2.4 Синхронные и асинхронные двоичные счетчики.
Двоичные счетчики, состояние триггеров которых изменяется одновременно под воздействием сигнала синхронизации на выходах всех триггеров, получили название синхронных. Схема синхронного счетчика со сквозным переносом на Т-триггерах приведена (См. рис.10), а его условное обозначение (См. рис.11.)
Синхронные счетчики используются в синхронных цифровых системах. Последовательностные цифровые устройства в этих системах обычно зависят друг от друга и управляются от общего источника синхросигналов. В таких условиях нужно, чтобы все триггеры во всех ПЦУ изменяли свое состояние одновременно по сигналу синхронизации, чтобы текущее состояние триггеров использовалось для определения их следующего состояния. Применяемая здесь схема со сквозным переносом легко наращивается простым добавлением схемы И с двумя входами. Однако для определения значения самого правого входа Т n-разрядного счетчика необходимо время, равное времени распространения сигнала через одну схему И, умноженному на п–1.
В асинхронных счетчиках синхронизирующие входы триггеров соединяются с входами соседних триггеров. Поэтому состояние триггера меняется в ответ на изменение состояния соседнего триггера, а не в ответ на воздействие сигнала внешней синхронизации. В асинхронных счетчиках волна изменений состояния распространяется по всей цепочке триггеров, в отличие от синхронных счетчиков, где происходит изменение состояния всех триггеров одновременно.
В триггерах с прямым динамическим входом изменение состояния осуществляется при перепаде уровня от 0 к 1. В асинхронных счетчиках с последовательным переносом вход каждого последующего триггера соединяется с инверсным выходом предыдущего. Сигналы счета поступают на вход Со. С помощью сигнала, поступающего на вход «Уст. 0», счетчик может быть установлен в начальное состояние.
Асинхронные счетчики позволяют обеспечить большую скорость счета. Объясняется это тем, что после переключения первого триггера счетчика на него можно подавать следующий сигнал, не ожидая распространения воздействия от сигнала через весь счетчик. В синхронном счетчике между .сигналами на счетный вход должно проходить время, определяемое переключением одного триггера и установлением значений на всех входах Т. С учетом сказанного можно отметить, что все типы суммирующих, вычитающих, реверсивных счетчиков могут быть реализованы в виде как синхронных, так и асинхронных счетчиков.
2.5 Десятичные счетчики.
На практике возникает потребность в построении счетчиков по произвольному модулю 
с числом двоичных разрядов, выбираемых исходя из условия
.
Это вызывает необходимость исключения лишних состояний в счетчике. Рассмотрим особенности построения таких счетчиков на примере десятичного счетчика.
Для построения счетчика с 
необходимо иметь 4-разрядный двоичный счетчик, число состояний которого следует уменьшить с 16 до 10. Счетная последовательность десятичного счетчика может быть представлена в двоично-кодированном десятичном коде ( 
– 8421), в котором каждая десятичная цифра кодируется 4-разрядным двоичным числом. Счетная последовательность суммирующего десятичного счетчика в этом случае совпадает с двоичной последовательностью от 0000 до 1001, после чего следует 0, и последовательность повторяется. Схема десятичного счетчика на JK-триггерах с входной логикой (См. рис.12.)
Десятичный счетчик представляет собой 4-разрядный двоичный суммирующий счетчик с параллельным переносом, схема которого дополнена обратной связью с выхода 
, на вход J-триггера 2. Кроме того, выход 
соединен со всеми выходами К триггера 4. После приема в счетчик восьми сигналов на его выходах 
установятся соответственно уровни 0001. При этом на вход J-триггера 2 будет подаваться нулевой уровень с выхода 
. С приходом девятого сигнала на выходе 
триггера 1 установится единичный уровень. С приходом десятого сигнала триггер 1и триггер 4 перейдут в нулевое состояние. Триггеры 2 и 3 сохранят нулевое состояние. Десятым сигналом счетчик установится в начальное состояние, и процесс счета будет повторяться. Закон функционирования десятичного счетчика приведен в (табл. 3).
