Счетчик импульсов микросхема. Счетчики импульсов на микросхемах: виды, принцип работы, применение

Что такое счетчик импульсов. Как работают асинхронные и синхронные счетчики. Какие виды счетчиков бывают. Где применяются счетчики импульсов. Как собрать простой счетчик своими руками.

Что такое счетчик импульсов

Счетчик импульсов — это электронное устройство, которое подсчитывает количество поступающих на его вход электрических импульсов. Основные характеристики счетчика импульсов:

• Модуль счета — максимальное число, до которого может считать счетчик
• Разрядность — количество триггеров или разрядов в счетчике
• Направление счета — прямой (увеличение) или обратный (уменьшение) счет
• Быстродействие — максимальная частота входных импульсов

Счетчики импульсов широко применяются в цифровой технике для подсчета различных событий, деления частоты, формирования временных интервалов и других задач.

Принцип работы счетчика импульсов

В основе работы счетчика лежит последовательное переключение триггеров под действием входных импульсов. Простейший счетчик состоит из цепочки триггеров, где выход каждого предыдущего триггера соединен со входом следующего.

При поступлении импульса на вход первый триггер переключается. Когда он возвращается в исходное состояние, переключается второй триггер и т.д. Таким образом, на выходах триггеров формируется двоичный код, соответствующий количеству поступивших импульсов.

Виды счетчиков импульсов

Асинхронные (последовательные) счетчики

В асинхронных счетчиках импульсы поступают только на вход первого триггера. Остальные триггеры переключаются последовательно друг за другом. Преимущества асинхронных счетчиков:

• Простота конструкции
• Возможность получения большой емкости счета
• Низкое энергопотребление

Недостатки:

• Низкое быстродействие из-за последовательного переключения
• Возможность ложных срабатываний на высоких частотах

Синхронные (параллельные) счетчики

В синхронных счетчиках тактовые импульсы подаются одновременно на все триггеры. Переключение триггеров происходит параллельно. Преимущества синхронных счетчиков:

• Высокое быстродействие
• Отсутствие ложных срабатываний
• Возможность реализации сложных алгоритмов счета

Недостатки:

• Более сложная схема
• Повышенное энергопотребление

Применение счетчиков импульсов

Основные области применения счетчиков импульсов:

• Измерительная техника — подсчет импульсов от датчиков
• Цифровые часы и таймеры
• Делители частоты в радиотехнике
• Формирование адресов в микропроцессорной технике
• Системы контроля доступа и учета
• Дозаторы в промышленности

Как собрать простой счетчик импульсов

Для сборки простейшего счетчика импульсов на микросхемах понадобится:

• Микросхема-счетчик (например, CD4026 или CD4033)
• Семисегментный индикатор
• Кнопка для подачи импульсов
• Резисторы и конденсаторы
• Источник питания 5-12В

Схема подключения:

1. Подключите питание к микросхеме
2. Соедините выходы микросхемы с сегментами индикатора через резисторы
3. Подключите кнопку ко входу счетчика
4. Добавьте конденсатор для устранения дребезга контактов

При нажатии кнопки счетчик будет увеличивать значение на индикаторе. Такой простой счетчик можно использовать, например, для подсчета посетителей.

Счетчики импульсов в промышленной автоматике

В промышленных системах автоматизации широко применяются специализированные счетчики импульсов. Их отличительные особенности:

• Прочный корпус для работы в тяжелых условиях
• Широкий диапазон питающих напряжений
• Возможность подключения различных датчиков
• Наличие релейных выходов для управления
• Интерфейсы для связи с ПЛК и компьютерами

Промышленные счетчики используются для подсчета деталей на конвейере, контроля наработки оборудования, учета расхода материалов и других задач автоматизации производства.

Программируемые счетчики импульсов

Современные цифровые счетчики импульсов обладают широкими возможностями программирования режимов работы:

• Задание модуля счета
• Выбор прямого или обратного счета
• Установка предделителя частоты входных импульсов
• Программирование пороговых значений и действий при их достижении
• Выбор режима индикации
• Настройка интерфейсов связи

Программирование выполняется с помощью кнопок на передней панели или через интерфейс связи. Это позволяет гибко адаптировать счетчик под конкретную задачу.

Заключение

Счетчики импульсов — важный элемент цифровой техники и промышленной автоматики. Они позволяют решать широкий круг задач подсчета, измерения времени, формирования управляющих сигналов. Развитие микроэлектроники привело к появлению программируемых счетчиков с широкими функциональными возможностями.

Счётчики

Счетчиком называют устройство, предназначенное для подсчёта числа импульсов поданных на вход. Они, как и сдвигающие регистры, состоят из цепочки триггеров. Разрядность счетчика, а следовательно, и число триггеров определяется максимальным числом, до которого он считает.

Рисунок 1

Регистр сдвига можно превратить в кольцевой счетчик, если выход последнего триггера соединить с входом первого. Схема такого счетчика на разрядов приведена на рисунке 1. Перед началом счета импульсом начальной установки в нулевой разряд счетчика (Q0) записывается логическая 1, в остальные разряды — логические 0. С началом счета каждый из приходящих счётных импульсов Т перезаписывает 1 в следующий триггер и число поступивших импульсов определяется по номеру выхода, на котором имеется 1. Предпоследний (N-1) импульс переведет в единичное состояние последний триггер, а импульс перенесёт это состояние на выход нулевого триггера, и счет начнётся сначала. Таким образом, можно построить кольцевой счетчик с произвольным коэффициентом счета (любым основанием счисления), изменяя лишь число триггеров в цепочке.

