книги из ГПНТБ / Гутников, В. С. Интегральная электроника в измерительных приборах

быть построен на двух D-триггерах, тактируемых импульсом, то общее количество таких триггеров, содержащихся в счетчике рис. 33, а, равно семи. В то же время обычный счетчик Джон­ сона, составленный из пяти тактируемых фронтом триггеров, будет содержать десять триггеров, тактируемых импульсом.

Глава шестая

ДВОИЧНЫЕ СЧЕТЧИКИ И СЧЕТЧИКИ НА ИХ ОСНОВЕ

16. Двоичные счетчики _

Двоичный асинхронный счетчик может быть построен путем последовательного соединения счетных триггеров (рис. 34,а). Асинхронным он называется потому, что триггеры с приходом

Рис. 34. Асинхронный двоичный счетчик (а) и двоичный счетчик со сквозным переносом (б)

счетного импульса опрокидываются последовательно. Если, на­ пример, все три триггера в счетчике по схеме рис. 34, а нахо­ дятся в единице, то очередной входной импульс опрокинет пер­ вый триггер, изменение потенциала на его выходе приведет к опрокидыванию второго триггера, а выходной сигнал второго триггера в свою очередь опрокинет третий.

Недостатком асинхронных счетчиков является задержка в установлении соответствующего кода после прихода счетного импульса. Кроме того, при переходе от одного кода к другому счетчик на короткое время принимает промежуточные состоя­ ния, что может привести к появлению ложных импульсов на выходе дешифратора. Действительно, если состояния триггеров счетчика соответствуют коду 011 (цифра слева соответствует старшему триггеру), то с приходом очередного импульса при последовательном срабатывании триггеров код в счетчике бу­ дет меняться следующим образом: 011—010—000—100. В дан­ ном случае переходный процесс от кода 011 к коду 100 харак­ теризуется наличием двух промежуточных состояний 010 и 000.

Двоичные синхронные счетчики отличаются от асинхронных тем, что срабатывание триггеров в них происходит одновре­ менно или почти одновременно. Это достигается благодаря тому,

68

что триггеры синхронного счетчика, опрокидываются под воз­ действием входного импульса, а не сигнала с предыдущего триг­ гера. При этом, естественно, счетчик должен быть построен так,

чтобы каждому импульсу соответствовали срабатывания только определенных триггеров.

Счетчик со сквозным переносом, показанный на рис. 34,6, является одним из вариантов синхронных счетчиков. Этот счет­ чик занимает, вообще говоря, промежуточное положение: он обладает свойствами как синхронного, так и асинхронного счет­ чика. Вход каждого триггера в нем соединен с выходом ячейки «И», на входы которой поданы сигналы с прямого выхода пре­ дыдущего триггера и с выхода предыдущей ячейки «И», подоб­ ной данной. На входы ячейки «И», включенной перед первым триггером, поданы входные импульсы k и сигнал разрешения счета Р. В результате в этом счетчике так же, как и во всех синхронных счетчиках, на счетные входы триггеров подаются входные импульсы k. Но поскольку эти импульсы проходят че­ рез ряд цепей «И», то триггеры в нем срабатывают не совсем синхронно. Однако этот вариант синхронного счетчика обладает тем преимуществом, что он может быть построен на счетных триггерах, не имеющих входов /, К. Более того, в большинстве случаев счетчик со сквозным переносом может быть построен

вило, содержатся инверторы, выполняющие функцию логиче­ ского умножения входного и выходного сигналов триггера. Сюда относятся, например, входные инверторы в триггерах, построен­ ных по схеме «хозяин — раб», и инверторы «крыльев» в симмет­ ричных шестиинверторных триггерах.’

Распространенные варианты двоичных синхронных счетчи­ ков показаны на рис. 35. Входные импульсы k подаются парал­ лельно на счетные входы всех триггеров. На входы J—К каж­ дого триггера подан сигнал со схемы «И», позволяющий срабо­ тать данному триггеру только тогда, когда все предшествующие триггеры находятся в состоянии единица.

Счетчики, показанные на рис. 35, а, б и б, отличаются только способом построения цепей «И». В счетчике по схеме рис. 35, а на входы цепей «И» подаются сигналы непосредственно с выхо­ дов триггеров, а в счетчике по схеме рис. 35, б на вход каждой цепи «И» подаются сигналы с выхода предыдущего триггера и предшествующей цепи «И». На один из выходов первой ячейки «И» в обоих счетчиках подан сигнал разрешения счета Р.

Вариант синхронного счетчика рис. 35, а имеет более высо­ кое быстродействие, но его коэффициент пересчета ограничен, так как чем старше разряд счетчика, тем больше входов должна иметь входящая в него цепь «И» и тем больше нагружены вхо­ дами цепей «И» триггеры разрядов. Второй вариант (рис. 35, б) содержит простые двухвходовые цепи «И», но быстродействие

69

его снижается, так как суммируются задержки, вносимые по­ следовательно включенными цепями «И» (после очередного срабатывания счетчику нужно некоторое время для подготовки к приему следующего входного импульса). В практических схе­ мах синхронных счетчиков часто применяют совместно оба рас­ смотренных варианта их построения. При этом счетчик разби­ вают на группы, внутри которых межтриггерные связи выпол-

Ю

Рис. 35. Примеры реализации синхронных двоичных счетчиков

няют так, как показано на рис. 35, а, а связи между группами — гак, как показано на рис. 35, б. На рис. 35, в показана схема такого счетчика, содержащего две двухразрядные группы.

17, Десятичные счетчики и счетчики с другими недвоичными коэффициентами пересчета

Десятичные счетчики строят обычно на основе четырехраз­ рядных двоичных счетчиков. Для того чтобы уменьшить коэф­ фициент пересчета четырехразрядного счетчика с 16 до 10, вво­ дят различные дополнительные логические связи. При этом в зависимости от вида логической связи одним и тем же деся­ тичным числам в разных счетчиках могут соответствовать раз­ личные четырехразрядные двоичные кодовые комбинации или, иначе говоря, счетчики работают в различных двоично-десятич­ ных кодах.

70

Двоично-десятичные коды, наиболее часто используемые при построении десятичных счетчиков на интегральных схемах, по­ казаны в табл. 1 2 . Если в применяемом двоично-десятичном

коде любое одноразрядное десятичное число А может быть вы­ ражено в виде суммы:

А = fljQj -f- o2Q2 + £3Q3 + H4Q4 ,

постоянные числа, то говорят, что этот код взвешенный и коэф­ фициенты «1 , а2, а3, а4 называют весами двоичных разрядов. Взвешенные коды обычно обозначают, перечисляя веса разря­ дов, начиная со старшего. В [8] приведено 17 возможных взве­ шенных двоично-десятичных кодов.

Чаще других употребляется двоично-десятичный код 8—4— 2—1. Преимущество этого кода перед другими заключается, во-первых, в том, что двоичные комбинации для одноразряд­ ных десятичных чисел в нем такие же, как и при обычном дво­ ичном счете, и, во-вторых, в том, что этот код однозначен: для каждого десятичного числа существует только одна соответ­ ствующая ему кодовая комбинация. Другие же коды неодно­ значны. В табл. 12, например, показаны два кода 4—2—2—1, т. е. два кода с одинаковыми весами разрядов, но с разными двоичными комбинациями для одних и тех же десятичных чисел.

Наряду с кодом 8—4—2—1 находят широкое применение также и другие двоично-десятичные коды. При этом взвешен­ ные коды применяются чаще, чем невзвешенные, что объяс­ няется тем, что взвешенные коды более приемлемы при построе­ нии цифро-аналоговых преобразователей.

Особую группу двоично-десятичных кодов образуют самодополняющиеся коды. Для самодополняющихся кодов харак­ терно то, что при поразрядном инвертировании кодовой комби­ нации данного десятичного числа мы получаем кодовую комби­ нацию числа, дополняющего данное до девяти. Иначе говоря, в самодополняющемся коде обратные двоичные числа соответ­ ствуют обратным десятичным числам. Это свойство кода очень удобно при построении цифровых приборов, измеряющих как положительные, так и отрицательные величины.

Рассмотрим принципы построения десятичных счетчиков, ра­ ботающих в различных двоично-десятичных кодах.

Асинхронные двоично-десятичные счетчики на У/Г-триггерах

выполняются на основе асинхронных двоичных счетчиков. На рис. 36 показаны структуры счетчиков, работающих в кодах

8—4—2—1 (рис. 36, а), 2—4—2—1 (рис. 36,6) и 4—2—2—1 (рис. 36, в ) .

На схеме рис. 36 и далее управляющие входы триггеров, на которые должен быть подан постоянный сигнал единица, условно показаны никуда не присоединенными.

71

На этом рисунке и далее логические цепи, входящие в счет­ чики, показаны в их простейшем виде, без перевода, например, на ячейки «НЕ—И» и «НЕ—ИЛИ». Это сделано для того, чтобы облегчить понимание принципа действия логических связей. При практической же реализации счетчиков выполнить необхо­ димые логические схемы на имеющихся в распоряжении раз­ работчика логических ячейках обычно не составляет труда. Более того, в некоторых случаях необходимые логические функ­ ции могут выполнять логические цепи, содержащиеся в самих

возможность, когда это требуется, получать конъюнкции трех входных сигналов на каждом входе.

Порядок синтеза асинхронных счетчиков рассмотрим на при­ мере счетчика 8—4—2—Е Как видно из табл. 12, недвоичный переход в счетчике происходит при приходе десятого импульса. При этом кодовая комбинация 1001 сменяется на комбинацию 0000, в то время как для двоичного счетчика характерен пере­ ход 1001—1010. Если считать младший триггер первым, а стар­ ший — четвертым, то можно сказать, что в данном счетчике недвоичный переход наблюдается во втором и четвертом триг­ герах: второй триггер не опрокидывается, в то время когда он должен был бы опрокинуться, а четвертый, наоборот, срабаты­

73

и четвертого триггеров подать соответствующие сигналы, отлич­ ные от сигналов двоичного счетчика.

Что касается входов С этих триггеров, то вопрос здесь ре­ шается просто. Частота импульсов па тактовом входе С оп­

ко входному зажиму счетчика), на котором переходы из еди­ ницы в нуль, во-первых, совпадают по времени со срабатыва­ ниями данного триггера и, во-вторых, период повторения этих переходов равен минимальному времени между двумя срабаты­ ваниями данного триггера. Исходя из этого, необходимо при­ соединить тактовые входы второго и четвертого триггеров к пря­ мому выходу первого триггера.

74

Заполним теперь табл. 13, где укажем потенциалы, которые должны присутствовать на входах / и К второго и четвертого триггеров во время работы счетчика (обозначениям входов и выходов приписаны индексы, соответствующие номерам тригге­ ров). При этом необходимо учитывать следующее. Если при переходе от данной кодовой комбинации к последующей не воз­ никает перехода единица — нуль на входе С рассматриваемого триггера, то не имеет значения, какие потенциалы присутствуют на его входах / и К■Если же на тактовом входе возникает раз­ решающий переход, то нужно обеспечить / = 1 (при любом К), если триггер должен перейти из нуля в единицу; К, —1 (при лю­ бом /), если триггер должен опрокинуться из единицы в нуль; / = 0 (при любом К), если необходимо, чтобы триггер сохранил состояние нуль; К = О (при любом /), если триггер должен ос­ таться в состоянии единица. Поскольку поведение триггера определяется тем, какие потенциалы присутствуют на его управ­ ляющих входах к моменту прихода разрешающего фронта такто­ вого импульса, то эти потенциалы должны формироваться в пе­ риод существования той кодовой группы, из которой осущест­ вляется рассматриваемый переход.

В табл. 13 прочерк в клетке говорит о том, что не имеет значения, какой потенциал присутствует в рассматриваемый мо­ мент на входе — нуль или единица.

Переносим теперь данные табл. 13 на диаграммы Вейча (табл. 14). Некоторые клетки диаграмм Вейча табл. 14 оста­ лись незаполненными. Эти клетки соответствуют не используе­ мым в данном двоично-десятичном коде кодовым комбинациям. Следовательно, безразлично, чему будет равен потенциал на управляющем входе триггера при сочетании переменных, соот­ ветствующих этим клеткам.

Особенностью минимизации логических функций, величина которых при определенных наборах аргументов не играет роли, является то, что при проведении в диаграмме Вейча контуров, охватывающих единицы, можно включать в эти контуры также

иклетки, в которых функция не определена.

Всоответствии со сказанным и на основании диаграмм

табл. 14 можно записать: Jt = Q2 Q3 ~, 1; / 2 = Q4; /Сг=1. В дан­ ном случае для /С4 и Kz мы провели контуры, охватывающие все клетки таблицы, т. е. на входы Ki и Kz можно подать постоян­

также, что если это более удобно, то можно принять Kz = J2 ='>Qb>

75

т. e. на вход Кг не подавать постоянной единицы, а соединить его со входом / 2.

Аналогично можно производить синтез асинхронных счетчи­ ков, работающих в других двоично-десятичных кодах.

Счетчик, показанный на рис. 36, б, работает в коде 2—4— 2—I. Ячейка «ИЛИ», присоединенная ко входу К второго триг­ гера счетчика, разрешает установку этого триггера в нуль только при условии, что третий триггер находится в нуле или четвертый в единице. Сигнал на входе / 4 равен логическому произведению Q 2 Q 3 , а на вход С4 подается потенциал непосред­ ственно с выхода Qi. В результате при поступлении импульсов на вход счетчика, построенного по схеме рис. 36, б, он будет принимать состояния, приведенные в табл. 15.

Как видно из таблицы, счетчик совершает недвоичный пере­ ход при поступлении на его вход восьмого импульса. Второй триггер при этом удерживается в единице ячейкой «ИЛИ», а импульс с выхода первого триггера в обход второго и третьего устанавливает четвертый в единицу.

Счетчик, структура которого показана на рис. 36, в, работает в коде 4—2—2—1. Для него характерны кодовые комбинации, помещенные в табл. 16.

76

О

в)

Рис. 37. Асинхронные двоично-десятичные счетчики, работаю­ щие в кодах 5—2—1—1 (а), 5—4—2—1 (б) и в невзвешенном коде (в)