Счетчик - такое устройство, на выходах которого получается двоичный (двоично-десятичный) код, определяемый числом поступивших импульсов. Счетчики строятся на Т - триггерах.. В суммирующем счетчике состояние счетчика ( двоичный код на его выходах) с каждым импульсом увеличивается на единицу. Принцип построения и таблица истинности суммирующего счетчика отражены на рис.164 и в таблице 24.
INCLUDEPICTURE "http://www.tstu.ru/exclusiv/crems/russian/int_mic/images/r164t24.gif" \* MERGEFORMATINET
В вычитающем счетчике состояние счетчика ( двоичный код на его выходах) с каждым импульсом уменьшается на единицу. Принцип построения и таблица истинности вычитающего счетчика отражены на рис.165 и в таблице 25. В чистом виде Т - триггеров в интегральном исполнении нет. Т- триггеры получаются путем преобразования L и JR - триггеров.
INCLUDEPICTURE "http://www.tstu.ru/exclusiv/crems/russian/int_mic/images/r165t25.gif" \* MERGEFORMATINET
Как следует из таблиц 24и 25, трехразрядный счетчик однозначно отображает число поступивших импульсов К=23 - 1. Если количество триггеров в счетчике ограничено и равно n, а число поступающих импульсов не ограничено, то двоичный код, формируемый на выходах суммирующего счетчика, будет меняться от минимального значения (0) до максимального (2n - 1), повторяясь периодически через 2n импульсов. При использовании вычитающего счетчика его состояние в пределах цикла будет уменьшаться от (2n-1) до нуля. Для однозначного фиксирования числа поступивших импульсов количество триггеров в счетчике должно быть равно
n = log2 K
где n - количество триггеров в счетчике, K - максимальное число импульсов, поступающих на вход счетчика.
6.1.Суммирующие счетчики.
Условные графические обозначения счетчиков приведены на рис. 166...177, а их основные данные - в таблице 26.
INCLUDEPICTURE "http://www.tstu.ru/exclusiv/crems/russian/int_mic/images/r166-168.gif" \* MERGEFORMATINET
INCLUDEPICTURE "http://www.tstu.ru/exclusiv/crems/russian/int_mic/images/r169-171.gif" \* MERGEFORMATINET
INCLUDEPICTURE "http://www.tstu.ru/exclusiv/crems/russian/int_mic/images/r172-174.gif" \* MERGEFORMATINET
INCLUDEPICTURE "http://www.tstu.ru/exclusiv/crems/russian/int_mic/images/r175-177.gif" \* MERGEFORMATINET
Таблица 26.
INCLUDEPICTURE "http://www.tstu.ru/exclusiv/crems/russian/int_mic/images/t26.gif" \* MERGEFORMATINET
INCLUDEPICTURE "http://www.tstu.ru/exclusiv/crems/russian/int_mic/images/t26_2.gif" \* MERGEFORMATINET
Примечание. В графе tзад таблицы 26 приведены следующие данные:
24/35 - 24 - максимальное время переключения триггеров счетчика с момента подачи синхроимпульса, 35 - максимальное время для формирования сигнала переноса;
85/35 - 85 - максимальное время переключения триггеров счетчика с момента подачи синхроимпульса, 35 - максимальное время установки исходного состояния триггеров по входам D; 56 - максимальное время.
Счетчики типа ИЕ5, ИЕ4, ИЕ2
Функциональные схемы счетчиков типа ИЕ5, ИЕ4, ИЕ2 представлены на рис.178 - 180.
Счетчики построены следующим образом: в каждой ИС первый из триггеров имеет отдельный вход С1 и прямой выходб три остальных триггера соединены между собой такб что образуют делитель на 8 в ИС типа ИЕ5, на 6 - в ИС типа ИЕ4 и на 5 - в ИС типа ИЕ2. При соединении выхода первого триггера со входом С2 цепочки из трех триггеров образуются четырехразрядные счетчики, позволяющие производить деление частоты входного сигнала С1 соответственно на 16, 12 ,10.
