Глава 7. Счетчики.

Теперь рассмотрим еще одно применения D-триггера – построение на их основе счетчиков импульсов и делителей частоты. Без понимания работы этих устройств, тему нашей книги раскрыть не возможно. Взгляните на схему, на рис. 19. На ней изображен уже знакомый нам D-триггер. Он включенный по схеме делителя частоты.

Рис. 19.

Рассмотрим принцип работы схемы. На вход схемы подается периодическая последовательность импульсов (см. рис. 20). На выходе мы получаем импульсы с частотой, вдвое меньшей, чем на входе. Как же это происходит. Предположим, что в первый момент времени триггер находится в нулевом состоянии. То есть на выходе Q сигнал логического нуля, а на выходе

Q –сигнал логической единицы. Из схемы видно, что на D вход триггера приходит высокий логический уровень. От сюда следует, что по спаду первого же импульса на входе С, триггер установится в единичное состояние. При этом на выходе Q установится сигнал лог. 1, а на выходе Q – сигнал лог. 0. На D-входе сигнал лог. 1 сменится на лог 0.

Рис. 20.

Очевидно, что по спаду следующего входного сигнала триггер перейдет в первоначальное нулевое состояние. На рис. 20 изображены временные диаграммы описываемого процесса. Из рисунка видно, что частота выходного сигнала ровно в два раза ниже частоты входного.

Делители широко используются в цифровой технике. Цепочка последовательно соединенных D-триггеров, позволяет получить сигналы, требуемой частоты, путем деления импульсов задающего генератора. Например, соединенные последовательно два делителя, позволят получить сигнал с частотой в четыре раза меньшей, чем входная. Три делителя дадут деление на восемь. Четыре – на шестнадцать. И так далее. На рис. 21 изображен четырехкаскадный делитель частоты на D-триггерах.

Рис. 21.

Импульсы тактового генератора поступают на вход первого каскада деления. Выход первого каскада подключен ко входу второго и т. д. Такую цепочку D-триггеров можно представить и как параллельный регистр с выходам Q0…Q3. Предположим, что в начальный момент все триггера установлены в нулевое состояние. Это значит, что на выходах Q0-Q3 будет присутствовать двоичное число 0000₂. После поступления на вход схемы первого импульса первый триггер перейдет в единичное состояние. При этом на выходах Q0-Q3 установится 0001₂. Следующий входной импульс переведет триггер D0 в нулевое состояние. Однако спад выходного импульса этого триггера переведет триггер D1 в единичное состояние. В результате на выходах Q0-Q3 установится число 0010₂. Далее сигналы на выходах Q0-Q3 будут принимать следующие значения: 0011₂, 0100₂, 0101₂ и так далее, пока не примет значение 1111₂. Не трудно заметить, что в процессе работы схемы на ее выходах происходит последовательный перебор чисел в двоичной системе исчисления от 0 до максимально возможной. Причем каждый входной импульс увеличивает это число ровно на единицу. В десятичном выражении на выходе счетчика последовательно будут устанавливаться: 0, 1, 2, 3, 4 … 15. По этому много разрядные схемы делителей частоты называют еще счетчиками импульсов. И действительно, если после сброса счетчика, на его вход придет, например, пять входных импульсов, то после этого счетчик установится в такое состояние, что на его выходах будет присутствовать число пять (в двоичном коде).

Число 15 – это максимальное число, которое может хранить четырехразрядный счетчик. Если такой счетчик досчитал до пятнадцати, то следующий тактовый импульс установит его в нулевое состояние и счет начнется сначала.

Рис. 22.

Счетчики, в которых от каждого тактового импульса происходит увеличение его содержимого на единицу, называются счетчиками с прямым счетом. Существуют счетчики с обратным счетом. В них по саду входного импульса происходит уменьшение содержимого счетчика на единицу.

