КЛАССИФИКАЦИЯ СЧЕТЧИКОВ

По способу кодирования внутренних состояний различают двоичные счетчики, счетчики Джонсона, счетчики с кодом «1 из N» и др.

По направлению счета счетчики делятся на суммирующие (прямого счета), вычитающие (обратного счета) и реверсивные (с изменением направления счета).

По принадлежности к тому или иному классу автоматов говорят о синхронных или асинхронных счетчиках (более подробную классификацию по этому признаку не затрагиваем, учитывая реальный состав микросхем счетчиков).

Счетчики строятся из разрядных схем, имеющих межразрядные связи. Соответственно организации этих связей различают счетчики с последовательным, параллельным и комбинированными переносами [1].

Возможны два режимы работы счетчика:

1) регистрация числа поступивших на счетчик сигналов;

2) деление частоты.

В первом режиме результат – содержимое счетчика, во втором режиме выходными сигналами являются импульсы переполнения счетчика или выходной сигнал старшего разряда.

Быстродействие счетчика характеризуется временем установления в нем нового состояния (первый режим), а также максимальной частотой входных сигналов .

Как и любой автомат, счетчик можно строить на триггерах любого типа, однако удобнее всего использовать для этого триггеры типа Т(счетные) и JK, имеющие при счетный режим.

Состояние счетчика читается по выходам разрядных схем как слово , (в качестве индексов разрядов счетчиков удобно использовать весовой коэффициент соответствующего разряда). Входные сигналы всегда поступают на младший разряд (асинхронный счетчик) или на входы С всех разрядов одновременно (синхронный счетчик).

ДВОИЧНЫЕ СЧЕТЧИКИ

Двоичным счетчиком называется счетчик, имеющий модуль , где n – целое число, и естественную последовательность кодов состояний (его состояния отображаются последовательностью двоичных чисел, десятичными эквивалентами которых будут числа 0, 1, 2, 3,..., ).

Схему двоичного счетчика можно получить с помощью формального синтеза, однако более наглядным путем представляется эвристический [1]. Таблица истинности двоичного счетчика – последовательность двоичных чисел от нуля до . Наблюдение за разрядами чисел, составляющих таблицу, приводит к пониманию структурной схемы двоичного счетчика. Состояния младшего разряда при его просмотре по соответствующему столбцу таблицы показывают чередование нулей и единиц вида «01010101...», что естественно, так как младший разряд принимает входной сигнал и переключается от каждого входного воздействия. В следующем разряде наблюдается последовательность пар нулей и единиц вида «00110011...». В третьем разряде образуется последовательность из четверок нулей и единиц «00001111...» и т. д. Из этого наблюдения видно, что следующий по старшинству разряд переключается с частотой, в два раза меньшей, чем данный и переключение происходит при переходе предыдущего разряда из «1» в «0» (то есть по заднему фронту).

Известно, что счетный триггер делит частоту входных импульсов на два. Сопоставив этот факт с указанной выше закономерностью, видим, что счетчик может быть построен в виде цепочки последовательно включенных счетных триггеров (рис. 1, а). Заметим, кстати, что, согласно ГОСТу, входы элементов изображаются слева, а выходы справа. Соблюдение этого правила ведет к тому, что в числе, содержащемся в счетчике, младшие разряды расположены левее старших.

Рис. 1. Структура последовательного счетчика (а), ее реализация на триггерах с прямым динамическим управлением (б) и межразрядные связи реверсивного счетчика (в)

Представление счетчика цепочкой Т-триггеров справедливо как для суммирующего, так и для вычитающего вариантов, поскольку закономерность по соотношению частот переключения разрядов сохраняется как при просмотре таблицы сверху вниз (прямой счет), так и снизу вверх (обратный счет). Различия при этом состоят в направлении переключения предыдущего разряда, вызывающего переключение следующего. При прямом счете следующий разряд переключается при переходе предыдущего в направлении от «1» к «0», а при обратном – при переключении от «0» к «1». Следовательно, различие между вариантами заключается в разном подключении входов триггеров к выходам предыдущих. Если схема строится на счетных триггерах с прямым динамическим управлением, то характер подключения следующих триггеров к предыдущим для получения счетчиков прямого и обратного счета будет соответствовать рис. 1, б [1].

Рис. 2. Временные диаграммы работы двоичного счётчика при прямом счёте (а) и при обратном счёте (б)

Из различия вариантов прямого и обратного счета следует также и способ построения реверсивного счетчика (рис. 1, в) путем переноса точки съема сигнала с триггера на противоположный выход под действием управляющего сигнала и с помощью элемента «И-ИЛИ-НЕ», как показано на рисунке, либо элемента «И-ИЛИ».

Полученные структуры относятся к асинхронным счетчикам, так как в них каждый триггер переключается выходным сигналом предыдущего, и эти переключения происходят не одновременно. Переключение одного триггера за другим есть не что иное, как распространение переноса по разрядам числа при изменении содержимого счетчика. В худшем случае перенос распространяется по всей разрядной сетке от младшего разряда к старшему, то есть для установления нового состояния должны переключиться последовательно все триггеры. Отсюда видно, что время установления кода в асинхронном счетчике составит величину . Другим названием асинхронного счетчика является название «последовательный счетчик».

Максимальная частота входных импульсов в режиме деления частоты ограничивается возможностями триггера младшего разряда, так как все последующие разряды переключаются с более низкими частотами.

Особенностью последовательных (асинхронных) счетчиков является возникновение в переходных процессах ложных состояний из-за задержек переключения триггеров. На рис. 3 показана временная диаграмма работы двухразрядного суммирующего счетчика на триггерах с прямым динамическим управлением, построенная с учетом задержек переключения триггеров . Читая состояние счетчика Q по потенциалам на выходах триггеров и , видим, что после состояний «1» и «3» появляются ложные состояния «0» и «2» (показаны штриховкой). Опасность воздействия коротких ложных импульсов на ЦУ заставляет прибегать при необходимости к стробированию выхода счетчика.

Рис. 3. Временные диаграммы работы последовательного двоичного счетчика

Максимальным быстродействием обладают синхронные счетчики с параллельным переносом, структуру которых найдем эвристически, рассмотрев процессы прибавления единицы к двоичным числам и вычитания ее из них, например:

Результат всегда отличается от исходного числа только в нескольких младших разрядах, значения которых инвертируются. Для суммирующего счетчика требуется инверсия разрядов до первого разряда, равного логическому нулю, включая и его, а для вычитающего аналогично до разряда, равного логической единице. Таким образом, в суммирующем счетчике должны переключиться разряды, для которых все младшие единичны, для вычитающего – те, для которых все младшие находятся в нуле.

Эти задачи и должны решать счетчики. Время установления нового состояния для таких счетчиков (если не учитывать зависимости задержек элементов от нагрузок на них) не зависит от их разрядности и равно времени переключения триггера . Длительность цикла равна , где – задержка конъюнктора. Структура суммирующего синхронного счетчика с параллельным переносом, реализованного на триггерах с управлением фронтом, показана на рис.4, а. Схема межразрядной связи для реверсивного счетчика с сигналом U/D (Up/Down, т. е. прямо/обратно) показана рис.4, б.

С ростом числа разрядов реализация параллельных счетчиков затрудняется – требуются вентили с большим числом входов, растет нагрузка на выходы триггеров.

Рис. 4. Схемы параллельных счетчиков прямого счета (а) и реверсивного (б)

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: