Лекція 22

Тема: Лічильники

План.

1. Визначення, основні параметри і ккласифікація лічильників.

2. Асинхронний двійковий складаючий лічильник.

3. Лічильник зворотного рахунку (віднімаючий лічильники).

4. Реверсивні лічильники.

5. Паралельні лічильники.

6. Послідовні лічильники.

1. Лічильником називається послідовнісний пристрій, призначений для рахування вхідних імпульсів та фіксації їх числа в двійковому коді.

В цифрових схемах лічильники можуть виконувати наступні мікрооперації над кодовими числами:

1) встановлення в початковий стан(запис нульового коду);

2) запис вхідної інформації в паралельній формі;

3) зберігання інформації;

4) виведення інформації, що зберігається в паралельній формі;

5) інкремент – збільшення кодового числа (слова), що зберігається на одиницю;

6) декремент – зменшення кодового числа (слова), що зберігається на одиницю.

Основним статичним параметром лічильника є модуль рахунку М, який характеризує максимальну кількість імпульсів, після надходження яких лічильник встановлюється у початковий стан.

Основним динамічним параметром, що визначає швидкодію лічильника, є час встановлення вихідного коду t_k , який характеризує інтервал часу між моментом надходження вхідного сигналу і моментом встановлення нового коду на виході.

Лічильники класифікуються наступним чином:

1. за значенням модуля рахунку:

• двійкові, модуль рахунку яких дорівнює цілому ступеню числа 2 (М= 2ⁿ);

• двійково-кодовані, в яких модуль рахунку може приймати будь-яке, не рівне цілому ступеню числа 2, значення;

2. за напрямом рахунку:

• сумуючі, які виконують мікрооперацію інкремента над двійковим кодом (словом), що зберігається;

• віднімаючі, які виконують мікрооперацію декремента над двійковим кодом (словом), що зберігається;

• реверсивні, виконують в залежності від значення керуючого сигналу мікро операцію інкримента чи дектемента над кодовим числом (словом), що зберігається;

3. за способом організації між розрядних зв’язків:

• лічильники з послідовним переносом, в яких перемикання тригерів розрядних схем здійснюється послідовно один за другим;

• лічильники з паралельним переносом, в яких перемикання тригерів розрядних схем здійснюється одночасно по сигналу перенесення;

• лічильники з комбінованим послідовно-паралельним переносом, при якому застосовуються різні комбінації способів перенесення.

2. Асинхронний двійковий лічильник являє собою сукупність послідовно з'єднаних тригерів (D - або JK), кожний з яких асоціюється з бітом у двійковому представленні числа. Якщо в лічильнику m тригерів, то число можливих станів лічильника дорівнює 2^m, і, отже, модуль рахунку М також дорівнює 2^m. Рахункова послідовність у двійковому складаючому лічильнику починається з нуля і доходить до максимального числа (2^m-1), після чого знову проходить через нуль і повторюється. У двійковому віднімаючому лічильнику, послідовні двійкові числа перебираються у зворотному порядку, і при повторенні послідовності максимальне число слідує за нулем.

Розглянемо двійковий складаючий лічильник за модулем рахунку М=16, реалізований на базі JK-тригерів (рис. 22.1).

Рисунок 22.1. – Структурна схема послідовного чотирьох розрядного лічильника на JK - тригерах

Як видно з риисунку, синхронізуючі входи всіх тригерів, крім крайнього лівого (Т1), з'єднані з виходами попередніх тригерів. Тому стан тригера змінюється у відповідь зі зміною стану попереднього тригера.

З таблиці переходів лічильника видно, що значення розряду в обраній позиції змінюється тоді, коли в сусідній праворуч позиції стан переходить із “1” в “0”, керування тригерами здійснюється заднім фронтом синхроімпульсів (від’ємним перепадом напруги імпульсу синхронізації).

Часова діаграма, що пояснюють роботу асинхронного складаючого лічильника наведені на мал. 22.2.

