Лічильники. 
Логічні елементи, що застосовуються в електронно-обчислювальній техніці

Лічильником називають прилад, призначений для підрахунку числа імпульсів, поданих на вхід. Вони, як і зсувні регістри, складаються з ланцюжка тригерів. Розрядність лічильника, а отже, і число тригерів, визначається максимальним числом, до якого він рахує.

Регістр зсуву можна перетворити в кільцевий лічильник, якщо вихід останнього тригера з'єднати з входом D першого. Схема такого лічильника на N розрядів наведена на рисунку 11.

Рисунок 9 — Послідовний регістр.

Рисунок 10 — Чотирирозрядний зсувний регістр.

Дуже зручні універсальні регістри, що дозволять здійснювати як послідовний, так і паралельний запис і зчитування. Такі регістри можна використовувати як перетворювачі паралельного коду в послідовний і навпаки. Наприклад, мікросхема К555ИР1 (рисунок 10) — чотирирозрядний універсальний зсувний регістр. Регістр працює в режимі зсуву по тактових імпульсах, що надходять на вхід С1, якщо на вході V2 є напруга низького рівня. Вхід V1 служить для введення інформації в перший розряд регістра в цьому режимі. Якщо ж на вході V2 напруга високого рівня, то регістр здійснює паралельний запис інформації із входів D1-D4 по імпульсах синхронізації, що надходять на вхід С2.

Перед початком підрахунку імпульсом початкової установки в нульовий розряд лічильника (Q0) записується логічна 1, в інші розряди — логічні 0. З початком рахунку кожний з лічильних імпульсів Т, що приходять, перезаписує 1 в наступний тригер, і число імпульсів, що надійшли, визначається за номером виходу, на якому є 1. Передостанній (N-1) імпульс переведе в одиничний стан останній тригер, а N-ний імпульс перенесе цей стан на вихід нульового тригера, і підрахунок розпочнеться спочатку. Таким чином, можна побудувати кільцевий лічильник з довільним коефіцієнтом перерахунку (будь-якою основою числення), змінюючи лише число тригерів в ланцюжку.

Недолік такого лічильника — велике число тригерів, необхідних для його побудови. Більш економічні, а тому і більш розповсюджені лічильники, які побудовані на лічильних Т-тригерах. Після кожного тактового імпульсу Т сигнал на вході D змінюється на протилежний і тому частота вихідних імпульсів вдвічі менша частоти імпульсів, що надходять. Зібравши послідовний ланцюжок з n лічильних тригерів (з'єднуючи вихід попереднього тригера із входом С наступного), ми отримаємо частоту. При цьому кожний вхідний імпульс змінює код числа на виході лічильника на 1 в інтервалі від 0 до .

Мікросхема К555ИЕ5 (рисунок 12) містить лічильний тригер (вхід С1) і подільник на вісім (вхід С2), створений трьома з'єднаними послідовно тригерами. Тригери спрацьовують по зрізу вхідного імпульсу (по переходу з 1 в 0). Якщо з'єднати послідовно всі чотири тригери, то одержимо лічильник за модулем 2⁴ = 16. Максимальне число, що зберігається в лічильнику при повному заповненні його одиницями дорівнює N = 2⁴-1 = 15 = (1111)₂. Такий лічильник працює з коефіцієнтом рахунку К (модулем), кратним цілій степені 2, і в ньому відбувається циклічний перебір К = 2ⁿ стійких станів. Лічильник має входи примусової установки в 0.

Рисунок 12 — Лічильник з коефіцієнтом перерахування 16 і його часова діаграма.

Часто потрібні лічильники з числом стійких станів, відмінним від 2ⁿ. Наприклад, в електронних годинниках є мікросхеми з коефіцієнтом рахунку 6 (десятки хвилин), 10 (одиниці хвилин), 7 (дні тижня), 24 (години). Для побудови лічильника з модулем К? 2ⁿ можна використати прилад з n тригерів, для якого виконується умова 2ⁿ>K. Очевидно, такий лічильник може мати зайві стійкі стани (2ⁿ-К). Виключити ці непотрібні стани можна використанням зворотних зв’язків, по колах яких лічильник перемикається в нульовий стан в тому такті роботи, коли він дораховує до числа К.

Для лічильника з К = 10 потрібні чотири тригери (бо 2³<10<2⁴). Лічильник повинен мати десять стійких станів N = 0, 1, …, 8, 9. В тому такті, в якому він повинен був би перейти в одинадцятий стійкий стан (N = 10), його необхідно перевести в вихідний нульовий стан. Для такого лічильника можна використати мікросхему К555ИЕ5 (рисунок 13), ввівши коло зворотного зв’язку з виходу лічильника, відповідних числу 10 (тобто 2 і 8), на входи установки лічильника в 0 (вхід R). В самому початку 11-го стану (число 10) на обох входах елемента і мікросхеми з’являються логічні одиниці (так звана «просічка» на виході «2»), що генерує сигнал переводу всіх тригерів лічильника в нульовий стан.

Рисунок 13 — Двійково-десятковий лічильник і часова діаграма його роботи.

В усіх серіях цифрових мікросхем є лічильники з внутрішньою організацією найбільш «ходових» коефіцієнтів перерахування, наприклад в мікросхемах К555ИЕ2 і К555ИЕ6 К = 10, в мікросхемі К555ИЕ4 К = 2Чб = 12.

