульс (низкий уровень сигнала) проходит на выход переноса (`P і 15 вывод ).

Рисунок 5.7 Счётчик с параллельным переносом К555ИЕ7

 

Одновременное переключение всех триггеров достигается в синхронных счётчиках. В них используются синхронные Т и динамические D-триггеры. Структурная схема такого счётчика показана на рисунке 5.8.

Рисунок 5.8

 

Входные импульсы здесь подаются на синхронизирующие входы триггеров. На информационных же входах перед поступлением активного перепада входного импульса устанавливается уровень сигнала, определяющий, будет переключаться данный триггер или нет. Когда на входе появится активный перепад, переходные процессы в элементах счетчика должны закончиться и все триггеры переключатся одновременно (если не учитывать разное время переключения самих триггеров).

Пусть, например, счётчик находится в состоянии, соответствующем строке 5 рисунка 5.3 и на входе СЕ находится единица. Единицы в этом случае будут на всех входах только у первого элемента И (т.к. на выходе второго триггера нуль) и на информационных входах первого и второго триггера устанавливается единица, а на входе третьего нуль. Таким образом при появлении на входе +1 активного перепада переключается первый и второй триггеры и счётчик перейдет в состояние 110.

Вход СЕ является входом разрешения переключения триггеров данного счетчика и называется входом разрешения счета. На выходе СР формируется активный уровень сигнала, когда все триггеры и вход СЕ находятся в единичном состоянии. При наращивании счетчиков выход СР подключается ко входу СЕ следующего счетчика и называется выходом переноса.

Примером синхронного счетчика может служить счетчик К555ИЕ7, показанный на рисунке 5.9. Это реверсивный четырехразрядный двоично-десятичный (модуль счета равен 10) синхронный счетчик с синхронной параллельной записью информации.

При подаче лог. 0 на вход V2 микросхема переходит в режим параллельной записи информации со входов Dl – D8. Запись синхронная и происходит по фронту тактового импульса на входе С.

На выходе переноса Р2 лог. 1 появляется в том случае, когда счетчик находится в состоянии 9, а на входе P1 присутствует лог.1.

   

 

Схема построения вычитающего счетчика показана на рисунке 5.10. Сигналы переноса взяты с инверсного выхода каждого предыдущего триггера, а информацию о состоянии счетчика снимается с прямых выходов триггеров, как и в суммирующем счетчике.

 

 

 

После первого тактового импульса включается первый триггер. Перепад 1/0 возникающий на выходе `Q₁, поступает на вход второго триггера и включает его. Аналогично происходит перенос из второго триггера в третий и далее в четвертый в результате чего после первого импульса счетчик оказывается в состоянии 1111 (N=15). С приходом каждого очередного импульса сумма в счетчике уменьшается на единицу. После 16-го импульса счетчик обнуляется. На выходе Q₄ формируется сигнал переноса. Временная диаграмма работы вычитающего счетчика показана на рисунке 5.11.

Вычитающие счетчики отдельно не выпускаются, т.к. реверсивные счетчики могут работать в режиме, как сложения, так и вычитания.

 

Рисунок 5.11 Временная диаграмма работы вычитающего счетчика

  

5.3 Счетчики с произвольным модулем счета

 

Счётчики, выпускаемые в интегральном исполнении, имеют фиксированные модули счета. Но часто возникает необходимость иметь модуль отличный от фиксированного.  Имея готовый счетчик по модулю М, можно получить счётчик с меньшим модулем двумя способами.

Первый способ заключается в том, чтобы сбрасывать счетчик в начальное состояние до его переполнения. Для этого к выходам счетчика подключается детектор состояний, который вырабатывает сигнал сброса при появлении нужной комбинации конца счета. В качестве детектора состояний можно использовать дешифратор, цифровой компаратор или элемент И. Схема с использованием элемента И показана на рисунке 5.12.