Недостаток такого счетчика — большое число триггеров, необходимы; для его построения. Более экономичны, а поэтому и более распространены счетчики, образованные счетными Т-триггерами. После каждое тактового импульса Т сигнал на входе D (инверсном выходе) меняется на противоположный и поэтому частота выходных импульсов вдвое меньше частоты поступающих. Собрав последовательную цепочку из n счетных триггеров соединяя выход предыдущего триггера со входом C следующего), мы получим частоту f_вых=f_вх/2ⁿ. При этом каждый входной импульс меняет код числа на выходе счетчика на 1 в интервале от 0 до N=2ⁿ-1.

Микросхема К155ИЕ5 рисунок 2 содержит счетный триггер (вход С1) и делитель на восемь (вход С2) образованный тремя соединенными последовательно триггерами. Триггеры срабатывают по срезу входного импульса (по переходу из 1 в 0). Если соединить последовательно все четыре триггера как на рисунке 2, т получится счетчик по модулю 2⁴=16. Максимальное хранимое число при полном заполнении его единицами равно N=2⁴-1=15=(111)₂. Такой счетчик работает с коэффициентом счета К (модулем), кратным целой степени 2, и в нем совершается циклический перебор К=2ⁿ устойчивых состояний. Счетчик имеет выходы принудительной установки в 0.

Рисунок 2

Часто нужны счетчики с числом устойчивых состояний, отличным от 2ⁿ Например, о электронных часах есть микросхемы с коэффициентом счета 6 (десятки минут). 10 (единицы минут). 7 (дни недели). 24 (часы). Для построения счётчика с модулем К≠2ⁿ можно использовать устройство из n триггеров для которого выполняется условие 2ⁿ>К. Очевидно, такой счётчик может иметь лишние устойчивые состояния (2ⁿ-К). Исключить эти ненужные состояния Можно использованием обратных связей, по цепям которых счетчик переключается в нулевое состояние в том такте работы когда он досчитывает до числа К.

Для счетчика с К=10 нужны четыре триггера (так как 2³<10<2⁴) должен иметь десять устойчивых состояний N==0,1. ..,8,9. В том такте, когда он должен был перейти в одиннадцатое устойчивое состояние (N=10), его необходимо сбросить в исходное нулевое состояние. Для такого счётчика можно использовать микросхему К155ИЕ5 рисунок 3, введя цепи обратной связи с выходов счетчика, соответствующих числу 10 (т. е. 2 и 8) на входы установки счетчика в 0 (вход R). В самом начале 11-го состояния (число 10) на обоих входах элемента И микросхемы появляются логические 1, вырабатывающие сигнал сброс всех триггеров счетчика в нулевое состояние.

Рисунок 3

Во всех сериях цифровых микросхем есть счетчики с внутренней организацией наиболее ходовых коэффициентов пересчета, например в микросхема К155ИЕ2 и К155ИЕ6 К=10. в микросхеме К155ИЕ4 К=2х6==12.

Как видно из схем и диаграмм на рисунках 1-3, счетчики могут выполнят функции делителей частоты, т. е. устройств, формирующих из импульсной последовательности с частотой f_вх импульсную последовательность на выходе, последнего триггера с частотой fвых, в К раз меньшую входной. При таком использовании счетчиков нет необходимости знать, какое число в нем записано в настоящий момент, поэтому делители в некоторых случаях могут быть значительно проще счетчиков. Микросхема К155ИЕ1, например, представляет собой делитель на 10, а К155ИЕ8 — делитель с переменным коэффициентом деления К=64/n. где n=1…63.

Кроме рассмотренных суммирующих широко применяют реверсивные счетчики на микросхемах К155ИЕ6. К155ИЕ7, у которых в зависимости от режима работы содержимое счетчика или увеличивается на единицу режим сложения, говорится что происходит инкремент счётчика или уменьшается на единицу режим вычитания, декремент после прихода очередного счетного импульса. Микросхема К155ИЕ1 рисунок 4 — делитель на 10. Установка ее триггеров в 0 осуществляется одновременной подачей высокого уровня на входы 1 и 2 (элемент И). Счетные импульсы подают на вход 8 или 9 (при этом на другом входе должен быть высокий уровень) или одновременно на оба входа (элемент И).

Рисунок 4

В состав микросхемы К155ИЕ2 рисунок 4 входят триггер со счетным входом (вход С1) и делитель на 5 (вход С2). При соединении выхода счетного триггера с входом С2 образуется двоично-десятичный счетчик (диаграмма его работы аналогична приведенной на рисунке 3). Счет происходит по срезу импульса. Счетчик имеет входы установки в 0 (R0 с логикой И) и входы установки в 9 (R9 с логикой И).

 

Рисунок 5

Микросхему К155ИЕ4 образуют счетный триггер и делитель на 6 рисунок 5. О микросхеме К155ИЕ5 было сказано ранее рисунок 2

Микросхемы К155ИЕ6 и К155ИЕ7 рисунок 6,а)-реверсивные счетчики предварительной записью, первый из них — двоично-десятичный, второй четырехразрядный двоичный. Установка их в 0 происходит при высок уровне на входе R. В счетчик можно записать число подав на выходы D1-D4 (в К155ИЕ6 от 0 до 9, в К155ИЕ7 от 0 до 15). Для этого на вход S необходимо подать низкий уровень, на входах С1 и С2 высокий уровень, на входе R — низкий. Счет начнется с записанного числа по импульсам низкого уровня, подаваемым на вход С1 (в режиме сложения) или на С2 (в режиме вычитания). Информация на выходе изменяется по фронту счётного импульса. При этом на втором счетном входе и входе S должен быть высокий уровень, на входе R-низкий, а состояние входов D безразлично. Одновременно с каждым десятым (шестнадцатым) на входе С1 импульсом на выходе P1 повторяющий его выходной импульс, который может подаваться вход следующего счетчика. В режиме вычитания одновременно с каждым импульсом на входе С2, переводящим счетчик в состояние 9, (15), на выходе Р2 появляется выходной импульс.

