Счетчики

Счетчиком называют устройство, выходные сигналы которого в определенном коде отображают число импульсов, поступивших на счетный вход. Счетчики строятся на основе Т-триггеров, считающих до двух. Устройство, образованное цепочкой из Т-триггеров, сможет подсчитать в двоичном коде 2^m импульсов. Каждый из триггеров такой цепи называют разрядом счетчика. Число триггеров m определяют количество разрядов двоичного числа, которое может быть записано в счетчик, а число 2^m называют коэффициентом счета К_сч .

Нулевое состояние всех триггеров принимается за нулевое состояние счетчика в целом. Остальные состояния нумеруются по числу поступивших входных импульсов. Если число входных импульсов N_вх превысит коэффициент счета К_сч, то происходит переполнение счетчика и он возвращается в нулевое состояние, а затем повторят цикл работы. Таким образом коэффициент счет характеризует число импульсов, необходимое для выполнения одного цикла. Количество входных импульсов и состояние счета взаимно определены только для первого цикла. В общем случае число М, записано в счетчик, и количество входных импульсов N_вх связаны соотношением

М=Nвх - 1 * Ксч (i=0,1,2...п)

После каждого цикла, в момент переполнения на выходе последнего триггера возникает перепад напряжения. В ряде серийно выпускаемых счетчиков предусмотрены специальные выходы, информирующие как о переполнении (при суммировании входных импульсов) счетчиков. Это свойство (переполнение) используется для создания делителей числа входных импульсов. Если сигналы на входе следуют с частотой f_вх , то на выходе счетчика частота следования определяется как f_вых= f_вх/К_сч . В этом случае коэффициент счета определяют как коэффициент деления К_дел и у счетчика используется или выходной сигнал последнего триггера, или специальный выход переполнения. При использовании в режиме деления других выходов счетчика коэффициент счета не будет равен коэффициенту деления. При анализе работы счетчика в режиме деления промежуточные состояния остальных счетных триггеров, выходы которых задействованы, не учитываются.

Основным эксплуатационными характеристиками счетчика являются его коэффициент счета и быстродействие. Быстродействие оценивается двумя характеристиками: максимальной частотой входного сигнала f_мах и временем установления t_у. Под максимальной частотой счета входного сигнала понимают ту наивысшую частоту, при которой не возникают сбой в работе устройства. Время установления t_уст равно времени между моментом поступления входного сигнала и переходом счетчика в новое устойчивое состояние. Временные свойства счетчиков зависят от временных характеристик триггеров и способа соединения их между собой.

Классификация счетчиков

Цифровые счетчики классифицируют следующим образом:

а) по коэффициенту счета - на двоичные, двоично-десятичные, с переменным коэффициентом деления;

б) по направлению счета- на суммирующие, вычитающие, реверсивные;

в) по способу организации внутренних связей - с последовательным переносом, с параллельным переносом, кольцевые, с комбинированным переносом.

Классификационные признаки независимы и могут встречаться в разных сочетаниях. Суммирующий счетчик может быть выполнен как с последовательным переносом, так и с параллельным переносом и может быть как с двоичным, так и с десятичным коэффициентом счета.

Число, записанное в двоичный счетчик (то есть счетчик с коэффициентом счета К_сч=2^m), если известны номера триггеров и состояния их выходов, можно определить по следующему соотношению:

где m - номер триггера; 2ⁱ - вес i-ого разряда; Q_i - состояние i-ого триггера, принимающее значение 0 или 1.

Введение дополнительных логических связей двоичные счетчики могут быть обращены в недвоичные, для которых К_сч=2^m .

В суммирующем счетчике каждый входной сигнал увеличивает число на единицу. В вычитающем наоборот - состояние счетчика с приходом входного импульса на единицу уменьшается. Реверсивный счетчик может работать как в качестве суммирующего, так и вычитающего. Эти счетчики имеют дополнительные входы для задания направления счета.

Счетчики с последовательным переносом представляют собой цепочку триггеров, в которой входной импульс поступает на вход первого триггера, а сигнал переноса передается последовательно от одного разряда к другому. В этих счетчиках используются асинхронные Т-триггеры с прямым или инверсным управлением.

Главное достоинство счетчиков с последовательным переносом - это простота построения. Недостаток - низкое быстродействие, так как сигнал в них распространяется последовательно от ячейки к ячейке. Второй недостаток обусловлен тем, что из-за накопления временных сдвигов на выходах счетчиков появляются кратковременные ложные импульсы, особенно заметные на высоких частотах.

Счетчики с параллельным переносом состоят из синхронных триггеров. Счетные импульсы подаются одновременно на все тактовые входы, а каждый из триггеров цепочки служит по отношению к последующим только источником информационных сигналов. Переключение всех триггеров счетчика происходит синхронно, а задержка переключения всего счетчика равна задержке одного триггера. Эти счетчики характеризуются более высокой помехоустойчивостью, так как в паузах между синхронизирующими импульсами триггеры блокированы.

Счетчик с переменным коэффициентом деления может быть выполнен на базе любого счетчика, к выходам которого подключен логический дешифратор, нагруженный, в свою очередь, на вход К (обнуление) счетчика. Так, например, чтобы счетчик имел коэффициент счета К_сч=10, необходимо выходы R₂ и R₄ подключить ко входам логического элемента 2И-НЕ, выход которого соединяется со входом К счетчика.