23 Счетчики импульсов и делители частоты
Как уже отмечалось ранее, счетчики импульсов позволяют подсчитывать количество поступающих на вход импульсов. Результат счета в них записывается в двоичном виде или двоичном коде.
Максимальное число N , которое может быть записано в счетчик, равно 2n -1, где n - число разрядов счетчика. Каждый разряд счетчика включает в себя триггер. Наиболее просты схемы счетчиков на синхронных T - триггерах.
На рис.90 показана схема трехразрядного счетчика на сложение. Он осуществляет счет импульсов от 0 до 7. Число N может быть увеличено при подключении к выходу счетчика дополнительных разрядов.
Первый триггер счетчика образует младший разряд, сигнал Q0 поступает на вход второго разряда, выходное напряжение которого подается на вход третьего разряда.
Нетрудно видеть, что состояние разрядов представляет собой запись числа поступивших импульсов в двоичном коде. После записи максимального числа N счетчик автоматически обнуляется. При поступлении дальнейших импульсов начинается новый цикл счета.
Рис. 90. Трехразрядный счетчик на сложение
Аналогично суммирующему счетчику строится счетчик на вычитание, схема которого приведена на рис.91.
В начале работы подачей сигнала на установочные входы установлено состояние Q0 =Q1 =Q2 =Q3 =1.
Рис. 91. Трехразрядный счетчик на вычитание
Состояние разрядов счетчика представляют собой двоичную запись убывающего числа.
Рассмотренные примеры соответствуют двоичным счетчикам, для которых N = 2п -1. При N ≠2п -1 - будет счетчик с произвольным коэффициентом счета. Часто встречающимся примером счетчика с произвольным коэффициентом счета
является десятичный счетчик (счет от 0 до 9), который широко применение в цифровых устройствах. Такой счетчик можно реализовать на четырех Т - триггерах по обычной схеме. Однако, в схему нужно дополнительно ввести логический элемент И-НЕ для установки всех триггеров в нулевое состояние (очистка счетчика) с приходом десятого импульса (рис.92).
Рис. 92. Десятичный счетчик
С приходом первого импульса после того, как счетчик сосчитал до 1001 (до 9 в десятичной системе счисления), на выходе счетчика будет 1010, элемент И-НЕ переключается и на его выходе будет логический ноль: все триггеры установятся в состояние 0000.
Часто возникает необходимость в счетчиках, которые осуществляли бы сложение и вычитание поступающих импульсов. Такие счетчики называются реверсивными. Реверсные счетчики имеют два счетных входа. При подаче импульса на вход «+1» код, записанный в счетчике, увеличивается на единицу, а при поступлении импульса на вход «-1» код, записанный в счетчике, уменьшается на единицу.
Рассмотренные устройства относятся к так называемым последовательным устройствам, у которых при смене информации на входах для предсказания сигналов на выходах необходимо знать и состояние, в котором устройство было до этого.
24 Регистры
Регистрами называют функциональные узлы,
предназначенные для хранения информации. Информация поступает и хранится в регистрах в виде n - разрядных двоичных чисел. Существуют параллельный и последовательный регистры.
Схема параллельного трехразрядного регистра приведена на рис.87.
Рис. 87. Параллельный регистр Рис. 88. Последовательный регистр
Информация поступает в виде параллельного кода, то есть все разряды X0, X1,X2 поступают одновременно.
Когда на тактовые входы всех триггеров одновременно подается тактовый импульс синхронизации (записи), по переднему фронту этого импульса переключаются все триггеры одновременно и получаем: Q0 = X0,Q1 = X1,Q2 = X2 .
Информация хранится в параллельном регистре в виде параллельного кода и может быть считана с выходов триггеров.
Схема последовательного трехразрядного регистра и временные диаграммы, иллюстрирующие его работу, приведены на рис.88.
Записываемое число поступает по одному входу X в виде последовательного кода.
При поступлении первого тактового импульса в момент переднего фронта в каждом триггере записывается значение логического сигнала на его входе.
Поступившее на вход X число 101 после третьего тактового импульса оказывается записанным в разрядах триггера. После этого последовательный код в регистре может быть преобразован в параллельный код: число может быть считано с выходов триггеров Q0,Q1,Q2 .
При поступлении каждого тактового импульса записываемая информация сдвигается в регистре, поэтому последовательный регистр еще называют сдвиговым.
Если после записи в регистр числа вновь подавать тактовые импульсы, число поразрядно будет прочитываться на выходе старшего разряда и оттуда может быть передано к другим устройствам.
Наиболее универсальным среди синхронных триггеров является приведенный на рис.89 JK - триггер (J - jump -переброс или прыжок; K - keep – держать или сохранять).
Рис. 89. JK - триггер: схема, условное обозначение и таблица
истинности
Сигнал на входе J включает триггер: при J =1 устанавливается Q =1. Сигнал на входе K выключает триггер: при K =1 устанавливается Q =0. При входном сигнале J = K =1 начальное состояние триггера (J =K =0) меняется на противоположное, что отличает его от RS - триггера, где аналогичная комбинация сигналов недопустима.
JK - триггеры могут быть дополнительно снабжены установочными входами S и R. Эти входы асинхронные: при S= 1, R=0 на триггере мгновенно устанавливается Q=1, а при R = 1,S =0 состояние триггера Q =0.
Рассмотренные выше триггеры выпускают и в интегральном исполнении, в виде отдельных микросхем.
В силу своей универсальности JK - триггеры могут выполнять функции рассмотренных ранее триггеров. Кроме того, они могут работать в режиме Т - триггера (счетного триггера), имеющего один вход. (С простейшим Т - триггером на транзисторах мы уже встречались ранее).
Для превращения JK - триггера в Т - триггер входы J и K присоединяются к потенциалу, соответствующему логической единице: J =K =1. В момент прохождения заднего фронта тактового импульса на вход С триггер переключается в противоположное состояние Q =Q . Если JK - триггер используется в режиме счетного триггера, то тактовый вход обычно обозначается буквой T .
Счетные триггеры широко применяются в делителях частоты, распределителях и счетчиках импульсов.