Временная диаграмма работы счетчика К155ИЕ6 приведена на рисунке 6,б. На диаграмме в режиме параллельной записи (S=0) было записано число 6 (высокий уровень на входах D2 и D3).

Рисунок 6

Микросхемы К176ИЕ1, К56ИИЕ10 и К561ИЕ16 рисунок 7 — двоичные счётчики. Счетчик К561ИЕ10 при подаче счетных импульсов на вход С1 и при С2=1 работает по фронту, при счете по входу С2 и при С1==0 — по срезу. Счётчик К561ИЕ16 не имеет выходов от второго и третьего делителя. Счетчики устанавливаются в нулевое состояние при подаче высокого уровня на вход R. Для правильной работы этих и всех других счетчиков, выполненных по КМОП технологии (серий К164, К176, К564, К561..), необходимо после включения питания (или после снижения напряжения источника питания до 3 В) устанавливать их в исходное нулевое состояние подачей импульса высокого уровня на вход R. В противном случаи счётчики могут работать случайными коэффициентами пересчёта. Импульс сброса после включения питания может подаваться автоматически, если ввести времязадающую RC-цепь и инвертор, как показано на рисунке 7,в.

Рисунок 7

Счетчик импульсов на микросхеме CD4026 до 10, 100, 1000

 Если перед вами стоит задача реализовать счетчик импульсов, с подсчетом десятков, сотен или тысяч, то для этого достаточно воспользоваться готовой сборкой — микросхемой CD4026. Благо микросхема практически сводит на нет все заботы по поводу обвязки микросхемы и дополнительных согласующих элементов. При этом один счетчик CD4026 способен «считать» только лишь до 10, то есть если нам необходимо считать до 100, то мы используем 2 микросхемы, если до 1000 то 3 и т. д. Что же, давайте пару слов о самой микросхеме и о ее функционале.

Описание работы счетчика CD4026

Первоначально приведем внешний вид и функциональное обозначение выводов на микросхеме счетчике

Не смотря на то, что все на английском, в принципе здесь все понятно! Показания счетчика увеличиваются каждый раз на 1 единицу, когда на контакт «clock» приходит положительный импульс. При этом на выходах с a-g появляется напряжение, которое при подаче на 7 сегментный индикатор и будет отображать количество импульсов.

Контакт «reset» сбрасывает показания подсчета при замыкании на +.

Контакт «disable clock» также должен быть соединен на землю.

Контакт «enable display» по факту 3 контакт должен быть подключен к плюсу.

Контакт «÷10» по факту 5 выход, направляет сигнал о переполнении счетчика, дабы к нему можно было подключить аналогичный счетчик и начать отсчет для 10, 100,1000…

Контакт «not 2» принимает значениние LOW тогда и только тогда, когда значение счётчика — 2. В остальных случаях HIGH.

Рабочее напряжение питания микросхемы: 3—15 В. то есть она имеет встроенный стабилизатор. Теперь о том, как подключить эту микросхему в сборку, то есть о принципиальной схеме.

Схема подключения счетчика импульсов на микросхеме CD4026

Взгляните на схему. В ней ведется подсчет световых импульсов изменения сопротивления для фоторезистора. В качестве фоторезистора можно применить скажем фоторезистор 5516. Итак, за счет изменения сопротивления, смещается и потенциал на базе транзистора. В итоге, начинает протекать ток по цепи коллектор — эмиттер, а значит на вход 1 микросхемы подается импульс, который и подлежит подсчету.
 Как только первая микросхема отсчитывает 1 десяток, то на выводе 5 появляется один импульс о «переполнении» счетчика. В конечном счете этот импульс подается на вторую микросхему, которая работает по точно такому же принципу. Но в этом случае микросхема уже считает не единицы, а десятки. Если же добавить 3 микросхему, то это будут сотни и т. д.

 

Для сброса на 0, достаточно подать плюс на ножки 15 микросхем. Микросхема предназначена для работы с 7 сегментным индикатором. При подаче на один из выводов этого индикатора, мы получаем нужную нам цифру. Взгляните на таблицу…

 В заключении еще раз хотелось бы сказать, что счетчик импульсов в данном случае функционален, при этом потребует от вас минимальных затрат и знаний. Что еще немаловажно, схема не нуждается в настройке, по крайнем мере цифровая часть. Единственное быть может придется «поиграться» с резисторами и фоторезистором на входе.

Последнее обновление 28 марта 2023 г. 0002 Предлагаемый цифровой счетчик импульсов 00-99 становится очень удобным в местах, где вам нужно организовать людей в определенном порядке.

Детали работы цифрового счетчика

Как известно, в схеме используется популярная микросхема 555 для генерации импульсных часов. Подсчет импульсов осуществляется с помощью SW1. Пара микросхем CMOS 4026B отвечает за эти часы и становится непосредственно ответственной за работу 7-сегментного дисплея.

Поскольку последняя цифра ограничена 99, первый 4026 активирует второй, когда он переходит от 9 к 0. (см. контакт 10 первого 4026, который входит в тактовый вход второго).

