Общие сведения. Цифровые счетчики импульсов предназначены для подсчета входных импульсов и фиксации их числа в каком-либо коде

Цифровые счетчики импульсов предназначены для подсчета входных импульсов и фиксации их числа в каком-либо коде. Они относятся к наиболее распространенным цифровым устройствам и строятся на основе триггеров.

Коэффициентом или модулем счета К называют наибольшее число импульсов, которое может сосчитать счетчик. По модулю счетчики делятся на двоичные (К = 2^N), декадные (К = 10), с произвольным постоянным модулем, с переменным модулем.

По принципу работы различают: последовательные или асинхронные счетчики, у которых информация передается по цепочке триггеров, начиная с входного; параллельные или синхронные, у которых входные импульсы поступают одновременно на все триггеры, что увеличивает быстродействие.

По целевому назначению счетчики бывают суммирующими, вычитающими и реверсивными. Суммирующий счетчик с приходом каждого нового импульса увеличивает показание на единицу, вычитающий – уменьшает. Реверсивные счетчики могут работать на обоих режимах в зависимости от сигнала на схеме управления.

Схема, условное обозначение и временная диаграмма работы последовательного суммирующего счетчика на трех Т-триггерах приведены на рис. 8.1. Триггеры меняют свое состояние по спаду входного импульса, т.е. при изменении уровня от 1 до 0. R-входы всех триггеров объединены и на них подается высокий уровень напряжения (R = 1) для предварительной очистки счетчика и установки Q₁ = Q₂ = Q₃ = 0. Когда на вход триггера Т1 поступает первый импульс, триггер переходит в состояние Q₁ = 1. При этом записывается единица в первый разряд счетчика. Положение остальных триггеров не меняется. Второй импульс перебрасывает Т1 в состояние Q₁ = 0. Выход Q₁ соединен со входом второго триггера и по спаду сигнала (Q₁ изменился с 1 до 0) Т₂ тоже изменит свое состояние – Q₂ = 1.

Записывается единица во второй разряд счетчика, что соответствует числу 2 в десятичной системе. Третий импульс – Q₁ = 1 и Q₂ = 1. После четвертого импульса Q₁ = 0, Q₂ = 0 и Q₃ = 1, т.к. сработал третий триггер по срезу выходного сигнала Т2. Восьмой импульс вернет все триггеры в исходное состояние Q₁ = Q₂ = Q₃ = 0. Модуль счета счетчика К = 2³ = 8. Если счетчик состоит из N триггеров, то
К = 2^N. Число, записанное в счетчике, считывается от старшего триггера Т3 к младшему Т1. Например, после пяти импульсов будем иметь 101 или в десятичном коде 2² + 2⁰ = 5.

		Рисунок 8.1

На рис. 8.2 приведены схема и временная диаграмма вычитающего счетчика. Исходное состояние Q₁ = Q₂ = Q₃ = 1 устанавливается подачей высокого уровня на S-входы триггеров. Входы Т2 и Т3 соединены с инверсными выходами и и на них удерживается низкий уровень напряжения. Первый импульс переводит Т1 в состояние Q₁ = 0, = 1. До прихода первого импульса в счетчике было записано число 111, после прихода оно уменьшилось на единицу – 110. Второй импульс возвращает Т1 в состояние Q₁ = 1, . По спаду уровня на выходе срабатывает Т2 – Q₂ = 0, Третий импульс устанавливает Q₁ = 0 и = 1. На этот перепад сигнала Т2 не реагирует и сохраняет предыдущее состояние. После четвертого импульса Q₁ = 1, = 0, Q₂ = 1 и = 0. По срезу сигнала на Т3 перейдет в состояние Q₃ = 0. Седьмой импульс вызовет Q₁ = Q₂ = Q₃ = 0, а восьмой – вернет все триггеры в исходное состояние. Этот принцип построения и работы двоичных счетчиков сохраняется при любом числе разрядов.

При модуле счета К ¹ 2^N счетчик должен состоять из N триггеров, так чтобы 2^N-1 < К < 2^N. Тогда соответствующий двоичный счетчик будет иметь избыточные устойчивые состояния, которые надо устранить за счет внутренней связи между триггерами. Пусть надо создать счетчик с К = 5. число триггеров должно быть не менее трех. Двоичный счетчик на трех триггерах имеет 8 устойчивых состояний. Таблица состояний такого счетчика, т.е. значения Q₁, Q₂, Q₃ до и после прихода импульса, приведена ниже (табл. 8.1).

Таблица 8.1

В исходное состояние Q₁ = Q₂ = Q₃ = 0 счетчик возвращается после восьмого импульса, а при модуле счета К = 5 должен возвращаться после пятого, т.е. сразу после состояния Q₁ = Q₂ = 0, Q₃ = 1. Исключить оставшиеся состояния можно с помощью комбинационной схемы, которая после набора Q₁ = 1, Q₂ = 0, Q₃ = 1 подавала бы сигнал на R-входы триггеров и возвращала бы их в состояние
Q₁ = Q₂ = Q₃ = 0. Такая схема показана на рис. 8.3. После пятого импульса на входы элемента И поступают высокие уровни с выходов Q₁ и Q₃. На его выходе появляется тоже высокий уровень, который подается на R-входы триггеров и перебрасывает их в исходное состояние. Таким же образом можно построить счетчики на любой другой модуль счета.

Для наиболее часто встречающихся модулей, таких как 5, 10, 12 счетчики изготавливаются в виде готовых микросхем. Например, микросхема К155ИЕ2 представляет собой двоично-десятичный счетчик, который имеет вход С, два входа предварительной установки 0 и 9 и четыре выхода (рис. 8.4). Микросхема К155ИЕ4 имеет модуль счета 12, а К155ИЕ6 – реверсивный счетчик с предустановкой. Он имеет один вход для операции сложения, второй – для операции вычитания, четыре входа для предварительно заданного числа от 0 до 9, которое может быть записано в счетчик, и четыре выхода.

На шкалы измерительных приборов и на табло устройств автоматики информация подается в виде десятичных цифр. Преобразование двоично-десятичного кода, в котором работают декадные счетчики, в десятичный осуществляют дешифраторы. На рис. 8.5 приведена схема включения счетчика и газоразрядного индикатора ИН. Дешифратор К155ИД1 имеет четыре входа для подачи сигналов с выходов счетчика и десять выходов, соответствующих числам от 0 до 9. В зависимости то комбинации входных сигналов появляется сигнал на одном из выходов. Пусть счетчик отсчитал пять импульсов. В этом состоянии появится высокий уровень на входах 1 и 4 дешифратора и низкий уровень на выходе 5. На всех остальных выходах остается высокий потенциал.

Газоразрядный индикатор ИН представляет собой прибор тлеющего разряда с анодом и десятью катодами, выполненными в виде цифр от 0 до 9. На анод от отдельного источника питания подается напряжение порядка 200 В. Каждый катод имеет вывод, который соединен с одноименным выводом дешифратора. Как только на выводе дешифратора появляется низкий уровень, напряжение между анодом и соответствующим катодом оказывается достаточным для возникновения разряда между ними и катод светится. Через стеклянный баллон видна, например, цифра 5. Приход следующего импульса на вход счетчика изменит состояние его выходов, изменится и вывод с низким потенциалом дешифратора. Разряд перейдет на другой катод, и начнет высвечиваться цифра 6. Наряду с газоразрядными в настоящее время широко применяются индикаторы на светодиодах и жидких кристаллах.