Тема 4.2. Счетчики. Распределители.

В данной лекции затронуты следующие вопросы:

Счетчики. Распределители импульсов. Шинные формирователи, использование в интерфейсах. Назначение, классификация, схемы, работа в составе цифровых узлов. Счетчики импульсов: двоичные счетчики с последовательным, параллельным и сквозным переносом. Суммирующие, вычитающие и реверсивные счетчики. Счетчики с произвольным модулем. Реализация счетчиков в элементных базисах.

Счетчики

Общие понятия

Счетчик - это устройство для подсчета числа входных сигналов.

Как операционный элемент счетчик реализует преобразование число- импульсного кода в позиционный по некоторому основанию системы счисления. В ЭВМ счетчики используются для образования последовательности адресов команд, для счета количества циклов выполнения операций и т.д.

С точки зрения теории автоматов, счетчик - это цифровой автомат, внутреннее состояние которого является функцией количества поступивших входных сигналов.

Количество переключающих сигналов, которое надо подать на вход счетчика для того чтобы счетчик вернулся в исходное состояние, равное числу состояний счетчика, называется коэффициентом пересчета или модулем счетчика – К_сч. Счетчик называется двоичным, если К_сч = 2^m, где т - целое число, m> 0, и десятичным, еслиК_сч= 10^p, где р - целое число, р > 0. Счетчики чаще всего строятся на триггерах различных типов, которые являются элементарными счетчиками с модулем 2.

Состояние счетчика в любой момент времени определяется кодом Q, который зафиксирован на его триггерах. Задать правила работы счетчика - значит тем или иным способом определить функцию Q_n, = f(n), при п =0, 1, 2... К_сч, где Qn - состояние счетчика после n -го входного переключающего сигнала, n -номер входного переключающего сигнала. Очевидно, что Qp = Qp + К_сч при любом n.

Любой счетчик с модулем К_сч может быть использован как делитель частоты входных сигналов с коэффициентом деления К_сч.

По порядку изменения состояний могут быть счетчики с естественным и произвольным порядком счета. В первых счетчиках значение кода каждого последующего состояния отличается на 1 от кода предыдущего состояния.

По способу переключения триггеров во время счета счетчики делятся на асинхронные и синхронные. Первые называются еще счетчиками с последовательным переносом, т.к. переход каждого триггера из одного состояния в противоположное происходит последовательно во времени. Входной переключающий сигнал непосредственно воздействует лишь на первый триггер, и каждый триггер вырабатывает переключающий сигнал для следующего соседнего триггера.

Синхронные счетчики называются еще счетчиками с параллельным переносом, т.к. в них входной переключающий сигнал непосредственно воздействует на все триггеры счетчика, что обеспечивает одновременность переходов триггеров.

Асинхронные счетчики

Рис. 4.9. Схема (а) и временные диаграммы (6) двоичного асинхронного суммирующего счетчика

На рис. 4.9, а изображен простейший способ включения триггеров, реализующий последовательный суммирующий счетчик. Показан трехразрядный счетчик с коэффициентом пересчета Ксч = 2³ = 8, Следовательно, после подачи на вход восьми импульсов счетчик возвратится к исходному состоянию. Будем говорить, что подача на вход счетчика числа импульсов, превышающего Ксч -1 (в данном примере 7 ), вызывает переполнение счетчика.

Последовательный характер работы является причиной двух недостатков последовательного счетчика: меньшая скорость счета по сравнению с параллельными счетчиками и возможность появления ложных сигналов на выходе схемы.

Допустимая скорость счета в счетчиках обоих типов определяется максимальной скоростью переключения одного триггера.

Определяя максимальную скорость счета последовательного счетчика, следует учитывать наиболее неблагоприятный случай изменения состояния всех m триггеров. Суммарную продолжительность переходного процесса можно определить как сумму времен запаздывания отдельных элементов, соединяющих триггеры, и времен срабатывания всех триггеров. Найденное таким образом максимальное время перехода счетчика из одного состояния и другое следует считать предельным. Обычно реальное время перехода меньше предельного, так как в ряду последовательно включенных триггеров данный триггер начинает переход из одного состояния в другое еще до окончания переходного процесса в возбуждающем его элементе.

Последовательный характер переходов триггеров счетчика является источником ложных сигналов на его выходах. Например, в счетчике, ведущем счет в четырехразрядном двоичном коде с «весами» 8-4-2-1, при переходе от числа 0111 к числу 1000 на выходе появится следующая последовательность сигналов:

0111 -> 0110 -> 0100 -> 0000 -> 1000.

Это означает, что при переходе из состояния 7 в состояние 8 на выходах счетчика на короткое время появятся состояния 6; 4; 0. Эти дополнительные состояния могут вызвать неправильную работу других устройств.

