Sfera-perm.ru

Сфера Пермь
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Функциональная схема двоичного счетчика

Двоичные счетчики. Общие сведения.

Счетчик — цифровой узел, который осуществляет счет поступающих на вход импульсов. Результат счета определяется числом поступивших импульсов, формируется на выходе в заданном коде (двоичном, двоично-десятичном, для 7-ми семисегментного индикатора и т.п.) и может сохраняться требуемое время. Основой счетчика служит линейка триггеров, соединенных определенным образом. Число триггеров определяет разрядность числового кода счетчика.

Счетчики применяются для деления (уменьшения) частоты следования импульсов, формирование интервалов времени, создания адресных кодов, при генерировании сигналов различной формы и т. д.

Основным параметром счетчика является модуль счета, определяемый максимальным числом единичных сигналов, которое может быть сосчитано счетчиком. Счетчик, содержащий n двоичных разрядов, имеет модуль счета 2 n .

Счетчики классифицируются по ряду признаков.

По направлению счета:

1) суммирующие счетчики (с прямым счетом);

2) вычитающие счетчики (с обратным счетом);

3) реверсивные счетчики (с прямым и обратным счетом).

По способу переноса сигнала в следующий разряд:

1) последовательный перенос;

2) параллельный перенос;

3) комбинированный (последовательно-паралельный) перенос.

В суммирующем счетчике при поступлении каждого счетного импульса содержимое счета увеличивается. В вычитающем счетчике с приходом каждого импульса содержимое счета уменьшается. Счетчик, способный менять направление счета, называется реверсивным.

При последовательном переносе триггеры счетчика соединяются последовательно. Счетный импульс поступает на первый триггер счетчика. На выходе этого триггера формируется сигнал переноса (например, спад импульса), который приводит к изменению состояния следующего триггера и т.д. Достоинство такой схемы счетчика — простота реализации, недостаток — низкое быстродействие. Быстродействие триггера в счетчике определяется задержкой переключения триггера и при последовательном переносе общая задержка счетчика увеличивается с увеличением числа триггеров.

При параллельном переносе триггеры соединяются между собой через логические элементы И. Через эти же логические элементы на все триггеры поступают счетные импульсы. Логические элементы И определяют условия переключения триггеров. Переключение происходит только тех триггеров, у которых все предыдущие триггеры находятся в единичном состоянии. Достоинство такой схемы счетчика – быстродействие, которое определяется только задержкой переключения одного триггера, недостаток – усложнение схемы из-за введения дополнительных логических элементов И с нарастающим от триггера к триггеру числом входов.

При построении многоразрядных счетчиков для уменьшения сложности схемы счетчика и сохранения быстродействия счетчики объединяются в группы. Внутри группы организуется параллельный перенос, а между группами осуществляется последовательный перенос.

Обычно счетчики строятся на основе Т-триггеров. Кроме Т-триггера может быть использован D-триггер или JK-триггер в счетном режиме.

Задание 2. Изучить работу двухразрядного двоичного счетчика и составить для него таблицу состояний.

Соберите представленную на рис. 7.2 схему последовательно соединенных D— и JK-триггеров. Сделайте дополнительные соединения, чтобы триггеры работали в счетном режиме. Полученная схема является схемой двухразрядного двоичного счетчика.

Рис. 7.2. Монтажная схема двухразрядного двоичного счетчика с индикацией выходов

Сброс (установка в ноль) триггеров счетчика происходит при подаче лог. 0 на входы R триггеров. В рабочем режиме на входах R и S – лог. 1.

Подавая на вход С первого триггера счетные импульсы, определите состояние триггеров в зависимости от номера импульса. Полученные результаты занесите в табл. 7.4.

Таблица 7.4. Таблица состояний двухразрядного двоичного счетчика.

Начальное состояние триггера1-й импульс2-й импульс3-й импульс4-й импульс
Q1Q2Q1Q2Q1Q2Q1Q2Q1Q2

Задание 3. Изучить работу двоичного счетчика. Составить таблицу состояний двоичного счетчика для заданного коэффициента счета.

На рис. 7.3 приведено условное изображение двоичного счетчика (микросхема К555ИЕ5). Счетчик состоит из четырех счетных триггеров. Первый триггер имеет отдельный счетный вход С1 и выход «1». Три оставшихся триггера соединены последовательно между собой, имеют счетный вход С2 и выходы 2, 4, 8. При соединении выхода 1 с входом С2 вся цепочка триггеров образует четырехразрядный двоичный счетчик с последовательным переносом со счетным входом С1 и выходами 1, 2, 4 и 8.

Рис. 7.3. Четырехразрядный двоичный счетчик: а) – условное обозначение (микросхема К555ИЕ5); б) – монтажная схема с индикацией выходов.

Для рассматриваемой микросхемы изменение состояния счетчика происходит по спаду счетного импульса. На условном обозначении счетчика управление по спаду обозначается косой чертой «» на счетных входах С1 и С2.

Счетчик имеет два входа установки в ноль, объединенные по схеме И (&,R). Сброс (установка в ноль) счетчика происходит при подаче лог. 1 на оба входа.

