Счетчики с обратным отсчетом
Работа делителя частоты
Счетчикамив цифровой технике называются специальные элементы, позволяющие подсчитывать число поступивших на вход импульсов. Понятие «счетчик импульсов» тесно связано с понятием «делитель частоты». По сути дела, это одно и то же устройство. Но рассмотрим все по порядку.
В качестве простейшего делителя частотыможет выступать рассмотренный в предыдущей темеJK-триггер (см. рис. 1.19).Для того, чтобы этот триггер работал как делитель, нужно на оба входа J и К подать высокий логический уровень. Теперь, если на вход С подать импульсный сигнал некоторой постоянной частоты, то по спаду каждого входного импульса триггер будет переключаться в противоположное состояние.
В результате на выходе JK-триггера мы получим другой сигнал с частотой следования импульсов в два раза меньшей, чем частота импульсов на его входе. Этот процесс наглядно показан на рис. 1.20.Как видно из рисунка, период сигнала на выходе делителя ровно в два раза больше периода входного сигнала. А частота выходного сигнала, соответственно, в два раза ниже входного.
Второй вариант делителя частоты приведен на рис. 1.21. Он построен на основе D-триггера. Для того, чтобы перевести D-триггер в счетный режим, нужно соединить инверсный выход триггера 
с его D-входом так, как это показано на рис. 1.21. Теперь, если подать сигнал на вход С, такая схема тоже будет работать как делитель. Выходной сигнал такого делителя снимается с выхода Q триггера.
Рассмотрим подробнее работу этой схемы. Предположим, что после включения триггер установился в единичное состояние. Это означает, что на инверсном выходе триггера ( ) присутствует логический ноль. Этот ноль поступает на D-вход. Подадим на вход делителя некоторый цифровой сигнал, такой же, как мы подавали и в предыдущем случае (см. рис. 1.20).
По спаду первого входного импульса D-триггер перейдет в нулевое состояние, так как на его D-входе сигнал логического нуля. После этого на инверсном выходе триггера устанавливается логическая единица. Поэтому по спаду следующего входного импульса триггер переключится в единичное состояние. И так далее.
Результат работы делителя на D-триггере точно такой же, как и делителя на JK-триггере, и выходной сигнал нового варианта так же полностью соответствует рис. 1.20. Следует заметить, что в настоящее время JK-триггеры применяются довольно редко. Гораздо большее распространение благодаря своей простоте и универсальности получили D-триггеры.
Делители широко используются в цифровой технике. Цепочка последовательно соединенных D-триггеров позволяет получить сигналы требуемой частоты путем деления импульсов задающего генератора.
Пример.
Соединенные последовательно два делителя позволят получить сигнал с частотой в четыре раза меньшей, чем входная. Трехкаскадный делитель (три последовательно соединенных D-триггера) дадут деление на восемь. Четыре каскада будут делить на шестнадцать. И так далее.
На рис.1.22 изображена схема четырехкаскадного делителя частоты на D-триггерах. Импульсы тактового генератора поступают на вход первого каскада деления. Если частота сигнала на входе равна f, то на выходах делителя мы получим сигналы со следующими частотами:
Q0 — f/2; Q1 — f/4; Q2 — f/8; Q3 — f/16.
Счетчики прямого счета
Приведенную на рис. 1.22 схему можно использовать не только в качестве делителя частоты, но и в качестве счетчика входных импульсов. Представьте, что выходы Q0—Q3 — это разряды некоторого двоичного числа. Выход Q0 — это младший разряд, а выход Q3 — самый старший.
Предположим, что перед началом счета все четыре триггера установлены в нулевое состояние. На вход схемы поступает некоторое количество импульсов. Входящие в схему триггеры будут переключаться согласно описанному выше алгоритму. Состояние триггеров в процессе счета показано в табл. 1.1. Как видно из таблицы, после прихода первого входного импульса триггер DO переходит в единичное состояние. После прихода второго импульса DO возвращается в ноль, зато в единичное состояние переходит D1.
Дальнейшее поведение всех четырех триггеров хорошо видно из таблицы. А теперь внимательно посмотрите, что у нас получилось. Если воспринимать совокупность цифровых сигналов на выходах счетчика как четырехразрядное двоичное число, то мы видим перед собой последовательность чисел от 0000 до 1111. Десятичный эквивалент этих чисел показан в правой крайней колонке табл. 1.1.