INCLUDEPICTURE "http://www.tstu.ru/exclusiv/crems/russian/int_mic/images/r178.gif" \* MERGEFORMATINET
INCLUDEPICTURE "http://www.tstu.ru/exclusiv/crems/russian/int_mic/images/r179.gif" \* MERGEFORMATINET
INCLUDEPICTURE "http://www.tstu.ru/exclusiv/crems/russian/int_mic/images/r180.gif" \* MERGEFORMATINET
ИС имеют по два входа R0 установки в 0, об`единенные по схеме "И". Сброс (установка в 0) триггеров производится при подаче уровней логической единицы на оба входа R0. ИС типа ИЕ2 имеет, кроме того, входы установки триггеров счетчика в состояние 9. При воздействии на оба эти входа логической 1 первый и четвертый триггеры переходят в единичное состояние, а остальные - в нулевое. Входы R0 и R9 изменяют состояние триггеров счетчика независимо от того, действует синхроимпульс или нет.
Наличие входов установки, об`единенных по схеме "И", позволяет строить делители частоты с различными коэффициентами деления в пределах от 2 до 16 без использования ополнительных логических элементов.
Принцип построения делителя частоты на N следующий: - число N представляется в двоичном коде ( N = 9(10) = 1001(2) ); - определяются номера триггеров, которые необходимо установить в единичное состояние (третий и нулевой ); - выходы третьего и нулевого триггеров соединяются со входами R0. В этом случае до прихода девятого импульса счетчик работает в обычном режиме подсчета входных импульсов (состояние счетчика увеличивается на 1 с каждым входным импульсом). Девятый импульс переводит счетчик в состояние 9, при котором на выходах третьего и нулевого триггеров формируются уровни логической 1. Эти выходы соединены со входами К0, поэтому происходит обнуление всех триггеров счетчика. Поэтому при непрерывной подаче входных импульсов счетчик работает в сокращенном цикле от 0 до 8 ( девятое состояние появляется кратковременно на время обнуления триггеров, для ИС 133-й серии t9=10нс)
При разработке измерительной аппаратуры, а также во многих других случаях желательно обеспечивать отображение информации в десятичной системе счисления. В этом случае наиболее удобно использовать счетчики типа ИЕ2 с коэффициентом деления 10 (декады). При их отсутствии возможно реализовать декады на счетчиках типа ИЕ4, ИЕ5 (рис.181,182).
INCLUDEPICTURE "http://www.tstu.ru/exclusiv/crems/russian/int_mic/images/r181-182.gif" \* MERGEFORMATINET
Временные графики работы декады на основе ИС типа ИЕ4б ИЕ5 представлены на рис.183.
INCLUDEPICTURE "http://www.tstu.ru/exclusiv/crems/russian/int_mic/images/r183.gif" \* MERGEFORMATINET
В таблице 28 приведены номера выводов ИС типа ИЕ2, ИЕ4, ИЕ5, которые надо соединить между собой для получения различных коэффициентов пересчета K ( при использовании ИС 134ИЕ5 необходимо заменить выводы 1, 3, 12, 8, 11 на соответственно 8, 1, 13, 10, 12). Все делители, полученные соединением выводов ИС по табл. 28, работают по одному принципу: при достижении состояния, соответствующего необходимому коэффициенту пересчета, происходит установка триггеров счетчика в нулевое состояние.
Исключение составляет делитель на 7 на основе ИС типа ИЕ2. При поступлении шести импульсов на входы К9 подаются логические 1 с выходов Q2, Q4, поэтому счетчик сразу из состояния 5 переводится в состояние 9, минуя состояния 6, 7, 8 (состояние 6 существует кратковременно). С поступлением седьмого импульса счетчик обнуляется (счетчик должен был бы перейти в состояние 10, но из-за внутренней структуры происходит его обнуление).
На рис.184 показана реализация делителя с коэффициентом деления 7. Таблица 27 поясняет принцип работы делителя на 7.