Работу двоичного счетчика можно представить по его временной диаграмме (рис. 7.4.). Из диаграммы видно, что начальное (до поступления счетных импульсов на вход С1) состояние счетчика нулевое (код на выходе счетчика 0000). Изменение состояния выходов счетчика происходит по спаду счетных импульсов и после 16-го импульса счетчик опять вернется в нулевое состояние.

Рис. 7.4. Временная диаграмма работы четырехразрядного двоичного счетчика

Наличие входов установки в ноль, объединенных по схеме И позволяет строить счетчики с разным коэффициентом счета. Для этого необходимо соединить с обоими входами (&,R) выходы счетчика, на которых при выбранном коэффициенте счета одновременно появляется лог. 1. При этом счетчик сбрасывается в ноль и начинает считать сначала. Коэффициент счета выдается преподавателем согласно вариантам, представленным в табл. 7.5.

Вариант
Коэффициент счета

Соберите на стенде монтажную схему двоичного счетчика, представленную на рис. 7.3.

Основываясь на диаграмме работы счетчика (рис. 7.4), соедините входы &,R с выходами счетчика, необходимыми для получения заданного коэффициента счета. Установите предварительно счетчик в нулевое состояние и, подавая на вход С1 счетные импульсы, определите состояние выходов счетчика в зависимости от номера счетного импульса. По полученным результатам составьте таблицу состояний счетчика (табл. 7.6).

Таблица 7.6. Таблица состояния двоичного счетчика.

Выход счетчикаНомер счетного импульса на входе С1

Задание 4. Составить временную диаграмму работы счетчика.

На рис. 7.5 представлена монтажная схема четырехразрядного двоично-десятичного счетчика с последовательным переносом и индикацией выходов (микросхема К555ИЕ2). Структура построения счетчика аналогична структуре счетчика на микросхеме К555ИЕ5. Для уменьшения коэффициента счета внутри счетчика введены дополнительные логические связи, досрочно обнуляющие счетчик по достижению им заданного коэффициента счета.

Читайте так же:
Демо счетчик яндекс метрика

Рис. 7.5. Монтажная схема четырехразрядного двоично-десятичного счетчика (микросхема К555ИЕ2) с индикацией выходов

Входы &иR, объединенные по схеме И, служат для установки счетчика в нулевое состояние. Входы &, R9, также объединенные по схеме И, служат для установки счетчика в состояние «9». В этом состоянии первый и четвертый триггеры находятся в единичном состоянии, а остальные – в нулевом (код на выходе счетчика 1001).

Соберите на стенде схему двоично-десятичного счетчика (рис. 7.5) и составьте временную диаграмму его работы. Диаграмма составляется для одного из двух вариантов, представленных в таблице 7.6. Вариант выдает преподаватель.

ВариантКод на выходе счетчика при начальной установке

Установите счетчик в начальное состояние, согласно вашему варианту, и, подавая на вход счетные импульсы, составьте временную диаграмму работы счетчика. Диаграмма составляется с помощью показаний индикаторов выходов и наносится на рис. 7.6.

Рис. 7.6. Временная диаграмма работы двоично-десятичного счетчика.

Контрольные вопросы:

1. Нарисовать схему n-разрядного регистра хранения.

2. Объяснить логику работы универсального регистра.

3. Нарисовать схему соединений двух регистров для обмена информацией в параллельном коде.

4. Нарисовать схему соединений двух регистров для обмена информацией в последовательном коде.

5. Нарисовать схему n-разрядного счетчика с последовательным переносом.

6. Чем определяется предельная скорость счета такого многоразрядного счетчика?

7. В каком режиме работают триггеры в двоичном счетчике?

8. Чем отличается двоично-десятичный счетчик от двоичного счетчика?

9. Использование счетчика в качестве делителя частоты повторения импульсов.

Отчет по лабораторной работе должен включать:

1. Исследуемые схемы на основе логических элементов.

2. Результаты измерений, сведенные в соответствующие таблицы.

3. Выводы по каждой схеме.

4. Ответы на контрольные вопросы.

1. Цифровые устройства и микропроцессоры. Нарышкин Ф.К., М.: Академия, 2007, 320с.

2. Информационно-измерительная техника и электроника. Под редакцией Раннева Г.Г., М.: Академия, 2007, 520с.

реверсивный двоичный счетчик

Использование: изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть применено в электронных устройствах, где необходимо осуществлять операции прямого и обратного счета импульсов и учитывать при этом знак результата. Сущность изобретения: реверсивный двоичный счетчик содержит счетный вход 1, две управляющие шины 2,3, шину опроса 4, триггер знака 5, триггер-указатель кода 6, триггер реверса 7, два формирователя 8,9 импульсов обращения, два дополнительных элемента ИЛИ 10,11, элемент И опроса 12 и три счетных разряда 13,14,15, каждый из которых состоит из элементов: И, ИЛИ и счетного триггера. 1 ил.