Разница между синхронным и асинхронным счетчиком
В цифровой электронике счетчик представляет собой последовательную логическую схему, состоящую из серии триггеров. Он подсчитывает количество вхождений ввода в терминах переходов с отрицательным или положительным фронтом. Они используются в таких приложениях, как синхронизация событий и измерение частоты, оценка углового положения и продолжительности события. Счетчики очень похожи на регистры, поскольку оба содержат каскадное расположение более одного триггера с или без комбинационных логических устройств. Счетчики в основном используются для подсчета заявок. Счет представляет количество поступивших тактовых импульсов. В зависимости от того, как запускаются триггеры, счетчики можно разделить на две основные категории: синхронные и асинхронные счетчики. В синхронном счетчике все триггеры запускаются одним и тем же тактовым сигналом, тогда как в асинхронном счетчике триггеры запускаются с разными тактовыми сигналами. В отличие от асинхронного счетчика, состояние выходных битов изменяется одновременно в синхронном счетчике без каких-либо колебаний. Давайте посмотрим на различия между ними.
Что такое синхронный счетчик?
В синхронном счетчике, также известном как параллельный счетчик, все триггеры в состоянии счетчика изменяются одновременно в синхронизации с входным тактовым сигналом. Когда счетчик синхронизирован таким образом, что каждый триггер в счетчике запускается одним и тем же тактовым сигналом в одно и то же время, счетчик называется синхронным счетчиком. Он отличается от асинхронных счетчиков тем, что вход импульса счета подключен к тактовым входам всех триггеров. Поскольку все триггеры синхронизируются одновременно, синхронный счетчик с тем же числом и типом триггеров может работать на гораздо более высоких тактовых частотах, чем асинхронные счетчики. Поскольку тактовый сигнал одновременно подается на тактовые входы всех триггеров, между разными выходами нет временной задержки.
Что такое асинхронный счетчик?
Асинхронный счетчик часто называют счетчиком пульсаций. В счетчике пульсаций выход одного триггера приводит в движение другой. Это каскадное расположение триггеров, где выход одного триггера управляет выходом тактовой частоты следующего триггера. Счетчик пульсаций состоит из серии комплиментарных триггеров, где выход каждого триггера соединен с тактовым входом следующего триггера более высокого порядка. Синхронизирующий сигнал напрямую подается только на первый триггер и впоследствии передается с задержкой по времени от одного триггера к другому. Например, выход первого триггера — это тактовый вход второго триггера, а выход второго триггера — тактовый вход третьего триггера и так далее. Из-за задержки распространения счетчики пульсаций обычно медленнее, чем их синхронные аналоги в работе.
Разница между синхронным и асинхронным счетчиком
Вход тактовой частоты
— В синхронном счетчике один и тот же источник используется входом тактовой частоты на всех триггерах, создавая один и тот же сигнал в одно и то же время, что означает, что счетчик синхронизируется таким образом, что каждый триггер в счетчике срабатывает одним и тем же тактовым сигналом одновременно. Напротив, в асинхронном счетчике (также называемом счетчиком пульсаций) только первый триггер синхронизируется внешними часами, которые, в свою очередь, управляют выходом тактовой частоты следующего триггера. В счетчике пульсаций выход одного триггера приводит в движение другой.
операция
— Все триггеры синхронизируются одновременно, поэтому синхронный счетчик с тем же числом и типом триггеров может работать на гораздо более высоких тактовых частотах, чем его асинхронный аналог. Он отличается от асинхронных счетчиков тем, что вход импульса счета подключен к тактовым входам всех триггеров. В асинхронном счетчике не используются общие часы, т. Е. Тактовый вход триггеров не управляется одним и тем же тактовым сигналом. Напротив, в синхронном счетчике каждый триггер запускается общим тактовым импульсом.
