А. Асинхронные счетчики

Асинхронные счетчики строятся из простой цепочки JK-триггеров, каждый из которых работает в счетном режиме. Выходной сигнал каждого триггера служит входным сигналом для следующего триггера. Поэтому все разряды (выходы) асинхронного счетчика переключаются последовательно (отсюда название  последовательные счетчики), один за другим, начиная с младшего и кончая старшим. Каждый следующий разряд переключается с задержкой относительно предыдущего (рис. 10.11), то есть, вообще говоря, асинхронно, не одновременно с входным сигналом и с другими разрядами.

Чем больше разрядов имеет счетчик, тем большее время ему требуется на полное переключение всех разрядов. Задержка переключения каждого разряда примерно равна задержке триггера, а полная задержка установления кода на выходе счетчика равна задержке одного разряда, умноженной на число разрядов счетчика.

Легко заметить, что при периоде входного сигнала, меньшем полной задержки установления кода счетчика, правильный код на выходе счетчика просто не успеет установиться, поэтому такая ситуация не имеет смысла. Это накладывает жесткие ограничения на период (частоту) входного сигнала, причем увеличение, к примеру, вдвое количества разрядов счетчика автоматически уменьшает вдвое предельно допустимую частоту входного сигнала.

Таким образом, если нам нужен выходной код асинхронного счетчика, то есть все его выходные сигналы (разряды) одновременно, то должно выполняться следующее неравенство: T > Nt_з, где T  период входного сигнала, N  число разрядов счетчика, t_з  время задержки одного разряда. Надо еще учесть, что за период входного сигнала должно успеть сработать устройство (узел), на которое поступает выходной код счетчика, иначе счетчик просто не нужен; поэтому ограничение на частоту входного сигнала обычно бывает еще жестче.

В составе стандартных серий цифровых микросхем асинхронных счетчиков немного. Для примера на рис. 10.12 приведены три из них: четырехразрядный двоично-десятичный счетчик ИЕ2, четырехразрядный двоичный счетчик ИЕ5 и восьмиразрядный двоичный счетчик ИЕ19 (он же сдвоенный четырехразрядный счетчик).

У всех этих счетчиков управление работой очень простое, есть всего лишь входы сброса в нуль или входы установки в 9 (только у ИЕ2). Все асинхронные счетчики работают по отрицательному фронту входного сигнала С (или, что то же самое, по заднему фронту положительного входного сигнала). У всех трех счетчиков выделены две независимые части, что увеличивает возможности их применения. При объединении этих двух частей получается счетчик максимальной разрядности. Выходы счетчиков обозначают на схемах 0, 1, 2, 3, ... (как номера разрядов выходного двоичного кода) или 1, 2, 4, 8, ... (как веса каждого разряда двоичного кода).

Счетчик ИЕ2 имеет две части: один триггер (вход С₁, выход 1) и три триггера (вход С₂ и выходы 2, 4, 8). Таблица истинности для счетчика ИЕ2 при соединенном выходе 1 и входе С₂ представлена на табл. 10.10. Таким образом, он состоит из одноразрядного счетчика и трехразрядного счетчика. Одиночный триггер работает в обычном счетном режиме, изменяя свое состояние по каждому отрицательному фронту сигнала С₁, то есть делит частоту входного сигнала на 2. Три оставшихся триггера включены таким образом, чтобы считать до 5, то есть делить входную частоту сигнала С₂ на 9. После достижения кода 4 (то есть 100) на выходах 2, 4 и 8, этот трехразрядный счетчик по следующему отрицательному фронту сигнала С₂ сбрасывается в нуль. В результате, при объединении выхода 1 микросхемы со входом С₂, мы получаем 4-разрядный двоично-десятичный счетчик, делящий частоту входного сигнала С₁ на 10 и сбрасывающийся в нуль после достижения на выходах 1, 2, 4, 8 кода 9 (то есть 1001) по отрицательному фронту сигнала С₁.

Таблица 10.10

Таблица истинности счетчика ИЕ2
Входы					Выходы
С1	R1	R2	S1	S2	8	4	2	1
X	1	1	0	X	0	0	0	0
X	1	1	X	0	0	0	0	0
X	X	X	1	1	1	0	0	1
10	X	0	X	0	Счет
10	0	X	0	X	Счет
10	0	X	X	0	Счет
10	X	0	0	X	Счет

Счетчик ИЕ2 располагает двумя входами асинхронного сброса в нуль R₁ и R₂, объединенными по функции И, и двумя входами установки в 9  S₁ и S₂, также объединенными по функции И, причем установка в 9 блокирует установку в нуль. Наличие этих входов сброса и установки позволяет строить на базе счетчика ИЕ2 делители частоты с разными коэффициентами деления. Правда, этот счетчик используется довольно редко, значительно реже, чем другие асинхронные счетчики ИЕ5 и ИЕ19. Соотношения истинности асинхронного счетчика ИЕ2 при счете входных импульсов по тактам представлены в табл. 10.11.

