20. Интегральные схемы со структурами последовательностного типа
Последовательностная схема представляет собой автомат для выполнения логических операций, обладающий способностью запоминания отдельных состояний переменных. В отличие от схем комбинационного типа выходные переменные у, зависят не только от входных переменных, но и от текущего состояния Sz устройства. Это состояние описывается вектором Z =(z1,z2,...,zn), значение которого запоминается с помощью п триггеров на длительность такта. Структурная схема последовательностного устройства приведена на рис. 20.1.
Новое состояние автомата S(tr+1)определяется, с одной стороны, предшествующим состоянием S(tr)и, с другой стороны, значениями входных переменных х,. Последовательность состояний может быть представлена с помощью вектора входных состояний X. Можно провести сопоставление с комбинационной схемой: если на ее входы подать предшествующий вектор состояний Z(tr), то на выходе появится новый вектор состояний Z(tr+i). Соответствующее состояние системы должно сохраняться до следующего тактового импульса. Вектор состояний Z(tr+i) при этом может быть передан на выходы триггеров
Рис. 20.1. Общая структурная схема автомата,
лишь при подаче следующего тактового импульса. Отсюда ясно, что нужно использовать триггеры, срабатывающие по фронту.
Существует несколько основных разновидностей последовательностных схем. В одних схемах, например, используются непосредственно переменные состояния. Примером другой разновидности схем являются цепи с одинаковой последовательностью состояний. При этом входные логические сигналы отсутствуют. Оба этих упрощения свойственны счетчикам. Следовательно, последние являются простейшими последовательностными схемами.
Принцип действия счетчиков довольно прост. В последующих разделах будут подробно рассмотрены важнейшие стандартные схемы счетчиков. В разд. 20.7 изложен систематический метод синтеза последовательностных схем, которые могут быть условию использованы для структур различного назначения.
20.1. Двоичные счетчики
До сих пор мы рассматривали применение логических схем для выполнения арифметических операций и кодирования. Другим важнейшим их применением является счет импульсов. В качестве счетчика можно использовать произвольную схему, установив для нее в определенных границах однозначное соответствие между числом поступивших импульсов и состоянием выходных переменных. Так как каждая выходная переменная может принимать лишь два значения, то для n выходных переменных существует 2n возможных состояний. Часто используется лишь часть из них. Вообще соответствие между числом поступивших импульсов и выходным кодом может быть произвольным. Однако в счетчиках целесообразно выбирать такое представление чисел, с которым легко оперировать в дальнейшем. Для простейших схем предпочитают двоичное представление чисел.
Ниже представлена таблица 20.1 соответствия между числом входных импульсов Z и значениями выходных переменных Zi для 4-рязрядного двоичного счетчика. Рассматривая эту таблицу сверху вниз, можно отметить две закономерности:
1. Значение переменной zi изменяется тогда, когда переменная в соседнем младшем разряде z, i переходит из состояния «I» в состояние «О».
2. Значение выходной переменной z, изменяется при поступлении очередного импульса счета в том случае, когда переменные во всех младших разрядах zi-1, ... ..., z0 находятся в состоянии «1».
Эти же выводы можно сделать и при рассмотрении временной диаграммы на рис. 20.2. Первая закономерность указывает на возможность реализации счетчика асинхронного типа, вторая позволяет построить синхронный счетчик.
Иногда необходим счетчик, в котором при поступлении каждого импульса счета выходной код уменьшается на 1. Закон функционирования такого счетчика можно получить из табл. 20.1, читая ее снизу вверх.
Таким образом,
1) значение выходной переменной z, в вычитающем счетчике изменяется, когда переменная в соседнем младшем разряде zi-1 переходит из состояния «О» в состояние «I»;
Рис. 20.2. Временные диаграммы выходных состояний суммирующего счетчика.
2) значение выходной переменной zi в вычитающем счетчике изменяется при поступлении очередного импульса счета в том случае, когда переменные во всех младший разрядах zi-1, ..., zо находятся в состоянии «О».
20.1.1. АСИНХРОННЫЙ (ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ) СЧЕТЧИК
Асинхронный двоичный счетчик может быть реализован в виде цепочки триггеров (как показано на рис. 20.3), тактовый вход каждого из которых подключен к выходу Q предыдущего триггера. Для получения суммирующего счетчика триггеры должны изменять свое состояние при переходе тактового сигнала из «1» в «О». Следовательно, нужны триггеры, срабатывающие по фронту импульса, например .JK тригеры типа M-S при условии J = К = 1. Разрядность в таких счетчиках можно наращивать. Например, с помощью 10-разрядного двоичного счетчика можно сосчитать 1023 импульса.
Рис. 20.3. Асинхронный (последовательный) счетчик.
Можно использовать триггеры, срабатывающие при переходе тактового сигнала из «О» в «I». Соединив их так, как показано на рис. 20.3, получим вычитающий счетчик- Для получения суммирующего счетчика нужно инвертировать сигналы на тактовых входах. Для этого достаточно просто подключить тактовые входы триггеров к инверсным выходам Q предыдущих триггеров.
Каждый счетчик в то же время является и делителем частоты. Частота на выходе триггера F0 равна половине тактовой частоты. На выходе триггера F1 частота составляет 1/4 входной частоты, на выходе F2-1/8. Это деление частоты хорошо видно на рис. 20.2.
