Основные параметры и классификация счетчиков.

Счетчики

Счетчиком называется последовательное устройство, предназначенное для счета входных импульсов и фиксации их числа в двоичном коде.

Счетчики так же, как и сдвиговые регистры, строятся на основе N однотипных связанных между собой разрядных схем, каждая из которых в общем случае состоит из триггера и некоторой комбинационной схемы, предназначенной для формирования сигналов управления триггером.

В цифровых схемах счетчики могут выполнять следующие микрооперации над кодовыми словами:

1) установка в исходное состояние (запись нулевого кода);

2) запись входной информации в параллельной форме;

3) хранение информации;

4) выдача хранимой информации в параллельной форме;

5) инкремент – увеличение хранящегося кодового слова на единицу;

6) декремент – уменьшение хранящегося кодового слова на единицу.

Основные параметры и классификация счетчиков.

Основным статическим параметром счетчика является модуль счета М, который характеризует максимальное число импульсов, после прихода, которого счетчик устанавливается в исходное состояние.

Основным динамическим параметром, определяющим быстродействие счетчика, является время установления выходного кода , характеризующее временной интервал между моментом подачи входного сигнала и моментом установления нового кода на выходе.

Счетчики могут классифицироваться по многим параметрам, рассмотрим основные из них.

По значению модуля счета счетчики подразделяют на:

– двоичные, модуль счета, которых равен целой степени числа 2 ();

– двоично-кодированные, в которых модуль счета может принимать любое, не равное целой степени числа 2, значение.

По направлению счета счетчики подразделяют на:

– суммирующие, выполняющие микрооперацию инкремента над кодовым словом;

– вычитающие, выполняющие микрооперацию декремента над кодовым словом,

– реверсивные, выполняющие в зависимости от значения управляющего сигнала над хранящимся кодовым словом, либо микрооперацию декремента, либо инкремента.

По способу организации межразрядных связей счетчики делятся на:

– счетчики с последовательным переносом, в которых переключение триггеров разрядных схем осуществляется последовательно один за другим;

– счетчики с параллельным переносом, в которых переключение всех триггеров разрядных схем осуществляется одновременно по сигналу синхронизации;

– счетчики с комбинационным последовательно-параллельным переносом, при котором используется различные комбинации способов переноса

Двоичные счетчики

Для определения структуры двоичного счетчика рассмотрим последовательность двоичных чисел, ограничившись для простоты 3-разрядным кодом (см. табл. 1).

Таблица – Таблица 3-разрядных двоичных чисел

Так как в счетчике значения Q ассоциируются с выходными сигналами соответствующих триггеров, то для получения счетчика с модулем счета М=8 необходимо как минимум три триггера. Рассматривая табл. 7.1 нетрудно заметить, что Q₀, соответствующее младшему разряду двоичного числа, изменяет свое значение с приходом каждого импульса синхронизации; Q₁ – с приходом каждого второго импульса синхронизации, a Q₂ – с приходом каждого четвертого импульса. Данный алгоритм можно легко реализовать, используя асинхронные T-триггеры, причем синхронизацию каждого последующего триггера осуществляют выходным сигналом предыдущего, а переключение первого триггера, формирующего значение Q₀ – непосредственно последовательностью синхроимпульсов. Временные диаграммы, поясняющие такой алгоритм работы, приведены на рис. 1.

Рисунок 1 – Временные диаграммы работы суммирующего счетчика

Из таблицы и временных диаграмм также следует, что для организации микрооперации инкремента переключение каждого последующего триггера должно происходить в момент изменения выходного сигнала предыдущего триггера из 1 в 0, т. е. по срезу импульса. Следовательно, для получения суммирующего счетчика, последовательно включенные асинхронные Т-триггеры должны быть снабжены инверсными динамическими входами (см. рис. 2). Если исходные асинхронные Т-триггеры снабжены прямыми динамическими входами, то счетчик превращается в вычитающий и выполняет микрооперацию декремента. Временные диаграммы, поясняющие данный режим работы, приведены на рис. 3.