Временная задержка
— Поскольку сигнал часов в синхронном счетчике подается на входы часов всех триггеров одновременно, временная задержка между различными выходами отсутствует. Таким образом, нет никакой внутренней задержки распространения в синхронных счетчиках. В асинхронном счетчике тактовый сигнал напрямую подается только на первый триггер и впоследствии передается, что приводит к последующей временной задержке от одного триггера к другому, что в конечном итоге учитывает его низкоскоростную работу по сравнению с синхронным счетчик.
Синхронный и асинхронный счетчик: сравнительная таблица
Резюме
В синхронном счетчике все триггеры запускаются одним и тем же тактовым сигналом, и выходы состояния счетчика изменяются одновременно, поэтому нет никакой внутренней задержки распространения между различными выходами. В асинхронном счетчике, в отличие от синхронных счетчиков, тактовый вход триггеров не запускается одним и тем же тактовым сигналом; фактически вывод одного триггера приводит в движение другой. Это приводит к последующей временной задержке между выходами от одного триггера к другому. Наоборот, нет никакой временной задержки между выходами в синхронном счетчике.
Микросхемы счётчики
Всем доброго времени суток! Сегодня буду рассказывать про счётчики, но не электрические или газовые, а про цифровые микросхемы счётчики. Счётчики являются, как и регистры, производными от триггеров, но в отличие от микросхем регистров, в микросхемах счётчиках связи между триггерами значительно сложнее и в результате функционал их больше, чем регистров.
Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.
Из самого названия данного типа цифровых микросхем понятно, что они занимаются подсчётом импульсов пришедших на их входы. То есть каждый пришедший импульс на вход счётчика увеличивает или уменьшает двоичный код на его выходах. Счётчики могут работать в различных режимах, которые определяется связями внутренних триггеров. Режим, в котором идёт увеличение выходного кода, называют режимом прямого счёта, а если идёт уменьшение выходного кода, то это режим обратного или инверсного счёта. Счётчики предназначены также для преобразования из двоичной системы счисления в десятичную систему, но существуют и другие типы счётчиков, например счётчики-делители, у которых на выходе частота импульсов в некоторое количество раз меньше частоты входных импульсов. Для микросхем счётчиков в стандартных сериях существует специальный суффикс ИЕ, например К555ИЕ19, К155ИЕ2.
Все типы счётчиков можно разделить на три основные группы, которые различаются быстродействием:
- асинхронные (или последовательные) счётчики;
- синхронные счётчики с асинхронным переносом (или параллельные счётчики с последовательным переносом);
- синхронные (или параллельные) счётчики.
Асинхронные счётчики
Данные типы счётчиков состоят из цепочёк JK-триггеров, которые работают в счётном режиме, когда выход предыдущего триггера служит входом для следующего. В такой схеме триггеры включаются последовательно, а, следовательно, и выходы счётчика также переключаются последовательно, один за другим (отсюда второе название асинхронных счётчиков – последовательные счётчики). Так как переключение разрядов происходит с некоторой задержкой, поэтому и сигналы на выходах счётчика появляются не одновременно с входным сигналом и между собой, то есть асинхронно.
Микросхемы асинхронных счётчиков применяются не очень часто, в качестве примера можно привести микросхемы типа ИЕ2 (четырёхразрядный двоично-десятичный счётчик), ИЕ5 (четырёх разрядный двоичный счётчик) и ИЕ19 (сдвоенный четырёхразрядный счётчик).
Асинхронные счётчики: слева направо ИЕ2, ИЕ5, ИЕ19.
Данные типы счётчиков имеют входы сброса в нуль (вход R), вход установки в 9 (вход S у ИЕ2), счётный или тактовый вход (вход С) и выходы, которые могут обозначаться как номера разрядов (0, 1, 2, 4) или как вес каждого разряда (1, 2, 4, 8).