20.1.2. СИНХРОННЫЙ (ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ) СЧЕТЧИК
Характерной чертой асинхронного счетчика является то, что импульсы счета поступают на тактовый вход только первого триггера, а каждый из последующих триггеров управляется выходным сигналом предыдущего. Это приводит к тому, что сигнал на вход последнего триггера приходит лишь тогда, когда все предыдущие триггеры переключились. Изменение каждого из выходных сигналов от z0 до zn происходит с задержкой, равной времени срабатывания триггера. В многоразрядных последовательных счетчиках высокая частота следования импульсов счета может привести к тому, что л-й триггер не успеет переключиться до прихода следующего импульса счета. Поэтому период следования импульсов счета при использовании выходных кодов в процессе вычислений должен быть больше времени распространения сигнала в цепи.
От этих недостатков свободны синхронные (параллельные) счетчики. В отличие от асинхронных счетчиков тактовые импульсы в синхронных счетчиках одновременно подаются на С всех разрядов. Чтобы в каждом такте не переключались все триггеры, для управления процессом переключения используются .логические J-и K-входы, как показано на рис. 20.4.
В соответствии с табл. 20.1 триггер f0 переключается при поступлении каждого тактового импульса. Для этого в триггере fq должно выполняться условие J = К = 1. Триггер F1 при поступлении тактового сигнала переключается только тогда, когда z0 = 1. Это достигается подключением J- и К- входов триггера F1 к выходу z0. Тогда этот триггер сохраняет свое состояние до тех пор, пока z0 = 0, и изменяет его лишь при подаче следующего тактового импульса, когда z0 == 1.
Рис. 20.4. Синхронный (параллельный) счетчик.
Из табл. 20.1 следует, что триггер F2 может переключиться при условии z0 =z1 = 1. Для этого одна пара J- и К-вхо-дов соединена с z0, а другая-с z1. Соответственно у триггера F2 каждая пара J и К -входов подключается к выходам предыдущих триггеров.
При использовании одинаковых триггеров с тремя J- и тремя К- входами в триггерах f0—f2 некоторые J- и К- входы не используются. На эти входы нужно подать логическую «I», чтобы обеспечить надежную работу схемы. При использовании триггеров с одной парой J- и К- входов также можно осуществить наращивание разрядов, применяя в цепях межразрядных связей дополнительные схемы совпадения, на которые поступает информация с выходов предыдущих разрядов.
Очевидно, что наращивание на произвольную длину невозможно из-за отсутствия многовходовых схем И. Поэтому чаще всего используются группы из четырех триггеров (рис. 20.5). Соединение групп производится через выход переноса СE и вход разрешения Е, которым блокируется вся группа.
Выход переноса формируется тогда, когда код группы равен 1111, и все младшие группы также обеспечивают перенос, Для этого в каждой группе должно выполняться условие
Таким образом можно соединять любое число групп счетчиков без использования сложной логики, что иллюстрируется рис. 20.6.
Счетчик с изменяемым направлением счета (реверсивный счетчик)
Синхронный двоичный счетчик с помощью дополнительных ключей легко перестроить для работы в обратном направлении. При этом J и К- входы подключаются вместо прямых выходов Q к инверсным выходам Q. Так как переключение касается только J- и К- входов, а не С- входов, состояние счетчика не изменяется при изменении направления счета. Это большое преимущество по сравнению
Рис. 20.5. Синхронный счетчик с логикой формирования переноса.
Рис. 20.6. Каскадирование синхронных счетных ступеней.
с асинхронными счетчиками. Поэтому в качестве реверсивных счетчиков используются главным образом синхронные устройства. Для переключения можно применять уже рассмотренные ранее логические управляемые ключи, показанные на рис. 19.14. По этому принципу построена схема, представленная на рис. 20.7. При ее проектировании использовались триггеры, в которых новое состояние на выходах формируется при переходе тактового сигнала из «I» в «О».
До тех пор пока на управляющем переключением входе V сохраняется «I», нижние логические элементы И закрыты. Схема работает как синхронный суммирующий двоичный счетчик, подобный показанному на рис, 20.5. При V == О верхние логические элементы И блокируются, и JK-пары подключаются к выходам Q. В этом случае схема работает в режиме вычитающего счетчика. Так как перемена направления счета вызывает изменение подключения J- и К- входов, то схема срабатывает лишь тогда, когда тактовый сигнал равен нулю.
Сигнал переноса в следующую старшую группу может формироваться в двух случаях, а именно, когда в счетчике хранится код 1111 и V = 1 (в режиме суммирования) или когда в счетчике записан код 0000 и V = 0 (режим вычитания). Для сигнала переноса СE можно записать
Этот сигнал поступает, как показано на рис. 20.6, на вход разрешения Е следующей группы разрядов счетчика. .Перенос всегда интерпретируется правильно, так как направление счета, естественно, изменяется одновременно для всех групп.
Если высокая скорость не требуется, отдельные группы счетчика объединяются последовательно, и при этом сигнал переноса служит тактовым сигналом для следующей старшей группы. При этом существует, однако, опасность, что из-за различия во времени задержки на короткое время возникает ложное значение се == 1. Этот импульс помехи поступает на старшую группу. Он может быть блокирован введением коньюнктора
поскольку выбраны JK-триггеры, срабатывающие по отрицательному фронту тактового импульса, то устойчивое состояние счетчика надежно обеспечивается, когда тактовый сигнал равен 1.
Рис. 20.7. Двоичный счетчик с изменяемым направлением счета