Рисунок 2 – Схема трехразрядного суммирующего счетчика

с последовательным переносом

Рисунок 3 – Временные диаграммы работы вычитающего счетчика

Сказанное справедливо, если для синхронизации каждого последующего асинхронного Т-триггера использовать прямой выход предыдущего триггера (вывод Q). Если для этой цели использовать инверсный выход триггера, то суммирующий счетчик реализуется на Т-триггерах с прямыми динамическими входами, а вычитающий – на Т-триггерах с инверсными входами.

Таким образом, в счетчиках на синхронных Т-триггерах направление счета зависит как от того, какой из выходов используется для синхронизации последующего триггера, так и от типа входа синхронизации. В табл. 7.2 приведены все возможные комбинации соединения триггеров с различными типами входов синхронизации и получаемые при этом виды счетчиков.

Таблица 2 – Зависимость типа выполняемой микрооперации от вида межразрядных связей

Тип входа Т	Используемый выход
Прямой динамический	Декремент	Инкремент
Инверсный динамический	Инкремент	Декремент

Из сказанного так же следует, что направление счета счетчика может изменяться путем изменения вида межразрядных связей. Последнее легко достигается включением в состав каждой разрядной схемы счетчика мультиплексора (см. рис. 7.4), как это было сделано в реверсивном сдвиговом регистре.

Сигнал на входе V данного счетчика определяет вид межразрядных связей, а, следовательно, и тип получаемого счетчика. Временные диаграммы, поясняющие работу такого счетчика при различных значениях сигнала V, приведены на рис. 5.

Рисунок 4 – Фрагмент структурной схемы реверсивного счетчика

Рисунок 5 – Временные диаграммы работы реверсивного счетчика

Все рассмотренные выше счетчики являются счетчиками с последовательным переносом, так как переключение каждого последующего триггера может произойти только после переключения предыдущего. Данный тип счетчика отличается простотой внутренней структуры. Однако следствием такой организации является большое время установления выходного кода, которое к тому же не остается постоянным в процессе работы и зависит от конкретого значения его выходного кода.

Максимальное значение t_к наблюдается в случае необходимости переключения всех триггеров счетчика, например при изменении выходного кода со значения 111... в 000... или наоборот. Численно

,

где N – число разрядов счетчика; – время переключения (установления выходного кода) одного разряда счетчика.

Уменьшить время установления выходного кода счетчика можно при условии, что все триггеры его разрядных схем будут переключаться одновременно. Для этого необходимо отказаться от применения асинхронных триггеров в пользу синхронных и сформировать сигналы, регламентирующие требуемый порядок переключения триггеров разрядных схем до прихода импульса синхронизации. Для получения алгоритма переключения триггеров разрядных схем вернемся еще раз к таблице последовательности двоичных чисел (см. табл. 2). Анализируя таблицу, нетрудно заметить, что переключение каждого последующего триггера при приходе очередного импульса синхронизации происходит только тогда, когда все предыдущие триггеры установлены, т. е. на выходах присутствуют единичные сигналы. Математически данный алгоритм можно записать следующей ФАЛ:

,

где – значение i -го разряда выходного кода счетчика в (n+1)-й момент времени; –значение i -го разряда выходного кода счетчика в n -й момент времени; – сигнал переноса.

Итак, для одновременного переключения триггеров всех разрядных схем в счетчике необходимо сформировать сигнал переноса. Схемотехническая реализация такого алгоритма переключения приведена на рис. 6.

Рисунок 6 – Фрагмент схемы счетчика с параллельным переносом

Следует отметить, что в данной структуре триггер, формирующий сигнал Q₀, по-прежнему остался асинхронным. Поэтому его входной сигнал . Очевидно, что в данной схеме время установления выходного кода t_{к max} будет равно времени переключения одного триггера: .

