Меню

Реализовать счетчик по синхронной схеме

Синхронные счетчики

Синхронные (или параллельные) счетчики представляют собой наиболее быстродействующую разновидность счетчиков. Наращивание их разрядности при соблюдении определенных условий не приводит к увеличению полной задержки срабатывания. То есть можно считать, что именно синхронные счетчики работают как идеальные счетчики, все разряды которых срабатывают одновременно, параллельно. Задержка срабатывания счетчика в этом случае примерно равна задержке срабатывания одного триггера. Достигается такое быстродействие существенным усложнением внутренней структуры микросхемы.

Вместе с тем недостатком синхронных счетчиков является более сложное управление их работой по сравнению с асинхронными счетчиками и с синхронными счетчиками с асинхронным переносом. Поэтому синхронные счетчики целесообразно применять только в тех случаях, когда действительно требуется очень высокое быстродействие , очень высокая скорость переключения разрядов. Иначе усложнение схемы управления может быть не оправдано.

Временная диаграмма работы синхронного счетчика (рис. 10.1) отличается от временной диаграммы синхронного счетчика с асинхронным переносом способом формирования сигнала переноса, используемого при каскадировании счетчиков для увеличения разрядности. Сигнал переноса CR (от английского » Carry «) вырабатывается в данном случае тогда, когда все выходы счетчика устанавливаются в единицу (при прямом счете) или в нуль (при обратном, инверсном счете ). Входной тактовый сигнал в образовании сигнала переноса при этом не участвует.

При каскадировании (совместном включении для увеличения разрядности), например, двух счетчиков тактовые входы С обоих счетчиков объединяются, а сигнал переноса первого счетчика подается на вход разрешения счета (ECT) второго счетчика. В результате второй счетчик будет считать каждый шестнадцатый входной тактовый импульс (так как он будет срабатывать только при переносе от первого счетчика). Выходные сигналы второго счетчика будут переключаться по фронту общего тактового сигнала одновременно с выходными сигналами первого счетчика. Условием правильной работы будет в данном случае следующее: за период тактового сигнала должен успеть выработаться сигнал переноса первого счетчика.

В стандартные серии микросхем входят несколько разновидностей синхронных ( параллельных) счетчиков (рис. 10.2). Различаются они способом счета (двоичные или двоично-десятичные, реверсивные или не реверсивные) и управляющими сигналами (наличием или отсутствием сигнала сброса). Все счетчики считают по положительному фронту тактового сигнала , все имеют выход переноса CR и входы расширения для каскадирования. Все счетчики имеют возможность параллельной записи информации.

Таблица 10.1. Режимы работы счетчиков ИЕ9 и ИЕ10

Входы Режим
-R -EWR ECR ECT C
Х Х Х Х Сброс
1 Х Х 0 1 Параллельная запись
1 1 Х Х Хранение
1 1 Х Х Хранение
1 1 1 1 0 1 Прямой счет

Счетчики ИЕ9 и ИЕ10 отличаются друг от друга только тем, что ИЕ9 — двоично-десятичный , а ИЕ10 — двоичный . Микросхемы имеют вход асинхронного сброса –R, по нулевому уровню на котором все выходы счетчика сбрасываются в нуль. Счет (только прямой ) производится по положительному фронту на тактовом входе С. Параллельная запись осуществляется синхронно, по положительному фронту на тактовом входе С при установленном в нуль сигнале разрешения записи –EWR. Сигналы ECR («Enable Carry » — разрешение переноса ) и ECT («Enable Count » — разрешение счета ) используются при каскадировании микросхем. Разница между этими сигналами в том, что сигнал ECR не только запрещает счет, как сигнал ECT, но еще и запрещает выработку сигнала переноса CR. Счет идет при единичных сигналах на обоих входах ECT и ECR и при единичном сигнале на входе –EWR. Положительный сигнал переноса CR вырабатывается при максимально возможном коде на выходах счетчика (15 для ИЕ10 и 9 для ИЕ9) и при положительном сигнале на входе ECR. Таблица режимов работы счетчиков ИЕ9 и ИЕ10 представлена в табл. 10.1.

