Классификация счетчиков. Счетчики на основе триггерных устройств. Параллельные счетчики с непосредственными связями

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

КАФЕДРА РЭС

РЕФЕРАТ

НА ТЕМУ:

«Классификация счетчиков. Счетчики на основе триггерных устройств. Параллельные счетчики с непосредственными связями»

МИНСК, 2009

Подсчет импульсов является одной из наиболее распространенных операций, выполняемых в устройствах дискретной обработки информации. Такая операция в цифровых устройствах выполняется с помощью счетчиков. На схемах счетчики обозначаются буквами СТ. В отечественных сериях микросхем счетчикам соответствуют буквы ИЕ (условное обозначение). В общем случае счетчик представляет собой устройство, которое может переходить из одного состояния в другое под действием входных импульсов, подлежащих счету.

Счетчики представляют более высокий, чем регистры, уровень сложности цифровых микросхем, имеющих внутреннюю память. Хотя в основе любого счетчика лежат те же самые триггеры, которые образуют и регистры, но в счетчиках триггеры соединены более сложными связями, в результате чего их функции сложнее, и на их основе можно строить более сложные устройства, чем на регистрах. Точно так же, как и в случаях регистров, внутренняя память счетчиков - оперативная, то есть ее содержимое сохраняется только до тех пор, пока включено питание схемы. С выключением питания память стирается, а при новом включении питания схемы содержимое памяти будет произвольным, случайным, зависящим только от конкретной микросхемы, то есть выходные сигналы счетчиков будут произвольными.

Как следует из самого названия, счетчики предназначены для счета входных импульсов. То есть с приходом каждого нового входного импульса двоичный код на выходе счетчика увеличивается или уменьшается на единицу (рис.1). Срабатывать счетчик может по отрицательному фронту входного (тактового) сигнала (как на рисунке) или по положительному фронту входного сигнала. Режим счета обеспечивается использованием внутренних триггеров, работающих в счетном режиме. Выходы счетчика представляют как раз выходы этих триггеров.

Каждый выход счетчика представляет собой разряд двоичного кода, причем разряд, переключающийся чаще других (по каждому входному импульсу), будет младшим, а разряд переключающийся реже других - старшим. Счетчик может работать на увеличение выходного кода по каждому входному импульсу, это основной режим, имеющийся во всех счетчиках, он называется режимом прямого счета. Счетчик может также работать на уменьшение выходного кода по каждому входному импульсу, этот режим обратного или инверсного счета, предусмотренный в счетчиках называемых реверсивными.

Из сказанного следует, что если счетчик должен считать до 10, то он обязан иметь как минимум 10 различных состояний. При этом каждый 10-й импульс должен возвращать счетчик в исходное состояние, которое в принципе может быть любым из них. Число состояний, которое счетчик должен иметь для подсчета заданного числа импульсов, обычно называют коэффициентом счета или модулем счета счетчика и обозначают соответственно и М. Примером простейшего счетчика может служить счетный триггер, осуществляющий подсчет сигналов по модулю М=2, так как он имеет два состояния 0 и 1, принимаемые им поочередно под действием входных сигналов. Таким образом, задача проектирования счетчиков сводится к разработке цифрового устройства, которое имело бы как минимум равное заданному модулю М число устойчивых состояний и последовательно переходило из одного состояния в другое под действием поступающих импульсов.

Большинство счетчиков работают в обычном двоичном коде, то есть считают от 0 до , где N - число разрядов выходного кода счетчика. Например, 4-разрядный счетчик в режиме прямого счета будет считать от 0 (код 0000) до 15 (код 1111), а 8-разрядный - от 0 (код 0000 0000) до 255 (код 1111 1111). После максимального значения кода счетчик по следующему входному импульсу переключается опять в 0, то есть работает по кругу. Если же счет инверсный, то счетчик считает до нуля, а дальше переходит к максимальному коду .

Имеются также двоично-десятичные счетчики, предельный код на выходе которых не превышает максимального двоично-десятичного числа, возможного при данном количестве разрядов.

