21.3. Счетчики
Счетчиком называют цифровое устройство, осуществляющее счет импульсов, поступающих на его вход. Числа в счетчике представляются в двоичной системе счисления в виде комбинаций состояний триггеров, образующих разряды счетчика. По функциональному признаку счетчики подразделяют на суммирующие, в которых числа, представленные в виде последовательности импульсов, складываются с записанным ранее числом; вычитающие, когда входные импульсы вычитаются из начального числа, и реверсивные, производящие одну из указанных выше операций в зависимости от знака входных сигналов.
В зависимости от схемы выполнения цепей связи между разрядами различают счетчики с непосредственной связью, с цепями переноса и комбинированные. По принципу подачи сигналов счетчики бывают последовательными, параллельными и смешанными. Счетчики выполняют на счетных триггерах (например, Т- или JK-типа).
Суммирующие двоичные счетчики. В таких счетчиках поступление на вход очередного импульса вызывает увеличение на одну единицу хранимого в счетчиках числа. При этом в счетчике устанавливается число, которое получается суммированием предыдущего значения с единицей. Суммирование производится в двоичной системе счисления. Процесс суммирования можно описать с помощью логических выражений. Функционирование i-го разряда счетчика можно представить таблицей истинности (табл. 21.5).
где ai — цифры разрядов числа до суммирования; bi — цифры разрядов числа, получаемого при суммировании с единицей; — значение переноса, формируемого в (i - 1)-м разряде счетчика и передаваемого в i-й разряд;— перенос, передаваемый в (i + 1)-й разряд;
Из таблицы истинности следует, что установившееся в i-м разряде значение может быть получено путем подачи переноса Пi на счетный вход триггера i-го разряда, хранившего значение аi; на вход счетчика поступила логическая единица, перенос, подаваемый на первый разряд счетчика
Приведенные логические выражения реализует схема счетчика на рис. 21.12,а с четырьмя разрядами. Информационные входы J и К триггеров разрядов объединены с образованием счетного входа, на который подаются поступающие в разряды переносы. Подлежащие счету импульсы подаются на входы синхронизации триггеров. Если на вход счетного триггера поступает перенос, равный логической 1, входной импульс переводит триггер в новое состояние. В противном случае в триггере сохраняется прежнее состояние. Для формирования переносов использованы логические элементы И. Цепь установки «нуля» используется для начальной установки в состояние 0 триггеров всех разрядов счетчика.
На рис. 21.12,б представлены временные диаграммы работы счетчика. При нарастании входного импульса триггер принимает поданное на его информационные входы значение переноса, затем при спаде входного импульса на выходе триггера устанавливается новое значение. С каждым входным импульсом число в счетчике увеличивается на единицу. Такое нарастание числа продолжается до тех пор, пока после (2n — 1)-го входного импульса не установится двоичное число (11...1)2. Далее с приходом 2n-го импульса в счетчике устанавливается исходное состояние 00...0, после чего счет ведется сначала.
Вычитающий счетчик. В вычитающем счетчике поступление на вход очередной логической единицы (очередного импульса) вызывает уменьшение хранившегося в счетчике числа на единицу. Он отличается от суммирующих счетчиков тем, что счетные входы каждого из последующих триггеров подсоединены не к прямому выходу предыдущего триггера, а к инверсному . Кроме того, в исходном состоянии все разряды (или часть из них) заполняются не нулями, а единицами уменьшаемого числа. При поступлении на вход импульсов, которые надо вычесть из заранее установленного числа, триггеры начиная с первого последовательно срабатывают и уменьшают это число. На рис. 21.13 представлена схема вычитающего счетчика с последовательной передачей переносов. Как и суммирующий счетчик, вычитающий имеет период циклической работы, равный 2n импульсов.
Реверсивный счетчик. Реверсивный счетчик (рис. 21.14) работает как в режиме суммирования, так и в режиме вычитания. В его конструкции содержится блок управления, состоящий из логических элементов.
Всхеме счетчика предусмотрены две цепи передачи переносов, соответствующие схемам суммирующего и вычитающего счетчиков. Счетчик работает в режиме суммирования, когда управляющие сигналыI1 = 1 и I2 = 0, так как в этом случае закрыт элемент И2 и, следовательно, отключена цепь передачи переносов режима вычитания. Счетчик работает в режиме вычитания, когда т. е. когда закрыт элемент И1 и поэтому отключена цепь передачи переносов режима суммирования.