Микросхема К555ИЕ2 относится к двоично-десятичным счётчикам, то есть счёт у неё идет от 1 до 9, а потом выводы обнуляются и счёт идёт сначала. Внутренне данный счётчик состоит из четырёх триггеров, которые разделены на две группы: один триггер (вход С1, выход 1) и три триггера (вход С2, выходы 2, 4, 8). Такая внутренняя организация позволяет значительно расширить применение данного типа микросхемы, например данную микросхему можно использовать в качестве делителя на 2, на 5 или на 10. Счётчик ИЕ2 имеет два входа для сброса в нуль объединенных по И, а так же два входа для установки в 9 тоже объединённых по И.
Для реализации счёта необходимо сбросить счётчик подачей на входы R высокого логического уровня, а на один из входов S сигнал низкого уровня. В таком режиме счётчик будет «обнулён» и последовательный счёт заблокирован. Чтобы восстановить функцию счета необходимо установить на входы R низкий уровень сигнала.
Для организации делителя на 2 необходимо подавать сигнал на С1, а снимать с выхода 1; делитель на 5 подавать сигнал на С2, а снимать с выхода 8; делитель на 10 выход 8 соединяют с С1, сигнал подают на С2, а снимают с выхода 1.
Микросхема К555ИЕ5 представляет собой двоичный счётчик, в отличие от ИЕ2 считает до 16 и сбрасывается в нуль. Также как и ИЕ2 состоит из двух групп триггеров со входами С1 и С2, а выходы 1 и 2,4,8. В отличии от ИЕ2 имеет только два входа сброса в нуль, а входов установки нет.
Микросхема К555ИЕ19 практически идентична двум микросхемам К555ИЕ5 и представляет собой два чётырёхразрядных двоичных счётчика, каждый счётчик имеет свой счётный вход С и вход сброса R. Если объединить выход 8 первого счётчика и вход С второго счётчика, то можно получить восьмиразрядный двоичный счётчик.
Синхронные счётчики с асинхронным переносом
Синхронные счётчики в отличие от асинхронных переключение разрядов идёт без задержки, то есть параллельно. Эта параллельность достигается за счёт более сложной внутренней связи между триггерами. Но также это привело к тому, что управлять данными счётчиками несколько сложнее, чем асинхронными. Зато возможностей у синхронных счётчиков значительно больше. Для увеличения разрядности синхронных счётчиков в данных типах счётчиков используется специальные выходы. От принципа формирования сигнала на этих выходах синхронные счётчики делятся на счётчики с асинхронным (последовательным) переносом и счётчики с синхронным (параллельным) переносом.
Основная суть работы синхронных счётчиков с асинхронным переносом заключается в следующем: переключение разрядов осуществляется одновременно, а сигнал переноса вырабатывается с некоторой задержкой. Быстродействие данных счётчиков выше, чем асинхронных, но ниже чем чисто синхронных. Типичными представителями синхронных счётчиков с асинхронным переносом являются микросхемы К555ИЕ6 и К555ИЕ7.
Синхронные счётчики с асинхронным переносом: слева направо ИЕ6, ИЕ7.
Микросхемы ИЕ6 и ИЕ7 полностью одинаковы различие заключается в том, что ИЕ6 является двоично-десятичным счётчиком, а ИЕ7 – полностью двоичным. Данные счётчики являются реверсивными, то есть могут работать как на увеличения числа, так и на уменьшение, для этого они имеют счётные входы: +1 (увеличение по положительному фронту) и -1 (уменьшение по положительному фронту). Для выхода сигнала переноса при прямом счёте используется выход CR, а при обратном счёте вывод BR. Вход R является входом обнуления счётчика. Также есть возможность предварительной установки выходного кода параллельным переносом с входов D1, D2, D4, D8 при низком логическом уровне на входе WR.
После сброса счётчик начинает считать с нуля, либо с числа, которое установлено параллельным переносом. Двоично-десятичный счётчик считает до десяти, потом обнуляется и вырабатывает сигнал переноса на выходе CR или BR при обратном счёте. Двоичный счётчик же считает до 15 и происходит обнуление.
Синхронные счётчики с асинхронным переносом нашли более широкое применение, чем асинхронные счётчики: делители частоты, подсчёт импульсов, измерение интервалов времени, формировать последовательности импульсов и другое.
Синхронные счётчики
Данные типы счётчиков являются наиболее быстродействующими, однако это обуславливает самое сложное управление среди всех типов счётчиков. Одной из особенностей синхронных счётчиков является то, что сигнал переноса вырабатывается тогда, когда все выходы счётчика устанавливаются в единицу (при прямом счёте) или в нуль (при обратном). Также при включении нескольких счётчиков для увеличения разрядности, тактовые входы С объединяются, а сигнал переноса подается на вход разрешения счёта каждого последующего счётчика.
В серии микросхем входят несколько типов синхронных счётчиков, которые различаются способом счёта (двоичные или двоично-десятичные, реверсивные или нереверсивные) и управляющими сигналами (отсутствие или наличие сигнала сброса). Все счётчики данного типа имеют входы переноса и каскадирования.
Синхронные счётчики: слева направо ИЕ9(ИЕ10) и ИЕ12(ИЕ13).
Микросхемы К555ИЕ9 (ИЕ10) микросхемы различаются способом счёта ИЕ9 – двоично-десятичная, а ИЕ10 – двоичная. Данные микросхемы имеют счётный вход С, вход сброса R в нуль выходных выводов. Имеется возможность предварительной установки при нулевом уровне напряжения на входе разрешения предварительной установи EWR, вход Е0 – разрешение переноса и вход Е1 – разрешения счёта. Сигнал на выходе CR (сигнал переноса) вырабатывается при достижении максимального счёта и высоком уровне на входе Е0. Для работы счётчика должны быть высокие логические уровни на входах EWR, Е0 и Е1.
Микросхемы К555ИЕ12 (ИЕ13) также имеют одинаковое схемотехническое устройство и различаются способом счёта ИЕ12 – двоично-десятичный счётчик, а ИЕ13 – десятичный. Данные типы счётчиков реверсивные и допускают как прямой счёт, установкой нулевого уровня на входе Е0, так и обратный счёт, установкой высокого логического уровня на Е0, в остальном же входные и выходные выводы идентичны ИЕ9 и ИЕ10.
Синхронные счётчики нашли самое широкое применение в цифровых устройствах, так они могут полностью заменить функционал асинхронных и синхронных с асинхронным переносом счётчиков и к тому же имеют самое высокое быстродействие среди счётчиков.
Теория это хорошо, но необходимо отрабатывать это всё практически ПОПРОБЫВАТЬ МОЖНО ЗДЕСЬ
Разница между синхронным и асинхронным счетчиком
Основная классификация счетчиков — это синхронные и асинхронные счетчики. Существенная разница между синхронным и асинхронным счетчиком заключается в способе подачи тактового сигнала на эти цифровые устройства.
Синхронный счетчик — это счетчик, в котором все триггеры синхронизируются одновременно с аналогичным входом синхронизации. Напротив, асинхронный счетчик — это устройство, в котором все триггеры, составляющие этот счетчик, синхронизируются с разными входными сигналами в разные моменты времени.
Что такое счетчик?
Счетчик известен как последовательная логическая схема, которая состоит из триггеров в качестве основного элемента. Это каскадная комбинация нескольких триггеров, на которые подается тактовый импульс (синхронизирующий импульс). Счетчики обычно используются для подсчета импульсов в цифровых схемах, а общее количество отсчетов представляет количество поступивших тактовых импульсов.
В этом разделе вы узнаете о различных факторах, различающих два типа счетчиков.