INCLUDEPICTURE "http://www.tstu.ru/exclusiv/crems/russian/int_mic/images/r184t27.gif" \* MERGEFORMATINET
Таблица 28
INCLUDEPICTURE "http://www.tstu.ru/exclusiv/crems/russian/int_mic/images/t28.gif" \* MERGEFORMATINET
ИС позволяет наращивать разрядность счетчика (рис. 185)
INCLUDEPICTURE "http://www.tstu.ru/exclusiv/crems/russian/int_mic/images/r185.gif" \* MERGEFORMATINET
Максимальное время переключения 12-разрядного счетчика в три раза больше времени переключения 4 - разрядного.
Счетчики типа ИЕ20 аналогичны счетчикам типа ИЕ5, только имеют один вход обнуления. Счетчики типа ИЕ19 аналогичны счетчикам типа ИЕ20, только они имеют один синхровход ( С1 и С2 соединены внутри ИС ). Счетчики типа ИЕ10 имеют различную структуру, но принцип управления ими одинаков.
INCLUDEPICTURE "http://www.tstu.ru/exclusiv/crems/russian/int_mic/images/r186-187.gif" \* MERGEFORMATINET
Назначение входов ИС следующее: М1 - вход стробирования переноса; P1 - вход переноса; P2 - выход, на котором при условии, что счетчик находится в 15-м состоянии, формируется сигнал переноса в следующий счетчик; С - прямой динамический синхровход; R` - инверсный статический вход обнуления ( при К = 0 ); W` - вход управления режимом работы счетчика.
Если W` = 0, триггеры счетчика устанавливаются в состояние, определяемое входами D при поступлении синхроимпульса ( по фронту ). Если W` = 1 и V1 = P1 = 1, происходит счет количества синх-роимпульсов.
Следует учитыватьб что ИС типа ИЕ9 - двоично- десятичная, т.е. при достижении состояния 10 триггеры счетчика автоматически обнуляются.
Счетчики типа ИЕ11 и ИЕ18 аналогичны, соответственно, счетчикам типа ИЕ9 и ИЕ10, только они имеют синхронный вход обнуления RC`. В таких счетчиках обнуление происходит при RC` = 0 по фронту сихроимпульса.
Счетчики типа ИЕ14 и ИЕ15 аналогичны, соответственно, счетчикам типа ИЕ2 и ИЕ5, только они имеют входы предварительной установки триггеров D1,D2,D4,D8 и W`, такие же как и у ИЕ9, ИЕ10. В таких ИС коэффициенты пересчета К=2-16(10) могут быть реализованы по принципу: - определяется число N=16-(K-1) [ для ИЕ9 Т=10-(K-1) ]; - это число преобразуется в двоичный кодб который задается навходы D8, D4, D2, D1; - выход переноса P2 соединяется с входом W` через инвертор; - на входы V1 и P1 подается логическая единица.
Для K=7 число N равно 10, что соответствует двоичному коду 1001(2). На рис. 188 показана схема включения ИС при реализации данного коэффициента пересчетаю Пусть счетчик находится в 15-м состояниию На выходе переноса P2 действует уровень логической единицы, поэтому W` = 0. Это приведет к записи в триггеры счетчика двоичного кода, поданного на входы D8 - D1 [10(10) ] при поступлении синхроимпульсаю Дальше с каждым инхроимпульсом состояние счетчика увеличивается на единицую При достижении 15-го состояния цикл работы повторяетсяю Работа счетчика при реализации коэффициента пересчета 7 поясняется таблицей 29.
INCLUDEPICTURE "http://www.tstu.ru/exclusiv/crems/russian/int_mic/images/r188t29.gif" \* MERGEFORMATINET
Если необходимо получить требуемый коэффициент пересчета и сохранить соответствие двоичного кода на выходах счетчика числу поступивших импульсов, то следует придерживаться следующей методики: - преобразовать коэффициент пересчета К в двоичный код ( при использовании ИС типа ИЕ11, ИЕ18 значение К - 1); - определить номера триггеров, которые должны находиться в единичном состоянии; - подключить эти выходы ко входам ЛЭ "И-НЕ"; - выход ЛЭ соединить со входом R`.
