_20Л_Счетчики. Счетчиком называется последовательностное устройство, предназначенное для счета входных импульсов и фиксации их числа
 Скачать 299 Kb.
|
|
Счетчики Счетчиком называется последовательностное устройство, предназначенное для счета входных импульсов и фиксации их числа. Основное функциональное назначение счетчиков:
Строятся счетчики, как и регистры, на основе однотипных связанных между собой триггеров. Наиболее часто используются Т- и JK-триггеры Число триггеров определяет максимальное количество импульсов, которое может быть подсчитано счетчиком. Основным параметром счетчика является модуль счета М, равный максимальному числу импульсов, после которых счетчик устанавливается в исходное состояние (обнуляется) и начинается новый цикл работы счетчика. Отечественные микросхемы счетчики можно определить по маркировке функционального назначения буквами ИЕ, например, К555ИЕ2. На принципиальных схемах счетчики обозначаются буквами СТ2, СТ10. Двоичные счетчики Работу простейшего асинхронного счетчика рассмотрим на примере четырехразрядного двоичного счетчика на счетных триггерах. Этот счетчик изображен на рис.1.   Рис.1 Из рис.1 видно, что триггеры имеют инверсные динамические входы, поэтому триггеры срабатывают по срезу входного импульса (при переходе из 1 в 0). Временные диаграммы на рис.2 показывают состояния каждого из триггеров при поступлении на вход периодической последовательности импульсов.  Рис.2 Состояние счетчика в двоичном коде по приходу на вход каждого нового импульса увеличивается на единицу, осуществляется операция инкремента. Так как счетный триггер делит частоту входных импульсов на два, то цепочка из четырех последовательно соединенных триггеров делит частоту на 16. По приходу каждого шестнадцатого импульса счетчик обнуляется и цикл счета начинается сначала. Максимально хранимое в счетчике число N=24-1 = 1510= 11112. В рассмотренном случае на вход каждого последующего асинхронного Т-триггера подключался прямой выход предыдущего триггера Q. Если ко входам подключать инверсный выход  , то код счетчика при приходе очередного входного импульса будет уменьшатся и мы получим вычитающий счетчик.Используя коммутатор рабочего выхода, можно получить реверсивный счетчик, который может как суммировать импульсы так и вычитать их. Такое переключение осуществляется с использованием элементов И-ИЛИ, И-ИЛИ-НЕ, которые устанавливаются между триггерами (рис.3).  Рис. 3 При поступлении на вход V логического нуля V = 0 на выходы верхних по схеме элементов И поступает логическая единица и к инверсным динамическим входам триггеров подключены прямые входы предыдущих триггеров. Счетчик выполняет операцию суммирования. При подаче сигнала V=1 по входам триггеров (инверсным динамическим) подключается инверсный выход предыдущих триггеров и выполняется операция вычитания. В рассмотренных счетчиках при последовательном соединении триггеров переключение каждого триггера может произойти только после переключения предыдущего. Поэтому они называются счетчиками с последовательным переносом. Такие счетчики отличаются простой схемой, но в то же время имеют наибольшее время установления выходного кода, которое к тому же является различным при различном состоянии счетчика. Например, если в счетчике записаны числа 010= 00002, 01002 = 410, и т. д., то переключается только один триггер, а при переходе из состояния 1510= 11112, либо 710= 01112 переключаются все четыре триггера. Новый тактовый импульс можно подавать на счетчик после того, когда установятся все триггеры. Таким образом, период следования Т входных импульсов должен удовлетворять соотношению T > N·tз тр, где N — число разрядов счетчика; tз mp— время задержки одного разряда. Из анализа работы счетчика видно, что время переключения после очередного входного импульса будет наибольшим когда все триггеры перед этим были в единичном состоянии. В этом случае каждый триггер меняет свое состояние и сигнал переноса должен последовательно пройти по всей цепочке триггеров. В итоге быстродействие снижается в N раз. Уменьшить время установления можно при условии, что все разряды счетчика будут переключаться одновременно. Это достигается в счетчиках со сквозным (параллельным) переносом.  Рис. 4 В схеме на рис. 4 все триггеры устанавливаются одновременно по приходу синхроимпульса С. Время установки счетчика равно времени задержки в одном разряде. Они имеют значительно более высокое быстродействие. Повышение быстродействия достигается за счет усложнения схемы. Время установления tycm таких счетчиков не зависит от числа разрядов и равно tycm=tз mp + tз И,, где tз И — время задержки элемента И. Однако, с ростом числа разрядов реализация параллельных счетчиков вызывает затруднения. Растет число входов элементов И, растет нагрузка на выходы триггеров и увеличивается число проводников. Кроме того, одновременное переключение сразу многих триггеров в счетчике создает значительный импульс тока в цепях питания. Поэтому при большом числе разрядов используют комбинированную структуру последовательно — параллельного переноса. Суть данной организации состоит в объединении нескольких триггеров в группы. Формирование сигнала переноса осуществляют между группами (рис.5).  Рис. 5 Сигнал переноса из группы триггеров возникает при условии, что все триггеры этой группы находятся в единичном состоянии, При необходимости формирования счетчиков большой размерности и уменьшения импульсов тока при переключении переходят к формированию счетчиков в коде Грея. Двоично-кодированные счетчики с произвольным модулем счета Нередко на практике необходимо создавать счетчики с модулями, не равным целой степени числа 2 — счетчики с произвольным модулем. Из них наиболее часто встречаются двоично-десятичные счетчики, поскольку десятичная система счисления является общепринятой. Наибольшее распространение при построении таких счетчиков получили:
Первый метод основывается на алгоритме синтеза цифрового устройства. При таком подходе составляется граф и таблица переходов-выходов, производится выбор используемых триггеров. Затем составляется таблица истинности и минимизируется комбинационная схема. Синтез такой схемы достаточно сложен и проводить его целесообразно только при проектировании устройств, выпускаемых большими партиями. Гораздо чаще на практике применяют метод управляемого сброса. Для реализации данного алгоритма пригоден любой двоичный счетчик, имеющий входы сброса и начальной установки. Идея метода состоит в принудительном формировании сигнала сброса триггеров двоичного счетчика при появлении на его выходе кода равного требуемому модулю счета М. Рассмотрим схему на рис.6.  Рис. 6 Четырехразрядный двоичный счетчик имеет дополнительно четырехвходовый элемент 4И-НЕ, на входы которого подаются сигналы с выходов триггера  . При появлении на синхронизирующем входе С одиннадцатого по счету импульса триггеры счетчика устанавливаются в состояние 1010.Тогда элемент 4И-НЕ через время, равное задержке распространения сигнала формирует на своем выходе нулевой сигнал сброса, который, поступая на установочные входы R всех триггеров, принудительно сбрасывает их в нулевое состояние. Далее начинается новый цикл счета. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу десятичного счетчика, представлены на рис. 7. В методе управляемого сброса на короткое время, обусловленное задержкой t3 в элементах тракта 4И-НЕ и срабатыванием триггеров по входу обнуления  , в счетчике устанавливается лишнее выходное состояние 1010. Рис. 7 Аналогичным образом могут быть построены счетчики на любое другое значение модуля счета. Например, для построения счетчика по модулю 5 необходимо три триггера 3>log25. На рис. 8 показан пример счетчика по модулю 5.  Рис. 8 На входы элемента ЗИ-НЕ подаются сигналы  в соответствии с 510 = 1012. Далее по приходу пятого импульса на выходе элемента ЗИ-НЕ формируется нулевой уровень, который обнуляет счетчик, поступая на входы асинхронного сброса R всех триггеров.Отметим, что среди других счетчиков с недвоичным кодированием практическое значение имеют счетчики с кодом Грея, счетчики Джонсона, счетчики с кодом «1 из N». |