Счетчики ИЕ12 (двоично-десятичный) и ИЕ13 (двоичный) отличаются от ИЕ9 и ИЕ10 тем, что они реверсивные, то есть допускают как прямой , так и обратный счет. Кроме того, у них несколько другое управление. Считают они также по положительному фронту тактового сигнала С при нулевом уровне на входе разрешения счета ECT. Прямой счет осуществляется при нулевом уровне на входе управления U/D, обратный — при единичном уровне на входе U/D. Переключение уровней на входах U/D и ECT допускается только при положительном сигнале на тактовом входе С. Сброс счетчиков ИЕ12 и ИЕ13 в нуль не предусмотрен, зато имеется возможность асинхронной параллельной записи информации по нулевому уровню сигнала параллельной записи –WR.

Читайте также:  Установка счетчиков вода 3600

Положительный сигнал на выходе параллельного переноса CR появляется при достижении максимального кода (15 для ИЕ13 и 9 для ИЕ12) при прямом счете или при достижении нулевого кода при обратном ( инверсном) счете . Имеется также выход последовательного переноса Р, отрицательный импульс на котором вырабатывается при положительном сигнале CR и повторяет отрицательный импульс на тактовом входе С (аналогично рассмотренным ранее счетчикам ИЕ6 и ИЕ7).

Источник

Синхронные счетчики (стр. 1 )

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3

Лабораторная работа 4

Цель: овладеть методом синтеза синхронных счетчиков; приобрести практические навыки отработки проектируемых схем как моделированием с использованием САПР, так и макетированием на универсальной лабораторной установке.

Введение

Счетчиком называют последовательностную схему, предназначенную для увеличения / уменьшения хранимого кода на единицу или заданную константу. Счетчик часто имеет цепи предварительной установки заданной величины, в частности нуля. Число разрешенных устойчивых состояний счетчика называют его периодом или модулем М. Сигналы, поступающие на вход счетчика, называют считаемыми. Вход счетчика, на который поступает сигнал, увеличивающий состояние счетчика на 1, обозначают как «+1»; вход, на который поступает сигнал, уменьшающий состояние счетчика на 1, обозначают как «-1». Из любого i-го состояния под воздействием сигнала «+1» счетчик переходит в состояние (i+1)mod M, а под действием сигнала «-1» — в состояние (i-1)mod M.

Схемы счетчиков подразделяются на два класса: синхронные и асинхронные. В синхронных схемах все изменения согласуются по времени с подачей считаемого сигнала на общую шину, объединяющую синхронизирующие входы С триггеров счетчика (рис. 4.1,а).

В асинхронном счетчике отсутствует общая шина, на которую поступает считаемый сигнал. На вход С триггеров асинхронного счетчика сигналы могут поступать как с выхода другого триггера, так и от схем, непосредственно не связанных с синхронизирующими импульсами (рис. 4.1,б).

Если для проектирования синхронных счетчиков существуют отработанные методы, то для проектирования асинхронных счетчиков удобных систематизированных методов нет. Все усложняется тем, что различия во внутреннем строении триггеров проявляются именно при асинхронной работе. Поэтому разработчик схем должен иметь совершенно четкое представление о внутреннем строении используемого им типа триггера и не ограничиваться таблицей переходов, которая описывает только синхронную работу триггера.

Рис.4.1. Двоичный счетчик: а) синхронный, б) асинхронный

Синтез синхронных счетчиков

На рис. 4.2 приведена обобщенная схема логической структуры синхронного счетчика. Из этой схемы можно уяснить принцип работы любого синхронного счетчика.

Рис. 4.2. Обобщенная схема логической структуры счетчика

Сигналы с выходов триггеров поступают на входы комбинационной схемы, которая преобразует поступившую информацию. Сигналы с выходов комбинационной схемы подаются на логические входы триггеров. Преобразованная информация не воспринимается триггерами до тех пор, пока на синхронизирующие входы триггеров не поступит считаемый сигнал. Информация, находящаяся на входах каждого триггера, так сформирована комбинационной схемой, чтобы с приходом очередного считаемого сигнала осуществить переход счетчика из текущего состояния в следующее. Функции возбуждения входов iго триггера можно записать в виде:

Читайте также:  Не хочу ставить общедомовые счетчики

E1(t) = f1[Q1(t), Q2(t), . ,Qn(t)] ,

E2(t) = f2[Q1(t), Q2(t), . ,Qn(t)] .