В такой схеме при достижении счетчиком состояния, равного коэффициенту пересчета произойдет его обнуление логическим 0 со схемы "И-НЕ".
ИС позволяет наращивать разрядность счетчика и реализовывать как синхронныйб так и асинхронный режимы работы счетчиков ( рис. 189, 190). При разработке схем следует учитывать, что максимальное время переключения синхронного счетчика определяется временем переключения одной ИС ( если Q0=Q1=Q2=Q3=Q4=Q5=Q6=Q7=1 все три ИС начинают переключаться одновременно), а в асинхронном счетчикесуммой времен переключения ИС.
INCLUDEPICTURE "http://www.tstu.ru/exclusiv/crems/russian/int_mic/images/r188.gif" \* MERGEFORMATINET
INCLUDEPICTURE "http://www.tstu.ru/exclusiv/crems/russian/int_mic/images/r189.gif" \* MERGEFORMATINET
6.2. Реверсивные счетчики
Реверсивные счетчики могут работать как в режиме сложения, так и в режиме вычитания. Как следует из рис. 164, 165, для изменения режима работы необходимо подключать или прямой, или инверсный выход предыдущего триггера, входящего в счетчик, к Т входу последующего.
Если за период времени T поступит К импульсов при работе счетчика в режиме суммирования и Т импульсов при работе счетчика в режиме вычитания, то состояние счетчика будет равно K-N ( при условии, что число импульсов K и N может однозначно подсчитываться счетчиком, т.е. разрядность счетчика m ] log2K[ и m ] log2M[. )
Число K-N может быть как положительным, так и отрицательным. При реализации устройств обработки часто необходимо знать знак числа, полученного при поступлении различного количества импульсов. Для этого необходимо образовать дополнительный выход - знаковый. Принцип построения знакового выхода будет рассмотрен после ознакомления со структурой реверсивных счетчиков.
Реверсивные счетчики разделяются на счетчики с общим входом cложения - вычитания "С" и с раздельными входами сложения "+1", вычитания "-1".
К реверсивным счетчикам с общим входом сложения - вычитания относятся счетчики типа ИЕ12, ИЕ13, ИЕ16, ИЕ17, а к реверсивным счетчикам с раздельным входом сложения - вычитания ИС типа ИЕ6, ИЕ7.Условные графические обозначения реверсивных счетчиков при- ведены на рис.190...195, а их основные данные - в таблице 30.
INCLUDEPICTURE "http://www.tstu.ru/exclusiv/crems/russian/int_mic/images/r190-191.gif" \* MERGEFORMATINET
Счетчики типа ИЕ12, ИЕ13, ИЕ16, ИЕ17 - реверсивные счетчики с общим входом сложения/вычитания (U). Такие счетчики не имеют входа обнуления R, обнуление можно производить, подавая нулевые уровни на вход W` и входы D1,D2,D4,D8.
Функциональная схема реверсивного счетчика с общим прямым входом сложения - вычитания представлена на рис.196.
INCLUDEPICTURE "http://www.tstu.ru/exclusiv/crems/russian/int_mic/images/r196.gif" \* MERGEFORMATINET
Рис. 196. Функциональная схема реверсивного счетчика с общим входом сложения - вычитания.
В такой схеме при U=1 реализуется режим суммирования, так как на выходе цепочки ЛЭ Э2И-2И-2ИЛИЭ, ЭИЭ сформируется логическая 1, если все триггеры, расположенные до нее, будут в единичном состоянии. Это вызовет переключение следующего триггера при подаче синхроимпульса. Например, состояние триггеров Q0=1, Q1=1, Q2=0. Все триггеры переключатся в противоположное состояние Q0=0, Q1=0, Q2=1, т.е. состояние счетчика изменилось с 3-го на 4-е. При U=0 переключение будет происходить, если все предыдущие триггеры находились в нулевом состоянии, что соответствует реализации режима вычитания. Для ИС типа ИЕ12, ИЕ13 вход сложения-вычитания инверсный.