Итак, перед началом счета на выходе делителя — ноль. После прохождения первого импульса на выходе — единица, после второго — два, и так далее. Каждый входной импульс увеличивает значение двоичногочисла на выходе счетчика на одну единицу. Поэтому в любой момент времени счетчик содержит число, равное количеству импульсов, пришедших к этому моменту на его вход.
Максимальное число импульсов, которое может посчитать счетчик, схема которого изображена на рис. 1.22, — это 16. После прихода шестнадцатого импульса счетчик вернется в нулевое состояние. Счетчики широко применяются в цифровой технике в том случае, когда необходимо подсчитать количество каких-либо импульсов. Причем совсем необязательно, чтобы входные импульсы поступали равномерно с постоянным периодом. Это могут быть одиночные импульсы. Например, импульсы с какого-нибудь датчика, кнопки и т. п.
Счетчики с обратным отсчетом
Кроме счетчиков прямого отсчета, к которым относится схема, изображенная на рис. 1.22, существуют счетчики с обратным отсчетом (иногда такой счетчик называют инверсным). В таком счетчике при поступлении каждого входного импульса содержимое уменьшается на единицу. Кроме того, бывают задачи, для которых требуются универсальные счетчики, которые могут считать как в прямом, так и в инверсном направлении. Если задаваться задачей построения таких счетчиков на отдельных триггерах и логических элементах, то мы получим довольно сложную схему. На практике используют специальные микросхемы — счетчики импульсов. Современная промышленность предлагает большой ассортимент таких микросхем. На рис. 1.23 изображена микросхема К555ИЕ7. Это одна из микросхем 555 серии, которая широко выпускалась в свое время в СССР, и сейчас ее можно свободно найти в продаже на радиорынках.
Микросхема 555ИЕ7 — это реверсивный четырехразрядный счетчик/делитель с возможностью предустановки. Он имеет два счетных входа, обозначенных как «+1» и «-1». По спаду каждого импульса на входе «+1» содержимое счетчика увеличивается на единицу. По спаду каждого импульса на входе 4-1» содержимое счетчика уменьшается на единицу. Счетчик имеет прямые выходы всех своих разрядов: Q0—Q3. Вход сброса 
служит для установки всех разрядов счетчика в нулевое состояние.
Еще одно полезное свойство описываемого счетчика — это наличие режима предустановки. Используя этот режим, можно в любой момент записать во все разряды счетчика любое четырехразрядное двоичное число. Для этого счетчик имеет несколько дополнительных входов. Во-первых, это входы данных D0—D3. А, во вторых, это вход преду становки РЕ. Предустановка счетчика осуществляется следующим образом. Сначала на входы D0—D3 подается код, который требуется записать в разряды счетчика. Затем на вход РЕ подается сигнал низкого логического уровня. По этому сигналу код, установленный на входах DO—D3, запишется в счетчик и тут же появится на его выходах Q0—Q3. Дальнейший счет импульсов будет производиться уже от этого нового значения.
Выходы «>15» и «<0» — это выходы переполнения.Они используются при последовательном соединении нескольких таких счетчиков. В процессе счета уровень сигнала на обоих этих выходах равен единице. На выходе «>15» логический ноль появляется в том случае, если в процессе прямого счета содержимое счетчика достигнет своего максимального значения 11112, и на вход «+1» поступит очередной счетный импульс. Выход «<0» работает аналогично, но при обратном счете. Сигнал логического нуля появляется на этом выходе в тот момент, когда счетчик досчитает до своего нижнего предела — 00002, и на вход «-1» поступит очередной счетный импульс.
При последовательном соединении двух счетчиков выходы «>15» и «<0» первого счетчика соединяется соответственно с входами «+1» и «-1» второго. В результате, соединив последовательно два таких счетчика, мы получим восьмиразрядный реверсивный счетчик, который также будет иметь возможность предустановки. Таким способом можно соединять последовательно любое количество счетчиков 555ИЕ7.
Одно из применений микросхемы 555ИЕ7 — построение делителей с переменным коэффициентом деления. Простой делитель частоты, рассмотренный в начале этой темы,дает фиксированный набор коэффициентов деления, который к тому же можно выбирать лишь из ограниченного ряда значений, являющихся степенью числа 2.