Меню

Счетчик с произвольным коэффициентом пересчета

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.

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.

Читайте также:  Счетчик это цифровая техника

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.

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.

Читайте также:  Газовый счетчик показания кривой рог

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

Счетчик с произвольным коэффициентом пересчета

Построить счетчик с произвольным, не кратным 2 n , коэффициентом пересчета можно, сбрасывая счетчик в нулевое состояние при достижении некоторого, не максимального, состояния. Выделить промежуточное состояние позволяет дешифратор, однако сигнал сброса должен быть достаточным для надежного сброса всех триггеров, а состояние счетчика изменяется уже при сбросе одного, самого быстрого триггера.

На рис. 5.32 приведена схема с коэффициентом пересчета пять. Трехразрядный счетчик выполнен на триггерах Т0, Т1, Т2. Дешифратор реализован на элементе И-НЕ, он формирует сигнал К, который устанавливает в единичное состояние триггер сброса Т3. Триггер сброса Т3 возвращается в исходное (нулевое) состояние сигналом .

Рис. 5.32 Счетчик с коэффициентом пересчета пять: а) – принципиальная схема;

б) — временная диаграмма.

Регистры

Регистраминазывают устройства для приема, хранения и выдачи данных, представленных в цифровом коде. Каждый разряд цифрового кода хранится в отдельном триггере регистра. Таким образом, регистр представляет собой разновидность устройства памяти. В общем случае регистр хранит n-разрядный код.

Классификация регистров может быть произведена по ряду признаков. Основным признаком является способ приема и выдачи данных. При этом различают:

— параллельные регистры с приемом и выдачей данных в параллельном коде;

— последовательные регистры с приемом или выдачей данных в последовательном коде;

Кроме основных функций приема, хранения и выдачи данных регистры могут выполнять функции преобразования данных или логические операции. По этому признаку различают:

— регистры с преобразованием параллельного кода в последовательный или наоборот;

— регистры с поразрядным логическим умножением или сложением;

— регистры последовательного приближения для построения аналого-цифровых преобразователей.

По количеству каналов, по которым поступают данные, различают:

— однофазные регистры с одним каналом;

— парафазные регистры с вводом данных по прямому и инверсному каналам.

По количеству тактов управления для записи данных различают:

По управлению записью данных различают:

Параллельный регистр без сдвига.

Рис. 5.33 Регистр без сдвига: а) – принципиальная схема;

б) – условное обозначение

Начальный сброс сигналом R, устанавливает регистр в нулевое состояние. По сигналу «Запись» RD в регистр записывается информация с входов DI. По сигналу «Чтение» WR информация поступает на выходы DO. Реверс информации в регистре осуществляется сигналом С. Если вход или выход многоразрядный он может указываться в виде шины с обозначением числе разрядов.

Дата добавления: 2016-04-14 ; просмотров: 2124 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Счетчики с произвольным коэффициентом пересчета

В общем случае для построения счетчиков по произвольному модулю КС в схему соответствующего двоичного счетчика вводится обратная связь для исключения лишних состояний. Двоичный суммирующий или вычитающий счетчик переключается до установки некоторого значения КС. Это состояние выявляется специальной схемой, на выходе которой формируется сигнал установки счетчика в нулевое состояние. Схемы счетчика по модулю КС наиболее просты при использовании двоичных счетчиков с последовательным переносом. Схема счетчика с делением на 5 построенная таким способом имеет вид в соответствии с рисунком 3.48.

Рисунок 3.48 – Счетчик на 5

Дешифратором на 5 служит логический элемент И.

Дешифруемая комбинация 101 отражает состояние счетчика с номером 5.

Работа счетчика-делителя поясняется диаграммами в соответствии с рисунком с рисунком 3.49.

Рисунок 3.49 – К пояснению работы счетчика на 5

Пусть в исходном состоянии все триггеры находятся в состоянии 0. Под действием счетных импульсов счетчик меняет свое состояние от нулевого до пятого. Логическая схема И при состоянии счетчика 101 вырабатывает сигнал с нулевым уровнем на выходе, которым все разряды счетчика до прихода шестого счетного импульса переводятся в нулевое состояние. Так, после пяти входных импульсов счетчик сбрасывает накопленный результат, возвращаясь в исходное положение. Однако в таких счетчиках при большом количестве разрядов накапливается задержка, которая на выходе дешифратора вызовет помеху и появятся ложные срабатывания.

Читайте также:  Инфракрасный порт для счетчиков меркурий

Счетчик-делитель может быть построен и без дополнительных логических элементов (вентилей).

Безвентильные счетчики-делители строятся в соответствии со следующими правилами:

–заданный коэффициент счета Кс разлагается на сомножители Кс=2с[2 b (2 a +1)+1], где a, b, c – целые числа 1, 2, 3, … .