ЛЭ 3 формирует сигнал переноса Р=1, если в режиме суммирования все триггеры находятся в единичном состоянии и R`P=0 , а также Р=1 в режиме вычитания, если все триггеры находятся в нулевом состоянии и R`P=0. Эти два случая соответствуют переносу 1 в следующий разряд и заему 1.
ЛЭ 1, 2 реализуют параллельный перенос между триггерами. Максимальное время переключения равно сумме времен переключения ЛЭ "2И-2И-2ИЛИ", "И" и триггера.
Счетчики типа ИЕ6, ИЕ7 - реверсивные счетчики с раздельными входами +1, -1 и с синхронной предустановкой. При W`=1, R=0 счетчик подсчитывает количество импульсов, поступающих на входы +1 и -1. При W`=0, R=0 двоичный код со входов В по фронту импульса либо +1, либо -1 переписывается на выход.
Функциональная схема реверсивного счетчика с раздельными входами сложения - вычитания представлена на рис.197. В этом случае состояние счетчика увеличивается на 1 с каждым импульсом, поступающим на вход +1, и уменьшается на 1 с каждым импульсом, поступающим на вход -1. При выполнении условий переключения импульс со входов +1 или -1 поступает на вход Т триггера и вызывает его переключение. Импульсы должны быть короткими и нулевыми.
Параллельный перенос реализуется сразу в ЛЭ. Сигналы переноса >=15 и заема <=0 формируются раздельно. Длительность импульсов переноса и заема определяется соответственно длительностью импульсов, поступающих на входы +1 и -1.
Для получения многоразрядных счетчиков на основе ИС типа ИЕ6, ИЕ7 (рис. 198) требуется об`единить входы управления W` каждой ИС, а также входы R. Выход переноса >=15 (>=9) предыдущей ИС соединить со входом +1 последующей, а выход заема <=0 - со входом -1.
INCLUDEPICTURE "http://www.tstu.ru/exclusiv/crems/russian/int_mic/images/r198.gif" \* MERGEFORMATINET
Рис. 198. 8-разрядный реверсивный счетчик
При построении многоразрядных счетчиков на основе ИС типа ИЕ12, ИЕ13, ИЕ16, ИЕ17 (рис. 199) необходимо об`единить соответствующие входы управления ИС, а выход переноса предыдущей ИС соединить с синхровходом С последующей.
Для счетчиков типа ИЕ12, ИЕ13 знаковый выход строится согласно рис. 200.
INCLUDEPICTURE "http://www.tstu.ru/exclusiv/crems/russian/int_mic/images/r200.gif" \* MERGEFORMATINET
Рис 200. Реверсивный счетчик со знаковым выходом
Число поступающих импульсов фиксируется счетчиком в дополнительном коде, т.е. Qзнак =1, если число отрицательное, и равно 0, если число положительное. Знаковый разряд фиксирует переход нулевого состояния в положительную или отрицательную сторону. При поступлении импульса на вход С , если счетчик находится в нулевом состоянии (Р=1), U=1 (режим сложения), на выходе ЛЭ DD2 появляется уровень логического 0, который устанавливает Qзнак=1 и Qзнак=0. При U=0 аналогично произойдет установка Qзнак=1.
Для ИС типа ИЕ16, ИЕ17 схема, представленная на рис. 200, будет работать правильно, если обозначения выходов Q`знак и Qзнак поменять местами.
В ИС типа ИЕ6, ИЕ7 выход <=0 уже есть, требуется реализовать выход >=0. Для этого необходимо на входы ЛЭ "5И-НЕ" подать сигналы с четырех выходов Q0,Q1,Q2,Q3 и сигнал со входа +1. Образованные выходы >=0 и <=0 подсоединяются к соответствующим входам RS-триггера в соответствии с рис. 200.
Наличие установочных входов D1,D2,D4,D8 позволяет реализовать счетчики с программируемым коэффициентом пересчета (рис. 201).
Коэффициент пересчета М задается согласно выражениям
M =a+2b+4с+8d+16(e+2f+4g+8h) для ИС типа ИЕ7, ИЕ13, ИЕ17 и
M =a+2b+4с+8d+10(e+2f+4g+8h) для ИС типа ИЕ6, ИЕ12, ИЕ16
путем выбора значений a, b, c, d, e, f, g, h которые могут принимать значения 0 и 1. Полученная комбинация нулей и единиц подается на входы D1, D2, D4, D8.