Значения всех переменных в этих выражениях определены для одного и того же момента времени t. Поэтому функции возбуждения триггеров являются переключательными функциями, которым соответствуют комбинационные схемы, формирующие входные сигналы для триггеров.

Следовательно, если задан тип триггера, то задача синтеза счетчика заключается в составлении функций возбуждения каждого триггера и минимизации найденных функций в заданном базисе.

Рассмотрим матрицы переходов триггеров, которые используются при синтезе синхронных схем, в частности, счетчиков.
Матрица переходов триггера

Закон функционирования любого триггера можно задать с помощью матрицы переходов [1]. Число строк матрицы переходов для любого триггера равно четырем, что определяется числом возможных переходов триггера из одного состояния в другое, а количество столбцов — числу логических входов триггера:

Элемент матрицы представляет собой значение входного сигнала Ei, под воздействием которого триггер переходит из состояния Q(t) в состояние Q(t+1). При этом каждый элемент матрицы может быть равен единице, нулю или являться неопределенным коэффициентом, если значение сигнала на входе не влияет на данный переход триггера.

Матрицу переходов триггера составляют по таблице переходов этого триггера.

Матрица переходов DV-триггера

Рассмотрим на примере DV-триггера процесс составления матрицы переходов. Из таблицы переходов DV-триггера (см. лабораторную работу 3) найдем значения входных сигналов D и V, которые вызывают переход триггера из состояния Q(t) = 0 в состояние Q(t+1) = . Ими являются следующие три пары сигналов: D = 0, V = 0; D = 0, V = 1 и D = 1, V = 0.

Положим, что переменная D принимает произвольное значение ( или 1), тогда переменная V зависит от значения D. Если D = 0, то переменная V может быть равна как , так и 1; если же D = 1, то переменная V обязательно должна быть равна нулю.

Эту зависимость можно отразить в матрице переходов следующим образом. В столбце D первой строки запишем а1, а в столбце V — логическое произведение , где а1 и b1 — неопределенные коэффициенты, которые могут принимать значение как , так и 1.

Примечание. Рассуждение можно было провести иначе. Пусть переменная V принимает произвольное значение, тогда переменная D зависит от значения V. В этом случае элементами первой строки матрицы будут и а1. Обе возможности заполнения первой строки матрицы являются равнозначными, поэтому остановимся на первом варианте.

Переход типа «0-1» происходит при подаче на входы сигналов D = 1 и V = 1, а переход типа «1-0» — под воздействием сигналов D = 0 и V = 1. Эти значения сигналов являются элементами второй и третьей строк матрицы соответственно.

Наконец, переход типа «1-1» вызывается следующим сигналами: D = 0, V = 0; D = 1, V = 0 и D = 1, V = 1. Если положим, что переменная D принимает произвольное значение (0 или 1), то переменная V зависит от значения D. Если D = 0, то значение переменной V должно быть равно , а если D = 1, то переменная V может принимать произвольное значение.

Таким образом, если в столбце D элемент четвертой строки матрицы положить равным а2, то в столбце V этой строки необходимо записать логическое произведение a2b2.

Закон функционирования DVтриггера, описанный с помощью матрицы переходов, имеет следующий вид:

Слева от матрицы записаны типы переходов, соответствующие значениям сигналов каждой строки матрицы.

Матрица переходов JK-триггера

Аналогично получают матрицу переходов для JK-триггера:

Рассмотрим метод синтеза синхронных счетчиков на примере проектирования двоично-десятичного счетчика.

ПРИМЕР

Спроектировать двухразрядный двоично-десятичный счетчик на сложение с системой кодирования 2421 (2,4,2,1 — веса двоичных разрядов). Один десятичный разряд построим на DV-триггерах, другой — на JK-триггерах (см. вариант 30 в таблице вариантов). В данной системе кодирования каждая десятичная цифра представляется четырехразрядным двоичным эквивалентом, как показано в табл. 4.1.