Синхронные счетчики

С целью уменьшения времени протекания переходных процессов схему, показанную на рис. 4.9, а, можно реализовать в варианте с подачей входных импульсов одновременно на все триггеры. В этом случае каждый триггер вырабатывает для всех последующих лишь сигналы управления, являющиеся логической функцией состояния счетчика и определяющие конкретные триггеры, которые изменяют состояние при данном входном импульсе. Принцип формирования этих сигналов следует из временной диаграммы на рис.4.9, б: триггер меняет состояние при поступлении очередного счетного импульса, если все предыдущие триггеры находились в состоянии 1. Отсюда и следует схема синхронного счетчика, показанная на рис.4.10.

Рис. 4.10 Четырехразрядный синхронный счетчик

Быстродействие счетчика характеризуется разрешающим временем, т.е. минимальным временным интервалом между входными сигналами, при котором счетчик еще правильно функционирует. Максимальная частота счета F_max связана с разрешающим временем Т_разр простым соотношением: F_max = Т ^-1_разр. Очевидно, что быстродействие синхронных счетчиков при прочих равных условиях всегда выше, чем асинхронных.

Интегральные счетчики.

Интегральный двоичный асинхронный счетчик К155И.Е5 (рис.4.11) состоит из счетчика на 2 (триггер T1) и счетчика на 8 (триггеры Т2-Т4), соединение которых исходно отсутствует. Установка " 0" производится, когда на входах R1 и R2 одновременно " 1". Во время работы хотя бы на одном из входов должен быть " 0". Для получения 4-х разрядного счетчика внешней перемычкой соединяют выход Q0 со входом C2.

Десятичные счетчики строят обычно на основе четырехразрядных двоичных счетчиков. Для того чтобы уменьшить К_сч четырехразрядного счетчика с 16 до 10, вводят дополнительные логические связи. При этом в зависимости от вида логической связи одним и тем же десятичным числам в разных счетчиках могут соответствовать различные двоичные кодовые комбинации или, иначе говоря, счетчики работают в различных двоично-десятичных кодах.

Рис. 4.11. Структура счетчика К155ИЕ5

Схема на рис.4.12 соответствует десятичному счетчику К 155 ИЕ 2, работающему в коде 8-4-2-1. Счетчик состоит из счетчика на 2 (триггер TI) и счетчика на 5 (триггеры Т2-Т4), соединение которых исходно отсутствует. Для образования десятичного счетчика выводы Q0 и C2 соединяются между собой. Счетчик имеет входы нетактируемой установки в " 0" (0000) и в " 9" (1001) - выводы R1, R2 и S1, S2. Во время счета хотя 6ы на одной из каждой пары входов должен быть " 0".

Рис. 4.12. Структура счетчика К155ИЕ2

Условные обозначения асинхронных счетчиков К155ИЕ 5, К155ИЕ 2 и синхронных счетчиков К155ИЕ 7 и К155ИЕ 6 показаны на рис.4.13

Рис.4.13. Условные обозначения счетчиков.

К155ИЕ7. интегральный реверсивный двоичный синхронный счетчик имеет два счетных входа: вход суммирования +1 и вход вычитания –1.

Если все триггеры находятся в состоянии " 1", то при приходе импульса на вход суммирования (+1) формируется сигнал " переноса" ( ( 15 ). Импульс на входе (-1), если все триггеры находятся в состоянии " 0", формирует сигнал " заема" ( 0). Эти сигналы используются для увеличения разрядности счетчиков.

К155ИЕ6 –синхронный реверсивный десятичный счетчик, работающий в коде 8-4-2-1. Кроме двоичных реверсивных межтриггерных связей, в счетчике KI55 ИЕ б существуют дополнительные логические цепи, обеспечивающие недвоичный переход от кода 1001 к коду 0000 при суммировании и обратный переход при вычитании.

Сброс счетчиков KI55 ИЕ 6 и К155 ИЕ 7 производится сигналом " 1", подаваемом на вход R Во время счета на этом выводе должен быть " 0".

В обоих счетчиках триггеры имеют входы предварительной установки D, тактируемые потенциалом. В режиме счета сигнал на входе С (вывод 11) равен " 1", цепи предустановки отключены. Если на входе С " 0", то триггеры устанавливаются в состояния, соответствующие сигналам, поданным на входы D0, D1, D2, D3. Естественно, что сигнал переноса в счетчике К 155 ИЕ 6 возникает на выходе ( 9) при состоянии счетчика 1001 и поступлении следующего счетного импульса.

⇐ Предыдущая 3 4 5 6 7 8 91011 12 Следующая ⇒