Учебное пособие 800343

Рис. 3.4. Суммирующий счетчик

Рис. 3.5. Реверсивный счетчик

Рассмотрим способ построения асинхронных счетчиков с произвольным модулем счета КСЧ = K ≠ 2N. Наиболее простым является вариант построения с использованием комбинационной схемы, осуществляющей сброс счетчика в 0 при достижении состояния Sn = K. Таким образом, выполняется запрет 2N-K состояний. Для примера решим следующую задачу: на базе суммирующего счетчика (рис. 3.2) необходимо построить функциональную схему асинхронного счетчика с модулем счета КСЧ = 11 в коде 8-4-2-1.

Такой счетчик имеет 11 состояний S = {0…10}, определяемых выражением

(4). Последние пять состояний S = {11…15} являются запрещенными. Количество T-триггеров в счетчике определяется уравнением N = ]log2 КСЧ[. Скобки ][ означают ближайшее большее целое число. Четыре динамических триггера счетчика должны иметь асинхронный инверсный R’-вход для выполнения операции сброса в состояние 0. Для описания работы счетчика составим таблицу его состояний (табл. 3.3).

Состояния счетчика Sn в таблице изменяются с периодом КСЧ = 11, т.е. Sn = S(n + i∙Kсч), i = 0…∞. Всякий раз при достижении счетчиком состояния Sn = 11, он в результате операции сброса переходит в состояние 0. Состояние Sn = 11 является временным, запрещенным в отличие от других устойчивых состояний. Время пребывания в этом состоянии определяется временем реакции триггеров на сигнал сброса по асинхронному входу и не превышает нескольких десятков нс.

Комбинационная схема, выполняющая сброс счетчика, должна выделять состояние Sn = КСЧ = 11. Учитывая инверсное значение асинхронного входа сброса в применяемых триггерах, составим алгебраическое уравнение схемы

Данное уравнение может быть упрощено путем объединения состояния S = 11 с другими запрещенными состояниями, но для обобщенного вида применим

31

выражение (3.5). Из вышеизложенного представим функциональную схему проектируемого счетчика в виде рис. 3.6.

Таблица 3.3

Недостатком данного способа построения является кратковременное нахождение счетчика в запрещенном состоянии в течение действия сигнала сброса. Поэтому при его использовании в цифровых устройствах более высокого уровня требуется применение схемы стробирования с элементом задержки.

Рис. 3.6. Асинхронный суммирующий счетчик с КСЧ = 11

Недостатком всех асинхронных счетчиков является сравнительно низкое быстродействие, связанное с последовательным переключением триггеров. В наихудшем случае время установления состояния в N раз больше времени переключения одного триггера.

32

3.2.2. Синхронные счетчики

Всинхронных счетчиках (рис. 3.1) на все элементы памяти одновременно поступает последовательность тактовых импульсов. Комбинационные схемы вырабатывают сигналы управления, задающие условия изменения состояний sn элементов памяти на очередном такте, в зависимости от их состояния sn-1 на предыдущем такте. Как и во всех счетчиках состояния Sn изменяются с периодом КСЧ, т.е. Sn = S(n+iKсч), i = 0…∞.

Вкачестве элементов памяти могут использоваться различные синхронные триггеры. При описании способов построения счетчиков ограничимся применением синхронных JK-триггеров. Это позволит формализовать процедуру синтеза и получить более простые комбинационные схемы.

Построим функциональную схему двоичного синхронного суммирующего счетчика без запрещенных состояний с КСЧ = K = 2N. Воспользуемся таблицей состояний (табл. 3.1) четырехразрядного счетчика.

Сравнивая двоичные коды состояний в двух соседних строках в направлении увеличения состояний (Sn и Sn+1), можно получить следующую закономерность.

Смена состояний младшего разряда Q1 происходит на каждом такте. Следовательно, первый JK-триггер должен работать в режиме T-триггера.

Каждый последующий k-ый триггер изменяет свое состояние (переходит в режим переключения), если на предыдущем такте все младшие разряды находились в единичном состоянии.

