ГЛАВА 12. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СЧЕТЧИКИ.

Счётчики. Назначение и принцип действия счётчика

Счетчиком называют устройство, сигналы на выходе которого в определенном коде отображают число импульсов, поступивших на счетный вход. При входном сигнале, имеющем форму последовательности импульсов, счётчик ведёт счёт поступающих на вход импульсов. Числа в счётчике представляются некоторыми комбинациями состояний триггеров. Триггер Т - типа может служить примером простейшего счетчика. Такой счетчик считает до двух. При поступлении на вход очередного уровня логическая единица в счётчике устанавливается новая комбинация состояний триггеров, соответствующая числу на единицу, большему предыдущего числа. Счётчик представляет собой логическое устройство последовательного типа, в котором новое состояние определяется предыдущим состоянием и значением логической переменной на входе, для представления чисел в счётчике могут использоваться двоичная и десятичная система счисления.

Каждый из триггеров такой цепочки называют разрядом счетчика. Информация снимается с прямых и (или) инверсных выходов всех триггеров. В паузах между входными импульсами триггеры сохраняют свои состояния, т.е. счетчик запоминает число сосчитанных импульсов. Нулевое состояние всех триггеров принимается за нулевое состояние счетчика в целом. Остальные состояния нумеруются по числу поступивших входных импульсов.

При использовании двоичной системы, состояния триггеров и соответствующие им логические уровни на прямых выходах определяют цифры двоичных разрядов числа. Если для регистрации двоичного числа в счётчике используется n-триггеров, то максимальное значение числа, до которого может вестись счёт, определяется по формуле .

Символом счетчиков на схемах служат буквы СТ. Если требуется, после символа проставляют число, характеризующее модуль счета (например, 2 или 10).

При использовании десятичной системы счисления цифры разрядов десятичного числа в счётчике представляются в четырёх разрядной двоичной форме. Для представления цифр каждого разряда десятичного числа (каждой декады) требуется по четыре триггера. Если число десятичных разрядов k, то число триггеров, необходимое для регистрации чисел в счётчике, равно 4k, а максимальное значение чисел равно n=10^k– 1.

Наряду с суммирующими счётчиками, в которых в процессе счёта каждое очередное число в счётчике на единицу превышает предыдущее, используются счётчики, в которых в процессе счёта число убывает, эти счётчики называют вычитающими. Так же есть счётчики, которые допускают в процессе работы автоматическое переключение (реверс) из режима суммирующего счётчика в режим вычитающего счётчика и наоборот, такие счётчики называются реверсивными. Для построения счётчиков могут использоваться любые типы триггеров, на которых может быть организован счётный вход.

Основные эксплуатационные показатели

Основными эксплуатационными показателями счетчика являются емкость и быстродействие. Емкость счетчика, численно равная коэффициенту счета, характеризует число импульсов, доступное счету за один цикл.

Быстродействие счетчика определяется двумя параметрами: разрешающей способностью t_раз.сч и временем установки кода счетчика t_уст. Под разрешающей способностью подразумевают минимальное время между двумя входными сигналами, в течение которого еще не возникают сбои в работе.

Обратная величина f_макс=1/t_раз.сч называется максимальной частотой счета. Время установки кода t_уст равно времени между моментом поступления входного сигнала и переходом счетчика в новое устойчивое состояние. Временные свойства зависят от временных характеристик триггеров и способа их соединения между собой. В схемном отношении счетчики различаются числом и типами триггеров, способами связи между ними, кодом, организацией счета и другими показателями.

Классификация счетчиков

Цифровые счетчики классифицируются следующим образом:

– по коэффициенту (модулю счета):

· двоичные (бинарные);

· двоично-десятичные (декадные);

· с другим основанием счета;

· с произвольным постоянным модулем;

· с переменным модулем;

– по направлению счета:

· суммирующие;

· вычитающие;

· реверсивные;

– по способу организации внутренних связей:

· с последовательным переносом;

· с комбинированным переносом;

· с параллельным переносом;

· кольцевые.

Классификационные признаки независимы и могут встречаться в разных сочетаниях: суммирующие счетчики бывают как с последовательным, так и с параллельным переносом, и могут иметь двоичный, десятичный или иной коэффициент счета.

Для двоичного счетчика, зная номера триггеров и состояния выходов Q, можно определить записанное в счетчик двоичное число М=Q_m´ 2⁽^m^-1)+Q_m_–1´ 2⁽^m^-2)+...+Q₁´ 2⁰, где m – номер триггера; 2⁰ – вес первого (младшего разряда); 2¹ – второго, ...; 2⁽^m^-1) – вес m-го разряда.