Таблица 10.11

Состояния выходов счетчика ИЕ2 при счете входных импульсов
Такт	Вых.8	Вых.4	Вых.2	Вых.1
0	0	0	0	0
1	0	0	0	1
2	0	0	1	0
3	0	0	1	1
4	0	1	0	0
5	0	1	0	1
6	0	1	1	0
7	0	1	1	1
8	1	0	0	0
9	1	0	0	1
10	0	0	0	0

Счетчик ИЕ5, точно так же как и ИЕ2, имеет две части: один триггер (одноразрядный счетчик) со входом С₁ и выходом 1 и три триггера (трехразрядный счетчик) со входом С₂ и выходами 2, 4, 8. Оба счетчика  двоичные, то есть первый считает до двух, а второй  до 8. При объединении входа С₂ с выходом 1 получается 4-разрядный двоичный счетчик, считающий до 16. Счет производится по отрицательному фронту входных сигналов С₁ и С₂. Предусмотрена возможность сброса счетчика в нуль по сигналам R₁ и R₂, объединенным по функции И.

Таблица истинности счетчика ИЕ5 при соединенных друг с другом входе С₂ и выхода 1 (при 4-разрядном выходном коде) приведена в табл. 10.12. Объединять счетчики ИЕ5 для увеличения разрядности (каскадировать) очень просто: нужно выход 8 предыдущего счетчика (выдающего более младшие разряды) соединить со входом С₁ следующего счетчика (выдающего более старшие разряды). На рис. 10.13 показано соединение трех счетчиков ИЕ5 для получения 12-разрядного асинхронного счетчика со сбросом в нуль. Точно так же можно объединять и счетчики ИЕ2, добавляя при этом входы общей установки счетчика в код 99...9. Однако при объединении надо помнить, что добавление каждого нового разряда увеличивает общую задержку переключения полученного счетчика. Многоразрядный асинхронный счетчик может получиться неприемлемо медленным.

Таблица 10.12

Таблица истинности счетчика ИЕ5
Входы			Выходы
C1	R1	R2	8	4	2	1
	1	1	0	0	0	0
10	0	X	Счет
10	X	0	Счет

Счетчик ИЕ19 можно считать сдвоенным вариантом счетчика ИЕ9. Он включает в себя два идентичных независимых друг от друга 4-разрядных асинхронных счетчика, каждый из которых имеет свой счетный вход С и свой вход сброса R. Считают оба счетчика, входящие в микросхему, по отрицательному фронту на своих входах С₁ и С₂. Сбрасываются они единичными сигналами на своих входах сброса R₁ и R₂.

Счетчики, входящие в ИЕ19, можно использовать самостоятельно, но можно и объединить их для получения 8-разрядного асинхронного счетчика с выходами 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128. Для такого объединения достаточно соединить выход 8 первого счетчика со счетным входом С₂ второго счетчика. Если соединить два ИЕ19 (рис. 10.14), то получится уже 16-разрядный асинхронный двоичный счетчик. При этом выход 8 второго счетчика соединяется со счетным входом С₁ первого счетчика. Однако и в данном случае каждый следующий разряд переключается с задержкой после переключения предыдущего.

Основное применение асинхронных счетчиков состоит в построении всевозможных делителей частоты, то есть устройств, выдающих выходной сигнал с частотой, в несколько раз меньшей, чем частота входного сигнала. Простейший пример делителя частоты на два  это триггер в счетном режиме или счетчик, выходным сигналом которого является выход первого, младшего разряда 1.

При построении делителей частоты иногда важна не только частота выходного сигнала, но и его форма, его скважность, то есть отношение периода следования импульсов к длительности этих импульсов. В таких случаях чаще всего требуется меандр  цифровой сигнал со скважностью, равной двум (длительность импульсов равна длительности паузы между ними). Получить меандр из любого сигнала довольно просто: надо использовать дополнительный делитель частоты на 2, правда, при этом частота выходного сигнала уменьшится еще вдвое.

Простейший пример такого делителя частоты на десять приведен на рис. 10.15. В делителе использован счетчик ИЕ2, у которого одноразрядный внутренний счетчик включен после трехразрядного внутреннего счетчика. Трехразрядный счетчик делит частоту входного сигнала на 5, но выходные импульсы имеют скважность, не равную двум (она равна 5). Одноразрядный счетчик делит частоту еще вдвое и одновременно формирует меандр. Задержки переключения разрядов счетчика относительно друг друга на рисунке не показаны.