Рисунок 22.2. – Часова діаграма роботи асинхронного складаю чого лічильника.

3. На рисунку 22.3 наведена схема асинхронного трьохрозрядного двійкового віднімаючого лічильника, побудованого на базі D-тригерів. Відзначимо, що умови для зміни станів тригерів віднімаючих лічильників аналогічні умовам для складаючих лічильників з тією лише різницею, що вони повинні “опиратися” на значення інверсних, а не прямих виходів тригерів. Отже, розглянутий вище лічильник можна перетворити у віднімаючий, просто перемкнувши входи “С” тригерів з виходів Q на виходи . Якщо в якості розрядних тригерів використовуються D-тригери, що синхронізуються переднім фронтом синхроімпульсів, то для одержання асинхронного віднімаючого лічильника входи “С” наступних тригерів з'єднуються із прямими виходами попередніх, як і в лічильнику прямого рахунку, побудованого на JK-тригерах.

Робота віднімаючого лічильника на D-тригерах наочно показана на рис. 22.4. Видно, що після нульового стану всіх тригерів, з надходженням першого синхроімпульсу вони встановлюються в стан “1”. Надходження другого синхроімпульсу призводить до зменшення цього числа на одну одиницю і т.д.

Рисунок 22.3. – Структурна схема трьох розрядного віднімаючого лічильника на D-тригерах

Після надходження восьмого імпульсу, знову, всі тригери обнуляються і цикл рахунку повторюється, що відповідає модулю М=8.

Рисунок 22.4. – Часова діаграма роботи трьох розрядного віднімаючого лічильника на D-тригерах

4. У деяких випадках необхідно, щоб лічильник міг працювати як у прямому, так і в зворотному напрямку рахунку. Такі лічильники називаються реверсивними. Реверсивні лічильники можуть бути як асинхронного, так і синхронного типу. Вони будуються шляхом застосування логічних комутаторів (мультиплексорів) в ланцюгах зв'язку між тригерами. Так, наприклад, асинхронний реверсивний двійковий лічильник можна побудувати, якщо забезпечити подачу сигналів з прямого (при складанні) або з інверсного (при відніманні) виходу попереднього JK- або Т-триггера на рахунковий вхід наступного. У випадку, коли реверсивний лічильник будується на базі D-тригерів, керованих переднім фронтом, для одержання режиму прямого рахунку варто з'єднати інверсний вихід попереднього з рахунковим входом наступного тригера.

Всі розглянуті типи лічильників можуть бути використані в цифрових пристроях “помірної” швидкодії, коли частота проходження синхроімпульсів не перевищує критичного значення, при якому час затримки встановлення тригерів останніх (старших) розрядів лічильника стає рівним із тривалістю періоду вхідних тактових імпульсів. В зв'язку з цим, асинхронні лічильники будуються на відносно невелику кількість розрядів, тому що при більшій кількості розрядів вихідні сигнали тригерів старших розрядів з'являються пізніше, ніж керуючі фронти синхроімпульсів ( що надходять на вхід першого тригера).

5. Паралельні лічильники бувають двох типів: синхронні паралельні та синхронні послідовні.

Рисунок 22.5. – Синхронний послідовний складаючий лічильник на JK-тригерах.

На рисунку 22.5 наведений синхронний послідовний лічильник. За способом подачі синхроімпульсів такі лічильники паралельні, тобто синхроімпульси надходять на всі тригери лічильника паралельно, а за способом керування (подачі керуючих імпульсів) - послідовні. Синхронний послідовний лічильник має підвищену швидкодію, однак, за рахунок послідовного формування керуючих рівнів, на входи “J” та “К” рахункових тригерів, швидкодія трохи зменшується. Цього недоліку позбавлені паралельні синхронні лічильники, в яких формування керуючих рівнів та їх подача на відповідні входи тригерів лічильника здійснюється одночасно, тобто паралельно. Приклад реалізації паралельного синхронного лічильника наведений на рисунку 22.6.