Як видно з схем і діаграм (рисунки 11−13), лічильники можуть виконувати функції подільників частоти, тобто приладів, що формують з імпульсної послідовності з частотою f_вх імпульсну послідовність, на виході останнього тригера, з частотою f_вих, в К разів меншу за вхідну. При такому використанні лічильників немає необхідності знати, яке число в ньому записане в поточний момент, тому подільники в деяких випадках можуть бути значно простіші за лічильники. Наприклад, мікросхема К555ИЕ1 — це подільник на 10, а К555ИЕ8 — подільник із змінним коефіцієнтом ділення К = 64/n, де n = 1…63. Крім розглянутих лічильників, що підсумовують, широко застосовують реверсивні лічильники на мікросхемах К555ИЕ6, К555ИЕ7, у яких в залежності від режиму роботи вміст лічильника або збільшується на одиницю (режим додавання), або зменшується на одиницю (режим віднімання) після приходу чергового лічильного імпульсу.

Мікросхема К555ИЕ1 (рисунок 14) — подільник на 10. Установка її тригерів в 0 здійснюється одночасною подачею високого рівня на входи 1 і 2 (елемент І). Лічильні імпульси подають на вхід 8 або 9 (при цьому на іншому вході повинен бути високий рівень), або водночас на обидва входи (елемент і).

Рисунок 14 — Подільник частоти.

У склад мікросхеми К555ИЕ2 (рисунок 15) входять тригер з лічильним входом (вхід С1) і подільник на 5 (вхід С2). При з`єднанні виходу лічильного тригера із входом С2 утвориться двійково-десятковий лічильник (діаграма його роботи аналогічна діаграмі на рисунку 13). Підрахунок відбувається по зрізу імпульсу. Лічильник має входи установки в 0 (R0 з логікою І) і входи установки в 9 (R9 з логікою І).

Рисунок 15 — Двійково-десятковий лічильник.

В мікросхему К555ИЕ4 (рисунок 16) входять лічильний тригер і подільник на 6.

Рисунок 16 — Лічильник на мікросхемі К555ИЕ4 та часова діаграма його роботи.

Мікросхеми К555ИЕ6 і К555ИЕ7 — реверсивні лічильники з попереднім записом; перший із них — двійково-десятковий, другий — чотирирозрядний двійковий. Установка їх в 0 відбувається при високому рівні на вході R. В лічильник можна записати число, двійковий код якого поданий на входи D1-D4 (в К555ИЕ6 від 0 до 9, в К555ИЕ7 від 0 до 15). Для цього на вхід S необхідно подати низький рівень (на входах С1 і С2 — високий рівень, на вході R — низький). Рахування почнеться із записаного числа по імпульсах низького рівня, що подаються на вхід С1 (в режимі додавання) або С2 (в режимі віднімання). інформація на виході змінюється по фронту лічильного імпульсу. При цьому на другому лічильному вході і вході S повинен бути високий рівень, на вході R — низький, а стан входів D байдужий. Водночас з кожним десятим (шістнадцятим) на вході С1 імпульсом на виході Р1 з’являється вихідний імпульс, який його повторює, що може подаватися на вхід наступного лічильника. В режимі віднімання водночас з кожним імпульсом на вході С2, що переводить лічильник в стан 9 (15), на виході Р2 з’являється вихідний імпульс. Часова діаграма роботи лічильника наведена на рис. 18. На діаграмі в режимі паралельного запису (S = 0) було записане число 6 (високий рівень на входах D2 і D3).

Рисунок 17 — Реверсивний лічильник.

Рисунок 18 — Часова діаграма роботи лічильників К555ИЕ6, К555ИЕ7.

Для правильної роботи цих і всіх інших лічильників, виконаних за КМОНтехнологією (серії К164, К176, К564, К561), необхідно після ввімкнення живлення (або після зниження напруги джерела живлення до 3 В) встановлювати їх у вихідний нульовий стан подачею імпульсу високого рівня на вхід R. В протилежному випадку лічильники можуть працювати із випадковими коефіцієнтами перерахування. імпульс скиду після ввімкнення живлення може подаватися автоматично, якщо ввести часозадаюче RC-коло та інвертор (рисунок 19).

Рисунок 19 — Схема скиду лічильника в 0.

Рисунок 20 — Лічильник за модулем 6 (10) з дешифратором та часові діаграми його роботи.

Мікросхеми К176ИЕЗ і К176ИЕ4 (рисунок 1.20) є лічильниками за модулем 6 і 10 з дешифратором, працюючим на семисегментний індикатор. Їхні корпуси однакові, тільки на місці виходу 2 і 6 (виводи 3 і 2) лічильника К176ИЕЗ у десяткового лічильника К176ИЕ4 вихід 4 і 10. Лічильні імпульси подаються на вхід Т. Напруга на виході може бути як в прямому (при С = 0), так і в зворотному (при С = 1) коді, що дозволяє під'єднати до лічильника індикатори із спільним катодом або спільним анодом. Лічильники можна використовувати спільно з рідиннокристалічними індикаторами. У цьому випадку на вхід С подають меандр з частотою f>50 Гц. При послідовному з`єднанні лічильників сигнал знімається з виходу 6 (К176ИЕЗ) або 10 (К176ИЕ4).