Формула изобретения

РЕВЕРСИВНЫЙ ДВОИЧНЫЙ СЧЕТЧИК, содержащий счетный вход, управляющие шины сложения и вычитания, шину опроса, триггер знака, триггер-указатель кода, триггер реверса, соединенный своими входами установки в единичное и в нулевое состояние с управляющими шинами вычитания и сложения соответственно, формирователь импульсов обращения, первый и второй дополнительные элементы ИЛИ, элемент И опроса, соединенный своими входами с выходом триггера указателя кода и с шиной пороса, а выходом с первым входом первого дополнительного элемента ИЛИ, и счетные разряды, каждый из которых содержит элемент И, элемент ИЛИ и счетный триггер, соединенный своим счетным входом с выходом элемента ИЛИ, а выходом с первым входом элемента И своего разряда, причем выход элемента И каждого счетного разряда, кроме самого старшего, соединен с первым входом элемента ИЛИ последующего разряда, выход элемента И самого старшего счетного разряда соединен со счетным входом триггера знака, с первым входом второго дополнительного элемента ИЛИ и с первым входом элемента ИЛИ самого младшего счетного разряда, второй вход которого соединен со счетным входом счетчика, а выход второго дополнительного элемента ИЛИ соединен со счетным входом триггера указателя кода, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия и надежности функционирования счетчика, в его состав введен дополнительный формирователь импульсов обращения, прямой и инверсный выходы триггера реверса соединены с входами формирователей импульсов обращения, выходы которых соединены с вторыми и третьими входами дополнительного элемента ИЛИ, соединенного своим выходом с вторым входом второго дополнительного элемента ИЛИ и с вторыми входами элементов ИЛИ всех счетных разрядов, а счетный вход счетчика соединен с вторым входом элемента И самого младшего счетного разряда, выход элемента И каждого счетного разряда, кроме самого старшего, соединен с вторым входом элемента И каждого последующего разряда.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть применено в электронных устройствах специального и общего назначения для прямого и обратного счета импульсов, учитывая при этом знак результата.

Известно устройство для счета импульсов [1] содержащее реверсивный счетчик, триггер, элемент И, три элемента ИЛИ, два элемента задержки, шину «Входная последовательность», шины (сложения и вычитания) управления реверсом, шину начальной установки, шину управления прямым кодом, шину управления обратным кодом. Данное устройство для счета импульсов может осуществлять суммирование и вычитание импульсов, поступающих на счетный вход, в зависимости от сигналов на шинах управления реверсом, учитывая при этом знак результата.

Недостатком устройства является его сложность, обусловленная наличием триггера и трех комбинационных элементов в каждом разряде реверсивного счетчика, имеющего счетный вход и две шины реверса и использованного в устройстве для счета импульсов.

Наиболее близким к предлагаемому является реверсивный счетчик [2] содержащий счетные триггеры, элементы И, ИЛИ, управляющие шины сложения и вычитания, шину опроса, счетный вход, триггер реверса, триггер-указатель кода и формирователь импульсов обращения.

Недостатком этого счетчика является его низкое быстродействие, обусловленное тем, что наибольшее время установки в режиме прямого или обратного счета равно сумме времен задержек всех элементов И, ИЛИ счетных разрядов и времени переключения всех счетных триггеров.

Целью изобретения является повышение быстродействия счетчика, а также надежности его функционирования путем исключения возможности непрерывного наличия сигнала на входе формирователя импульсов обращения.

Поставленная цель достигается тем, что в реверсивный двоичный счетчик, содержащий счетный вход, управляющие шины сложения и вычитания, шину опроса, триггер знака, триггер указатель кода, триггер реверса, соединенный входами установки в единичное и нулевое состояния с управляющими шинами вычитания и сложения соответственно, формирователь импульсов обращения, первый и второй дополнительные элементы ИЛИ, элемент И опроса, соединенный входами с шиной опроса и выходом триггера указателя кода, а выходом с первым входом первого дополнительного элемента ИЛИ, и счетные разряды, каждый из которых содержит элемент И, элемент ИЛИ и счетный триггер, соединенный счетным входом с выходом элемента ИЛИ, а выходом с первым входом элемента И своего разряда, причем выход элемента И каждого счетного разряда, кроме самого старшего, соединен с первым входом элемента ИЛИ последующего разряда, выход элемента И самого старшего счетного разряда соединен со счетным входом триггера знака, с первым входом второго дополнительного элемента ИЛИ, а также с первым входом элемента ИЛИ самого младшего счетного разряда, второй вход которого соединен со счетным выходом счетчика, а выход второго дополнительного элемента ИЛИ соединен со счетным входом триггера указателя кода, введен дополнительный формирователь импульсов обращения, и остальные связи выполнены иначе.

Читайте так же:
Бокс влагозащищенный для счетчика

Отличие заявленного реверсивного двоичного счетчика от прототипа состоит в том, что прямой и инверсный выходы триггера реверса соединены со входами формирователей импульсов обращения, выходы которых соединены с вторым и третьим входами дополнительного элемента ИЛИ, соединенного выходом с вторым входом второго дополнительного элемента ИЛИ и с вторыми входами элементов ИЛИ всех счетных разрядов, а счетный вход счетчика соединен с вторым входом элемента И самого младшего счетного разряда, выход элемента И каждого счетного разряда, кроме самого старшего, соединен с вторым входом элемента И последующего разряда.