Рисунок 22.6. – Паралельний синхронний лічильник на JK-тригерах.

Оскільки лічильник має одну загальну лінію синхронізації, стан тригерів змінюється синхронно, тобто ті тригери, які за синхроімпульсом повинні змінити свій стан, роблять це одночасно, що істотно підвищує швидкодію синхронних лічильників.

5. Лічильники з довільним коефіцієнтом рахунку. Принцип побудови подібного класу рахункових пристроїв полягає у виключенні декількох станів звичайного двійкового лічильника, які є надлишковими для лічильників з коефіцієнтом рахунку, що відрізняються від двійкових. При цьому надлишкові стани виключаються за допомогою зворотних зв'язків усередині лічильника.

Число надлишкових станів для будь-якого лічильника визначається з наступного виразу:

М = 2^m – К_рах,

де М - число заборонених станів,

К_рах - необхідний коефіцієнт рахунку;

2^m - число стійких станів двійкового лічильника.

Завдання синтезу лічильника з довільним коефіцієнтом рахунку полягає у визначенні необхідних зворотних зв'язків і мінімізації їхнього числа. Необхідна кількість тригерів визначається з виразу:

n= [log₂ К_рах],

де [log₂ К_рах] - двійковий логарифм заданого коефіцієнта рахунку К_рах, округлений до найближчого цілого числа.

У кожному окремому випадку доводиться застосовувати якісь конкретні методи одержання необхідного коефіцієнта рахунку. Існує кілька методів одержання лічильників із заданим коефіцієнтом рахунку К_рах. Один з цих методів полягає в негайному скиданні в “0” лічильника, який встановився в комбінацію, що відповідає числу К_рах. Його називають також методом авто скидання. Розглянемо приклад реалізації лічильника з К_рах=10 методом авто скидання. Очевидно, що “скидаючи” двійковий чотирьох розрядний лічильник на нуль щоразу, коли він буде приймати стан 1010, можна забезпечити ”повернення” лічильника у вихідний стан через кожні десяти імпульсів. Подібний прийом зручно застосовувати при використанні лічильників в інтегральному виконанні, що має комірки кон’юнкції (І) на входах установки в нуль, як це зроблено в мікросхемі К1533ИЕ5. У даному прикладі (рисунок 22.7) організовані з'єднання, що забезпечують коефіцієнт рахунку К_рах =10.

Рисунок 22.7. – Приклад реалізації лічильника з К_рах = 10.

Таблиця 22.1. – Конфігурації з'єднань для одержання різних коефіцієнтів рахунку.

К1533ИЕ5	Коефіцієнти рахунку
	3	5	6	9	10	12
Вхід	14	14	14	14	14	14
Вихід	9,12	8,9,12	8,9,12	всі	всі	всі
З’єднання виводів	1-12 2-12 3-9	1-12 2-12 3-8	1-12 2-9 3-8	1-12 2-12 3-11	1-12 2-9 3-11	1-12 2-8 3-11

Як видно з рисунку 22.7, роль комірки, що виявляє факт досягнення кодової комбінації 1010 на виходах лічильника, грає елемент І.

В таблиці 22.1 пояснюються конфігурації з'єднань для одержання різних коефіцієнтів рахунку за допомогою лічильника К1533ИЕ5. Найбільш очевидні варіанти одержання коефіцієнтів (2, 4, 8, 16) в таблиці не зазначені. У графі “З'єднання” таблиці зазначено, які виходи мікросхеми повинні бути з'єднані між собою: наприклад, вказівка 1-12 означає, що потрібно з'єднати вивід 1 з виводом 12. В строках “Вхід” та “Вихід” таблиці зазначені номери виводів мікросхеми, на які варто подавати вхідні імпульси та з яких слід знімати вихідні, відповідно. Слід зазначити, що ІМС К1533ИЕ5 складається із чотирьох рахункових тригерів, один з яких має роздільні виводи входу та виходу, а інші три тригери з'єднані послідовно за схемою асинхронного лічильника.