Когда на схему впервые подается питание, она не может начать отсчет с нуля, поэтому становится необходимой мгновенная активация сброса, которая реализуется с помощью переключателя (SW2). При нажатии на этот переключатель счет сбрасывает цепь и начинает отсчет с нуля (00).

Может быть интересно увидеть, что импульс подается на контакт R «RESET» в каждой интегральной схеме.

Схема цепи

Перечень деталей для обсуждаемой схемы цифрового счетчика

• IC1: 555
• IC2 = IC3 = 4026B
• DS1 DS2 = = 7-сегментный дисплей
9002 7 C1 = C2 = C3: 0,047 мкФ
• R1: 10K 1 / 4W
• R2: 1M 1 / 4W
• R3: 33K 1 / 4W
• Переключатели SW1 = SW2 = нормально разомкнутые переключатели

0–99 Счетчик с использованием IC 4518 и 4 511

Цепь с использованием ИМС 4518, 4511 и дисплея с общим катодом представляет собой двоичный счетчик с десятичным выходом. Он может считать от 0 до 99 и отображать счет на 7-сегментном дисплее.

IC 4518 представляет собой двойной двоично-десятичный (двоично-десятичный) счетчик прямого счета, что означает, что он может считать в десятичном порядке от 0 до 99. Два счетчика соединены каскадом, так что второй счетчик увеличивает на 1 каждый раз, когда первый счетчик достигает максимального значения 9.

Выход каждого счетчика подключен к двоично-десятичному коду 7-сегментного декодера IC 4511, который преобразует двоично-десятичный код в соответствующий 7-сегментный код дисплея. Выходы дешифратора подключены к соответствующим сегментам дисплея.

Дисплей с общим катодом имеет одно катодное соединение для всех сегментов. Катод соединен с землей, а аноды каждого сегмента подключены через токоограничивающий резистор к выходам дешифратора.

Когда схема включена, счетчики сбрасываются на 0, и на дисплее отображается «00». Каждый раз, когда счетчик достигает 99, он сбрасывается обратно на 0, и дисплей снова начинает считать с 00.

О компании Swagatam

Я инженер-электронщик (dipIETE ), любитель, изобретатель, разработчик схем/печатных плат, производитель. Я также являюсь основателем веб-сайта: https://www.homemade-circuits.com/, где я люблю делиться своими инновационными схемами и учебными пособиями.
Если у вас есть какие-либо вопросы, связанные со схемой, вы можете задать их через комментарии, я буду очень рад помочь!

Цифровые счетчики

• Изучив этот раздел, вы должны уметь:
• Понимать работу цифровых счетчиков и уметь:
• Опишите действие асинхронных (пульсационных) счетчиков с использованием триггеров D-типа.
• • Счетчики вверх.
• • Счетчики вниз.
• • Частотное деление.
• Понимание работы синхронных счетчиков.
• Опишите общие функции управления, используемые в синхронных счетчиках.
• • Счетчики BCD.
• • Управление вверх/вниз.
• • Включить/выключить.
• • Предустановка и сброс.
• Используйте программное обеспечение для имитации работы счетчика.

 

Рис. 5.6.1 Четырехбитный асинхронный прямой счетчик

Рис. 5.6.2 Формы сигналов четырехбитного асинхронного повышающего счетчика

Асинхронные счетчики.

Счетчики, состоящие из нескольких триггеров, считают поток импульсов, подаваемых на вход CK счетчика. Выход представляет собой двоичное значение, значение которого равно количеству импульсов, поступивших на вход СК.

Каждый выход представляет один бит выходного слова, которое в микросхемах счетчиков серии 74 обычно имеет длину 4 бита, а размер выходного слова зависит от количества триггеров, составляющих счетчик. Выходные строки 4-битного счетчика представляют значения 2 ⁰ , 2 ¹ , 2 ² и 2 ³ или 1,2,4 и 8 соответственно. Обычно они показаны на принципиальных схемах в обратном порядке, с младшим значащим битом слева, это сделано для того, чтобы схематическая диаграмма могла показать схему в соответствии с соглашением, согласно которому сигналы идут слева направо, поэтому в этом случае вход CK слева.

Четырехразрядный асинхронный повышающий счетчик

На рис. 5.6.1 показан 4-разрядный асинхронный повышающий счетчик, построенный из четырех триггеров D-типа, запускаемых положительным фронтом, подключенных в режиме переключения. Тактовые импульсы подаются на вход CK блока FF0, выход которого Q ₀ обеспечивает вывод 2 ⁰ для FF1 после одного импульса CK.

Нарастающий фронт выхода Q каждого триггера запускает вход CK следующего триггера с половиной частоты импульсов CK, подаваемых на его вход.

Затем выходные данные Q представляют собой четырехбитный двоичный счет, где Q ₀ — Q ₃ представляют собой числа от 2 ⁰ (1) до 2 ³ (8) соответственно.

Предполагая, что четыре выхода Q изначально установлены на 0000, нарастающий фронт первого приложенного импульса CK вызовет выход Q ₀ перейти в логическую 1, а следующий импульс CK заставит выход Q ₀ вернуться в логическую 0, и в то же время Q ₀ перейдет из 0 в 1.

Как Q ₀ ( и вход CK FF1 переходит в высокий уровень), теперь Q ₁ становится высоким, что указывает на значение 2 ¹ (2 ₁₀ ) на выходах Q.

Следующий (третий) импульс CK приведет к тому, что Q ₀ снова перейдет в логическую 1, так что и Q ₀ , и Q ₁ теперь будут высокими, что делает 4-битный выход 1100 ₂ (3 ₁₀ с учетом того, что Q ₀ — младший значащий бит).