Иногда возникает задача деления частоты входного сигнала в произвольное число раз (не в 10 и не в 2ⁿ, что легко обеспечивается самой структурой стандартных счетчиков). В этом случае можно организовать сброс счетчика при достижении им требуемого кода путем введения обратных связей. Например, на рис. 10.16 показан простейший делитель частоты на 9 на основе счетчика ИЕ9.

При достижении выходным кодом счетчика ИЕ5 значения 9 (то есть 1001) он автоматически сбрасывается в нуль по входам R₁ и R₂, и счет начинается снова. В результате частота выходного сигнала в 9 раз меньше частоты входного сигнала. При этом скважность выходного сигнала не равна двум. Временная диаграмма показана на рисунке для первого уровня представления (без учета временных задержек). Если в числе, на которое надо делить частоту, больше двух единиц (например, 15, то есть 1111, или 13, то есть 1101), то для формирования сигнала сброса надо использовать элементы 2И, 3И или 4И, чтобы объединить все выходы, равные единице. В результате можно построить делитель входной частоты в любое число раз от 2 до 2N, где N  число разрядов используемого счетчика. Правда, при организации обратных связей надо учитывать ограничение на быстродействие счетчика. Все разряды, используемые для обратной связи, должны успеть переключиться за один период входного сигнала. Скважность выходного сигнала может принимать в данном случае самые разные значения, например, выходной сигнал может представлять собой очень короткие импульсы.

Б. Синхронные счетчики

Синхронные (или параллельные) счетчики представляют собой наиболее быстродействующую разновидность счетчиков. Наращивание их разрядности при соблюдении определенных условий не приводит к увеличению полной задержки срабатывания. То есть можно считать, что именно синхронные счетчики работают как идеальные счетчики, все разряды которых срабатывают одновременно, параллельно. Задержка срабатывания счетчика в этом случае примерно равна задержке срабатывания одного триггера. Достигается такое быстродействие существенным усложнением внутренней структуры микросхемы.

Вместе с тем недостатком синхронных счетчиков является более сложное управление их работой по сравнению с асинхронными счетчиками и с синхронными счетчиками с асинхронным переносом. Поэтому синхронные счетчики целесообразно применять только в тех случаях, когда действительно требуется очень высокое быстродействие, очень высокая скорость переключения разрядов. Иначе усложнение схемы управления может быть не оправдано.

Временная диаграмма работы синхронного счетчика (рис. 10.17) отличается от временной диаграммы синхронного счетчика с асинхронным переносом способом формирования сигнала переноса, используемого при каскадировании счетчиков для увеличения разрядности. Сигнал переноса CR (от английского "Carry") вырабатывается в данном случае тогда, когда все выходы счетчика устанавливаются в единицу (при прямом счете) или в нуль (при обратном, инверсном, счете). Входной тактовый сигнал в образовании сигнала переноса при этом не участвует.

При каскадировании (совместном включении для увеличения разрядности), например, двух счетчиков тактовые входы С обоих счетчиков объединяются, а сигнал переноса первого счетчика подается на вход разрешения счета (ECT) второго счетчика. В результате второй счетчик будет считать каждый шестнадцатый входной тактовый импульс (так как он будет срабатывать только при переносе от первого счетчика). Выходные сигналы второго счетчика будут переключаться по фронту общего тактового сигнала одновременно с выходными сигналами первого счетчика. Условием правильной работы будет в данном случае следующее: за период тактового сигнала должен успеть выработаться сигнал переноса первого счетчика.

В стандартные серии микросхем входят несколько разновидностей синхронных (параллельных) счетчиков (рис. 10.18).

Различаются синхронные счетчики способом счета (двоичные или двоично-десятичные, реверсивные или не реверсивные) и управляющими сигналами (наличием или отсутствием сигнала сброса). Все счетчики считают по положительному фронту тактового сигнала, все имеют выход переноса CR и входы расширения для каскадирования. Все счетчики имеют возможность параллельной записи информации.

Например, счетчики ИЕ9 и ИЕ10 отличаются друг от друга только тем, что ИЕ9  двоично-десятичный, а ИЕ10  двоичный. Эти микросхемы имеют вход асинхронного сброса , по нулевому уровню на котором все выходы счетчика сбрасываются в нуль. Счет (только прямой) производится по положительному фронту на тактовом входе С. Параллельная запись осуществляется синхронно, по положительному фронту на тактовом входе С при установленном в нуль сигнале разрешения записи . Сигналы ECR ("Enable Carry"  разрешение переноса) и ECT ("Enable Count"  разрешение счета) используются при каскадировании микросхем. Разница между этими сигналами в том, что сигнал ECR не только запрещает счет, как сигнал ECT, но еще и запрещает выработку сигнала переноса CR. Счет идет при единичных сигналах на обоих входах ECT и ECR и при единичном сигнале на входе . Положительный сигнал переноса CR вырабатывается при максимально возможном коде на выходах счетчика (15 для ИЕ10 и 9 для ИЕ9) и при положительном сигнале на входе ECR. Режимы работы счетчиков ИЕ9 и ИЕ10 представлены в табл. 10.13.

