Двоичные и десятичные пересчетные схемы

Пересчетной схемой или просто счетчиком называется устройство, служащее для подсчета импульсов. Счетчики подразделяются на параллельные (синхронные) и последовательные (асинхронные). В параллельных двоичных счетчиках основным элементом каждого разряда является триггер со счетным входом, а общий для всех триггеров синхронизирующий сигнал формируется путем объединения сигналов, соответствующих фронтам входных импульсов всех триггерных разрядов. В последовательных счетчиках элементами каждого разряда являются одинаковые статические триггеры, соединенные так, что выход предыдущего триггера является входом последующего триггера, а выходами всего счетчика являются выходы триггеров каждого разряда, образующие двоичное число, равное общему числу импульсов, поступивших на вход счетчика.

Такая схема уже рассматривалась в предыдущем параграфе, но к ней требуется некоторое дополнительное пояснение. Дело в том, что эта схема является статической лишь в конечном счете, когда в ней заканчиваются все переходные процессы. Например, изменение содержания счетчика с 3 на 4 должно пройти в такой последовательности: 011 —>010—" 000 —> 100, что видно из реальной временной диаграммы работы счетчика, учитывающей времена работы триггерных разрядов и сопутствующей каждому разряду схемы, которая приведена на рис. 9.7 (У, = 1, У₂ = 1, У₃ = 0 -> У, = 0, У₂ = 1, У₃ = 0 -> У, = 0, У₂ = 0, У₃ = 0 —> У, = 1, У₂ = 0, У, = 0). Заметим тем не менее, что схема, изображенная на рис. 9.7, хотя и учитывает время реакции на фронты импульса, тоже является в известной степени идеализированной, потому что в реальности импульсы на входах и выходах триггеров не могут быть такой идеальной прямоугольной формы, как та, что показана на этом рисунке.

Рис. 9.7. Временная диаграмма последовательного двоичного триггерного счетчика,

приближенная к реальности Поэтому считывание информации с такого простейшего последовательного счетчика во избежание получения неверных данных должно выполняться только после окончания всех переходных процессов. Однако в схемах промышленной автоматики быстродействие электронной схемы обычно не является лимитирующим фактором, и применение такого простейшего счетчика в сочетании с соответствующими блокирующими считывающими схемами оказывается возможным.

Кроме деления счетчиков на параллельные и последовательные существует также их деление на суммирующие и вычитающие.

Суммирующие счетчики считают в прямом направлении, т. е. после получения ими каждого входного импульса записанное в них число увеличивается на 1. Вычитающие счетчики считают в обратном направлении, т. е. после получения ими каждого входного импульса записанное в них число уменьшается на 1. Практически это осуществляется путем подачи на вход последующего триггера инверсии выхода предыдущего триггера. Сигнал состояния триггера по-прежнему снимается с самого выхода, а не с его инверсии. Так, если в вычитающем счетчике было записано число 011, то после подачи еще одного импульса на его вход в этом счетчике окажется записанным число 010, а не 100, как произошло бы в суммирующем счетчике.

Отдельную группу счетчиков составляют устройства с выходным кодом «1 из я», называемые кольцевыми счетчиками.

Простейшим примером такого рода является сдвиговый регистр, подобный рассмотренным выше. Если в одном разряде он содержит 1, а в остальных — 0, то после подачи каждого входного импульса эта 1 будет сдвигаться к следующему триггеру. Путем соединения выхода триггера последнего разряда с входом первого можно получить «кольцо». Тогда «-разрядный закольцованный регистр считает «по модулю п». Соединение последнего разряда с первым может и не иметь места, но тогда перед каждым циклом счета нужно устанавливать триггеры каждого разряда в начальное положение. Это в некоторой степени усложняет схему, но таким образом не сохраняются, а, наоборот, устраняются случайно возникшие ошибки. Например, через один цикл счета устраняется появление двух единиц в каких-либо разрядах.

При использовании натурального двоичного кода емкость счетчика является вполне определенной величиной и равняется двойке, возведенной в степень, равную числу разрядов этого счетчика. Между тем зачастую необходимо осуществлять счет по модулю, не являющемуся целой степенью двойки, например, по модулю 5. В этом случае говорят об устройствах с вынужденным скачком в коде (укороченных устройствах). Иначе такие устройства называются счетчиками с «принудительным насчетом». В счетных устройствах, использующих естественный двоичный код, число в параллельном коде, изображающее скачок, обычно вводится в младшие разряды, когда выход триггера в старшем разряде равен 1, а триггеры всех остальных разрядов находятся в состоянии 0. Передний фронт импульса, возникающий при переключении триггера старшего разряда с 0 на 1, используется для установки в состояние 1 триггеров тех разрядов, сочетание которых с триггерами других разрядов, оставшихся в нулевом состоянии, изображает заданную величину скачка.

На рис. 9.8 изображена схема последовательного счетчика до 5, реализованного на статических триггерах со счетным входом.

Емкость трех разрядов последовательного двоичного счетчика составляет 8 импульсов. Для счета до 5 величина скачка должна составлять 3 или в двоичном коде 11. Элемент, обозначенный на этом рисунке буквой «д», выполняет функцию формирования короткого импульса, положительного или отрицательного, в ответ на появление или соответственно на исчезновение на его.

входе статического сигнала, т. е. выполняет функцию дифференцирования. Таким элементом может быть, например, электрический конденсатор, включенный последовательно. Два канала, показанные на рис. 9.8, служат для установки двух младших разрядов счетчика в единичное положение при исчезновении.

Рис. 9.8. Схема последовательного счетчика до 5.

Рис. 9.9. Схема последовательного суммирующего десятичного счетчика на статических триггерах.

сигнала (по заднему фронту этого сигнала) на инверсном выходе триггера старшего разряда.

Особое значение в схемах автоматики и управления имеют счетчики емкостью 10. Они называются десятичными или декадными.

Схема последовательного суммирующего десятичного счетчика на статических триггерах, работающего в двоичном коде 8421, приведена на рис. 9.9. В этом счетчике между триггерами 1-го и 2-го разрядов включается элемент конъюнкции, входами которого являются инверсный выход триггера 1-го разряда и выход последнего, 4-го, разряда (он же является выходом Y₄ самого старшего разряда этой декады десятичного счетчика). Выход этого элемента конъюнкции подается на счетный вход триггера 2-го разряда данной декады.

На статических триггерах можно также построить последовательный вычитающий десятичный счетчик, работающий в двоичном коде 8421.

Декады последовательного кольцевого суммирующего десятичного счетчика можно соединять между собой так, чтобы выход старшего разряда предыдущей декады был входом младшего разряда последующей декады. В этом случае в нескольких декадах, связанных между собой таким образом, окажется записанным десятичное число, изображающее общее количество импульсов, поступивших на счетный вход младшего разряда первой декады.

Используя схемы суммирующего и вычитающего счетчиков, можно получить так называемый реверсивный счетчик, т. е. счетчик, способный работать в обоих этих режимах. В каком именно из этих режимов будет работать в данный момент тот или иной реверсивный счетчик, определяется в разных счетчиках двояким образом. В одном случае счетчик имеет один счетный вход и два входа, сигналы на которых определяют, будет ли выполняться режим суммирования или же режим вычитания. В другом варианте счетчик имеет два счетных входа — для суммирования и для вычитания импульсов.