Двоичные суммирующие счетчики с непосредственной связью.

Двоичные счетчики производят счет поступающих импульсов в двоичной сис­теме счисления. Ос­новным узлом двоичного счетчика (служащим также его разрядом) является триг­гер со счетным запуском, осуществляющий подсчет им­пульсов по модулю 2.

Многоразрядные двоичные суммирующие счетчики с не­посредственной связью выпол­няются путем последователь­ного соединения счетных триггеров. Счетные импульсы подаются на счетный вход первого триггера. Счетные входы последующих тригге­ров связаны непосредствен­но с прямыми выходами пре­дыдущих триггеров: вход второго триггера соединен с выходом первого триггера, вход третьего — с выходом второго и т. д.

Принцип действия двоичного счетчика с непосредственной связью рассмотрим

на примере четырехразрядного счетчика, показанного на рис. 3.46, а. Схема выполнена на счетных T_t-триггерах с внутренней задержкой (см. рис. 3.44, а). Работу схемы иллюстрируют временные диаграммы, приведенные на рис. 3.46, б и в табл. 3.3.

Рис. 3.46. Схема двоичного счетчика (а) и его временные диаграммы (б)

Перед поступлением счетных импульсов все разряды счетчика устанавливаются в состояние «0» (Q₁ = Q₂ = Q₃ = Q₄ = 0) по­дачей импульса на вход «Установка нуля». При поступлении первого счетного импульса (рис. 3.46, б) первый разряд подготавливается к переключению в противоположное состояние и после окончания дей­ствия входного импульса переходит в состояние Q= 1. В счетчик записывается число 1. Уровень 1 с выхода Q₁ воздействует на счетный вход второго разряда, подготавливая его к переключению. По окон­чании второго счетного импульса первый разряд счетчика переходит в состояние «О», а второй разряд переключается в состояние «1». В счет­чике записывается число 2 с кодом 0010.

Таблица 3.3

Подобным образом осуществляется работа схемы с приходом по­следующих импульсов. Первый разряд счетчика, как видно из рис. 3.46, б, переключается с приходом каждого входного импульса, второй разряд — каждого второго, третий — каждого четвертого, а четвертый разряд срабатывает на каждый восьмой счетный импульс.

По окончании 15-го импульса все разряды счетчика устанавлива­ются в состояние «1» (рис. 3.46, б, табл. 3.3), а 16-й импульс переклю­чает первый разряд счетчика в состояние «0». Уровень Q₁ = 0 пере­водит второй разряд счетчика в состояние Q₂ = 0, что, в свою оче­редь, вызывает Q₃ = 0, а затем и Q₄ = 0, т. е. счетчик переходит в исходное состояние.

В соответствии с рис. 3.46, 6 и табл. 3.3 установка в исходное со­стояние «0» двух последовательно включенных триггеров (Т₁ и Т₂) осуществляется четвертым счетным импульсом, трех триггеров (Т₁ — Т3) — восьмым и четырех триггеров (Т₁ — Т₄)— 16-м счетным импульсом. Из этого следует, что модуль счета двухразрядного, трех­разрядного и четырехразрядного двоичных счетчиков равен соответ­ственно 4, 8 и 16. Модуль счета двоичного счет­чика находят из соотношения К_сч = 2^N, где N — число разрядов счетчика.

В процессе работы двоичного счетчика частота следования импуль­сов на выходе каждого последующего триггера уменьшается вдвое по сравнению с частотой его входных ипульсов (рис. 3.46, б). Это свойство схемы используют для построения делителей час­тоты. При использовании схемы в качестве делителя частоты вход­ной сигнал подают на счетный вход первого триггера, а выходной снимают с последнего триггера. Выходная и входная частоты связаны соотношением f_вых = f_вх/K_сч.

Максимальное время установки t_{ycт max} в дво­ичных счетчиках с непосредственной связью характеризуется суммар­ной задержкой в последовательной передаче информации от младшего к старшему разряду счетчика. Другими словами, параметр t_{ycт max} определяется временем перехода счетчика из кода 2N — 1 в код00...0. Его находят из соотношения

где t_з.т. — задержка переключения T_t-триггера после окончания счет­ного импульса.

Время установки возрастает с увеличением числа разрядов, что сказывается на быстродействии счетчика. Максимальная час­тота следования счетных импульсов ограни­чивается величиной

При работе счетчика в режиме деления частоты его предельная частота определяется предельной частотой переключения триггера первого разряда, т. е.

Существенное сокращение времени установки двоичных счетчиков, а следовательно, повышение их быстродействия дает использование в счетчиках так называемой последовательной или параллельной пере­носной связи.

Счетчики с коэффициентом счета К_сч ≠ 2^N. В рассмотренных дво­ичных счетчиках коэффициент счета связан определенной зависимо­стью с числом разрядов (триггеров) счетчика К_сч = 2^N и может быть равен 2, 4, 8, 16, 32 и т. д. Однако на практике часто возникает необ­ходимость в счетчиках, коэффициент счета которых не соответствует указанным значениям. В частности, требуются счетчики с коэффи­циентом счета К_сч = 3, 10 и т. д., т. е. счетчики, принимающие в про­цессе работы соответственно 3, 10 состояний и т. д.

