Интегральные счетчики

Счетчиком импульсов называют устройство, предназначенное для подсчета числа импульсов, поступающих на его вход, и хранения результата счета в виде кода. Выходная информация может быть в двоичном или двоично-десятичном коде. Счетчики широко применяются в измерительной технике и устройствах цифровой обработки информации. Практически любую аналоговую величину (перемещение, скорость, длительность процесса и т.д.) можно преобразовать в электрические импульсы, число которых пропорционально значению аналоговой величины, подсчитать эти импульсы с помощью счетчика и выразить числом или кодом. На таком принципе основана и работа АЦП. В ЭВМ счетчики применяют для формирования адресов команд, подсчета количества тактов шины и т.д. Счетчики выполнены на основе триггеров, образующих двоичные разряды. Количество разрядов определяется наибольшим числом, которое должен зафиксировать счетчик. В n -разрядном счетчике имеется один вход для счета импульсов и n -выходов для выдачи кода числа подсчитанных импульсов.

Основные параметры счетчиков:

– информационная емкость или коэффициент пересчета К _сч = 2ⁿ. После поступления на счетчик 2ⁿ импульсов он сбрасывается (обнуляется). Следовательно, максимальное число – 2ⁿ –1;

– быстродействие счетчика, определяемое разрешающей способностью

t _p = 1/ f _сч (где f _сч – частота следования считаемых импульсов) и временем установления выходного кода.

  По целевому назначению счетчики подразделяются на простые и реверсивные. Простые могут быть суммирующими и вычитающими (импульс +1 или – 1). Реверсивные счетчики могут переключаться из суммирующего в вычитающий и наоборот.

    По способу переключения триггеров счётчики подразделяются на асинхронные и синхронные. По способу организации цепей переноса счетчики бывают с  последовательным и параллельным переносом.

    Рассмотрим схему трехразрядного асинхронного двоичного счетчика (рис. 3.16, а).

В некоторый момент счётчик устанавливается в нулевое состояние с помощью импульса на входе R. После поступления импульса на входе C через некоторое время t _3.1на выходе первого Т -триггера появляется 1. После поступления второго импульса на вход C на выходе первого Т -триггера устанавливается 0, а на выходе второго Т -триггера – 1. После поступления третьего импульса на выходе первого триггера устанавливается 1, на выходе второго триггера –1 и т.д. При этом состояние на выходах триггера Q ₀, Q ₁, Q ₂ в двоичном коде соответствуют номеру поступившего сигнала.

Для увеличения количества разрядов счетчиков применяют их каскадное соединение друг за другом, для чего в схеме счетчика предусматривается специальный выход Р, с которого снимают сигнал переноса на информационный вход  следующего счетчика. Для этой цели в схеме счетчика введен дополнительный логический элемент 4И, на входы которого поступают сигналы с входа С и с выходов Q ₀, Q ₁, Q ₂. При появлении восьмого импульса на выходе Р появляется сигнал 1, который используют в качестве сигнала переноса на вход  следующего счетчика. Прохождение сигналов сопровождается задержками (t _з.1, t _з.2 и т.д.), и по этой причине при большом числе разрядов счетчика задержка может быть значительной, что и ограничивает его быстродействие.

В настоящее время выпускается обширная номенклатура счетчиков от простейших до многоразрядных двоичных и десятичных. Существуют также микросхемы, объединяющие десятичный счетчик с дешифратором для управления семисегментным цифровым индикатором, например К176ИЕ3 и К176ИЕ4.

Рассмотренный счетчик является суммирующим асинхронным счетчиком с последовательным переносом. Чтобы получить вычитающий счетчик, нужно в предыдущей схеме вход каждого последующего триггера соединить с инвертирующим входом предыдущего. Если на входах каждого разряда включить схему управления, то можно получить реверсивный счетчик.

 

Регистры

 

Регистры – устройства, предназначенные для приема хранения и передачи информации, представленной двоичным кодом. Каждому разряду двоичного кода соответствует определенный разряд регистра. С помощью регистров можно выполнять некоторые логические операции, а также преобразовывать информацию одного вида в другой (например, из последовательного кода в параллельный).

Регистр представляет собой совокупность определенным образом соединенных триггерных ячеек с устройством управления входными и выходными сигналами.

По способу ввода и вывода (приема и передачи) регистры подразделяются на параллельные, последовательные и последовательно-параллельные. Регистры с параллельным приемом и выдачей информации (регистры памяти) выполняют на основе синхронных D- триггеров. На рис. 3.17 дана упрощенная схема двух разрядов многоразрядного регистра памяти.

 

Поступающая информация в виде совокупности сигналов на входах (D ₀, D ₁ и т.д.) после выдачи сигнала записи сохраняется на входах триггеров и может храниться там неопределенно долгое время после снятия сигналов D ₀, D ₁. Для чтения записанной информации подается сигнал  на входы шинных формирователей.

В серийных регистрах памяти предусматриваются более сложные схемы, позволяющие очистить регистр, организовать инверсию бит, обеспечить режимы параллельного и последовательного ввода информации и т.д.

Последовательные регистры (сдвиговые регистры) состоят из последовательного соединения триггеров. Под действием тактовых импульсов состояние каждого триггера передается следующему, что равносильно сдвигу кода. Ввод данных производится синхронно под действием тактовых импульсов С.

Сдвиговые регистры позволяют осуществлять логическую операцию сдвига кода записанного числа на любое количество разрядов. Сдвиг применяется для преобразования параллельного кода в последовательный и наоборот, для операций умножения и деления (сдвиг влево на один разряд – это умножение на два, вправо – деление на два).  

На рис. 3.18 представлена упрощенная схема сдвигового регистра. Поданный на вход D первого триггера сигнал DR после поступления первого импульса на продвигающей шине С будет сохранен в первом D -триггере и при необходимости его можно прочесть в виде сигнала Q ₀. При поступлении второго импульса на продвигающей шине С сигнал DR будет передвинут во второй триггер и появится на входе Q ₁, затем после третьего импульса С – на выходе Q и т.д.

(рис. 3.18, б).