Двоично-десятичные счетчики удобны, например, при организации десятичной индикации их выходного кода, но применяются они гораздо реже обычных двоичных счетчиков.

Наиболее часто счетчики работают в двоичном, двоично-десятичном, единичном и других кодах.

Классификация счетчиков

Любой тип счетчика, многообразие которых в основном определяется способом кодирования состояний и порядком их чередования, может быть спроектирован на основе триггеров -; -; - типов (индекс t обозначает, что триггер работает в режиме с внутренней задержкой), реализованных на базе триггеров видов , , , , , , . Однако в некоторых случаях и особенно для счетчиков со специальными кодами при их проектировании широко применяются сдвигающие регистры, многостабильные пересчетные схемы (МПС) и специальные кольцевые схемы, выполняемые на простых тактируемых триггерах. А это по существу представляет собой классификацию счетчиков по способу их структурной реализации.

Таблица 1.

Однако кроме отмеченного классификационного признака счетчики классифицируют еще целым рядом признаков, наиболее важным из которых приводятся в табл. 1.

Рассмотрим эти признаки.

Способ кодирования или представления состояний счетчика.

Подсчет импульсов есть не что иное, как переход счетчика из одного состояния в другое. При заданном числе состояний счетчика такой переход может осуществляться по различным законам, которые определяются применением счетчика. Таким образом, классификация счетчиков по способу кодирования представляет собой их классификацию, определяемую выбранным законом перехода счетчика из i-го в (i+1)-е состояние. В соответствии с этой классификацией различают: счетчики работающие в двоичных кодах; счетчики, работающие в кодах Грея, Либау-Крейга; Котца; единичном и других специальных непозиционных кодах. Другими словами, названия таких счетчиков даются по виде кодирования его состояний.

Целевое назначение счетчика.

Этот классификационный признак предполагает конкретное использование счетчика в одном из следующих режимов:

· в режиме суммирования (суммирующие счетчики);

· в режиме вычитания (вычитающие счетчики);

· в реверсивном режиме (реверсивные счетчики, т.е. счетчики, которые могут работать в режиме суммирования или вычитания импульсов в зависимости от сигналов разрешения);

· в режиме занесения адреса и последующего счета (адресные счетчики).

Способ установки кода в счетчике.

Этот классификационный признак учитывает процесс установки кодов в счетчике как функцию времени с момента поступления входного сигнала. В соответствии с этим признаком счетчики подразделяются на синхронные и асинхронные. К синхронным будем относить счетчики, в которых процесс установки любого нового кода происходит одновременно во всех разрядах, начиная с некоторого момента времени. В асинхронных счетчиках код устанавливается не одновременно, а последовательно.

Перечисленные классификационные признаки являются основными, поскольку присущи каждому счетчику независимо от его схемного решения. Однако кроме них счетчики могут классифицироваться рядом других признаков, например по способу организации связей между разрядами. При этом выбор того или иного подхода к построению счетчика определяется возможностью выполнения счетчика с минимальными АМЗ и рядом других требований при условии выполнения счетчиком функциональных параметров. К числу последних наряду с отмеченным (выше) модулем счета счетчика следует отнести параметр быстродействия . Этот параметр для всех счетчиков определяется из выражения

,

где - минимальный период следования между двумя счетными импульсами, определяемый условием окончания в счетчике наиболее продолжительного переходного процесса, связанного с установлением кода;

- минимальная длительность счетного импульса;

- минимальная длительность паузы между двумя счетными импульсами.

Счетчики на основе триггерных устройств

На основе триггерных устройств и, в частности, на триггерах Т-типов строится наиболее распространенный класс счетчиков, а именно класс двоичных счетчиков. Двоичными они называются потому, что число поступивших на вход счетчика импульсов представляется в счетчике эквивалентным числом в двоичной системе счисления. Так, например, если на вход счетчика было подано девять импульсов, то в счетчике должен быть зафиксирован код 1001, соответствующий числу 9, представленному в двоичной системе счисления. Из примера ясно, что подобный счетчик должен иметь разрядную структуру, состоящую из четырех разрядов, каждый из которых может находиться в состоянии либо 0, либо 1. В общем случае в таком счетчике число поступивших на его вход импульсов определяется из выражения

, (1)

где - состояние i-го разряда счетчика: ;

- вес i-го разряда счетчика или число, которое ставится в соответствие каждому разряду счетчика (i=0,1,2,3,…,n). В рассматриваемом примере счетчик содержит четыре разряда (нулевой, первый, второй и третий), поскольку согласно выражению (5.1) число 9 можно записать следующим образом:

Причем вес нулевого разряда эквивалентен одному импульсу, вес первого разряда двум, вес второго и третьего разрядов - четырем и восьми импульсам соответственно.

Для того, чтобы счетчик, имеющий разрядную структуру, осуществлял подсчет импульсов, его разряды должны быть определенным образом соединены. В свою очередь, способ соединения разрядов является одним из дополнительных признаков, по которому классифицируют счетчики. В соответствии с этим признаком различают счетчики:

· с непосредственными межразрядными связями;

· со связью по цепям межразрядного переноса (счетчики с переносом);

· с комбинированными связями.

Все перечисленные разновидности счетчиков находят практическое применение при проектировании цифровых устройств. При этом выбор наиболее эффективного способа построения двоичного счетчика определяется в основном требованиями быстродействия и его конкретным назначением.

Счетчики с непосредственными связями

В счетчиках с непосредственными связями управляющими сигналами для последующих разрядов счетчика являются потенциальные сигналы с информационных выходов предыдущих разрядов. Этот способ соединения разрядов наиболее наглядно отражает специфику построения счетчиков на основе ИМС, так как он свойственен только потенциальной схемотехнике. В зависимости от способа соединения разрядных триггеров счетчики с непосредственными связями подразделяют на последовательные, параллельные и параллельно-последовательные.

Последовательные счетчики с непосредственными связями.

Схема такого счетчика построенного на триггерах вида , приведена на рис. 2. Счетчик выполняется так, что выход плеча Q i-го разряда подключен непосредственно к счетному входу следующего (i+1)-го разряда. Рассмотрим работу устройства, предположив, что все разряды счетчика выполнены по способу M-S. Пусть счетчик находится в состоянии 0 . При поступлении первого счетного импульса () основной триггер M первого разряда устанавливается в состояние 1, а его вспомогательный триггер продолжает оставаться в 0. После окончания первого счетного импульса () на выходе первого разряда устанавливается уровень 1 (), который, поступив на счетный вход второго разряда, переключит его основной триггер в состояние 1. При этом состояние вспомогательного второго разряда и состояние основных триггеров всех последующих разрядов не изменится. После окончания второго счетного импульса () первый разряд установится в исходное состояние и тем самым будет разрешена передача информации из триггера M в S второго разряда. В результате второй разряд устанавливается в состояние и подготовит к переключению в состояние 1 основной триггер третьего разряда счетчика и т.д. После седьмого импульса (см. рис. 2,б) все разряды счетчика установятся в состояние 1. Восьмым импульсом (с задержкой после его окончания) сначала сформируется уровень 0 на выходе первого разряда. Затем через интервалы времени и последовательно установятся уровни 0 на выходах второго и третьего разрядов, и счетчик вернется в исходное состояние . Поскольку код в счетчике устанавливается последовательно, то такой счетчик относится к разряду асинхронных. Поэтому точнее данный счетчик следует назвать асинхронным последовательным счетчиком с непосредственными связями. Быстродействие такого счетчика

, (2)

Где - время установки кода в счетчике.

Для схемы рис. 2. параметр зависит от числа его разрядов n:

,

учитывающего максимальную продолжительность переходных процессов. С учетом выражения (2) получим

,

где - минимальная длительность счетного импульса.

Последовательные счетчики с непосредственными связями являются простейшими по схемотехнической реализации, так как не требуют дополнительных межразрядных элементов для их построения. Но вместе с тем они обладают и наименьшим быстродействием, что является их недостатком.