Таким образом, изобретение соответствует критерию «новизна».

Сопоставительный анализ предлагаемого изобретения с другими техническими решениями, реализующими построение счетчиков данного типа, не позволил выявить в них признаки, являющиеся в предлагаемом решении отличительными по сравнению с прототипом и служащие той же цели. Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критерию «существенные отличия».

Возможность получения положительного эффекта подтверждена экспериментально и обусловлена наличием в промышленном производстве разнообразной элементной базы, имеющей триггеры со счетным входом, RS-или JK-триггеры, элементы И, ИЛИ, и дискретные радиоэлементы, позволяющие реализовать простые схемы формирователей импульсов обращения.

Особенностями предлагаемого реверсивного двоичного счетчика являются:
1) использование счетных триггеров, переключающихся по заднему фронту импульсов, поступающих на их счетчные входы;
2) использование формирователей импульсов обращения, формирующих импульc на выходе по заднему фронту входного сигнала;
3) использование двухвходовых элементов И;
4) использование двух- и трехвходовых элементов ИЛИ;
5) необходимость устанавливать и переключать режим работы счетчика путем подачи сигнала на управляющие шины сложения и вычитания до поступления импульсов на его счетный вход для исключения сбоев счетчика;
6) необходимость подавать сигнал на шину опроса для считывания результатов счета в прямом коде.

На чертеже представлена функциональная схема трехразрядного реверсивного двоичного счетчика.

Реверсивный двоичный счетчик содержит счетный вход 1, управляющие шины сложения 2 и вычитания 3, шину опроса 4, триггер знака 5, триггер указатель кода 6, триггер реверса 7, два формирователя 8, 9 импульсов обращения, дополнительные элементы ИЛИ 10, 11, элемент И опроса 12, три счетных разряда 13.15, каждый из которых содержит счетный триггер 13.1 (14.1, 15.1), элемент И 13.2 (14.2, 15,2) и элемент ИЛИ 13.3 (14.3, 15.3).

Триггер реверса 7 своим R-входом соединен с управляющей шиной сложения 2, S-входом с управляющей шиной вычитания 3, а выходами с входами формирователей 8, 9 импульсов обращения, выходы которых соединены с вторым и третьим входами первого дополнительного элемента ИЛИ 10. Выход элемента И опроса 12, соединенного с входами с прямым выходом триггера указателя кода 6 и шиной опроса 4, соединен с первым входом первого дополнительного элемента ИЛИ 10, выход которого соединен со вторым входом второго дополнительного элемента ИЛИ 11, вторыми входами элементов ИЛИ 14.3, 15.3 и третьим входом элемента ИЛИ 13,3. Счетный вход 1 соединен с вторыми входами элементов И 13,2, ИЛИ 13.3, первый вход последнего совместно со счетным входом триггера знака 5 и первым входом второго дополнительного элемента ИЛИ 11 соединен со счетным входом элемента И 15.2, выход второго дополнительного элемента ИЛИ 11 cоединен cо cчетным входом триггера указателя кода 6. Счетные входы триггеров 13.1, 14.1, 15.1 соединены с выходами элементов ИЛИ 13.3, 14.3, 15.3 соответственно, а прямые выходы этих триггеров с первыми входами элементов И 13.2, 14.2, 15.2 соответственно. Выход элемента И 13.2 соединен с первым входом элемента ИЛИ 14.3 и вторым входом элемента И 14.2, а выход элемента И 13.2 с первым входом элемента ИЛИ 15.3 и вторым входом элемента И 15.2.

Реверсивный двоичный счетчик работает следующим образом.

В исходном состоянии счетчика все триггеры установлены в «0». Для приведения в исходное состояние необходимо установить счетчик в режим прямого счета подачей сигнала на управляющую шину сложения 2, при этом устанавливается в «0» триггер реверса 7. Затем производится установка в нулевое состояние остальных триггеров подачей сигнала на их установочные R-входы по шине «Обнуление» (показана пунктирной линией).

Перед приходом на вход 1 первого счетного импульса подается сигнал управления прямым или обратным счетом на шину 2 или 3 (после установки счетчика в исходное состояние для осуществления режима прямого счета сигнала на шину 2 может не подаваться).

Если сигнал подан на шину 2, счетчик работает в режиме прямого счета, при этом состояние ни одного из триггеров не меняется, в счетчике записано число 000, триггер знака и триггер указатель кода находятся в нулевых состояниях. С приходом каждого счетного импульса на вход 1 счетчик будет увеличивать свое состояние на единицу. Так, например, с приходом пяти счетных импульсов в счетчике будет записано 101, триггер знака 5 при этом будет иметь нулевое состояние, что соответствует положительному числу. Триггер указатель кода 6 также находится в нулевом состоянии, соответствующем прямому коду, элемент И опроса 12 закрыт нулевым сигналом с его прямого выхода, поэтому поступление сигнала по шине опроса 4 не изменит состояние триггеров в счетчике.