Таблица 10.13

Режимы работы счетчиков ИЕ9 и ИЕ10
Входные сигналы					Режим
R	EWR	ECR	ECT	C
0	X	X	X	X	Сброс
1	0	X	X	01	Параллельная запись
1	1	0	X	X	Хранение
1	1	X	0	X	Хранение
1	1	1	1	01	Прямой счет

Счетчики ИЕ12 (двоично-десятичный) и ИЕ13 (двоичный) отличаются от ИЕ9 и ИЕ10 тем, что они реверсивные, то есть допускают как прямой, так и обратный счет. Кроме того, у них несколько другое управление. Считают они также по положительному фронту тактового сигнала С при нулевом уровне на входе разрешения счета ECT. Прямой счет осуществляется при нулевом уровне на входе управления U/D, обратный  при единичном уровне на входе U/D. Переключение уровней на входах U/D и ECT допускается только при положительном сигнале на тактовом входе С. Сброс счетчиков ИЕ12 и ИЕ13 в нуль не предусмотрен, зато имеется возможность асинхронной параллельной записи информации по нулевому уровню сигнала параллельной записи .

Положительный сигнал на выходе параллельного переноса CR появляется при достижении максимального кода (15 для ИЕ13 и 9 для ИЕ12) при прямом счете или при достижении нулевого кода при обратном (инверсном) счете. Имеется также выход последовательного переноса Р, отрицательный импульс на котором вырабатывается при положительном сигнале CR и повторяет отрицательный импульс на тактовом входе С (аналогично рассмотренным ранее счетчикам ИЕ6 и ИЕ7). Режимы работы счетчиков ИЕ12 и ИЕ13 представлены в табл. 10.14.

Таблица 10.14

Режимы работы счетчиков ИЕ12 и ИЕ13
Входные сигналы				Режим
WR	U/D	ECR	C
0	X	X	X	Параллельная запись
1	X	1	X	Хранение
1	0	0	01	Прямой счет
1	1	0	01	Обратный счет

Микросхемы ИЕ16 (двоично-десятичный счетчик) и ИЕ17 (двоичный счетчик) отличаются от рассмотренных синхронной параллельной записью по фронту тактового сигнала С, возможностью прямого и обратного счета и отсутствием сигнала сброса в нуль.

Срабатывают счетчики ИЕ16 и ИЕ17 по положительному фронту тактового сигнала С. При нулевом уровне на входе разрешения записи по фронту сигнала С в счетчик записывается информация со входов данных D₁, D₂, D₄, D₈. При единичном уровне на входе по положительному фронту сигнала С происходит счет. Направление счета определяется входом U/D: при единице на этом входе счет прямой, при нуле  обратный. Имеются два входа расширения: вход разрешения счета и вход разрешения переноса . Различаются эти два входа тем, что сигнал не только запрещает счет, как сигнал , но еще и запрещает выработку сигнала переноса. Переключение уровней на входах U/D, и надо производить только при единичном уровне на тактовом входе С.

Отрицательный сигнал переноса (синхронный) вырабатывается при достижении на выходах счетчика максимального кода (15 для ИЕ7 или 9 для ИЕ16) при прямом счете или нулевого кода при обратном счете.

Режимы работы счетчиков ИЕ16 и ИЕ17 приведены в табл. 10.15.

Таблица 10.15

Режимы работы счетчиков ИЕ16 и ИЕ17
Входные сигналы					Режим
EWR	U/D	ECT	ECR	C
0	X	X	X	01	Параллельная запись
1	1	0	0	01	Прямой счет
1	0	0	0	01	Обратный счет
1	X	1	X	X	Хранение
1	X	X	1	X	Хранение

Возможности применения синхронных (параллельных) счетчиков очень широки. Достаточно сказать, что они без всяких проблем могут заменить во всех схемах как асинхронные (последовательные) счетчики, так и синхронные счетчики с асинхронным (последовательным) переносом. При необходимости достижения максимального быстродействия они имеют большие преимущества по сравнению со всеми другими счетчиками. Их выходной код устанавливается одновременно при любом количестве разрядов без применения дополнительных выходных регистров (которые требовались в случае асинхронных счетчиков и синхронных счетчиков с асинхронным переносом).