Счётчик с непосредственными связями

Лабораторная работа 12

СЧЁТЧИКИ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомление с устройством и функционированием счётчиков и испытание синхронного суммирующего, реверсивного и десятичного счётчиков.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ И РАСЧЁТНЫЕ ФОРМУЛЫ

КЛАССИФИКАЦИЯ СЧЁТЧИКОВ

Счётчик предназначен для счёта поступающих на его вход импульсов, в интервале между которыми он должен хранить информацию об их количестве. Поэтому счётчик состоит из запоминающих ячеек – триггеров обычно D - или JK -типа. Между собой ячейки счётчика соединяют таким образом, чтобы каждому числу импульсов соответствовали состояния 1 или 0 определенных ячеек. При этом совокупность единиц и нулей на выходах п ячеек, называемых разрядами счетчика, представляет собой п -раз­рядное двоичное число, которое однозначно определяет количество прошедших через входы импульсов.

Каждый разряд счётчика может находиться в двух состояниях. Число устойчивых состояний, которое может принимать данный счётчик, называют коэффициентом пересчёта K_сч.

Если с каждым входным импульсом "записанное" в счётчике число увеличивается, то такой счётчик является суммирующим, если же оно уменьшается, то - вычитающим. Счётчик, работающий как на сложение, так и на вычитание, называют реверсивным.

Счётчики, у которых под воздействием входного импульса переключение соответствующих разрядов происходит последовательно друг за другом, называют асинхронными, а когда переключение происходит одновременно - синхронными. Максимальное число N, которое может быть записано в счётчике, равно (2 ^п - 1), где п – число разрядов счётчика.

По способу кодирования последовательных состояний различают двоичные счетчики с коэффициентами пересчёта (обнуления) K_сч = 2 ^п, у которых порядок смены состояний триггеров соответствует последовательности двоичных чисел, и недвоичные, у которых K_сч < 2 ^п (например, десятичные с коэффициентом K_сч = 10 или делители частоты с коэффициентом деления K_сч ¹ 2 ^п).

Счётчики входят в состав разнообразных цифровых устройств: электронных часов, делителей частоты, распределителей импульсов, вычислительных и управляющих устройств. Выпускаемые промышленностью интегральные счётчики представляют собой схемы средней интеграции (например, микросхемы серий К155, К176 и др.); среди них многоразрядные бинарные счётчики на сложение и реверсивные счётчики с установочными входами R и S для всех разрядов, с постоянными и произвольными коэффициентами пересчёта.

СЧЁТЧИК С НЕПОСРЕДСТВЕННЫМИ СВЯЗЯМИ

Условное изображение трехразрядного суммирующего счётчика показано на рис. 34.1, а, на котором символом R обозначен вход общего сброса, си­мволами Q ₁, Q ₂ и Q ₃ – выходы счетчика, CR – выход переноса единицы. Суммирующий вход счётчика обозначается +1, вычитающий -1. Это счетные входы. У асинхрон­ных счётчиков эти входы помечены специальными символами: или , указывающими поляр­ность перепада входного сигнала: 1/0 или 0/1, при которой происходит переключение триггеров счётчика.

Для переключения триггеров в счётчиках используют следующие связи: непосредственную, тракт последовательного переноса, тракт параллель­ного переноса. Схема счётчика с непосредственными связями показана на рис. 34.1, б. Первый триггер счётчика Т ₁ образует младший разряд. Он пересчитывает входные импульсы по модулю 2, а состояние его выхода воспринимается следующим Т ₂ триггером как входные сигналы и снова пересчитываются на 2 и т. д.

Полное представление о состояниях счётчика (рис. 34.1, б), в зависимости от числа поданных на вход импульсов, даёт переключательная таблица (табл. 34.1) и временные диаграммы (рис. 34.1, в), где изображены последовательность входных импульсов (на входе +1), а также состояния триггеров – первого (Q ₁), второго (Q ₂) и третьего (Q ₃). Фронты импульсов на диаграммах показаны идеальными: потенциал, соответствующий логическому 0, считается равным нулю, переключающие перепады для наглядности помечены крестиками.

Рассмотрим воздействие на счётчик, к примеру, шестого (обозначенного на диаграмме цифрой 5) импульса. По его спаду триггер Т ₁ устанавливается в 0, перепад 1/0 на его выходе Q ₁ переключает в 1 триггер Т ₂, а триггер Т ₃ остается в прежнем (единичном) состоянии, так как перепад 0/1 на выходе Q ₂ не является для него переключающим.

Из диаграммы видно, что частота импульсов на выходе каждого триггера вдвое меньше частоты импульсов на его входе. В момент, предшествующий переключению очередного разряда, все предыдущие разряды счётчика находятся в состоянии 1. Восьмой импульс для трехразрядного счётчика (см. табл. 34.1) является импульсом переполнения: им все триггеры устанавливаются в 0 (счётчик "обнуляется").

Если в счётчике используются триггеры, переключающиеся перепадом 0/1, то вход последующего триггера нужно соединить с инверсным выходом предыдущего, на котором формируется этот перепад, когда по основному выходу триггер переключается из 1 в 0.

Схема вычитающего счётчика приведена на рис. 34.2, в которой по входам S в разряды счётчика заносят двоичное число, из которого нужно вычесть число, представляемое количеством входных импульсов. Пусть, например, в счётчик (рис. 34.2) занесено число 5₁₀ = 101₂. Первым входным импульсом триггер Т ₁ переключится из 1 в 0 (по основному выходу); при этом на инверсном выходе возникает перепад 0/1, которым триггер Т ₂ переключиться не может; в счётчике останется число 100₂ = 4₁₀.

Второй входной импульс устанавливает триггер Т ₁ в состояние 1, на выходе появляется перепад 1/0, который переключает Т ₂ в состояние 1, а формиру­ющийся при этом на перепад 1/0 переключает Т ₃ в состояние 0. В счётчике остается число 011₂ = 3₁₀. Аналогично можно рассмотреть действие последующих входных импульсов.

.В счётчике с непосредственной связью переключение триггеров, вызванное срезом входного сигнала, происходит один за другим, последовательно, и задержка распространения п -разрядного счётчика, оценива­емая задержкой самого худшего случая – сменой всех 1 на все 0, - в п раз больше задержки одного Т -триггера. Если разрядов много, то большая задержка может оказаться серьёзным недостатком такого счётчика. Из-за невозможности выполнить смену состояния всего счётчика в единый момент времени, счётчики с непосредственной связью бывают только асинхронными, т. е. сигналом, переключающим их, является сам входной сигнал.