Промышленность выпускает специальные микросхемы – делители частоты. На рисунке 22 изображена микросхема 155ИЕ7. Это реверсивный счетчик-делитель на 16 с возможностью предустановки. Входы «+1» и «-1» - это счетные входы. По спаду каждого импульса на входе «+1» содержимое счетчика увеличивается на единицу. По спаду каждого импульса на входе «-1» содержимое счетчика уменьшается на единицу. Содержимое счетчика мы можем снять с выходов Q0-Q3. Это информационные выходы счетчика. Вход R служит для сброса, то есть для установки счетчика в нулевое состояние. ВходD0…D3 и вход PE – это входы предустановки счетчика. Если на вход

PE подать сигнал низкого логического уровня, то код, установленный на входа D0…D3 запишется в счетчик и тут же появится на выхода Q0…Q3. Дальнейший счет будет происходить уже от этого кода. Выходы «≥15» и «≤0» - это так называемые выходы переполнения. Они используются для последовательного соединения нескольких таких счетчиков. По другому, это называется каскадное соединение. Большую часть времени на обоих выходах переполнения присутствует сигнал лог 1. Он сменяется на лог. 0 лишь в момент переполнения счетчика. На выходе «≥15» появляется сигнал лог. 0 тогда, когда содержимое счетчика достигнет значения 1111₂ (при прямом счете). А на выходе «≤0» сигнал лог. 0 появляется в тот момент, когда счетчик досчитает до 0000₂ (обратный счет). При каскадном включении двух или более счетчиков, выход «≥15» первого счетчика соединяется с входом «+1» последующего. А выхода «≤0» первого соединяется с входом «-1» последующего.

Рис. 23.

В микропроцессорной технике часто требуется делить частоту на произвольный коэффициент деления. Причем зачастую этот коэффициент нужно определять программно. Для этого используются делители с переменным коэффициентом деления. На рис. 23 изображена схема делителя с программируемым коэффициентом деления. Она собрана на основе реверсивного счетчика (см. рис. 22). Регистр D1 используется для хранения коэффициента деления. Предполагается, что этот регистр подключен к микропроцессорной системе как порт вывода. Процессор, работая по своей программе, записывает в этот регистр некое число. Число, записанное в регистр D1, появляется на его выходах Q0…Q3. Реверсивный счетчик работает в режиме обратного счета. Это значит, что от каждого тактового импульса содержимое счетчика уменьшается на единицу. В какой то момент оно становится равным нулю. В результате на выходе «≤0» счетчика D1 появится сигнал лог. 0. Этот сигнал поступит на вход

PE того же счетчика и вызовет запись в счетчик числа, присутствующего на выходе регистра. Далее счетчик продолжит счет от этого числа. Допустим, что в регистр было записано число 10 (1010₂). Начнем рассмотрение процесса деления с момента, когда по спаду сигнала на выходе «≤0» в счетчик запишется число из регистра. В нашем случае из регистра в счетчик запишется число 10. Затем продолжится счет. Каждый тактовый импульс на входе счетчика уменьшит его содержимое на единицу. После прохождения десяти тактовых импульсов содержимое счетчика станет равным нулю. На выходе «≤0» снова появится импульс переполнения, который опять запишет в счетчик число 10. В результате на выход схемы будет проходить только каждый десятый импульс.

Если в регистр D1 записать другое число, то коэффициент пересчета счетчика изменится. В микропроцессорных  системах довольно часто используются счетчики с переменным коэффициентом деления. Правда, они создаются по более сложным схемам. Такие счетчики имеют обычно не менее 16 разрядов и умеют не только делить частоту, но и отсчитывать заданные промежутки времени. Для того, что бы счетчик отсчитывал заданные промежутки времени, на его вход подаются тактовые импульсы заданной частоты. Отсчитав, например, двадцать импульсов при периоде входного сигнала в 1 секунду, мы получим период времени длительностью в 20 секунд. Счетчики, служащие для формирования временных интервалов, называются таймерами.

Существуют отдельные микросхемы – программируемые таймеры. Например, микросхема К580ВИ53 – это универсальный программируемый таймер. Она входит в микропроцессорный комплект 580 серии и содержит три программируемых канала. Микроконтроллер AT89C2051, на основе которого собрана схема позиционера спутниковой антенны, имеет два встроенных таймера/счетчика, что позволяет обойтись без внешних устройств для формирования различных временных интервалов. В позиционере используются оба встроенных таймера. Один из них формирует тактовую частоту для работы системы динамической индикации дисплея позиционера. Второй формирует интервалы времени в подпрограмме приема команд с пульта дистанционного управления.