Методика построения цифровых счетчиков импульсов

Следует помнить, что одним из основных узлов цифровых частотомеров является счетчик импульсов (СИ). Для построения СИ применяют счетные триггеры (другое их название: Т–триггер).

Триггер, т.е. устройство с двумя состояниями устойчивого равновесия, способное скачкообразно переходить из одного состояния в другое под действием внешнего сигнала и сохранять это состояние до тех пор, пока другой внешний сигнал не изменит его на противоположное, схематически представлен на рис.4.1,а. Одно состояние триггера единичное ("1"), другое – нулевое ("0").

Он имеет три входа: S, R, Т, а также два выхода: Q и .

Входы S и R установочные, причем по входу S триггер устанавливается в состояние «1», а по входу R – в «0». Вход Т – счетный вход. Выход Q и соответственно прямой и инверсный.

Входные и выходные сигналы триггера могут принимать лишь два значения, или уровня. Один уровень принято называть нулевым, или уровнем логического нуля, а второй уровень – единичным, или уровнем – логической единицы. Жестких ограничений стабильности этих уровней не предъявляется. Так, для триггеров, используемых в макете, уровню логического 0 соответствует потенциал от 0В до +0,4В, а уровню логической 1 – потенциал от + 2,4В до + 5В.

В соответствии с уровнями входных и выходных сигналов за единичное состояние триггера принято такое состояние, при котором на его прямом выходе ( ) будет уровень 1, а на инверсном ( ) – уровень 0. За нулевое состояние триггера принято противоположное его состояние.

На рис. 4.1,б показана работа триггера при подаче импульсов на его счетный вход Т. При появлении каждого очередного импульса триггер меняет свое состояние на противоположное. Изменение состояния триггера происходит по заднему фронту входного импульса, т.е. при изменении уровня входного сигнала с 1 на 0. Это видно из эпюр напряжения на выходах и триггера. После окончания действия каждого импульса триггер сохраняет свое состояние до прихода следующего импульса. Таким образом, он является элементом памяти, запоминающим информацию о пришедшем импульсе и хранящим ее после исчезновения импульса в виде того или иного состояния триггера.

Другими словами, один Т–триггер – это простейший счетчик импульсов с коэффициентом пересчета, равным 2, осуществляющим операцию подсчета числа входных импульсов не более двух. На рис. 4.1,б видно, что одному импульсу будет соответствовать состояние «1» триггера, второму – состояние «0». Далее процесс будет повторяться, так как после второго импульса триггер возвращается в состояние «0», т.е. в исходное состояние.

Для построения СИ, способного подсчитать число импульсов больше двух соединяют последовательно несколько триггеров.

Коэффициент пересчета счетчика, состоящего из n последовательно соединенных триггеров, будет равен 2ⁿ . А так как коэффициент пересчета физически представляет собой число состояний СИ или число входных импульсов, после поступления которых он возвращается в исходное состояние, то максимальное число импульсов, которые СИ может подсчитать, будет равно 2ⁿ.

На рис. 4.2,а изображена схема трехразрядного СИ, а на рис. 4.2,б – временные диаграммы его работы, на которых показаны сигналы на прямых выходах триггеров. Работу СИ можно представить таблицей, отображающей состояния триггеров счетчика в зависимости от числа поступивших на его вход импульсов N_x. В табл. 4.1 представлены состояния триггеров СИ, изображенного на рис. 4.2,а. Таблица построена по временным диаграммам рис. 4.2,б. Из табл. 4.1 и временных диаграмм видно, что после восьми входных импульсов СИ возвращается в исходное состояние, т.е. его коэффициент пересчета равен 2³ = 8.

Из табл. 4.1 видно, что триггерам СИ можно присвоить вес разрядов двоичного кода (см. последнюю строку табл. 4.1). При присвоении таких весов любое число импульсов N_x, поступивших в СИ, может быть найдено по состояниям разрядов (триггеров) как сумма весов тех разрядов, которые находятся в состоянии «1». Поэтому о числе поступивших импульсов на вход СИ судят по состояниям разрядов (триггеров) СИ – двоичного кода числа N_x. Этот код снимается с выходов триггеров СИ (см. рис. 4.2,а).

Таблица 4.1

Nx	Состояние триггеров
Q3	Q2	Q1
Вес	22=4	21=2	20=1

Поэтому СИ является преобразователем входного числоимпульсного кода в выходной двоичный код. Этот код может храниться сколь угодно долго, т.е. СИ обеспечивает запоминание и хранение числа входных импульсов в виде двоичного кода. Такие СИ называются двоичными. Из временных диаграмм работы СИ (см. рис. 4.2,б) видно, что период следования выходных импульсов таков: T₁=2T_вх, T₂=2T₁=4T_вх и т.д. Поэтому каждый триггер – это делитель частоты на 2 или умножитель периода на 2, а СИ – делитель с коэффициентом деления, равным коэффициенту пересчета, т.е. 2ⁿ. Это свойство СИ позволяет использовать триггеры в качестве делителей частоты в цифровых частотомерах и других цифровых приборах. При этом входом делителя частоты является вход СИ, а выходом – выход последнего разряда (триггера) СИ.