Читайте так же:
Счетчик цэ6850м периодичность поверки

Для выполнения обратного счета перед поступлением последовательности вычитаемых импульсов на счетный вход 1 необходимо подать сигнал на управляющую шину вычитания 3. При этом триггер реверса 7 переключится в единичное состояние, по заднему фронту сигнала на его инверсном выходе формирователь 9 импульса обращения cформирует импульс обращения, который поступит через элементы ИЛИ 10, 11, 13.3, 14.3, 15.3 на счетные входы триггеров 13.1, 14.1, 15.1 и триггера реверса 7, переключив их при этом в противоположные состояния. Если результат счета был 101, то после переключения режима счета с прямого на обратный в счетчике будет записано 010. С поступлением последовательности импульсов на счетный вход 1 число импульсов будет суммироваться с обратным кодом ранее накопленного в счетчике результата. Так, например, с приходом трех счетных импульсов в счетчике будет записано 101, триггер знака 5 будет находиться в единичном, а триггер указатель кода 6 в нулевом состоянии.

Для получения результата в прямом коде подается импульс опроса по шине 4, который через открытый единичным сигналом с выхода триггера указателя кода 6 элемент И опроса 12 и элементы ИЛИ 10, 13.3, 14,3, 15,3 поступает в счетные входы триггеров 13.1, 14.1, 15.1, переключая их в противоположные состояния. Результат счета составит, таким образом, 010. Нулевое состояние триггера знака 5 соответствует положительному числу.

Аналогичным образом будет осуществляться процесс счета и с отрицательными числами, с тем отличием, что триггер указатель кода 6 будет переключаться не только сигналами с управляющих шин 2, 3, но и в результате перехода состояния счетчика из области отрицательных чисел в область положительных и наоборот. Переключение бу-дет осуществляться при поступлении оче- редного счетного импульса, если счетчик на- ходился в соcтоянии 111 (обратный код нуля) через второй дополнительный элемент ИЛИ 11.

Технико-экономический эффект от изобретения обусловлен повышением быстродействия счетчика. Для прототипа время установки счетчика, определяемое суммарной задержкой последовательной передачи информации со счетного входа до старшего разряда счетчика, выражается формулой:
t уст.макс =N (t И +t ИЛИ +t T )+t ИЛИ +t T + и
где N количество счетных разрядов.

t И время задержки элемента И,
t ИЛИ время задержки элемента ИЛИ,
t Т время переключения счетного триггера,
и длительность счетного импульса.

Для предлагаемого реверсивного двоичного счетчика время установки выражается формулой:
t уст.макс =N t И + 2 t ИЛИ +2 t Т + и .

Как следует из приведенных формул, время установки предлагаемого счетчика по сравнению с прототипом меньше на величину
(N-1) (t ИЛИ +t Т ).

Таким образом, при тех же функциональных возможностях, что и у прототипа, предлагаемый счетчик характеризуется меньшим временем установки, что позволяет уменьшить временные паузы для переключения режимов счета, увеличить частоту следования счетных импульсов при параллельном считывании информации с разрядов счетчика.

Электронные счетчики и делители частоты

На базе счетных триггеров можно построить цифровое устройство, получившее название электронного счетчика. Электронные счетчики ( далее, просто счетчики) позволяют вести подсчет электрических импульсов, количество которых (поступивших на вход счетчика) представляется, обычно, в параллельном коде. Счетчики могут отличаться модулем счета и типом счетной последовательности, которая, в частности, может быть двоичной, двоично-десятичной, в коде Грея и т.п. Цифровые последовательностные устройства, выполненные по схеме счетчика, но имеющие один счетный вход и один выход называются делителями частоты. Таким образом, любой счетчик может служить в качестве делителя частоты, если используется информация только одного из его выходов. Так как счетчики и делители имеют единую структуру, основное внимание будет уделено синтезу счетчиков.

Счетчики и делители подразделяются на асинхронные и синхронные. У синхронных счетчиков все разрядные триггеры синхронизируются параллельно одними и теми же синхроимпульсами, поступающими из источника этих импульсов. Асинхронные счетчики имеют последовательную синхронизацию, т.е. каждый последующий разрядный триггер синхронизируется выходными импульсами триггера предыдущего разряда. Асинхронные счетчики иногда называют последовательными, а синхронные счетчики — параллельными.

Синхронные счетчики, в свою очередь, подразделяются на параллельно-синхронные и последовательно-синхронные. Параллельные счетчики имеют более высокую скорость счета, чем асинхронные.

Счетчики, независимо от способа синхронизации, подразделяются на счетчики прямого счета (суммирующие) и на счетчики обратного счета (вычитающие). В интегральном исполнении выпускаются также реверсивные счетчики, в которых имеется специальный вход для переключения режима работы, т.е. направления счета. Многие типы счетчиков, выпускаемые промышленностью в интегральном исполнении, имеют дополнительные входы предустановки, позволяющие использовать эти счетчики в режиме регистра памяти.