Однако если счетчик с последовательным переносом непосредственно после установления нового значения выходного кода готов к следующему переключению, то при реализации данного алгоритма для подготовки счетчика к следующему переключению должно пройти некоторое время t_под. Это время необходимо для формирования нового сигнала переноса и определяется временем задержки распространения логических элементов И (t_под= t_зд), использующихся в цепях формирования сигналов р_i. Так как это время всегда меньше времени установления выходного кода одиночного триггера, быстродействие полученного счетчика всегда выше быстродействия счетчика с последовательным переносом.

Счетчики, реализующие описанный алгоритм работы, называются счетчиками с параллельным переносом.

Следует отметить, что в счетчиках с параллельным переносом направление счета не зависит от того, какой (прямой или инверсный) динамический вход имеют триггеры, составляющие его разрядные схемы. Направление счета определяется исключительно тем, какой (прямой или инверсный) выход триггера используется для формирования сигнала переноса. Так, счетчик, схема которого показана на рис. 6, будет суммирующим. Если же для формирования сигнала переноса будут использованы инверсные выходы триггеров разрядных схем, счетчик будет вычитающим (см. табл. 3).

Таблица 3 – Зависимость типа операции, реализуемой счетчиком с параллельным переносом, от вида межразрядных связей

Сигнал связи	Выполняемая микрооперация
	Инкремент
	Декремент

Следовательно, и при использовании параллельного переноса введением в разрядные схемы мультиплексоров на элементах 2Х2/И–ИЛИ можно легко построить реверсивный счетчик.

Сложность практической реализации счетчиков с параллельным переносом состоит в том, что при увеличении числа разрядов пропорционально увеличивается число входов логических элементов И, используемых в цепях формирования сигнала переноса. Поэтому при увеличении числа разрядов используют структуры счетчиков с комбинированным, как правило, последовательно-параллельным или параллельно-параллельным переносом.

Идея построения счетчиков с комбинированным переносом состоит в разбиении разрядных схем счетчика на группы, внутри которых осуществляют либо последовательный, либо параллельный перенос. Формирование сигнала переноса между группами выполняется элементами И лишь в случае, когда триггеры всех входящих в данную группу разрядных схем установлены в единичное состояние, т. е. по параллельному принципу (см. рис. 7).

Время установки выходного кода в такой структуре:

,

где – время установки выходного кода в пределах одной группы. При использовании в пределах одной группы последовательного переноса:

,

где – число триггеров в j-й группе.

Рисунок 7 – Структура счетчика с комбинированным переносом

Очевидно, что упрощение счетчика с последовательно-параллельным переносом достигается за счет некоторого снижения его быстродействия.

При организации внутри группы параллельного переноса быстродействие счетчика увеличивается. Это происходит за счет уменьшения времени , которое в данном случае равно:

.

Максимальное время подготовки счетчика с комбинированным переносом к следующему переключению:

,

где l – число групп в счетчике.

Максимально возможная частота переключения счетчика с комбинированным переносом определяется выражением:

.

Следует отметить, что число разрядных схем в каждой группе может быть произвольным. В частном случае каждая группа может содержать только одну разрядную схему, и схема с комбинированным переносом вырождается в так называемую схему счетчика со сквозным переносом (см. рис. 7.8).

Рисунок 8 – Схема четырехразрядного счетчика со сквозным переносом

В данной схеме переключение всех триггеров происходит одновременно, однако для подготовки к следующему переключению должно пройти время, необходимое для последовательного формирования на выходах всех элементов И новых значений сигнала переноса. Это время, как и время установления выходного кода в счетчиках с последовательным переносом, зависит от конкретного кода, записанного в счетчик. Получаемый в данном случае выигрыш по быстродействию определяется меньшим временем распространения сигнала в элементе И по сравнению с временем установления выходного кода в отдельном триггере.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: