Zählwerk

Handzaehler01 clip.jpg betätigtes Zählwerk mit Betätigungshebel und Rückstellschraube]]

Water meter (aka) clip.jpg mit zwei mechanischen Zählwerken: Acht Ziffernrädern und ein Zeiger]]

Odometer.jpg zur Geschwindigkeitsanzeige kombiniert]]

4 bit counter.png 4-Bit Hexadezimalzählwerk mit einer einstelligen Siebensegmentanzeige]]

Ein Zählwerk ist eine Vorrichtung zum Erfassen (und manchmal auch Anzeigen) von Anzahlen und Mengen. Es existieren die beiden Grundtypen Impuls- und Mengenzählwerke. Ein Impulszählwerk zählt Einzelereignisse wie beispielsweise elektrische Impulse. Ein Mengenzählwerk zählt kontinuierliche Größen wie den Kilometerstand eines Fahrzeuges.

Zählkapazität

Die Zählkapazität wird bei allen Zählwerkstypen durch die Anzahl $n$ der kaskadierten Zählstufen und die Anzahl der Ziffern $d$ je Zählstufe nach der Formel

c = d^n

(1)

berechnet. Nach Erreichen des Zählerhöchststandes erfolgt ein Überlauf. Wenn keine besonderen Vorkehrung dagegen getroffen wurden, springt das Zählwerk danach wieder auf Null.

Bauformen

Zählwerke arbeiten mechanisch, elektromechanisch oder elektronisch.

Mechanische Zählwerke

Die ältesten Zählwerktypen arbeiten mechanisch. Bei den Rollenzählwerken wird ein Rad über einen Mechanismus um einen definierten Winkel weitergedreht und rastet in der nächsten Stellung ein. Bei Mengenzählwerken wird das Zählrad über ein Getriebe angetrieben. Das Rad ist mit Ziffern markiert, die durch die Drehung der Reihe nach in einer Anzeige sichtbar werden.

Um größere Anzahlen zu zählen als auf einem Rad untergebracht werden können, werden mehrere Zählwerke hintereinandergeschaltet. Man spricht auch von kaskadieren. Dabei schleppt das erste Rad mit der niederwertigsten Ziffer nach einer vollen Umdrehung das nächsthöherwertige Ziffernrad um eine Stelle weiter, so dass die Zählgröße mit mehreren Ziffern beispielsweise im Dezimalsystem angezeigt werden kann.

Elektromechanische Zählwerke

Elektromechanische Zählwerke sind mechanische Zählwerke mit einem elektrischen Antrieb. Ein elektrischer Impuls aktiviert einen Elektromagneten oder Elektromotor, der das Zählwerk weiterdreht.

Elektronische Zählwerke

Elektronische Zählwerke wie das rechts dargestellte sind immer Impulszähler, da sie digital aufgebaut sind. Sie arbeiten entweder synchron oder asynchron. Sie gehören zu den komplexen Bausteinen digitaler Systeme. Ein Zähler ist daher eine sequentielle Schaltung in der Digitaltechnik zum Zählen von Impulsen. Zu den Merkmalen einer sequentiellen Schaltung gehört ihr Speichervermögen. Das Ausgangssignal wird durch den Takt und die zwischengespeicherten Zustände des Zählers bestimmt.

Die Elementarbausteine eines elektronischen Zählers sind flankengesteuerte Flip-Flops. Zustandsgesteuerte Flip-Flops (Latches) sind ungeeignet. Die einzelnen Ziffern werden im Binärsystem durch den Ausgangszustand der Flip-Flops angezeigt. Die Impulse werden als Spannungssignal an den Takteingang des Zählers gelegt, wodurch dessen Zustand von logisch „0“ auf „1“ oder umgekehrt wechselt. Beim Übergang von „1“ auf „0“ wird ein Übertrag ausgelöst, der den Zustand des nächsthöherwertigen Flip-Flops ändert.

Die Zählkapazität c eines Dualzählers beträgt bei n-Stufen: $c=2^n-1$ . Werden durch zusätzliche Maßnahmen k-Zustände übersprungen, so verbleiben m Zählerzustände: $m=2^n-k$ .

Beispiel: Die Zustandszahl eines synchronen Zählers mit vier Flip-Flops beträgt $m = 2^4-1=15$ . Der Zähler zählt daher von „0“ bis „15“. Die Null gilt als einzelner Zählschritt. Werden durch entsprechende Beschaltung die letzten 6 Zählschritte übersprungen so ergibt sich: $m=2^4-6 = 10$ . Dies entspricht dann einem Zähler von „0“ bis „9“.

Zähler werden in integrierte Schaltkreisen in vielen Varianten hergestellt. Sie besitzen eine integrierte Steuerlogik die es ermöglicht den Baustein der jeweiligen Anwendung anzupassen. So können die Flip-Flops beispielsweise zu Vierergruppen zusammengefasst werden, die nur die Ziffern „0“ bis „9“ darstellen. Diese Vierergruppen können kaskadiert werden, so dass das Zählergebnis direkt im Dezimalsystem erfasst wird. Eine Umwandlung für die Anzeige kann somit entfallen. Man spricht dann auch von Dezimalzählern.

Softwarezählwerke

Mit der fortschreitenden Verlagerung von Funktionen aus speziellen Bauteilen in mikroprozessorbasierte Systeme werden Zählerwerke mehr und mehr durch Programme simuliert. Obwohl Computer auch echte digitale Zählwerke enthalten, werden Softwarezähler durch ein Programm simuliert, wie es hier im Pseudocode notiert ist:

Z

:= 0 Schleife Anfang Warte auf Ereignis

Z

Z + 1

Schleife Ende

Die Variable $Z$ wird am Anfang des Programms auf 0 gesetzt. Die folgenden Anweisungen werden endlos wiederholt: Der Computer wartet auf das Eintreten des zu zählenden Ereignisses. Tritt das Ereignis ein, wird die Variable $Z$ um eins erhöht.

Anwendungen

Zählwerke kommen in vielen alltäglichen technischen Anwendungen vor. Klassische Beispiele für Mengenzähler sind Kilometerzähler in Fahrzeugen. Sie waren bis Ende der 1980er Jahre fast ausnahmslos mechanisch, sind aber mittlerweile in fast allen Fahrzeugtypen elektronisch realisiert. Auch Wasserzähler, Wärmezähler, Stromzähler und Gaszähler sind Mengenzähler.

Impulszähler sind beispielsweise die Gebühreneinheitenzähler an Telefonen. Bis in die 1990er Jahre waren das meist separate elektromechanische Zähler. Heute ist es eine mit Softwarezählern realisierte in die Telekommunikationsanlagen integrierte Funktion.

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