6.8. Счетчики импульсов

Счетчиком импульсов называют устройство, осуществляющее счет числа входных импульсов и фиксирующее это число в каком-либо коде. После определенного числа импульсов счетчик обычно сбрасывается в исходное состояние и счет повторяется.

По своему назначению счетчики подразделяют на суммирующие, вычитающие и реверсивные. В суммирующем счетчике единичный сигнал на входе увеличивает значение кода на единицу, в вычитающем счетчике уменьшает код на единицу. Реверсивный счетчик в зависимости от управляющих сигналов может работать либо как суммирующий, либо как вычитающий.

Наибольшее распространение получили счетчики на триггерах, а самые простые из них представляют число входных импульсов в двоичном коде. Функциональная схема простейшего четырехразрядного суммирующего счетчика показана на рис. 6.40, а. Такие счетчики могут осуществлять счет до N=2ⁿ, где n — число счетных триггеров. (В нашем случае n=4, а N=16.) Как следует из рис. 6.40, а, такой счетчик представляет собой цепочку триггеров, счетный вход каждого из которых подключен к выходу предыдущего триггера. Так как триггер перебрасывается от перепада одного знака (либо от перепада 0, 1, либо от перепада 1, 0), каждый предыдущий триггер должен дважды поменять свое состояние, прежде чем переменит свое состояние последующий триггер, что иллюстрируется рис. 6.40, б.

Рис. 6.40. Схема счетчика импульсов (а) и временные диаграммы (б) его работы

Недостатками простейших двоичных счетчиков являются малое быстродействие и неудобство отсчета в тех случаях, когда такой счетчик стоит перед индикатором, которым пользуется человек. В последнем случае желательно, чтобы импульс на выходе цепочки триггеров возникал не после 16-го импульса на входе, а после 10-го, т. е. нужно иметь так называемые «декадные» счетчики. Такие декадные счетчики можно построить, введя в рассматриваемую схему обратные связи (показаны на рис. 6.40, а штриховой линией). Работа декадного счетчика при счете импульсов до восьмого ничем не отличается от работы двоичного счетчика. Когда приходит восьмой импульс, срабатывает триггер T₄ и на счетчике устанавливается двоичное число 1000. Одновременно на выходе Q₄ вырабатывается положительный перепад напряжения, который по цепи обратной связи подается на входы S₂ и S₃ триггеров T₂ и T₃, что вызывает их новый переброс, в результате чего на счетчике устанавливается двоичное число 1110, что соответствует в десятичной системе числу 14. После прихода девятого импульса на декадном счетчике будет двоичное число 1111, после десятого импульса — 0000, а на выходе Q₄ сформируется положительный перепад напряжения, который может быть передан на следующую декаду.

Простейший суммирующий счетчик, схема которого показана на рис. 6.40, а, обладает малым быстродействием. Действительно, в любом счетчике перед приходом очередного импульса должны полностью закончиться переходные процессы. Поэтому быстродействие счетчика оценивают временем задержки — длительностью происходящих в нем переходных процессов. При последовательном вводе импульса время задержки счетчика t_з определяется временем срабатывания нескольких триггеров и в худшем случае, по которому рассчитывается быстродействие, в n-разрядном счетчике t_з=nt_тр, где t_тр — время срабатывания одного триггера. Для повышения быстродействия счетчиков (уменьшения времени t_з) вместо последовательного используют параллельное переключение триггеров. Из временной диаграммы (рис. 6.43, б) видно, что срабатывание всех триггеров, кроме первого, происходит при поступлении на них входного импульса, соответствующего логической 1, и наличии логической 1 на выходах всех предыдущих триггеров. Такое переключение триггеров и осуществляют в счетчиках со сквозным переносом (рис. 6.41).

Рис. 6.41. Счетчик импульсов со сквозным переносом

Работа такого счетчика происходит следующим образом. Допустим, что в начальный момент все триггеры были установлены в положение 0. Первый входной импульс, поступивший на входы синхронизации каждого триггера, переключит только триггер T₁, у которого входы J, K и C объединены, из-за чего он переключается каждым входным импульсом. После окончания действия входного импульса на выходе Q₁ триггера T₁ установится уровень логической 1. Состояния всех остальных триггеров не изменятся, так как во время действия первого импульса на вторых входах всех логических элементов И был логический 0. Во время действия второго импульса снова изменится состояние триггера T₁, но при этом на логическом элементе ЛЭ₁ будут логические 1 на обоих входах, следовательно, одновременно с триггером T₁ сработает и триггер T_3. Во время действия третьего импульса снова окажутся «закрытыми» все элементы И, поэтому сработает только триггер T₁. Во время действия четвертого импульса будут «открыты» ЛЭ₁ и ЛЭ₂, что вызовет одновременное срабатывание триггеров T₁, T₂, T₃ и т. д. Существенно, что задержка срабатывания любого триггера в схеме рис. 6.41 никак не связана с задержками срабатывания остальных триггеров. Поэтому время задержки всего счетчика определяется временем срабатывания одного триггера, что и повышает его быстродействие.

Рис. 6.42. Вычитающий счетчик

Если необходимо, чтобы в счетчике результат уменьшала на единицу с приходом очередного импульса, нужен вычитающий счетчик. Схема вычитающего счетчика показана на рис. 6.42. Она отличается от схемы суммирующего счетчика (рис. 6.40, а) только связями между триггерами. В вычитающем счетчик сигнал, запускающий последующие триггеры, снимается с выходов Q, а не с выходов . Перед началом работы все триггеры устанавливаются в состояние «1» подачей напряжения на шину «Установка 1», т. е. в нашем случае устанавливается 1111 (число 15). При поступлении первого входного импульса срабатывает триггер T₁ и переходит в состояние 0, а в счетчике оказывается записанным число 1110 (число 14). При поступлении второго импульса срабатывают триггеры T₁ и T₂ и в счетчике оказывается записанным число 1101 (число 13) и т. д., т. е. каждый входной импульс уменьшает показания счетчика на единицу. Временная диаграмма работы такого вычитающего счетчика совпадает с рис. 6.40, б, только вместо _i надо рассматривать Q_i.

Рис. 6.43. Реверсивный счетчик

Одна из возможных схем реверсивного счетчика показана на рис. 6.43. Счетчик управляется сигналами реверса, имеющими постоянную величину, причем сигнал реверса парафазный: если на клемме а наблюдается сигнал логической 1, то на клемме б одновременно будет сигнал логического 0 и наоборот. Введение дополнительной логической схемы позволяет осуществлять управление последующими триггерами как с выхода , так и выхода Q предыдущих триггеров. Действительно, если напряжение логической 1 подано на клемму а, то «открытыми» окажутся верхние (нечетные) схемы И, «закрытыми» нижние (четные)_схемы И, триггеры будут управляться выходными напряжениями , а счетчик будет работать как суммирующий. Если напряжение логической 1 подано на клемму б, то «открытыми» будут нижние схемы И, «закрытыми» верхние схемы И, триггеры будут управляться выходными напряжениями Q, а счетчик будет работать как вычитающий.