Четвертый импульс CK вернет оба Q ₀ и Q ₁ в 0, и поскольку Q ₁ в это время станет высоким, это переключит FF2, делая Q ₂ высоким и указывая на 0010 ₂ (4 ₁₀ ) на выходах.

При чтении выходного слова справа налево выходы Q продолжают представлять двоичное число, равное количеству входных импульсов, полученных на входе CK блока FF0. Поскольку это четырехступенчатый счетчик, триггеры будут последовательно переключаться, а четыре выхода Q будут выводить последовательность двоичных значений от 0000 до 9. от 0115 2 до 1111 ₂ (от 0 до 15 ₁₀ ) до того, как выход вернется к 0000 ₂ и снова начнет отсчет, как показано на рис. 5.6.2.

Рис. 5.6.3 Четырехбитный асинхронный счетчик вниз

Четырехбитный асинхронный счетчик вниз

провалы. При последовательном взятии выходных линий и импульса CK для следующего триггера с выхода Q, как показано на рис. 5.6.3, счетчик, запускаемый положительным фронтом, будет отсчитывать от 1111 ₂ до 0000 ₂ .

Хотя счетчики прямого и обратного счета могут быть построены с использованием асинхронного метода распространения тактовых импульсов, они не получили широкого применения в качестве счетчиков, поскольку становятся ненадежными при высоких тактовых частотах или при соединении большого количества триггеров вместе. давать большие значения из-за пульсирующего эффекта часов.

Рис. 5.6.4 Деталь временной диаграммы, показывающая пульсацию тактового сигнала

Пульсация тактового сигнала

Эффект пульсации тактового сигнала в асинхронных счетчиках показан на рис. 5.6.4, который представляет собой увеличенный фрагмент (импульс 8) рис. 5.6. 2.

На рис. 5.6.4 показано, как задержки распространения, создаваемые логическими элементами в каждом триггере (обозначенные синими вертикальными линиями), складываются для нескольких триггеров, образуя значительную задержку между временем в выход которого изменяется на первом триггере (самый младший бит) и на последнем триггере (старший бит).

Поскольку выходы Q ₀ — Q ₃ изменяют каждое изменение в разное время, возникает ряд различных состояний выхода, так как любой конкретный тактовый импульс вызывает появление нового значения на выходах.

Например, при 8-м импульсе CK выходы Q ₀ — Q ₃ должны измениться с 1110 ₂ (7 ₁₀ ) на 0001 ₂ (8 9011 5 10 ), однако что происходит на самом деле ( при чтении вертикальных столбцов единиц и нулей на рис. 5.6.4) заключается в том, что выходные сигналы изменяются в течение периода от 400 до 700 нс в следующей последовательности:

0110 ₂ = 6 ₁₀

0010 ₂ = 4 ₁₀

0000 ₂ = 0 ₁₀

0001 ₂ = 8 ₁₀

При импульсах CK, отличных от импульса 8, конечно же, будут происходить разные последовательности, поэтому будут периоды, когда изменение значения пульсирует по цепочке триггеров, когда на выходах Q появляются неожиданные значения на очень короткое время .

Однако это может вызвать проблемы, когда необходимо выбрать конкретное двоичное значение, как в случае декадного счетчика, который должен считать с 0000 9.0115 2 до 1001 ₂ (9 ₁₀ ), а затем сбрасывается на 0000 ₂ при счете 1010 ₂ (10 ₁₀ ).

Эти кратковременные логические значения также вызовут серию очень коротких всплесков на выходах Q, поскольку задержка распространения одного триггера составляет всего около 100–150 нс. Эти пики называются «короткими пиками», и хотя они не могут каждый раз достигать полного значения логической 1, а также могут вызывать ложное срабатывание счетчика, их также следует рассматривать как возможную причину помех другим частям схемы.

Хотя эта проблема не позволяет использовать схему в качестве надежного счетчика, она по-прежнему ценна как простой и эффективный делитель частоты, где высокочастотный генератор обеспечивает вход, а каждый триггер в цепи делит частоту на два.

Синхронные счетчики

Синхронный счетчик обеспечивает более надежную схему для счетных целей и для высокоскоростной работы, поскольку тактовые импульсы в этой схеме подаются на каждый триггер в цепочке точно в одно и то же время. В синхронных счетчиках используются триггеры JK, так как программируемые входы J и K позволяют включать или отключать отдельные триггеры на различных этапах счета. Таким образом, синхронные счетчики устраняют проблему пульсаций тактового сигнала, поскольку работа схемы синхронизируется с импульсами CK, а не с выходами триггеров.

Синхронный прямой счетчик

Рис. 5.6.5 Подключение синхронных часов

На рис. 5.6.5 показано, как синхронизирующие импульсы применяются в синхронном счетчике. Обратите внимание, что вход CK применяется ко всем триггерам параллельно. Следовательно, поскольку все триггеры получают тактовый импульс в один и тот же момент, необходимо использовать какой-то метод для предотвращения одновременного изменения состояния всех триггеров. Это, конечно, привело бы к тому, что выходы счетчика просто переключались бы со всех единиц на все нули и обратно с каждым тактовым импульсом.

Однако с JK-триггерами, когда оба входа J и K имеют логическую 1, выход переключается при каждом импульсе CK, но когда J и K оба находятся в логическом 0, никаких изменений не происходит.

Рис. 5.6.6 Первые две ступени синхронного счетчика

На рис. 5.6.6 показаны две ступени синхронного счетчика. Двоичный выход берется с выходов Q триггеров. Обратите внимание, что на FF0 входы J и K постоянно подключены к логической 1, поэтому Q ₀ будет изменять состояние (переключаться) при каждом тактовом импульсе. Это обеспечивает подсчет единиц для младшего значащего бита.