Введением дополнительных логических связей – обратных и прямых – двоичные счетчики могут быть обращены в недвоичные. Наибольшее распространение получили десятичные (декадные) счетчики, работающие с привычным К_сч=10. Десятичный счет осуществляется в двоично-десятичном коде (двоичный – по коду счета, десятичный – по числу состояний).

Десятичные счетчики организуются из четырех разрядных двоичных счетчиков. Избыточные шесть состояний исключаются введением дополнительных связей.

В суммирующем счетчике каждый входной импульс увеличивает число, записанное в счетчик на единицу. Перенос информации из одного разряда в другой, более высокий, имеет место, когда происходит смена состояний с 1 на 0. Вычитающий счетчик действует обратным образом: двоичное число, хранящееся в счетчике, с каждым поступлением импульса уменьшается на единицу. Переполнение вычитающего счетчика происходит после достижения им нулевого состояния. Перенос из младшего разряда в старший здесь имеет место при смене состояния младшего разряда с 0 на 1.

Реверсивный счетчик может работать в качестве суммирующего и вычитающего. Эти счетчики имеют дополнительные входы для задания направления счета. Режим работы определяется управляющими сигналами на этих входах.

Когда счетчик используется в качестве делителя, направление счета не играет роли. Счетчики с последовательным переносом представляют собой цепочку триггеров, в которой импульсы, подлежащие счету, поступают на вход первого триггера, а сигнал переноса передается последовательно от одного разряда к другому. В этих счетчиках используются асинхронные Т - триггеры с прямым либо инверсным управлением, а также JK - и D - триггеры в счетном режиме.

Главное достоинство счетчиков с последовательным переносом – простота схемы. Увеличение разрядности (наращивания) осуществляется подключением нужного числа триггеров к выходу последнего триггера. Поскольку входные сигналы поступают на вход только первого триггера, такой счетчик мало нагружает предшествующий каскад. Основной недостаток счетчиков с последовательным переносом – сравнительно низкое быстродействие, поскольку триггеры здесь срабатывают последовательно, один за другим. Второй недостаток, обусловленный этой же причиной, состоит в том, что из-за накопления временных сдвигов в разрядах на выходах дешифраторов таких счетчиков могут появляться кратковременные ложные импульсы, особенно заметные на высоких частотах. Максимальная частота счета определяется режимом работы. Если считывание состояния счетчика должно происходить после каждого входного импульса, как это имеет место, например, при счете до заданного числа, то максимальная частота счета f_макс=1/[(m–1)t_зд.п+t_с], где m–число разрядов; t_зд.п.–задержка переключения одного триггера; t_с–время срабатывания внешнего элемента или считывающей схемы. Эта формула справедлива для триггеров, образующих счетчик, максимальная частота переключений F_{сч.макс}> f_макс.

Счетчики с параллельным переносом состоят из синхронных триггеров. Счетные импульсы подаются одновременно на все тактовые входы, а каждый из триггеров цепочки служит по отношению к последующим только источником информационных сигналов. Срабатывание триггеров параллельного счетчика происходит синхронно, и задержка переключения всего счетчика равна задержке для одного триггера. В таких счетчиках используются JK - и D - триггеры, часто с логическими элементами. В схемном отношении они сложнее счетчиков с последовательным переносом. Число разрядов у этих счетчиков обычно невелико (4-6), поскольку с повышением числа разрядов число внутренних логических связей быстро растет. Счетчики с параллельным переносом широко применяются в быстродействующих устройствах. Они обладают также более высокой помехоустойчивостью, так как в паузах между импульсами триггеры счетчика блокированы. К их недостаткам следует отнести меньшую нагрузочную способность отдельных разрядов из-за дополнительной нагрузки внутренними связями. Каскад, предшествующий счетчику, должен иметь достаточную мощность, чтобы управлять входами, включенными параллельно.