Комбинационная схема для k-го триггера принимает единичное значение на n-ом такте при условии Qn-1,k-1...Qn-1, 1 = 1 и может быть задана алгебраическим выражением

Fk = Qn-1,k-1∙ Qn-1,k-2...∙ Qn-1, 1.

Применяя метод экстраполяции, получим функциональную схему суммирующего N-разрядного синхронного счетчика (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Функциональная схема суммирующего N-разрядного синхронного счетчика

Из приведенной методики построения схемы синхронного счетчика можно сделать следующие выводы:

схема синхронного счетчика не зависит от направления изменения уровня сигнала на тактовых входах применяемых синхронных динамических триггеров;

33

при синтезе комбинационных схем следует анализировать коды двух соседних состояний Sn и Sn+1 (соседние строки таблицы состояний) и учитывать состояния всех младших разрядов счетчика.

При разработке схем счетчиков с произвольным модулем счета КСЧ = K ≠ 2N, с заданным направлением счета и с заданной весовой функцией кодирования состояний Sn = F(Qn,k) возникает задача синтеза комбинационных схем управления памятью более сложная, чем рассмотренная выше. Для синхронных схем счетчиков решение этой задачи может быть формализовано.

Весовая функция кодирования состояний Sn = F(Qn,k) определяет значения состояний счетчика в десятичной системе счисления на каждом такте n по состояниям триггеров с номерами k = 1…N. Данная функция записывается в виде

где qk – кодовый вес k-го разряда счетчика.

Выражение (3.6) отличается от ранее рассмотренной функции (3.4) тем, что вес каждого разряда в общем случае может принимать любое заданное значение, а не только степень 2 (как при двоичном кодировании 8-4-2-1).На практике счетчики с заданной весовой функцией кодирования используются в различных системах автоматического регулирования, в частности для управления двигателями.

.

3.3. Регистры

Регистрами называются последовательностные функциональные узлы, основной функцией которых является хранение информации в виде N-разрядного двоичного кода. Регистр представляет собой линейку из N синхронных триггеров, объединенных общей линией синхроимпульсов. В отличие от счетчиков в регистрах отсутствуют внутренние запрещающие обратные связи.

По способу обмена информацией (записи и считывания) с внешними устройствами регистры разделяются на параллельные, последовательные, параллельно-последовательные и последовательно-параллельные регистры. Это различие определяется их входными и выходными комбинационными схемами

(рис. 3.8).

Рис. 3.8. Структурные схемы регистров

34

В параллельных регистрах запись и считывание выполняются в параллельном коде (рис. 3.8, а). В последовательных регистрах запись и считывание выполняются в последовательном коде (рис. 3.8, б). В параллельнопоследовательных регистрах запись осуществляется в параллельном, а считывание – в последовательном коде (рис. 3.8, в). Они преобразуют параллельный код в последовательный. В последовательно-параллельных регистрах запись осуществляется в последовательном, а считывание – в параллельном коде (рис. 3.8, г). Они преобразуют последовательный код в параллельный.

4. СХЕМОТЕХНИКА ИМПУЛЬСНЫХ УСТРОЙСТВ

4.1. Импульсные устройства на интегральных логических элементах транзисторно-транзисторной логики

4.1.1. Краткая характеристика импульсных устройств

Импульсными называются устройства генерирования, формирования и преобразования импульсных сигналов (импульсов). Устройства генерирования импульсов почти прямоугольной, пилообразной, трапецеидальной, треугольной и других форм называются генераторами импульсов или импульсными генераторами. В зависимости от режима работы они делятся на автоколебательные (автогенераторы), работающие в режиме синхронизации

(синхронизированные) и заторможенные. Для устройств генерирования характерно наличие внешней или внутренней положительной обратной связи, обусловливающей возможность их самовозбуждения и скоротечный (лавинообразный) процесс перехода активных элементов генератора из одного крайнего (закрытого, открытого) в другое (открытое, закрытое) состояние. Во время такого лавинообразного процесса происходит быстрое (скачкообразное) изменение напряжения, действующего на некоторых элементах генератора.

Автогенераторы импульсов после самовозбуждения генерируют импульсы, параметры которых (амплитуда, частота повторения, длительность, скважность) определяются только параметрами схемы генератора.

Заторможенные (ждущие) генераторы генерируют импульсы, период повторения которых определяется периодом повторения запускающих импульсов. Остальные параметры импульсов зависят только от параметров схемы генератора. В режиме синхронизации генератор вырабатывает импульсы, частота которых равна или кратна частоте синхронизирующего напряжения. Поэтому такие генераторы часто используются в качестве делителей частоты.

Наряду с импульсными генераторами, вырабатывающими одну или две последовательности импульсов, находящихся в противофазе, применяются генераторы, предназначенные для получения нескольких импульсных последовательностей, сдвинутых друг относительно друга на некоторую

35

произвольную величину, в общем случае не равную 180°. Такие генераторы называются генераторами многофазных импульсов или просто многофазными.

Принцип построения импульсных генераторов основан на использовании

усилителей-четырехполюсников с положительной обратной связью или

двухполюсников, вольтамперная характеристика которых имеет падающий участок, обусловливающий отрицательное дифференциальное сопротивление

двухполюсника. Временные параметры импульсов определяются не столько параметрами активного четырехполюсника или двухполюсника, на которых выполнен генератор, сколько параметрами специально используемых времязадающих (хронирующих) цепей. В качестве времязадающих используются емкостно-резисторные или индуктивно-резисторные цепи, линии задержки и колебательные контуры. Применение катушек индуктивности в качестве элемента времязадающей цепи в микроэлектронных импульсных устройствах нецелесообразно из-за плохой технологичности катушек.

Импульсный генератор состоит из источника питания, времязадающей цели, порогового элемента и ключа. Протекающие в импульсном генераторе процессы в простейшем случае объясняются следующим образом. Под действием источника питания происходит запасание энергии (заряд) времязадающей цепи. Когда напряжение или ток ее достигнет порогового значения, сработает пороговый элемент. Ключ перейдет из одного состояния в другое, противоположное первоначальному. После этого времязадающая цепь разряжается. В момент, когда она разрядится до порогового значения, снова произойдет изменение состояния ключа и т. д.

Различные типы генераторов отличаются друг от друга видами времязадающих цепей, пороговых и ключевых элементов, а также видами медленных переходных процессов во времязадающих цепях, от которых зависит длительность импульсов или их период следования.

Устройства формирования импульсов могут быть активными или пассивными и служат для получения импульсов определенной формы из перепада (ступеньки) постоянного напряжения или тока, К устройствам формирования относятся различные пассивные формирующие цепи (двухполюсники и четырехполюсники), колебательные контуры ударного возбуждения, а также формирователи напряжения.

Устройства преобразования импульсов - пассивные или активные электрические цепи. Они применяются для получения импульсов одной формы из импульсов другой формы или для получения импульсов с одними параметрами из импульсов с другими параметрами без изменения их формы. К преобразователям относятся укорачивающие (дифференцирующие) и расширяющие (интегрирующие) цепи, делители частоты повторения импульсов. Качественные показатели и количественные характеристики импульсных устройств различного назначения в значительной мере зависят от вида времязадающей цепи и от характера протекающих в ней переходных процессов.

36

В импульсных устройствах используются следующие переходные процессы:

1)разряд предварительно заряженного энергоемкого элемента (наиболее часто конденсатора) через резистор; конденсатор при разряде стремится разрядиться до нулевого напряжения или перезарядиться, но не перезаряжается;

2)заряд предварительно разряженного конденсатора через резистор; остаточное (начальное) напряжение на конденсаторе при этом может быть как нулевым, так и отличным от нуля;

3)перезаряд конденсатора через резистор; предварительно заряженный конденсатор при этом сначала разряжается до нуля, а затем заряжается до некоторого порогового напряжения с противоположной полярностью (перезаряжается); заряда (разряда) конденсаторов реостатно-емкостных времязадающих мостов;

4)заряд, разряд и перезаряд конденсатора через токостабилизирующий

двухполюсник генератор стабильного тока;

5)заряд, разряд и перезаряд конденсатора в мостовых времязадающих цепях, состоящих из конденсаторов и токостабилизирующих двухполюсников;

6)заряд конденсатора током, пропорциональным напряжению на нем;

7)заряд и перезаряд конденсаторов в мостовых времязадающих цепях током, пропорциональным напряжению на конденсаторе.

4.1.2. Импульсные устройства на цифровых интегральных микросхемах

Целесообразность построения различного рода импульсных устройств (ИУ) на цифровых интегральных микросхемах (ЦИМС) диктуется следующими причинами: применение однотипной элементной базы во всех узлах цифровых систем, что повышает степень унификации изделия и позволяет при его изготовлении использовать единые технологические приемы; обеспечение естественного согласования между выходами (входами) ИУ и входами (выходами) последующих (предыдущих) логических каскадов; применение единых источников питающих напряжений при выполнении ИУ и цифровой части комплекса на микросхемах одной серии, что также исключает необходимость согласования по уровням входных и выходных напряжений; возможность выполнения ИУ и логических каскадов на единой подложке, что повышает степень микроминиатюризации изделия и уровень его интеграции; сочетание традиционных импульсных методов формирования временных интервалов с цифровыми позволяет улучшить ряд характеристик ИУ, наряду с простотой исполнения, расширить их функциональные возможности.

В настоящее время наиболее широко применяются устройства на ЦИМС типов ТТЛ, ЭСТЛ, а также ЦИМС на МОП-структурах.

Одной из первых задач, с которой сталкивается разработчик при построении импульсного генератора, работающего в автоколебательном или заторможенном режимах, является выбор вида времязадающей цепи (ВЗЦ) для получения заданных временных интервалов. Если в качестве времязадающего использовать процесс накопления заряда емкостью, то в качестве ВЗЦ могут быть использованы следующие RС-цепи: дифференцирующая (рис.4.1, а), интегрирующая (рис.4.1,

37

а Uвых3 с Uвых4 (для ВЗЦ вида 6). При равенстве времязадающих напряжений или времязадающих и опорных напряжений СС вырабатывает сигнал на переключение триггера. В качестве СС используются транзисторы, диоднотранзисторные и интегральные компараторы и т.д. В роли триггера могут выступать как интегральный таймер (ИТ), так и триггеры на ИЛЭ. Опорное напряжение получается из напряжения источника питания микросхем или из выходного напряжения триггера с помощью резисторного делителя напряжения.

ВЗЦ СС ИОН Триггер

Рис. 4.2. Обобщенная структурная схема автоколебательного генератора импульсов: СС — схема сравнения; ИОН — источник опорного напряжения; ВЗЦ – времязадающая цепь.

4.1.3. Особенности расчета импульсных устройств на интегральных логических элементах транзисторно-транзисторной логики

Высокое быстродействие, сравнительно малое потребление энергии, высокие нагрузочные способности, обеспечиваемые малым выходным сопротивлением сложного выходного инвертора, позволяют строить на основе ИЛЭ ТТЛ довольно быстродействующие импульсные устройства (особенно на ИЛЭ с диодами Шоттки) с хорошими показателями. Основным недостатком ИЛЭ ТТЛ при использовании в ИУ являются сравнительно большие входные вытекающие токи многоэмиттерных транзисторов (МЭТ), что ограничивает сопротивления резисторов ВЗЦ, а, следовательно, и длительности генерируемых импульсов, скважности, коэффициенты деления и другие характеристики импульсных устройств. Последнее обстоятельство требует принятия специальных мер для увеличения удельных длительностей ИУ.

При работе в импульсном режиме ИЛЭ поочередно находится в единичном и нулевом логических состояниях. Состояния ИЛЭ изменяются под воздействием ВЗЦ. В этой связи важными для ИЛЭ ТТЛ при работе в ИУ являются входная и передаточная характеристики, которые получаются при управлении ИЛЭ по одному из входов. Для этого в ИЛЭ И-НЕ (n-1) незадействованных входов подключаются к высокому потенциалу, а в ИЛИ-НЕ к низкому. При этом ИЛЭ рассматривается как нелинейный четырехполюсник, для которого