На FF1 входы J1 и K1 подключены к Q ₀ , так что выход FF1 будет в режиме переключения только тогда, когда Q ₀ также находится в состоянии логической 1. Поскольку это происходит только при чередующихся тактовых импульсах, Q ₁ будет включать только четные тактовые импульсы, давая счет «двойки» на выходе Q ₁ .

Таблица 5.6.1 показывает это действие, где видно, что Q ₁ включает тактовый импульс только тогда, когда J1 и K1 имеют высокий уровень, давая двухбитный двоичный счет на выходах Q (где Q ₀ — младший бит).

Однако при добавлении к счетчику третьего триггера прямое соединение J и K с предыдущим выходом Q ₁ не даст правильного счета. Поскольку Q ₁ является высоким при счете 2 ₁₀ , это будет означать, что FF2 переключится на третий тактовый импульс, поскольку J2 и K2 будут высокими. Следовательно, тактовый импульс 3 даст двоичный счет 111 ₂ или 7 ₁₀ вместо 4 ₁₀ .

Рис. 5.6.7 Добавление третьей ступени

Чтобы предотвратить эту проблему, используется логический элемент И, как показано на рис. 5.6.7, чтобы гарантировать, что J2 и K2 имеют высокий уровень только тогда, когда оба Q ₀ и Q ₁ находятся в состоянии логической 1 (т. е. при счете три). Только когда выходы находятся в этом состоянии, следующий тактовый импульс переключит Q ₂ в логическую 1. Выходы Q ₀ и Q ₁ , конечно, вернутся к логическому 0 при этом импульсе, поэтому счет будет равен 001. ₂ или 4 ₁₀ (при этом Q ₀ является младшим битом).

Рис. 5.6.8 Четырехбитный синхронный прямой счетчик

На рис. 5.6.8 показан дополнительный строб для четырехступенчатого синхронного счетчика. Здесь FF3 переводится в режим переключения путем установки J3 и K3 в логическую 1 только тогда, когда Q ₀ Q ₁ и Q ₂ находятся в логической 1. Поэтому

Q ₃ не переключается в свое высокое состояние. до восьмого тактового импульса и останется высоким до шестнадцатого тактового импульса. После этого импульса все выходы Q вернутся к нулю.

Обратите внимание, что для работы этой базовой формы синхронного счетчика все входы PR и CLR также должны быть в состоянии логической 1 (их неактивное состояние), как показано на рис. 5.6.8.

Синхронный обратный счетчик

Преобразование синхронного прямого счетчика в обратный отсчет — это просто вопрос обратного счета. Если все единицы и нули в последовательности от 0 до 15 ₁₀ , показанной в таблице 5. 6.2, дополняются (показаны на розовом фоне), последовательность становится от 15 ₁₀ до 0,9.0003

Рис. 5.6.9 Четырехбитный синхронный счетчик вниз

Цепь счетчика вниз

Поскольку каждый выход Q на JK-триггерах имеет дополнение к Q, все, что необходимо для преобразования счетчика вверх на рис. 5.6.8 к обратному счетчику, показанному на рис. 5.6.9, состоит в том, чтобы брать входы JK для FF1 с выхода Q FF0 вместо выхода Q. Теперь вентиль TC2 получает свои входные данные от выходов Q FF0 и FF1, а TC3 также получает свои входные данные от выхода Q FF2.

Рис. Рис. 5.6.10 Четырехбитный синхронный прямой/обратный счетчик

Счетчик прямого/обратного счета

На рис. 5.6.10 показано, как один вход, называемый (ВВЕРХ/ВНИЗ), может использоваться для увеличения или уменьшения счета одного счетчика в зависимости от логического состояния на входе ВВЕРХ/ВНИЗ. .

Каждая группа логических элементов между последовательными триггерами на самом деле является модифицированной схемой выбора данных, описанной в Модуле комбинационной логики 4. 2, но в этой версии используется комбинация И/ИЛИ, а не эквивалентная по Де Моргану схема вентилей И-НЕ. Это необходимо для обеспечения правильного логического состояния для следующего селектора данных.

Выходы Q и Q триггеров FF0, FF1 и FF2 подключены к тем, что фактически являются входами данных A и B селекторов данных. Если управляющий вход находится в состоянии логической 1, то импульс CK на следующий триггер подается с выхода Q, что делает счетчик счетчиком UP, но если управляющий вход равен 0, то импульсы CK подаются с выхода Q, и счетчик ВНИЗ счетчик.

Рис. Рис. 5.6.11 Четырехбитный повышающий двоично-десятичный счетчик

Синхронный повышающий двоично-десятичный счетчик

Типичное использование входов CLR показано в повышающем двоично-десятичном счетчике на рис. 5.6.11. Счетчик выводит Q ₁ и Q ₃ подключены к входам вентиля И-НЕ, выход которого подключен к входам CLR всех четырех триггеров. Когда Q ₁ и Q ₃ оба находятся в состоянии логической 1, выходной контакт логического элемента И-НЕ обнаружения предела (LD1) станет логическим 0 и сбросит все выходы триггера в логический 0.

Потому что в первый раз Q ₁ и Q ₃ находятся в состоянии логической 1 при счете от 0 до 15 ₁₀ при счете до десяти (1010 ₂ ), это заставит счетчик считать от 0 до 9 ₁₀ , а затем сбросить на 0, опуская 10 ₁₀ до 15 ₁₀ .