В счетчике с параллельно-последовательным переносом триггеры объединены в группы так, что отдельные группы образуют счетчики с параллельным переносом, а другие соединяются с последовательным переносом. В роли групп могут быть и готовые счетчики. Счетчики этого типа многоразрядные. Общий коэффициент счета здесь равен произведению коэффициентов счета всех групп. По быстродействию они занимают промежуточное положение. Для деления частоты группы можно соединить не только последовательно, но и параллельно. Сигналы на выходе такой схемы будут появляться только тогда, когда на всех входах логического элемента совпадут сигналы от предшествующих блоков. Коэффициент деления в этом случае есть минимальное целое число, которое делит без остатка на коэффициент деления. Находится он как произведение отдельных коэффициентов деления при условии, что все они являются взаимно простыми числами, т.е. не имеют общих делителей. Если это условие не удовлетворяется, коэффициент деления становится меньше на величину общего делителя.

В качестве счетчиков такие схемы не применяются. Быстродействие счетчиков с параллельным соединением групп выше, чем с последовательным. При последовательно-параллельном включении отдельных делителей общий коэффициент деления определяется произведением К_дел=К_посл´ К_{паралл.}

Номенклатуру счетчиков отличает большое разнообразие. Многие из них обладают универсальными свойствами и позволяют управлять коэффициентом и направлением счета, вводить до начала цикла исходное число, прекращать по команде счет, наращивать число разрядов и т.п.

Сравнительно просто синтезировать счетчики-делители – суммирующие и вычитающие – с последовательным переносом в коде 8421. Такой счетчик с коэффициентом счета К_сч=2^m представляет собой последовательную цепочку из m триггеров с прямым или инверсным управлением. С помощью дополнительного логического элемента можно изменять коэффициент счета (деления) в пределах 2⁽^m^–1)< K_сч< 2^m, для чего входы логического элемента подключаются к выходам определенных триггеров, а его выход – ко входам R, а иногда ко входам S.

Проектирование счетчика

Проектирование счетчика сводится к определению числа триггеров, виду логического элемента, организации связей между триггерами и логическими элементами, а также вычислению разрешающей способности счетчика (максимальной частоте счета). Для построения счетчика с требуемым коэффициентом пересчета М, отличным от величины 2^N (N – число двоичных разрядов счетчика), используется принудительный сброс счетчика в исходное состояние при достижении счетчиком числа М. Синтез таких устройств рассмотрим на примере суммирующего счетчика делителя. Описываемый метод применим и для готовых счетчиков (делителей) в интегральном исполнении, имеющих самостоятельные входы установки в нулевое состояние, например, К155ИЕ5, К155ИЕ2, К561ИЕ10. Первым шагом синтеза является пересчет заданного коэффициента счета (деления) в двоичный код. Число разрядов двоичного числа показывает, сколько триггеров должен иметь счетчик, а число единиц определяет число входов логического элемента. Входы элемента подключаются к прямым выходам Q тех триггеров, которые соответствуют единицам двоичного числа. Следует только учитывать, во избежание ошибок, что первый – входной – триггер отображает последний – младший – разряд числа. Выход логического элемента соединяется со входами установки нуля (входы R) всех триггеров, от которых были сделаны отводы, а также тех, которые непосредственно за ними следуют.

Пример счетчика с М=9 (М=1001₂) представлен на рис. 12.1.

Рис. 12.1

Результаты синтеза применимы к триггерам разных видов логики, однако реальные схемы при этом могут различаться в деталях. Так, например, поскольку принудительная установка в нуль по R-входу у некоторых типов триггеров осуществляется сигналами логического нуля (ТТЛ, ДТЛ), а у других – логической единицы (КМОП), в первом случае должен быть применен логический элемент базиса И-НЕ, во втором –И. Поскольку в суммирующем счетчике опрокидывание каждого последующего триггера должно происходить тогда, когда сигнал на выходе предыдущего триггера изменяется от 1 к 0, то при их синтезе важен порядок соединения триггеров между собой. Если же в счетчике применяются триггеры с прямым управлением (по фронту 0, 1), их входы присоединяются к инверсным выходам предыдущих. В случае триггеров с инверсным управлением (в том числе MS-структуры) входы подключаются к прямым выходам.

Добавив к исходной схеме несколько дополнительных элементов, можно расширить ее возможности, сделать счетчик с самоостановом (одноразового действия) или обеспечить в режиме деления кратковременный импульс на выходе последнего триггера. Наращивая схему по указанным правилам, можно создавать делители с различным коэффициентом счета, не содержащие логических элементов.