Сравнительная таблица
| Сравниваемые позиции | Синхронный счетчик | Асинхронный счетчик |
| Также может называться | Параллельный счетчик | Последовательный счетчик |
| Принцип действия | Каждый триггер запускается одним и тем же тактовым сигналом в одно и то же время | Каждый триггер запускается разным тактовым сигналом в разный момент времени |
| Ошибки декодирования | Не производится | Производится |
| Скорость работы | Быстро | Сравнительно медленно |
| Конструкция | Сложная | Простая |
| Задержка распространения сигнала | Очень малая | Сравнительно высокая |
| Последовательность подсчета | Не фиксируемая | Фиксированная |
| Реакция на тактовый сигнал | Каждый триггер меняет свое состояние одновременно | Одновременного изменения состояния всех триггеров с изменением тактового сигнала нет |
| Общее время стабилизации сигнала | Максимальное время установления вне времени установления каждого триггера в конфигурации | Суммирование времени установления каждого отдельного триггера |
| Прямое соединение с триггером | Не существует | Существует |
| Приложения | В системах управления электроприводами, сигнализацией, схемами мультиплексирования и другими устройствами | Счетчик Джонсона, делители частоты и другие устройства |
Определение синхронного счетчика
Синхронный счетчик, также известный как параллельный счетчик, — это счетчик, в котором каждый из составляющих триггеров синхронизируется с одним и тем же входом синхронизации одновременно. По сути, в синхронном счетчике все триггеры в каскадном соединении индивидуально подключены к внешним таймерам. Это облегчает синхронизацию всех триггеров, составляющих счетчик, в один и тот же момент времени с одним и тем же входом таймера. Это означает, что выходной сигнал каждого триггера изменяется синхронно с тактовым импульсом таймера.
Таким образом, общий тактовый сигнал одновременно вызывает изменение состояния каждого отдельного триггера. В результате это приводит к отсутствию эффекта пульсации, поэтому в этом счетчике отсутствует задержка.
Логические элементы используются в синхронных счетчиках для управления последовательностью счета.
Определение асинхронного счетчика
Асинхронный счетчик — это счетчик, также называемый последовательным счетчиком, поскольку здесь триггеры, составляющие счетчик, подключаются последовательно, и входной тактовый импульс подается на первый триггер в схеме. Здесь входной сигнал синхронизации проходит через весь счетчик, поскольку выход первого триггера, который получил тактовый импульс синхронизации, подается на вход следующего триггера в последовательной цепочке.
Далее, таким же образом текущий выход действует как вход таймера для следующего триггера и так далее по цепочке. Из-за этого в асинхронном счетчике синхронизирующий сигнал задерживается на некоторую величину при прохождении через каждый триггер. Следовательно, это приводит к задержке внутри счетчика.
Ключевые различия между синхронным и асинхронным счетчиком
- Синхронный счетчик устроен таким образом, что тактовый сигнал действует одновременно на каждый триггер. Однако асинхронный счетчик работает противоположно, поскольку тактовый сигнал применяется последовательно к каждому из триггеров с неопределенным интервалом времени.
- Ошибки декодирования не возникают в синхронных счетчиках, в то время как асинхронные счетчики могут вызывать ошибки декодирования по той причине, что в асинхронном счетчике выход предыдущего триггера действует как тактовый сигнал для следующего триггера.
- Асинхронные счетчики работают относительно медленнее, чем синхронные счетчики, из-за того, что синхронизирующий сигнал на триггеры, из которых состоит счетчик, не подается одновременно на все элементы.
- Асинхронные счетчики имеют большую задержку распространения сигнала, чем синхронный счетчик, поскольку каждый блок асинхронного счетчика работает после получения входного сигнала от предыдущего. Таким образом, задержка сигнала довольно высока.
- Конструкция и реализация системы более сложны в случае синхронного счетчика, чем асинхронного, поскольку работа каждого триггера должна быть синхронизирована.
- Последовательность счета асинхронного счетчика фиксированная, то есть ВВЕРХ и ВНИЗ. Однако в синхронном счетчике последовательность счета не является фиксированной, поскольку он предназначен для работы в точной последовательности состояний.
Вывод
Таким образом, можно сделать вывод, что синхронный и асинхронный счетчики обладают разными характеристиками, поскольку тактовый сигнал применяется по-разному. Следовательно, они находят применение в различных областях.