Таким образом, схема представляет собой счетчик BCD ₈₄₂₁ , чрезвычайно полезное устройство для управления цифровыми дисплеями через BCD в 7-сегментный декодер и т. д. максимальное значение, может быть достигнут любой счет, отличный от 0 до 15.

Если на вашем компьютере уже установлен симулятор, такой как Logisim, почему бы не попробовать разработать, например, счетчик Octal up.

Рис. 5.6.12 Входы и выходы ИС счетчика

Входы и выходы ИС счетчика

Хотя синхронные счетчики могут быть и состоят из отдельных JK-триггеров, во многих схемах они будут встроены в специальные ИС счетчика, или в другие крупномасштабные интегральные схемы (LSIC).

Для многих приложений счетчики, содержащиеся в ИС, имеют дополнительные входы и выходы, добавленные для повышения универсальности счетчиков. Различия между многими коммерческими микросхемами счетчиков в основном заключаются в различных предлагаемых устройствах ввода и вывода. Некоторые из них описаны ниже. Обратите внимание, что многие из этих входов имеют активный низкий уровень; это происходит из-за того, что в более ранних устройствах TTL любой неподключенный вход плавал до логической 1 и, следовательно, становился неактивным. Однако оставлять входы неподключенными не рекомендуется, особенно входы CMOS, которые плавают между логическими состояниями и могут быть легко активированы в любое допустимое логическое состояние из-за случайного шума в цепи, поэтому ЛЮБОЙ неиспользуемый вход должен быть постоянно подключен к его неактивной логике. состояние.

Активация входов

Рис. 5.6.13 Синхронный прямой счетчик с входами включения и сброса счета Chip Enable (CE), Count Enable (CTEN), Output Enable (ON) и т.

д., каждый из которых обозначает одинаковые или похожие функции.

Включение счета (CTEN), например, является функцией интегральных схем счетчика, а в синхронном счетчике, показанном на рис. 5.6.13, является активным низким входом. Когда он установлен на логическую 1, он предотвращает продолжение счета даже при наличии тактовых импульсов, но счет будет продолжаться нормально, когда CTEN находится на логическом 0.

Обычный способ отключения счетчика при сохранении любых текущих данных на выходах Q состоит в том, чтобы запретить переключение JK-триггеров, пока CTEN неактивен (логическая 1), задав входы JK всех триггеров. -flops логический 0. Однако, поскольку логические состояния входов JK FF1, FF2 и FF3 зависят от состояния предыдущего выхода Q, либо напрямую, либо через логические элементы T2 и T3, для сохранения выходных данных, Q выходы должны быть изолированы от входов JK всякий раз, когда CTEN находится в состоянии логической 1, но выходы Q должны подключаться к входам JK, когда CTEN находится в состоянии логического 0 (состояние включения счета).

Это достигается за счет использования дополнительных вентилей включения (И), E1, E2 и E3, каждый из которых имеет один из своих входов, подключенных к CTEN (инверсия CTEN). Когда счетчик отключен, CTEN и, следовательно, один из входов на каждом из , E1, E2 и E3 будет в состоянии логического 0, что приведет к тому, что эти выходы включения затвора и входы JK триггера также будут в состоянии логического 0, какие бы логические состояния ни присутствовали на выходах Q, а также на других входах разрешающих вентилей. Поэтому всякий раз, когда CTEN находится в состоянии логической 1, счет отключается.

Однако, когда CTEN находится в состоянии логического 0, CTEN будет иметь логическую 1, а E1, E2 и E3 будут разрешены, в результате чего любое логическое состояние, присутствующее на выходах Q, будет передаваться на входы JK. В этом состоянии, когда на вход CK поступает следующий тактовый импульс, триггеры будут переключаться, следуя своей обычной последовательности.

Рис.

5.6.14 Асинхронная параллельная загрузка

Асинхронная параллельная загрузка

Хотя общие входы PR и CLR могут выдавать на выходе 0000 или 1111, вход ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ ЗАГРУЗКА (PL) позволяет загружать в счетчик любое значение. Используя отдельный вход DATA для каждого триггера и небольшое количество дополнительной логики, логический 0 на PL будет загружать счетчик любым заранее определенным двоичным значением до начала или во время счета. Способ достижения асинхронной параллельной загрузки синхронного счетчика показан на рис. 5.6.14.

Операция загрузки

Двоичное значение, которое необходимо загрузить в счетчик, подается на входы D ₀ — D ₃ , а на вход PL подается импульс логического 0. Этот логический 0 инвертируется и применяется к одному входу каждого из восьми логических элементов И-НЕ, чтобы включить их. Если значение, которое должно быть загружено в конкретный триггер, равно логической 1, это делает входы правого логического элемента И-НЕ равными 1,1, а из-за инвертора между парой логических элементов И-НЕ для этого конкретного входа левый логический элемент И-НЕ входы будут 1,0.

Результатом этого является то, что логический 0 применяется к входу PR триггера, а логическая 1 применяется к входу CLR. Эта комбинация устанавливает выход Q в логическую 1, то же самое значение, которое было применено к входу D. Точно так же, если вход D находится в состоянии логического 0, на выходе левого вентиля И-НЕ пары будет логический 0, а на выходе правого вентиля будет логическая 1, что очистит выход Q триггера. Поскольку вход PL является общим для каждой пары загрузочных логических элементов И-НЕ, все четыре триггера загружаются одновременно со значением 1 или 0, присутствующим на его конкретном входе D.