Счетчики переводятся в режим вычитания. Выход переноса соединяется со входом установки исходного состояния по входам D.
Схемы работают следующим образом: когда триггеры счетчиков находятся в нулевом состоянии и поступает импульс с генератора, происходит установка исходного состояния по входам В. После этого исходное состояние с каждым импульсом уменьшается на единицу. Через (М-1) входной импульс счетчик снова примет нулевое состояние, а М-ый импульс произведет установку исходного состояния. Период повторения выходных импульсов равен
T2=M*T1,
где T1 - период повторения входных импульсов.
INCLUDEPICTURE "http://www.tstu.ru/exclusiv/crems/russian/int_mic/images/r201.gif" \* MERGEFORMATINET
Генератор линейного напряжения на основе реверсивных счетчиков (рис. 202) вырабатывает возрастающее напряжение при подключении генератора прямоугольных импульсов (ГИ) к входу +1 и убывающее напряжение - к входу -1.
В процессе работы двоичный код на выходах счетчика будет меняться по циклу от 0 до 15 ( при подключении к входу +1) или от 15 до 0 ( при подключении к входу -1). При этом напряжение на выходе ЦАП будет изменяться скачками от U0вых до U1вых. Величина скачка dU определяется разрядностью счетчика и равна
INCLUDEPICTURE "http://www.tstu.ru/exclusiv/crems/russian/int_mic/images/F10.GIF" \* MERGEFORMATINET
где n - разрядность счетчика.
Для данного примера n=4 и поэтому dU=0,28 В.
Длительность линейного напряжения равна
Tи=2n*T1,
где T1 - период повторения входных импульсов.
INCLUDEPICTURE "http://www.tstu.ru/exclusiv/crems/russian/int_mic/images/r202.gif" \* MERGEFORMATINET
Рис. 202. Генератор линейного напряжения
Если ступенчатое изменение напряжения не устраивает разработчика, то необходимо на выходе ЦАП поставить фильтр низких частот, который произведет сглаживание ступенек.
6.3. Счетчики - делители
В интегральном исполнении счетчики-делители представлены ИС двух типов ( ИЕ1 и ИЕ8 ).
INCLUDEPICTURE "http://www.tstu.ru/exclusiv/crems/russian/int_mic/images/r203-204.gif" \* MERGEFORMATINET
ИС типа ИЕ1 - делитель на 10. Установка ее триггеров в нулевое состояние осуществляется одновременной подачей высокого уровня на входы 1 и 2, об`единенные схемой "И". Счетные импульсы подаются на вход 8 или 9 (при этом на другом входе должен быть высокий уровень) или одновременно на оба входа. При этом на выходе ИС через каждые 10 входных импульсов формируются отрицательные импульсы такой же длительности, что и входные импульсы.
На рис. 205,206 представлена ИС типа ИЕ8.
INCLUDEPICTURE "http://www.tstu.ru/exclusiv/crems/russian/int_mic/images/r205-206.gif" \* MERGEFORMATINET
Назначение входов ИС следующее
Делитель частоты с переменным коэффициентом деления включает 6-разрядный счетчик (триггеры которого переключаются все время, пока подаются счетные импульсы) и логическую схему, которая обеспечивает выделение из последовательности счетных импульсов каждого M импульса (изменяет частоту следования импульсов). Число M определяется десятичным эквивалентом двоичного кода, подаваемого на входы D32 - D1, и может быть вычислено по формуле
M=D32*25+D16*24+D8*23+D4*22+D2*21+D1,
а частота выходных импульсов равна fвых=M*fвх/64
На рис.207 показана схема включения ИС типа ИЕ8 при реализации коэффициента деления M<=4096.
INCLUDEPICTURE "http://www.tstu.ru/exclusiv/crems/russian/int_mic/images/r207.gif" \* MERGEFORMATINET
