Меню

Коэффициенты счета для счетчиков

2.2.2.4.4 Счетчики с произвольным коэффициентом счета (Материалы по всему курсу схемотехники (необработанное))

Описание файла

Файл «2.2.2.4.4 Счетчики с произвольным коэффициентом счета» внутри архива находится в папке «2 Цепи дискретного действия». Документ из архива «Материалы по всему курсу схемотехники (необработанное)», который расположен в категории «разное». Всё это находится в предмете «электронные цепи и микросхемотехника» из шестого семестра, которые можно найти в файловом архиве МЭИ (ТУ). Не смотря на прямую связь этого архива с МЭИ (ТУ), его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе «остальное», в предмете «электронные цепи и микросхемотехника» в общих файлах.

Онлайн просмотр документа «2.2.2.4.4 Счетчики с произвольным коэффициентом счета»

Текст из документа «2.2.2.4.4 Счетчики с произвольным коэффициентом счета»

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 Ксч =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.

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.

Читайте также:  Куда сдавать счетчик электроэнергии

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 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

Следовательно, когда fн = 1, то С’ = 0, и синхроимпульсы будут отсутствовать до тех пор, пока счетчик не выйдет из запрещенного состояния.

Из схемы формирования блокирующего сигнала синхронизации следует, что логика её функционирования ориентирована на то, чтобы исключить возможность появления неиспользуемых комбинаций выходных сигналов. Действительно, в коде числа двоично-десятичного счетчика отсутствуют комбинации 0110, 0011, следовательно, их появление свидетельствует о неиспраности системы.

Временные диаграммы счетчика (рис. 3.40), заданного графом переходов (рис. 3.38) и таблицей переходов 3.2, приведены на рис. 3.42.

Источник



Введение

Развитие вычислительной техники базируется на совершенствовании программных средств и разработке новых схемно-технологических принципов построения элементной базы цифровых микроэлектронных систем. Целью и задачей данного курсового проекта является проектирование генератора цифровой последовательности. Предусмотрены средства контроля правильности генерируемых слов, обработки чисел в случае возникновения сбоя, и автоматического приведения устройства в рабочее состояние после сбоя. Подобное устройство может оказаться полезным в качестве источника тестовых сигналов в процессе проверки цифровых систем.

В работе рассматриваются этапы разработки устройства от выбора его структуры до создания принципиальной схемы. Работоспособность устройства подтверждена путем эксперимента с использованием компьютерного моделирования в среде Multisim.

Теоретическая часть

Основные сведения о счётчиках

На базе счетных триггеров можно построить цифровое устройство, получившее название электронного счетчика. Электронные счетчики (далее, просто счетчики) позволяют вести подсчет электрических импульсов, количество которых (поступившее 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, каждый последующий разрядный триггер синхронизируется выходными импульсами триггера предыдущего разряда. Асинхронные счетчики иногда называют последовательными, а синхронные счетчики параллельными.

Синхронные счетчики 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.

Читайте также:  Счетчик с модулем лора

В качестве разрядных триггеров счетчиков и делителей могут быть использованы двухступенчатые D-триггеры, Т — триггеры 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, как правило, обозначают буквой М (или Ксч). 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 , следовательно, и 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.

Рассмотрим устройство двоичного суммирующего счетчика по модулю М = 16, выполненного на базе JK-триггеров.

На рисунке 1 изображены синхронизирующие входы всех триггеров, кроме крайнего левого, соединены с выходами предыдущих триггеров. Поэтому состояние триггера меняется в ответ на изменение состояния предыдущего триггера.

Рисунок 1 — Синхронизирующие входы всех триггеров

Из таблицы состояния счетчика, которая изображена на рисунке 2 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).

Рисунок 2 — Таблица состояния счетчика

Временные диаграммы, поясняющие работу асинхронного суммирующего счетчика, приведены на рисунке 3.

Рисунок 3 — Временные диаграммы асинхронного счетчика

Счетчики обратного счета (вычитающие счетчики). На рисунке 4 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, если переключить входы «С» триггеров с выходов «Q» на выходы. Когда в качестве разрядных триггеров используются D-триггеры, синхронизируемые передним фронтом синхроимпульсов, то для получения вычитающего счетчика (асинхронного) входы «С» последующих триггеров соединяются с прямыми выходами предыдущих так же, как в счетчике прямого счета, построенного на JK-триггерах.

Рисунок 4 — Асинхронный трехразрядный двоичный вычитающий счетчик

Работу вычитающего счетчика на D-триггерах иллюстрирует рисунок 5, из которого 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.

Рисунок 5 — Временные диаграммы работы вычитающего счетчика

После поступления восьмого импульса все триггеры снова 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 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 предыдущего JK- или Т-триггера на счетный вход последующего. В случае, когда реверсивный счетчик строится на базе

D-триггеров, управляемых передним фронтом, при получении режима прямого счета следует соединить инверсный выход предыдущего со счетным входом последующего триггера.

Читайте также:  Трехтарифный счетчик тарифы как снимать показания

Все рассмотренные типы счетчиков могут быть использованы в цифровых устройствах «умеренного» быстродействия, когда частота следования синхроимпульсов не превышает критического значения.

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 (поступающие 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 (подача управляющих импульсов) — последовательные. Схема синхронного последовательного счетчика, реализованного на JK-триггерах, приведена на рисунке 6.

Рисунок 6 — Схема синхронного последовательного счетчика

Синхронный последовательный счетчик обладает повышенным быстродействием, но за счет последовательного формирования управляющих уровней на входы «J» и «К» счетных триггеров это быстродействие несколько уменьшается. Этот недостаток отсутствует у параллельных синхронных счетчиков, в которых формирование управляющих уровней и их подача на соответствующие входы триггеров счетчика осуществляется одновременно, т.е. параллельно. Пример реализации параллельного синхронного счетчика проиллюстрирован рисунке 7.

Рисунок 7 — синхронный параллельный счетчик по модулю 16, реализованный на JK-триггерах

Поскольку счетчик имеет одну общую линию синхронизации, то состояние триггеров меняется синхронно, т.е. те триггеры, которые по синхроимпульсу должны изменить свое состояние, делают это одновременно, а это 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, отличающихся от двоичных. При этом избыточные состояния исключаются с помощью обратных связей внутри счетчика.

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 по формуле 1:

М = 2 m — Ксч, (1)

где Ксч — требуемый коэффициент счета;

М — число запрещенных состояний;

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 по формуле 2:

n= [log2 Ксч], (2)

где Ксч — требуемый коэффициент счета;

[log2 Ксч] — двоичный логарифм заданного Ксч

n — количество триггеров;

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. На рисунке 8 изображены организованы соединения, обеспечивающие коэффициент пересчета Ксч =10.

Рисунок 8 — Пример реализации счетчика с Ксч =10

На рисунке 9 отображены конфигурации соединений для получения различных коэффициентов пересчета с помощью счетчика К1533ИЕ5. В графе «Соединения» указано, какие выводы микросхемы должны быть соединены между собой. В строках «Ввод» и «Выход» таблицы указаны номера выводов микросхемы, на которые следует подавать входные импульсы и с которых надлежит снимать выходные, соответственно.

Рисунок 9 — Конфигурации соединений для получения различных коэффициентов пересчета

Источник