К дополнительным преимуществам таких счетчиков следует отнести независимость нагрузочной способности выходов счетчика от его разрядности, малое число межразрядных связей и др. Счетчики последовательного типа с непосредственными связями получили широкое применение в цифровых устройствах малого и среднего быстродействия, а также при построении делителей частоты.

Параллельные счетчики с непосредственными связями.

Параллельные (синхронные) счетчики с непосредственными связями характеризуются одновременным поступлением счетного импульса на входы всех разрядов счетчика и непосредственным подключением информационных выходов к информационным входам последующих разрядов счетчика.

При построении параллельных счетчиков с непосредственными связями применяются многовходовые триггеры в основном - типов, работающих в режиме триггера -типа.

Пример организации такого счетчика на триггерах -типа показан на рис. 3.

В исходном состоянии (код 0000) только первый разряд счетчика оказывается подготовленным для работы в режиме -триггера (так как J=K=1), а все остальные хранят записанную в них информацию, работая в режиме триггера -типов. После окончания первого счетного импульса первый разряд установится в состояние 1 () и тем самым для работы в режиме -триггера окажется подготовлен второй разряд счетчика. При этом третий и четвертый разряды будут продолжать работать в режиме триггеров -типа. После третьего счетного импульса в счетчике установится код 11 (, , ). В результате для работы в режиме триггера TV-типа будет подготовлен третий разряд счетчика и теперь только четвертый разряд будет продолжать хранить свое нулевое состояние, работая в качестве триггера JK-типа. Поскольку связь между разрядами осуществляется без дополнительных элементов, то такие счетчики обладают максимально возможным быстродействием одного разряда счетчика:

,

что является их основным преимуществом.

Недостатком параллельных счетчиков с непосредственными связями является необходимость применения триггеров с числом информационных входов определяемым из выражения

,

где n - номер разряда счетчика, начиная со второго.

Другим недостатком таких счетчиков следует считать зависимость нагрузочной способности разрядных триггеров по выходам от числа разрядов счетчика. Наиболее нагруженным здесь оказывается первый разряд счетчика. Разрядность подобных счетчиков обычно не превышает четырех, поскольку она ограничивается не только отсутствием типовых триггеров с большим числом входов, но и нагрузочной способностью элементов. Эти факторы следует учитывать при проектировании таких счетчиков.

Параллельно-последовательные счетчики с непосредственными

связями

В параллельно-последовательных счетчиках все разряды разбиваются на группы и применяется два вида межразрядных связей: внутри группы - параллельная связь, а между группами - последовательная. С помощью такого соединения разрядов обеспечивается одновременное (синхронное) срабатывание разрядов в группах и последовательное (асинхронное) срабатывание между группами.

Схема четырехразрядного параллельно-последовательного счетчика на -триггерах показана на рис.4.

Счетчик разбит на две группы по два разряда в каждой. Процесс переключения разрядов в группе соответствует рассмотренной выше последовательности переключения разрядов параллельных счетчиков, а процесс срабатывания групп соответствует порядку переключения счетчиков последовательного типа.

Быстродействие параллельно-последовательного счетчика (рис.4) рассчитывается по формуле:

; ,

где - число групп в счетчике.

ЛИТЕРАТУРА

1. Новиков Ю.В. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования. М.: Мир, 2001. - 379 с.

2. Новиков Ю.В., Скоробогатов П.К. Основы микропроцессорной техники. Курс лекций. М.: ИНТУИТ.РУ, 2003. - 440 с.

3. Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Цифровые устройства: Учеб. пособие для ВТУЗов. СПб.: Политехника, 2006. - 885 с.

4. Преснухин Л.Н., Воробьев Н.В., Шишкевич А.А. Расчет элементов цифровых устройств. М.: Высш. шк., 2001. - 526 с.

5. Букреев И.Н., Горячев В.И., Мансуров Б.М. Микроэлектронные схемы цифровых устройств. М.: Радио и связь, 2000. - 416 с.

6. Соломатин Н.М. Логические элементы ЭВМ. М.: Высш. шк., 2000. - 160 с.