Рис. 5.6.15 Синхронный прямой/обратный счетчик с несколькими входами и выходами

Несколько входов и выходов

Модификации, подобные описанным в этом модуле, делают базовый синхронный счетчик гораздо более универсальным. Синхронные счетчики TTL и CMOS доступны в ИС серии 74, содержащих обычно 4-разрядные счетчики с этими и другими модификациями для самых разных приложений. На рис. 5.6.15 показано, как все входные функции, описанные выше, а также некоторые важные выходные данные, такие как Ripple Carry (RC) и Terminal Count (TC), могут быть объединены в одну ИС синхронного счетчика.

Типичная одиночная синхронная ИС, такая как четырехбитный двоичный прямой/обратный счетчик 74HC191, также использует эти входные и выходные функции, которые обозначаются в версиях NXP (рис. 5.6.16) следующим образом:

Входы

• D ₀ , D ₁ , D ₂ и D ₃ (Входы загрузки) — 4-битное двоичное число может быть загружено в счетчик через эти входы, когда вход параллельной загрузки PL находится в состоянии логического 0.

• CE (разрешение счета) — позволяет продолжать счет при 0. Останавливает счет без сброса при логической 1.

• U/D (Вверх/Вниз) — Счет вверх при 0, вниз при логической 1.

• CP — Вход тактового импульса.

Рис. 5.6.16 74HC191 Схема контактов

Выходы

• Q ₀ , Q ₁ , Q ₂ и Q ₃ — Четырехбитный двоичный выход.

• TC (счетчик клемм) — в некоторых версиях также называется MAX/MIN, выдает импульс логической 1, равный по ширине одному полному тактовому циклу, при каждом изменении старшего бита (означает, что счетчик переполнился за пределы конец прямого или обратного отсчета). TC можно использовать для обнаружения окончания прямого или обратного отсчета, и, помимо того, что он доступен в качестве вывода, TC используется внутри для генерации вывода Ripple Carry.

• RC (Ripple Carry) — выводит импульс логического 0, равный по ширине нижней части тактового цикла в конце счета, и при подключении к тактовому входу другой 74HC191 IC он действует как «перенос». ‘ к следующей стойке.

Каскадные синхронные счетчики

Рис. 5.6.17 Подключение 74HC191 в каскаде

Подключение синхронных счетчиков в каскаде для получения большего диапазона счета упрощается в ИС, таких как 74HC191, за счет использования выхода пульсирующего переноса (RC) IC подсчитывает 4 младших бита, чтобы управлять тактовым входом следующей по старшинству IC, как показано красным на рис. 5.6.17.

Хотя может показаться, что выходы TC или RC могут управлять следующим входом синхронизации, выход TC не предназначен для этой цели, так как могут возникнуть проблемы с синхронизацией.

Синхронные и асинхронные счетчики

Хотя синхронные счетчики имеют большое преимущество перед асинхронными или пульсирующими счетчиками в отношении уменьшения проблем синхронизации, бывают ситуации, когда импульсные счетчики имеют преимущество перед синхронными счетчиками.

При использовании на высоких скоростях только первый триггер в цепочке счетчика пульсаций работает на тактовой частоте. Каждый последующий триггер работает на половине частоты предыдущего. В синхронных счетчиках, где каждый каскад работает на очень высоких тактовых частотах, более вероятно возникновение паразитной емкостной связи между счетчиком и другими компонентами, а также внутри самого счетчика, так что в синхронных счетчиках помехи могут передаваться между различными каскадами счетчика, что приводит к нарушению счет, если адекватная развязка не обеспечена. Эта проблема уменьшается в счетчиках пульсаций благодаря более низким частотам в большинстве каскадов.

Кроме того, поскольку тактовые импульсы, подаваемые на синхронные счетчики, должны одновременно заряжать и разряжать входную емкость каждого триггера; синхронные счетчики, имеющие много триггеров, будут вызывать большие импульсы тока заряда и разряда в схемах драйвера часов каждый раз, когда часы изменяют логическое состояние. Это также может вызвать нежелательные всплески на линиях питания, которые могут вызвать проблемы в других частях цифровой схемы. Это меньше проблем с асинхронными счетчиками, так как часы управляют только первым триггером в цепочке счетчиков.

Асинхронные счетчики в основном используются для приложений с частотным разделением и для генерации временных задержек. В любом из этих приложений синхронизация отдельных выходов вряд ли вызовет проблемы для внешней схемы, а тот факт, что большинство каскадов счетчика работают на гораздо более низких частотах, чем входные часы, значительно снижает любую проблему высокочастотного шума. помехи окружающим компонентам.

ИС счетчиков

синхронные (пульсационные) счетчики:

• 74HC390 — двухдекадный счетчик пульсаций от NXP.
• 74HC393 — Двойной 4-ступенчатый двоичный счетчик пульсаций от ON Semiconductor.
• 74HC4040 — 12-ступенчатый двоичный счетчик пульсаций от Fairchild Semiconductor.
• 74HC93 — 4-битный двоичный счетчик пульсаций от Texas Instruments.
• CD4060 — 14-ступенчатый двоичный счетчик плюс осциллятор от ST Microelectronics.
• HEF4042B — 7-ступенчатый двоичный счетчик пульсаций от NXP.

Синхронные счетчики:

• 74HC160 — Предустановленный синхронный счетчик BCD с асинхронным сбросом от NXP.
• 74HC161 — 4-битный синхронный двоично-десятичный счетчик с асинхронным сбросом и синхронной загрузкой от Texas Instruments.
• 74HC163 — 4-битный синхронный двоичный счетчик с асинхронным сбросом и синхронной загрузкой от Texas Instruments.
• 74HC191 — 4-битный синхронный двоичный прямой/обратный счетчик с асинхронным сбросом и загрузкой от NXP.