Двоичный счетчик

В суммирующем счётчике при поступлении на вход очередного уровня лог.1 (очередного импульса) устанавливается число, которое получается путём суммирования предыдущего значения с единицей. Это суммирование производится по обычным правилам суммирования в двоичной системе счисления. В процесс такого суммирования имеются следующие особенности:

– если цифра некоторого разряда остаётся неизменной либо изменяется с 0 на 1, то цифры более старших разрядов не меняются;

– если цифра некоторого разряда изменяется с 1 на 0, то происходит инвертирование цифры следующего за ним разряда, этот принцип использован при построении схем счётчика.

Счетчики выполняют функции счета импульсов, поступающих на их вход, и представления результата счета в двоичном коде на выходах. Одним из наиболее простых является асинхронный двоичный счетчик прямого счета с последовательным переносом. Такой счетчик содержит ряд последовательно соединенных JK-триггеров (рис. 12.2). Входы J и K в каждом триггере объединены, и на эти входы подан уровень 1, поэтому в каждом триггере синхронизирующий вход C является счётным входом триггера. Сигнал с прямого выхода триггера каждого разряда поступает на счётный вход C триггера следующего, более старшего разряда, а на счётный вход первого разряда подаются входные импульсы. По окончании импульса начальной установки X_НУ выходные сигналы триггеров Q₁…Q₄ имеют нулевые значения. Если на счётном входе C триггера действует импульс, то в этом случае переключается ведущая часть триггера, если на счётном входе C логический ноль, то переключается ведомая часть триггера, т.е. при подаче счетных импульсов на вход первого триггера каждый из последующих триггеров переключается отрицательным перепадом сигнала, который поступает на его счетный вход с прямого выхода предыдущего триггера. Совокупность выходных сигналов Q₁…Q₄ в некоторый момент времени соответствует числу импульсов, поступивших на вход счетчика к данному моменту времени. Число триггеров n счетчика определяет его разрядность и числовую емкость N:

N = 2ⁿ – 1.

Рис. 12.2

Если в качестве входных использовать сигналы инверсных выходов триггеров, то получится счетчик обратного счета. В исходном состоянии в нем будет записано наибольшее число (N), которое будет уменьшаться на 1 при поступлении очередного импульса.

Делитель частоты

Когда число входных импульсов N_вх> К_сч при N_вх=К_сч (N_вх- число импульсов) происходит переполнение, после чего счетчик возвращается в нулевое состояние и повторяет цикл работы. Коэффициент счетчика, таким образом, характеризует число входных импульсов, необходимое для выполнения одного цикла и возвращения в исходное состояние. Число входных импульсов и состояние счетчика взаимно определены для первого цикла. В общем случае число, записанное в счетчик, характеризуется отношением М=N_вх – iK_сч (i=0, 1, 2...n).

После каждого цикла счета на выходах последнего триггера возникают перепады напряжения. Это свойство определяет второе назначение счетчиков – деление числа входных импульсов. Если входные сигналы периодичны и следуют с частотой f_вх, то частота выходных сигналов будет f_вых=f_вх/K_сч. В этом случае коэффициент счета определяется коэффициентом деления и обозначается К_дел_f. У счетчика в режиме деления используется выходной сигнал только последнего триггера, промежуточные состояния остальных триггеров не учитываются. Всякий счетчик может быть использован как делитель частоты. Поэтому подобное устройство часто называют счетчиком – делителем. Такие делители имеют целочисленный коэффициент деления. Элементная база современной микроэлектроники позволяет строить делители и с дробными коэффициентами деления.

Из диаграмм работы триггера следует, что при каждом переходе от младшего разряда к старшему частота выходного сигнала триггеров снижается вдвое. Таким образом, данный счетчик может выполнять функцию делителя частоты, в котором частота выходного сигнала старшего разряда определяется соотношением

где f _ВХ – частота входных импульсов.

Контрольные вопросы

1. Определите назначение и принцип действия счётчика.

2. Определите и охарактеризуйте основные эксплуатационные показатели счетчиков.

3. Приведите классификацию счетчиков.

4. На примере двоично – десятичного счетчика проиллюстрируйте этапы проектирования счетчиков.

5. Определите функциональные возможности двоичного счетчика. Опишите временные диаграммы его работы.

6. Определите функциональные возможности делителя частоты. Опишите временные диаграммы его работы.

Регистры

Назначение и классификация

Основная функция регистров – хранение одного многоразрядного числа, при этом число должно быть представлено в двоичной системе счисления или в любой другой системе, но с двоичным представлением. Регистр строится в виде набора триггеров, каждый из которых предназначается для хранения цифр определённого разряда. Регистр для хранения n-разрядного двоичного числа содержит n триггеров.