В качестве разрядных триггеров счетчиков и делителей могут быть использованы двухступенчатые D-триггеры, Т- и JK-триггеры.

Счетчики относятся к последовательностным устройствам с циклически повторяющейся последовательностью состояний. Число, соответствующее количеству импульсов (поступивших на вход счетчика), при котором счетчик “возвращается” в исходное состояние, называется модулем или коэффициентом счета. Модуль счета, обычно, обозначают буквой М (или Ксч). Например, максимальный модуль счета счетчика из двух триггеров равен М = 2 2 = 4, трех триггеров — М = 2 3 = 8 и т.д. В общем случае для n — разрядного счетчика — М = 2 n . Модуль счета счетчика численно совпадает с модулем деления делителя частоты. Счетчик по модулю 8 позволяет реализовать (без дополнительных схемных затрат) делитель частоты на 8. Это значит, что данный делитель делит частоту входной импульсной последовательности на 8.

Асинхронный двоичный счетчик. Асинхронный двоичный счетчик представляет собой совокупность последовательно соединенных триггеров (D — или JK ), каждый из которых ассоциируется с битом в двоичном представлении числа. Если в счетчике m триггеров, то число возможных состояний счетчика равно 2 m , и, следовательно, модуль счета М также равен 2 m . Счетная последовательность в двоичном суммирующем счетчике начинается с нуля и доходит до максимального числа 2 m — 1, после чего снова проходит через нуль и повторяется. В вычитающем двоичном счетчике последовательные двоичные числа перебираются в обратном порядке, и при повторении последовательности максимальное число следует за нулем.

Читайте так же:
Счетчик налога по усн

Рассмотрим устройство двоичного суммирующего счетчика по модулю М=16, выполненного на базе JK-триггеров (рис. 3.33, а).

Как видно из рис. 3.33, (а), синхронизирующие входы всех триггеров, кроме крайнего левого (Т1), соединены с выходами предыдущих триггеров. Поэтому состояние триггера меняется в ответ на изменение состояния предыдущего триггера.

Из таблицы состояния счетчика (рис. 3.33, б) легко заметить, что значение разряда в выбранной позиции меняется тогда, когда в соседней справа позиции состояние переходит из “1” в “0”, управление триггерами осуществляется задним фронтом синхроимпульсов (отрицательным перепадом напряжения импульса синхронизации).

Рис. 3.33. Схема а), таблица состояний триггеров б) и временные диаграммы, поясняющие работу в) последовательного четырехразрядного счетчика на

Временные диаграммы, поясняющие работу асинхронного суммирующего счетчика приведены на рис. 3.33, в.

Счетчики обратного счета ( вычитающие счетчики). На рис. 3.34 приведена схема асинхронного трехразрядного двоичного вычитающего счетчика, построенного на базе D-триггеров. Отметим, что условия для изменения состояний триггеров вычитающих счетчиков аналогичны условиям для суммирующих счетчиков с той лишь разницей, что они должны “опираться” на значения инверсных, а не прямых выходов триггеров. Следовательно, рассмотренный выше счетчик можно превратить в вычитающий, просто переключив входы “С” триггеров с выходов Q на выходы . Когда в качестве разрядных триггеров используются D-триггеры, синхронизируемые передним фронтом синхроимпульсов, для получения вычитающего счетчика (асинхронного) входы “С” последующих тригеров соединяются с прямыми выходами предыдущих, также как в счетчике прямого счета, построенного на JK-триггерах.

Работа вычитающего счетчика на D-триггерах наглядно иллюстрирована на рис. 3.34, (б). Из рис. 3.34 следует, что после нулевого состояния всех триггеров, с приходом первого синхроимпульса они устанавливаются в состояние “1”. Поступление второго синхроимпульса приводит к уменьшению этого числа на одну единицу и т.д. После поступления восьмого импульса, снова, все триггеры обнуляются и цикл счета повторяется, что соответствует модулю М=8.

В некоторых случаях необходимо, чтобы счетчик мог работать как в прямом, так и в обратном направлении счета. Такие счетчики называются реверсивными. Реверсивные счетчики могут быть как асинхронного, так и синхронного типа. Они строятся путем применения логических коммутаторов (мультиплексоров) в цепях связи между триггерами. Так, например, асинхронный реверсивный двоичный счетчик можно построить, если обеспечить подачу сигналов с прямого (при суммировании) или с инверсного (при вычитании) выхода пре-дыдущего JK- или Т-триггера на счетный вход последующего. В случае, когда реверсивный счетчик строится на базе D-триггеров, управляемых передним фронтом, для получения режима прямого счета следует соединить инверсный выход предыдущего с счетным входом последующего триггера.

Все рассмотренные типы счетчиков могут быть использованы в цифровых устройствах “умеренного” быстродействия, когда частота следования синхроимпульсов не превышает критического значения, при котором время задержки установки триггеров последних (старших) разрядов счетчика становится соизмеримым с длительностью периода входных тактовых импульсов. В связи с этим, асинхронные счетчики строятся на относительно небольшое количество разрядов, так как при большем количестве разрядов выходные сигналы триггеров старших разрядов появляются позднее, чем управляющие фронты синхроимпульсов (поступающих на вход первого триггера) .

