Двоичные счетчики

Работу асинхронного счетчика рассмотрим на примере микросхемы К555ИЕ5 — четырехразрядного двоичного счетчика на двухступенчатых счетных триггерах. Этот счетчик имеет два счетных входа С1, С2 и два входа уста­новки нуля R0 (1), R0 (2) (рис. 3.40).

Триггеры срабатывают по срезу входного импульса (при переходе из 1 в 0). Четыре последовательно соединенных триггера образуют счетчик модулю 2⁴ = 16. Максимально хранимое в счетчике число полном его заполнении

N = 2⁴ - 1 = 15₁₀= 1111₂.

Из таблицы 3.16 и рис. 3.41 видно, что при срабатыва­нии по заднему фронту (срезу) триггеры имеют инверсные динамические входы. Состояние счетчика в двоичном коде по приходу на вход каждого нового импульса увеличива­ется на единицу, осуществляется операция инкремента.

Так как счетный триггер делит частоту входных им­пульсов на два, то цепочка из четырех последовательно соединенных триггеров делит частоту на 16. По приходу каждого шестнадцатого импульса счетчик обнуляется и цикл счета начинается сначала.

Представленный на рис. 3.40 счетчик является сум­мирующим.

Если исходные асинхронные Т-триггеры имеют прямые динамические входы, срабатывают по переднему фронту импульса при переходе из 0 в 1, то счетчик превращается в вычитающий. Он выполняет операцию декремента. Времен­ные диаграммы такого счетчика приведены на рис. 3.42.

В обоих рассмотренных случаях для синхронизации каждого последующего асинхронного T-триггера исполь­зовался прямой выход предыдущего триггера Q. Если ко входам подключать инверсный выход Q, то суммирую­щим будет счетчик с прямыми динамическими входами.

Используя различные варианты прямого и обратного счета, можно получить реверсивный счетчик. Такое пере­ключение осуществляется с использованием элементов И- ИЛИ, И-ИЛИ-НЕ, которые устанавливаются между триг­герами (рис. 3.43).

При поступлении на вход V логического нуля V = 0 на выходы верхних по схеме элементов И поступает логичес­кая единица и к инверсным динамическим входам триг­геров подключены прямые входы предыдущих триггеров. Счетчик выполняет операцию суммирования. При подаче сигнала V = 1 по входам триггеров (инверсным динами­ческим) подключается инверсный выход предыдущих триг­геров и выполняется операция вычитания.

На рис. 3.43 показан один из вариантов построения реверсивного счетчика. Возможны и другие варианты, использующие тот же самый принцип организации межразрядных связей.

В рассмотренных счетчиках при последовательном со­единении триггеров переключение каждого триггера мо­жет произойти только после переключения предыдущего. Поэтому они называются счетчиками с последовательным переносом. Такие счетчики отличаются простой схемой, но в то же время имеют наибольшее время установления выходного кода, которое к тому же является различным при различном состоянии счетчика. Например, если в счет­чике записаны числа 0₁₀ = 0000₂, 0100₂= 4₁₀, и т. д., то переключается только один триггер, а при переходе из состояния 15₁₀= 1111₂, либо 7₁₀ = 0111₂ переключаются все четыре триггера. Новый тактовый импульс можно по­давать на счетчик после того, когда установятся все триг­геры. Таким образом, период следования Т входных им­пульсов должен удовлетворять соотношению

где N — число разрядов счетчика;

t_{3ad mp} — время задержки одного разряда.

Уменьшить время установления можно при условии, что все разряды счетчика будут переключаться одновре­менно. В этом cлучае следует отказаться от асинхронных счетчиков и перейти к использованию синхронных.

Из анализа таблицы 3.16 и рис. 3.41 для суммирую­щего асинхронного счетчика отметим: переключение каждого i-ro триггера происходит по приходу нового входного импульса при условии, что все предыдущие триггеры находятся в единичном состоянии. В этом слу­чае i —й триггер меняет свое состояние. Математически с помощью формул алгебры логики данный алгоритм записывается

где p_t — сигнал переноса;

— символ сложения по модулю два.

Из формул 3.28 следует, что сигнал переноса p_i форми­руется с помощью многовходовых элементов И. На рис. 3.44 представлен фрагмент схемы.

В схеме на рис. 3.44 все триггеры устанавливаются одновременно по приходу синхроимпульса С. Время уста­новки счетчика равно времени задержки в одном разряде. Счетчики, реализующие алгоритм (3.28), называются счет­чиками с параллельным переносом. Они имеют значитель­но более высокое быстродействие.

Повышение быстродействия достигается за счет услож­нения схемы. Время установления t_ycm таких счетчиков не зависит от числа разрядов и равно

где t_3aдИ — время задержки элемента И.

Однако, с ростом числа разрядов реализация парал­лельных счетчиков вызывает затруднения. Растет число входов элементов И, растет нагрузка на выходы тригге­ров. Кроме того, одновременное переключение сразу мно­гих триггеров в счетчике создает значительный импульс тока в цепях питания.

Поэтому при большом числе разрядов используют ком­бинированную структуру последовательно — параллельно­го переноса. Суть данной организации состоит в объедине­нии нескольких триггеров в группы. Формирование сигна­ла переноса осуществляют между группами (рис. 3.45)

Сигнал переноса из группы триггеров возникает при условии, что все триггеры этой группы находятся в еди­ничном состоянии.

Упрощение комбинированного счетчика с последова­тельно- параллельным переносом приводит к некоторому снижению его быстродействия:

где l — число групп;

t — время задержки (установления) в группе.

При необходимости формирования счетчиков большой размерности и уменьшения импульсов тока при переклю­чении переходят к формированию счетчиков в коде Грея. Суть кода Грея заключается в том, что при переходе от одной кодовой комбинации к следующей соседней изме­няется состояние только одного разряда. Однако получен­ный результат затем необходимо перевести в двоичный код с использованием преобразователя кода.