Рисунок 5.12                                                Рисунок 5.13

 

Входы элемента И подключены к выходам счётчика таким образом, что при появлении на выходах счётчика комбинации конца счёта на выходе элемента И появляется единица, которая и сбросит счётчик в ноль. У суммирующих двоичных и двоично-десятичных счётчиков к элементу И подключаются те выходы, сумма весовых коэффициентов которых равна нужному модулю счёта. Например, для получения счётчика по модулю 6 к элементу И необходимо подключить выходы с весовыми коэффициентами 2 и 4 т.к. 6 = 2 + 4.

Схема на рисунке 5.12 имеет ряд недостатков.

Во-первых, счётчик по модулю М должен переходить в начальное состояние из состояния М-1. В данном же случае на выходах счётчика на определенное время появляется неестественная для него комбинация М и только после ее появления счётчик переходит в начальное состояние. Это может привести к неправильной работе схемы, к которой подключены выходы счётчика. В счётчиках-делителях, где используется только выход переноса СР этот недостаток роли не играет.

Во-вторых, импульс на выходе элемента И находится до тех пор, пока не сменится комбинация на выходе счётчика. Его длительность равна сумме задержки в элементе И и времени переключения самого быстрого триггера счётчика. Минимальную длительность импульса предсказать нельзя и она может оказаться недостаточной для срабатывания устройства, подключенного к выходу элемента И (в том числе и некоторых триггеров самого счётчика). Поэтому для предотвращения вероятных сбоев необходимо принимать меры к удлинению импульса.

Достоинство способа – естественная последовательность кодов от 0 до  М-1.

Второй способ заключается в том, чтобы счётчик начинал считать не с начального состояния, а с какой-то другой комбинации выходных сигналов. Для этого на входы установки начального состояния необходимо подать эту комбинацию и перед началом счёта записать ее в счётчик. В случае циклической работы сигналом для записи может служить появление на выходах счётчика комбинации конца счёта. Сигнал с этого выхода можно использовать для записи в счётчик начальной комбинации. Такая схема показана на рисунке 5.13. В ней выход переноса соединён с входом загрузки.

Модуль счета счетчиков с асинхронной загрузкой двоичных определяется по формуле М= (2 ⁿ -1)-d при суммировании и М = d при вычитании, а двоично-десятичных счетчиков по формуле M = (10 ^m -1) - d при суммировании и M = d при вычитании. Здесь n-разрядность счетчика; m-число десятичных разрядов; d-загружаемая комбинация. В счётчике с асинхронной загрузкой появление комбинации конца счета и загрузка происходит между двумя соседними импульсами на счётном входе, т.е. за один такт. В счётчике с синхронной загрузкой для этого требуется два такта - в одном появляется комбинация конца счёта, а в другом происходит загрузка.   

Поэтому модули счёта определяются по формулам M = 2ⁿ -d;   M = 10 ^m - d для суммирующих счётчиков и  M = d +1 для вычитающих. Например, чтобы построить счётчик по модулю 6 на базе четырехразрядного двоичного суммирующего счетчика с асинхронной загрузкой в него надо записать комбинацию . При этом на входы D2 и D4 следует подать нули, а на входы D1 и D8 единицы.

Схема на рисунке 5.13 имеет недостатки: во-первых, счёт начинается не с нуля и в случае использования основных выходов требуется перекодирование (если используется только выход переноса, этот недостаток значения не имеет); во-вторых, в случае асинхронной загрузки активный сигнал на выходе переноса существует до тех пор, пока не переключится хотя бы один триггер счётчика и его длительности может не хватить для срабатывания устройства, подключённого к этому входу, а также для правильной загрузки самого счётчика. Поэтому для предотвращения возможных сбоев этот сигнал необходимо удлинять.

Достоинством способа является отсутствие дополнительных элементов и возможность достаточно просто изменять модуль счёта.

 

5.4 Кольцевые счетчики 

Счетчик можно построить и на базе сдвигового регистра, если выход старшего разряда подключить к последовательному входу, как показано на рисунке 5.14

Рисунок 5.14 Кольцевой счетчик

 

Работа этого кольцевого счётчика отражена на временной диаграмме на рисунке 5.15. Предварительно записанная в младший разряд единица после каждого активного перепада сигнала на входе С будет поочередно появляться на выходе каждого триггера регистра. Это следует из принципа работы регистра сдвига

 Когда единица появится на выходе , то появится и на входе DS и при следующим активном перепаде на входе С перепишется снова в триггер младшего разряда. Получается замкнутое кольцо циркуляции - отсюда и название счётчика.

Рисунок 5.15 Временная диаграмма кольцевой счетчик

 

Из рисунка 5.15 видно, что частота появления импульсов на любом выходе регистра в три раза меньше, чем частота импульсов на входе С, и число различных состояний   выхода тоже три, т.е. модуль счета M = 3. У используемого кода единица есть только в одном разряде. Такай код называется унитарным. Модуль счёта подобных счётчиков равен числу разрядов используемого регистра.

Недостатком кольцевого счетчика по сравнению со счетчиком на Т-триггерах является малый модуль счета ппри равном числе разрядов. Достоинством является большее быстродействие, т. к. он содержит минимальное число элементов.

Модуль счета кольцевого счётчика можно увеличить, если выход последнего триггера соединить с последовательным входом DS через инвертор. Схема такого счётчика на базе регистра К155ИР1 показана на рисунке 5.16. Для удобства рассмотрения работы со входом DS соединен второй разряд. Временная диаграмма работы счетчика показана на рисунке 5.17.                                     

Перед началом работы (до момента ) в младший разряд регистра записывается единица, в остальные - нули. В момент  происходит сдвиг информации на выходах, а на выход  переписывается единица, находящаяся в этот момент на входе DS и т.д.

Из временной диаграммы видно, что на любом выходе появляется периодически чередующаяся последовательность единиц и последовательность нулей ...110011001100... Такая последовательность называется кодом Джонсона, а счётчики, где она применяется - счётчиками Джонсона.

Рисунок 5.16   Счетчик Джонсона          Рисунок 5.17 Временная диаграмма

 

Модуль счета данного счётчика M = 4, т.к. используются четыре различные комбинации выходных сигналов. 

Модуль счёта счетчика Джонсона, построенного на базе готового регистра по схеме рисунка 7.16 четный и равен M = 2 (n + 1), где n - номер выхода, который через инвертор подключен к входу DS. Длина последовательностей нулей (единиц) равна числу используемых разрядов регистра.

Чтобы получить нечетный модуль счета, необходимо исключить одно из состояний счетчика.

Общий недостаток кольцевых структур заключается в том, что любой сбой (случайное включение какого-либо триггера) будет существовать сколь угодно долго, т.е. не самоустраняется. Для устранения сбоев разработаны различные варианты логических цепей коррекции обратной связи.

Счетчики Джонсона выпускается в интегральном исполнении в серии КМОП. Примером может служить счетчик К564ИЕ9, УГО которого показано на рисунке 5.18. Это четырехразрядный счетчик-делитель на восемь (кольцевой счетчик «Джонсона»). Основой кольцевого счетчика является одна перекрестная связь с выхода  последнего триггера на вход D-первого. Важнейшим свойством счетчиков является высокое быстродействие и простота дешифратора состояний.

Счетчик осуществляет счет от положительного фронта тактового сигнала С при напряжении низкого уровня на входе разрешения Е.

При высоком уровне напряжения на входе Е происходит блокировка счета. Счетчик осуществляет счет так же от отрицательного фронта сигнала Е при высоком уровне напряжения по входу С. На выходе Р формируется последовательность импульсов со скважностью Q = 2 и частотой, равной F_вх/8.

Обнуление в счетчике происходит при подаче лог. 1 на вход установки нуля R. Счетчик имеет выход переноса, завершает цикл счета при восьмом тактовом импульсе. Положительные фронты импульсов P используются как тактовая последовательность для наращивания счетчиков.