–для реализации функциональной схемы выбирают JK-триггеры как наиболее удобные.

–функциональная схема счетчика представляется совокупностью схем счетчиков с коэффициентами счета – сомножителями К1025, где К2=2, К5=5, и добавочных JK-триггеров для увеличения на единицу коэффициента счета.

–внутри каждого из счетчиков JK-триггеры соединяют по схеме с последовательным переносом для режима вычитания.

–каждый добавочный JK-триггер подключают к соответствующему счетчику по следующей схеме: J-вход соединяют с прямым выходом последнего разряда счетчика, С-вход с С-выходом первого разряда счетчика, инверсный выход – с J-входом первого разряда счетчика, К-вход с источником напряжения с уровнем логической единицы, выходной сигнал снимают с выхода счетчика с коэффициентом 2 а .

Рассмотрим несколько примеров построения безвентильных счетчиков-делителей. Счетчик-делитель на 3 выполнен в соответствии с рисунком 3.50.

Коэффициент счета разлагается на сумму (2+1). Для его реализации требуется два JK-триггера.

Рисунок 3.50 – Счетчик делитель на 3

Счетчик-делитель на 5 выполнен в соответствии с рисунком 3.51 .

Разложение данного коэффициента счета можно представить в виде (2 2 +1). Для реализации такого счетчика-делителя необходимо три JK-триггера.

Рисунок 3.51 – Счетчик делитель на 5

Два первых триггера соединяют в схему вычитающего счетчика, а третий триггер является добавочным для увеличения на единицу коэффициента счета.

Счетчики широко используются в устройствах управления цифровых систем для подсчета числа выполненных операций, в связной и контрольно-измерительной аппаратуре, для определения числа поступивших сигналов и уменьшения их частоты.

Источник



Реверсивные счётчики

Рис. 2. Асинхронный реверсивный счетчик (слева) и его УГО (справа)

Такой счётчик является комбинацией двух предыдущих и позволяет осуществлять как суммирование, так и вычитание импульсов, что осуществляется посредством включения в состав каждой разрядной схемы счётчика мультиплексора (рис.2).

Сигнал на входе V определяет вид межразрядной связи, а следовательно,и тип получаемого счётчика. Если на вход ±1 подать логический 0, то подключается первый канал мультиплексора и прямые входы предыдущих триггеров подключаются к тактовому входу последующих триггеров — суммирующий режим работы. При подаче на ±1 логической 1 инвертирующие выходы предыдущих триггеров подключаются к тактовым входам последующих — вычитающий режим работы.

На рисунке 4, „q с помощью RS-триггера определяется режим работы (суммирование или вычитание), а мультиплексор (схема И-ИЛИ) объединяет оба канала тактовых импульсов в один.

Асинхронные счётчики с произвольным коэффициентом пересчёта

Вышерассмотренные счётчики импульсов могут иметь коэффициент пересчёта только Ксч = 2n, где n — количество триггеров.

В асинхронных счётчиках произвольный коэффициент пересчёта обеспечивается с помощью принудительной установки через асинхронные входы триггеров (R или S). Могут использоваться три способа принудительной установки: принудительный насчет, принудительная начальная установка и принудительный сброс в ноль при достижении требуемого состояния счётчика.

В счётчиках с принудительным насчётом исключение избыточных состояний двоичного счётчика достигается путем принудительной установки отдельных его разрядов в состояние 1 в процессе его счёта. Принудительный насчёт осуществляется введением обратных связей со старших разрядов двоичного счётчика в младшие, благодаря чему соответствующие младшие разряды вне очереди переключаются в состояние 1.

Способ реализации покажем на примере структурной схемы счетчика с

Рис. 5. Структурная схема асинхронного счетчика с принудительным насчетом

До записи 1 в четвёртый разряд, т.е. до прихода восьмого счётного импульса, счётчик работает в обычном режиме. С приходом восьмого счётного импульса 1 записывается в триггер Т4 с осуществлением обратной связи на запись 1 во вторую и третью ячейки. Таким образом, после восьмого счётного импульса вследствие принудительного насчёта в счётчик записывается число 8 + 6 = 14. Девятый счётный импульс устанавливает 1 в Т1 , а 10-й возвращает счётчик в исходное нулевое состояние.

Счётчики с принудительной начальной установкой в общем случае можно отнести к счётчикам с принудительным надсчётом, у которых насчёт осуществляется не в процессе счёта, а посредством внешней установки счётчика в исходное состояние, соответствующее числу запрещенных состояний.

Наиболее широко используются счётчики с принудительным сбросом. Принцип его работы показан на рисунке 6.

Рис.6. Счетчик с принудительным сбросом

Источник