Такие счетчики выполняются на основе двоичных счетчиков. Об­щий принцип их построения основывается на исключении у счетчика с К_сч = 2^N соответствующего числа «избыточных» состояний. Число избыточных (запрещенных) состояний s определяется разностью:

где 2^N — количество состояний двоичного счетчика; К_сч — требуе­мый коэффициент счета.

Число триггеров синтезированного счетчика выбирают по минимуму величины s. Например, при построении счетчика с К_сч = 3 на двух триггерах и счетчика с К_сч = 10 на четырех триггерах следует исклю­чить соответственно 1 и 6 состояний.

Способы построения счетчиков с коэффициентом счета К_сч ≠ 2^N достаточно разнообразны. Наибольшее распространение получили способ принудительной установки в состояние «О» всех разрядов двоич­ного счетчика и способ принудительного насчета. По первому способу реализуются счетчики с естественным порядком счета, по второму — счетчики с принудительным насчетом.

В счетчиках с естественным порядком счета порядок счета такой же, как в двоичных счетчиках. Отличие заключается в том, что путем введения дополнительных связей счет закан­чивается раньше значения 2^N. Так, у счетчика с К_сч = 10 переход разрядов в состояние «О» будет происходить с приходом не 16-го, а 10-го счетного импульса («система 16—6»),

Пример построения счетчика с естественным порядком счета при К_сч — 10 приведен на рис. 3.47.

Рис. 3.47. Схема декадного счетчика с естественным по­рядком счета

Счетчик содержит четыре T_t-триггера и пять элементов Э₁ — Э₅, управляющих переключением триггеров T_t2 — T_t4. Запуск триггера T_t1 осуществляется непосред­ственно счетными импульсами, а запуск триггеров T_t2 — T_t4 — счетными импульсами, проходящими через элементы Э₁ — Э₄.

До наступления 10-го счетного импульса последовательность пере­ключения триггеров та же, что и у двоичного счетчика (табл. 3.4).

Действительно, к приходу счетного импульса на один из входов элементов Э₁ — Э₄ подается логический «О» с выхода Q₁ = 0 и все они закрыты для пропускания первого счетного импульса на входы T_t2 — — T_t4. Первый счетный импульс переключает только триггер T_t1 пер­вого разряда (см. табл. 3.4).

Таблица 3.4

К приходу второго счетного импульса подготовлен к пропусканию счетного импульса элемент Э₁ (на левом его входе присутствует «1» с выхода Q₁ = 1, а на правом — «1» с вы­хода «не Q₄» = 1). Элемент Э₂ закрыт по входу Q₂ = 0, элемент Э₃ — по входам Q₂ = Q₃ = 0, а элемент Э₃ — по входу Q₄ = = 0. Второй счетный импульс переключает в состояние «О» триггер T_t1 и в состояние «1» триггер T_t2. К приходу третьего счет­ного импульса элементы Э₁ — Э₄ закрыты по одному из их входов (Q₁ = 0) Третий счетный импульс переключает только триггер T_t1. В соответствии с табл. 3.4 происходит переключение триггеров разрядов с приходом и последующих четвертого — девятого счетных импульсов.

После девятого счетного импульса триггеры счетчика принимают следующие состояния: Q₁ = Q₄ = 1, Q₂ = Q₃ = 0. Сигналы Q₂ = Q₃ = «не Q₄» = 0 закрывают элементы Э₁, Э₂, Э₃, а сигнал Q₄ = 1 под­готавливает элемент Э₄ к отпиранию при поступлении 10-го счетного импульса.

Поступающий 10-й счетный импульс переводит триггеры T_t1 и T_t4 в состояние «О», обеспечивая нулевое исходное состояние всех разрядов счетчика.

Счетчики с К_сч= 10 называют десятичными или декадными. Они нашли широкое применение для регистрации числа им­пульсов с последующим- визуальным отображением результата (см. гл. 4). Десятичные счетчики часто включают последовательно (рис. 3.49).

Последовательное соединение двух схем десятичного счета дает пересчет на 100, трех — на 1000 и т.д. Первая декада производит счет единиц входных импульсов от 0 до 9. Десятый импульс устанавли­вает разряды первой декады в состояние «0», а формируемый ею на выходе импульс записывает «1» во вторую декаду, что соответствует числу 10. Вторая декада считает десятки (от 10 до 90), третья — сот­ни (от 100 до 900) и т. д.

Рис. 3.49. Последовательное соединение декадных счетчиков

Если в пределах всех декад счет ведется в двоичной системе счисле­ния, то, например, числу 978 будет отвечать код 1001 0111 1000, характеризующий двоично-десятичную систему счисления всего счетного устройства.