Параллельные счетчики ( синхронные счетчики). Как было уже сказано выше, параллельные счетчики бывают двух типов: синхронные параллельные и синхронные последовательные.

Синхронный последовательный счетчик. По способу подачи синхроимпульсов такие счетчики параллельные, т.е. синхроимпульсы поступают на все триггеры счетчика параллельно, а по способу управления (подачи управляющих импульсов) — последовательные. Схема синхронного последовательного счетчика, реализованного на JK-триг-герах, приведена на рис. 3.35.

Синхронный последовательный счетчик обладает повышенным быстродействием, однако, за счет последовательного формирования управляющих уровней, на входы “J” и “К” счетных триггеров, быстродействие несколько уменьшается. От этого недостатка лишены параллельные синхронные счетчики, в которых формирование управляющих уровней и их подача на соответствующие входы триггеров счетчика осуществляется одновременно, т.е. параллельно. Пример реализации параллельного синхронного счетчика иллюстрирован на рис. 3.36.

Поскольку счетчик имеет одну общую линию синхронизации, состояние триггеров меняется синхронно, т.е. те триггеры, которые по синхроимпульсу должны изменить свое состояние, делают это одновременно, что существенно повышает быстродействие синхронных счетчиков.

Счетчики с произвольным коэффициентом счета . Принцип построения подобного класса счетных устройств состоит в исключении нескольких состояний обычного двоичного счетчика, являющихся избыточными для счетчиков с коэффициентом пересчета, отличающимися от двоичных. При этом избыточные состояния исключаются с помощью обратных связей внутри счетчика.

Число избыточных состояний для любого счетчика определяется из следующего выражения:

где М — число запрещенных состояний, Ксч — требуемый коэффициент счета; 2 m — число устойчивых состояний двоичного счетчика.

Задача синтеза счетчика с произвольным коэффициентом счета заключается в определении необходимых обратных связей и минимизации их числа. Требуемое количество триггеров определяется из выражения

где [log2 Ксч] — двоичный логарифм заданного коэффициента пересчета Ксч, округленный до ближайшего целого числа.

В каждом отдельном случае приходится применять какие-то конкретные методы получения требуемого коэффициента пересчета. Существует несколько методов получения счетчиков с заданным коэффициентом пересчета Ксч. Один их этих методов заключается в немедленном сбросе в “0” счетчика, установившегося в комбинацию, соответствующему числу Ксч. Его называют также методом автосброса. Рассмотрим пример реализации счетчика с Ксч=10 методом автосброса. Очевидно, что “сбрасывая” двоичный четырехразрядный счетчик на нуль каждый раз, когда он будет принимать состояние 1010, можно обеспечить”возврат” счетчика в исходное состояние после каждых десяти импульсов. Подобный прием удобно применять при использовании счетчиков в интегральном исполнении, имеющих ячейки конъюнкции ( И) на входах установки в нуль, как это сделано в микросхеме К1533ИЕ5. В данном примере (рис. 3.37) организованы соединения, обеспечивающие коэффициент пересчета К сч =10.

Как следует из рис. 3.37, роль ячейки, выявляющей факт достижения кодовой комбинации 1010 на выходах счетчика, играет ячейка И, уже имеющаяся на входе сброса ИМС К1533ИЕ5.

В таблице 3.1 поясняются конфигурации соединений для получения различных коэффициентов пересчета с помощью счетчика К1533ИЕ5. Наиболее очевидные варианты получения коэффициентов (2, 4, 8, 16 ) в таблице не указаны. В графе “Соединения” таблицы указано, какие выводы микросхемы должны быть соединены между собой: например, указание 1-12 означает, что нужно соединить вывод 1 с выводом 12. В строках “Ввод” и “Выход” таблицы указаны номера выводов микросхемы, на которые следует подавать входные импульсы и с которых надлежит снимать выходные, соответственно. Следует отметить, что ИМС К1533ИЕ5 состоит из четырех счетных триггеров, один из которых имеет раздельные выводы входа и выхода, а остальные три триггера соединены последовательно по схеме асинхронного счетчика.

Читайте так же:
Счетчики wifi для андроид

Синтез счетчика с произвольным коэффициентом счета. Один из методов проектирования счетчиков с заданным коэффициентом счета заключается в построении таблицы переходов, в первых столбцах которых будут отражены текущие состояния триггеров счетчика, а в последующих — следующие за ними состояния. Анализ таблицы позволяет установить те переходы, которые должны быть “сделаны” триггерами, входящими в состав счетчика. Затем с помощью управляющей таблицы соответствующего триггера находятся значения логических функций на управляющих входах триггеров, позволяющие осуществить эти переходы.

Рассмотрим пример синтеза синхронного двоично-десятичного счетчика на базе JK-триггеров. На рис. 3.38 показан граф, поясняющий последовательность переходов десятичного счетчика, в таблице 3.2 — таблица переходов.