Другие функции регистров:

1. Сдвиг хранимого в регистре числа на определённое число разрядов в любую сторону.

2. Преобразование числа из последовательной формы в параллельную.


Рис.13.1

3. Преобразование формы представления числа из параллельной в последовательную.

В зависимости от формы представления числа (параллельной или последовательной) вводимого в регистр различают два типа регистров:

а) параллельные. В параллельный регистр число, предназначенное для хранения, подаётся одновременно со всеми разрядами (параллельно) (рис.13.1);

b) последовательные. В последовательный регистр ввод числа производится путём последовательной во времени подачи цифр отдельных разрядов (число вводится, начиная с цифры младшего разряда).

На вход такого регистра поступают парафазные коды числа. При этом для каждого разряда числа предусматривается 2 входа, на один из которых поступает прямой код, на другой – инверсный. Когда на вход регистра поступает однофазный код числа (без подачи инверсных значений), регистр может быть построен с использованием D-триггеров, в таком регистре при уровне лог. 1 на входе C триггеры устанавливаются в состояние, определяемое действующими на входах D цифрами разрядов.

Сдвиговый регистр

Принцип сдвига состоит в том, что цифра имевшаяся до сдвига в i-м разряде регистра, передаётся в соседний справа разряд, 4®3, 3®2, 2®1 … В крайне левый разряд заносится значение логического 0, а цифра крайне правого разряда числа выдвигается из регистра во внешнюю цепь. Сдвиги могут выполняться, и влево, и вправо. Для построения сдвигового регистра чаще всего используются D-триггеры (рис. 13.2). Для того чтобы сдвиговый регистр выполнял свою функцию необходимо на вход D-триггера старшего разряда постоянно подавать уровень логического 0.

Рис. 13.2

Выход Q каждого разряда подключён к входу D-триггера соседнего, более младшего разряда. При низком уровне синхронизирующего сигнала, хранящееся в триггере значение разряда числа передаётся на вход триггера соседнего справа разряда и производит в нём подготовку управляющих цепей; в момент C=1 каждый из триггеров устанавливается в состояние, соответствующее действовавшему на входе D сигналу, и число оказывается сдвинуто вправо на один разряд.

Последовательный регистр представляет собой сдвиговый регистр, в который многоразрядное число вводится последовательно, цифра за цифрой(начиная с цифры младшего разряда) через один из его крайних разрядов. Сдвиговый регистр может выполнять функции последовательного регистра, если на вход D-триггера старшего разряда не постоянно подавать уровень логический 0, а вводить в регистр в последовательной форме.

Кольцевой регистр сдвига

Кольцевые регистры сдвига находят применение в системах управления автономными инверторами и преобразователями частоты в качестве многоканальных распределителей импульсов. Схема и диаграммы работы 3 – канального распределителя приведены на рис. 13.3.

Рис. 13.3

Распределитель содержит три последовательно соединенных в кольцо JK – триггера. При этом установочные входы R двух триггеров соединены с установочным входом S третьего. В исходном состоянии по окончании импульса начальной установки X_НУ выходные сигналы триггеров имеют значения: Q₁ = 1, Q₂ = Q₃ = 0. По положительному перепаду первого тактирующего импульса C информация со входов JK триггеров записывается на выходы их первых ступеней, а затем по отрицательному перепаду тактируюшего импульса она передается на выходы Q₁, Q₂, Q₃. В результате, по окончании первого тактового импульса, выходные сигналы триггеров принимают значения: Q₁ = 0, Q₂ = 1, Q₃ = 0. То есть информация, записанная в регистре, сдвинулась на одну позицию вправо. После второго тактирующего импульса Q₁ = 0, Q₂ = 0, Q₃ = 1; сдвиг увеличивается еще на одну позицию вправо и т.д. Таким образом происходит циркуляция информации в регистре и распределение единичного сигнала по его выходам (каналам).

Частота циркуляции f определяется из выражения , где –частота следования тактовых импульсов; n – число триггеров регистра.

Контрольные вопросы

1. Определите назначение, функции и дайте классификацию регистров.

2. Приведите схеме и опишите работу параллельного регистра.

3. Приведите схеме и опишите работу последовательного регистра.

4. Приведите схеме и таблицу истинности сдвигового регистра.

5. Опишите работу, временные диаграммы, таблицу истинности кольцевого регистра сдвига.

РАЗДЕЛ II. ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ

⇐ Предыдущая 10 11 12 13 141516 17 18 19 Следующая ⇒