Источник



Синхронные двоичные счётчики

Как мы уже упоминали ранее, основным недостатком делителей, построенных на кольцевых счётчиках, является малый коэффициент деления. Двоичные счётчики в этом смысле более эффективны. Попробуем разработать синхронный счётчик, работающий по двоичному закону. Для этого обратим внимание, что переключение следующего разряда счётчика происходит только тогда, когда состояние всех предыдущих его разрядов равно единицам. Это состояние может быть легко определено при помощи логического элемента «И».

Читайте также:  Законность установки теплового счетчика

Принципиальная схема одного из вариантов реализации четырёхразрядного синхронного двоичного счётчика приведена на рисунке 1.


Рисунок 1. Принципиальная схема четырёхразрядного синхронного двоичного счётчика

В этой схеме счётные триггеры реализованы на основе JK триггера. В ней все триггеры переключаются одновременно, так как входной тактовый сигнал счётчика подаётся на вход синхронизации сразу всех триггеров. Разрешение переключения счётного триггера формируется схемами «И», включёнными между триггерами.

При использовании нескольких микросхем для формирования переноса, предназначенного для последующих разрядов двоичного счётчика, в приведённой схеме синхронного счётчика формируется сигнал TC. В следующих микросхемах этот сигнал подаётся на входы CEP или CET. Переключение триггеров в схеме возможно только при подаче на оба этих входа логической единицы.

В качестве примера условно-графического обозначения синхронного двоичного счётчика приведём обозначение микросхемы К1533ИЕ10.


Рисунок 2. Условно-графическое обозначение синхронного счётчика с возможностью параллельной записи

Рассмотрим в качестве примера реализацию 32-х разрядного двоичного счётчика. Для этого используем четыре микросхемы К1533ИЕ10. Получившаяся принципиальная схема синхронного 32-х разрядного двоичного счётчика приведена на рисунке 7. При необходимости этот счётчик может быть легко превращён в любой недвоичный счетчик, как при помощи обратных связей, так и используя предварительную запись исходного состояния счётчика.


Рисунок 3. Принципиальная схема 32-х разрядного синхронного двоичного счётчика

Будет ли счётчик находиться в режиме счёта или в режиме параллельной записи определяется потенциалом на входах микросхем PE. При нулевом потенциале на этом входе PE производится запись информации с входов данных D во внутренние триггеры счётчиков. Именно поэтому на входы PE всех микросхем подан высокий потенциал (они подключены к источнику питания).

В схеме, приведённой на рисунке 3, не используются входы параллельной записи, однако мы знаем, что входы цифровых микросхем нельзя бросать в воздухе, поэтому следует присоединить их либо к источнику питания, либо к общему проводу схемы. В данной схеме все входы данных присоединены к источнику питания.

Так как в схеме на рисунке 3 применены микросхемы синхронных счётчиков, то все входы синхронизации должны быть соединены параллельно. Только в этом случае запись нового состояния счётчика во внутренние триггеры будет производиться одновременно.

Микросхема младших разрядов двоичного счётчика D1 должна работать всегда, пока на её вход синхронизации поступают тактовые импульсы, поэтому входы разрешения счёта CEP и CET в этой микросхеме присоединены к источнику питания. Следующая микросхема D2 должна переключиться только тогда, когда во всех триггерах микросхемы D1 будет записана логическая единица. Для этого вход разрешения счёта CEP соединён с выходом TC микросхемы младших разрядов D1. Второй вход разрешения счёта остаётся подключенным к питанию схемы.

Следующая микросхема D3 подключается так же. Однако если не принять дополнительных мер, то время распространения сигнала разрешения счёта при увеличении количества микросхем, использованных в счётчике, будет увеличиваться пропорционально количеству микросхем. Для того чтобы избежать этой ситуации, в схеме использован вспомогательный вход разрешения счёта CEP. Сигнал с выхода TC микросхемы D1 подаётся на входы CEP всех последующих разрядов.

На этом можно завершить изучение схем счётчиков, так как в особенностях внутреннего устройства и применения остальных микросхем, используя полученные знания, можно легко разобраться самостоятельно.

Источник