Счетчики. Последовательный двоичный счетчик. Асинхронные и синхронные счетчики

СЧЕТЧИКИ

Последовательный двоичный счетчик.

Двоичные счетчики и делители частоты используются в самых разных областях техники, в частности в управляющих системах ЭВМ, в цифровых электронных часах, частотомере и т.д. Наиболее часто на практике применяются двоичные и десятичные счетчики и делители.

Основной параметр счетчика – модуль счета Кс – максимальное число, импульсов, которое может быть сосчитано счетчиком. Если счетчик состоит из m триггеров, то число состояний  2^m и Кс≤2^m. Число импульсов, сосчитанное счетчиком может быть представлено на его выходе в прямом коде, обратном, циклическом.  Счетчики и делители по модулю Кс делятся на асинхронные, и синхронные. У асинхронных делителей каждый разряд синхронизует следующий разряд деления. Синхронные делители синхронизируются поступающими извне импульсами. Входы синхронизации обычно у них включены параллельно.

По направлению счета счетчики делятся на суммирующие, вычитающие и реверсивные.

У суммирующего счетчики число, которое в него записано, увеличивается на единицу после того каждого импульса до заполнения, а у вычитающего счетчики уменьшается. Реверсивные счетчики могут считать по соответствующей команде в обеих направлениях. В большинстве счетчиков используются синхронные триггеры, синхронизируемые фронтом тактовых импульсов : D,  J-K триггеры.

Асинхронные счетчики.

Суммирующий счетчик.

Переход любого состояния выхода триггера по таблице происходит при условии, если соседний младший разряд переходит из состояния лог.1 в состояние лог.0, т.е. по спаду уровня логического сигнала. Таким образом, для построения суммирующего счетчика выход каждого триггера соединяется с входом синхронизации, причем триггеры должны синхронизироваться спадом логического уровня.

Возможно также использовать триггеры, синхронизируемые фронтом логического сигнала, но в таком случае выходами счетчика являются инверсные выходы триггеров .

Вычитающий счетчик на D – триггерах.

Аналогично при движении по таблице в сторону уменьшения, можно увидеть, что изменение состояния разряда происходит при переходе в младшем разряде уровня из лог.0 в лог.1, т.е. для построения счетчики нужно использовать триггеры с синхронизацией по фронту на входе синхронизации.  Можно также увидеть, что у суммирующего счетчика на выходах  коды уменьшаются, поэтому если снимать сигналы с инверсных выходов, то получим вычитающий счетчик.

Асинхронные счетчики просты по устройству, но быстродействие их низкое, так как задержка установления старшего разряда равна n ∙ t, где n – число триггеров, если все триггеры переходят из состояния лог.1  в лог.0. Если к выходам такого счетчики подключена схема совпадений, то возможны ложные ее срабатывания. Это происходит потому, что при переключении триггеров по цепочке число, записанное в счетчике перед установившемся состоянием, проходит ряд значений и поэтому возможны возвращение (на время задержки переключения триггеров) состояния счетчика к предыдущим значениям.

Однако во многих случаях это не имеет значения. Например, для суммирующего счетчика,  если схема совпадений настроена на состояние «все единицы», ложных срабатываний нет.

Синхронные счетчики.

Задержки срабатывания уменьшаются у синхронных счетчиков. Из таблицы можно также увидеть, что изменение в любом из разрядов происходит в случае, если в предыдущем такте во всех младших разрядах установлены лог.1. Поэтому у суммирующего счетчика разрешение на переключение некоторого триггера дается в случае, если во всех младших триггерах по отношению к данному установлены лог.1, при этом входы синхронизации триггеров включены параллельно. Синхронные счетчики делятся на параллельные, последовательные и последовательно – параллельные.

Параллельный синхронный делитель на 16.

Особенности работы:

1.  Состояние всех триггеров меняется одновременно, поэтому задержка счетчика равна задержке переключения одного триггера.

2.  Переход любого из триггеров происходит, если все предыдущие триггеры находятся в состоянии лог.1.

Последовательный синхронный счетчик.

Здесь также триггеры переключаются одновременно, но максимальная частота счета определяется задержкой распространения переноса внутри схемы и между счетчиками, если два или несколько таких счетчиков включены последовательно.

Реверсивный двоичный счетчик с управлением направления счета.

Реверсивный счетчик служит ля сложения или вычитания поступающих импульсов. Как правило, реверсивные счетчики выполняются синхронными. В рассматриваемой схеме сигналы синхронизации со входа С поступают на все триггеры, но разрешение счета каждого из триггеров формируется в зависимости от направления счета и состояния предыдущих счетчиков. В суммирующем режиме (Режим = 0) переход каждого триггера разрешается, если во всех младших до него разрядах установлены лог.1. В вычитающем режиме триггер переключается, если во всех младших разрядах лог.0.

Обычно микросхемы счетчиков, выпускаемые  промышленностью, имеют 4 разряда.  Часто возникает необходимость иметь счетчики большей разрядности, поэтому все такие счетчики можно каскадировать, т.е., соединяя их последовательно, можно наращивать разрядность. Для этого у счетчиков предусмотрены дополнительные выходы  и входы. Имеются выходы переноса (выход переполнения), которые подключаются к входам переноса счетчиков старших разрядов. При этом выполняется условие, при котором работа счетчика в суммирующем режиме разрешена, если у всех счетчиков в младших разрядах установлены лог.1, и наоборот для вычитающего режима.  Пример такого счетчика показан ниже. В нем использована другая идея. Прохождение импульсов на вход синхронизации происходит для суммирующего режима в том случае, если во всех младших разрядах и на входе переноса счетчика.

Этот счетчик имеет 2 входа синхронизации. Если импульсы поступают на вход С⁺ , то счетчик работает как суммирующий, если на вход С ^–, то как вычитающий.  При каскадировании выходы переносов Р⁺ и Р ^– подключается соответственно к счетным входам С⁺ и С ^–. Подобная схемотехника используется в счетчике ИЕ7  ТТЛ различных серий  (555 ИЕ7, 1533 ИЕ7).

Счетчики с произвольным коэффициентом деления

В различных электронных устройствах часто необходимо использовать счетчики с коэффициентом счета не равным 2^m, где m – целое число. В частотомерах используются счетчики на 10, в электронных часах имеются счетчики на 24, на 12, на 60. Часто требуются счетчики с другим модулем счета. Такие  счетчики используют обычные счетные триггеры, которые могут находиться в 2-ух состояниях, поэтому для счетчика с модулем счета К число состояний триггерной схемы должно быть не меньше К.  Таким образом можно записать:  К ≤  2^N. Или N ≥ log ₂ K).

Для построения счетчика с произвольным модулем счета используются схемы на двоичных триггерах, в которых при помощи дополнительной логики исключаются лишние состояния с помощью обратных связей.