В правой части таблицы 3.2 приведены значения входных сигналов четырех триггеров. Для поиска этих значений должны быть проанализированы реализованные переходы, а затем с помощью управляющей таблицы (см. рис. 3.15, а) определены соответствующие значения “J” и “K” входов триггеров.

На рис.3.39 приведены карты Карно для логических функций, которым должны соответствовать сигналы, присутствующие на управ-ляющих входах триггеров ( нулевые значения функций в клетки карты Карно не записаны).

После упрощения с помощью карт Карно полученные логические выражения, используемые для управления входами “J” и “К”, выглядят

J2 = K2 = Q1

Просмотр столбцов J1 и К1 в табл. 3.2 показывает, что все значения либо “

“, либо “1”. Так как безразличные состояния могут также участвовать в процессе упрощения, то все клетки карты Карно для J1 и К1 оказываются заполненными символами “

“, “1” и “ a “. Следовательно,

На рис. 3.40 показана схема двоично-десятичного синхронного счетчика.

Если счетчик из-за какой-либо неисправности окажется в одном из запрещенных (неиспользуемых) состояний, то его работа может быть прервана специальным сигналом и также может быть подан сигнал тревоги о неисправности в схеме счетчика. Обнаружить это позволяет схема, реализующая выражение, описывающее функцию неиспользуемых состояний

На рис. 3.41 показано, как эта схема используется для формирования цепи аварийной сигнализации и генерации блокирующего сигнала синхронизации.

Выражение , описывающее блокирующий сигнал синхронизации, имеет вид

Вернуться в оглавление:Цифровые автоматы

Асинхронные реверсивные двоичные счетчики с последовательным переносом

9.2.3.3 Асинхронные реверсивные двоичные счетчики с последовательным переносом

Часто возникает необходимость, чтобы счетчики обладали способностью выполнять сложение или вычитание, т.е. были реверсивными.

В таких счетчиках объединяются схемы суммирующего и вычитающегосчетчиков. Реверсивные счетчики могут иметь два или один входа для подачи счетных сигналов.

Ниже показана схема реверсивного асинхронного счетчика имеющего один счетный вход (рисунок 9.53).

Единичным управляющим сигналом на входе +1 или -1 счетчик настраивается на работу в режиме суммирования (на входе +1 – единица, а на выходе -1 – нуль) или в режиме вычитания (на входе +1 – нуль, -1 – единица).

Асинхронные счетчики имеют простую структуру, но обладают рядом недостатков:

1) схема имеет сравнительно низкое быстродействие, т.к. при поступлении каждого счетного импульса триггеры переключаются последовательно и к i-му разряду переключающий сигнал проходит через (i-1) предыдущих. Поэтому интервал меду соседними входными импульсами должен превышать tпер∙(n-1), где tпер — время переключения одного триггера, а n — число разрядов счетчика.

2) в ходе переключения младшие разряды принимают уже новые состояния, в то время как старшие еще находятся в прежнем. Т.е. при смене одного числа другим счетчик проходит ряд промежуточных состояний, каждое из которых может быть ошибочно принято за двоичный код числа поступивших на вход импульсов.

Когда для устройства, в состав которого входит счетчик, отмеченные недостатки являются существенными, используют синхронные счетчики.

9.2.3.4 Синхронный счетчик со сквозным переносом

В таких счетчиках состояние триггеров изменяется одновременно под действием сигналов синхронизации на входах всех триггеров.

На рисунке 9.54 приведен суммирующий синхронный счетчик, выполненный на JK-триггерах.

В схеме с помощью конъюнкторов организован так называемый сквозной (параллельный) перенос. Его идея состоит в том, что сигнал переноса поступает на J, K входы последующих триггеров лишь в том случае, если предыдущие находятся в состоянии единица. Триггер Тг1 переключается каждым счетным импульсом, т.к. на его J и K входы постоянно подается единица. Остальные триггеры переключаются счетными импульсами при следующих условиях: Тг2 — при Q1=1; Тг3 — при Q1=1; Q2=1; Тг4 — при Q1=1; Q2=1; Q3=1.

Недостатком описанного счетчика является необходимость иметь конъюнкторы с большим количеством входов, число которых возрастает с увеличением числа разрядов. Если число разрядов синхронного счетчика не превышает четыре, то схему можно реализовать без внешних конъюнкторов, используя JK-триггеры с входной логикой И.

Ниже показана схема суммирующего синхронного счетчика, у которого число разрядов равно трем (рисунок 9.55).

Аналогично может быть построен вычитающий синхронный счетчик со сквозным переносом (рисунок 9.56).

Реверсивный синхронный счетчик со сквозным переносом приведен на рисунке 9.57.

Схема содержит один источник сигналов счета и два управляющих входа для переключения счетчика на суммирование (+1) или вычитание (-1). На выходе счетчика, обозначенном >7, единичный сигнал появляется при поступлении седьмого импульса и переходе счетчика в состояние, в котором все триггеры установлены в 1. Следующим восьмым импульсом на этом выходе появляется сигнал переноса в следующий разряд в виде перепада из 1 в 0.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector