1.2. Решение поставленной задачи

Как видно на рис. 1, счетчик по модулю N является источником сигналов для преобразователя кода. На этом основании решение поставленной задачи целесообразно провести в следующей последовательности:

1) синтез счетчика по модулю N;

2) синтез преобразователя кода;

3) оценка быстродействия устройства и потребляемой им мощности.

1.2.1. Синтез счетчика по модулю n

Хорошей моделью счетчика с произвольным модулем счета является упрощенный автомат Мура, представленный на рис. 2, где ЗЭ_i – i-й запоминающий элемент (триггер), а КЦУ формирует сигналы a_1, …, a_n управления триггерами, одновременно обнаруживая последнее состояние цикла работы автомата. Следовательно, для построения счетчика по модулюN можно воспользоваться стандартной методикой синтеза ПЦУ.

Однако двоичные счетчики, правда, по модулю 2ⁿ, выпускаются промышленностью в интегральном исполнении (микросхема, чип). В результате задача синтеза счетчика по модулю N < 2ⁿ упрощается.

Действительно, в этом случае (рис. 3) запоминающие элементы автомата Мура представляются интегральным счетчиком по модулю 2ⁿ (базовым счетчиком), а КЦУ – схемой установки начального состояния (СУНС). ЗадачейСУНС является обнаружение в последовательности состояний базового счетчика первого из «запрещенных» (вне цикла работы автомата) состояний и формирование соответствующего сигнала z, устанавливающего счетчик в начальное состояние. При этом время, в течение которого счетчик будетпребывать в «запрещенном» состоянии, обычно значительно меньше длительности такта. Поэтому напрактике допустимо считать, что за последним состоянием цикла работы автомата сразу следует его начальное состояние.

Таким образом, синтез счетчика по модулю N целесообразно проводить на основе базового двоичного счетчика по модулю 2ⁿ > N. При этом методика синтеза заключается в следующем:

1. Определяется минимально необходимое число разрядов n базового счетчика:

n =  log₂(N) , (1)

где  х  – наименьшее целое, не меньшее х.

2. Выбирается серия интегральных микросхем и в ней конкретная микросхема базового счетчика.

Основным критерием выбора серии обычно является степень полноты ее функционального состава. С этой точки зрения предпочтение следует отдать серии интегральных микросхем широкого применения К155, кстати, электрически совместимой с сериями К555 и К1533.

При выборе микросхемы (МС) базового счетчика следует исходить из соображений простоты схемной реализации заданного модуля счета. Так, при необходимости использования суммирующего счетчика в зависимости от комплектации серии на момент разработки и требуемого модуля счета можно выбрать МС суммирующего счетчика – К155ИЕ4 или К155ИЕ5, либо МС реверсивного счетчика – К155ИЕ6 или К155ИЕ7. В первом случае упрощается структура СУНС, а во втором – отпадает сама необходимость ее использования. Если же необходим вычитающий счетчик, следует выбрать МС реверсивного счетчика, поскольку только вычитающие счетчики промышленностью не выпускаются.

3. В соответствии с заданным модулем счета N для выбранного базового счетчика устанавливается последовательность смены его состояний. При этом и в отсутствии специальных требований к начальному состоянию цикла работы устройства в случае использования суммирующего базового счетчика в качестве начального удобно выбрать стандартное (нулевое) состояние. В случае же использования реверсивного счетчика начальное состояние следует выбирать из соображений исключения СУНС. Этого можно добиться путем использования сигналов на выходах «≤0» и «15» счетчика для его принудительной установки в требуемое состояние. Хотя, конечно, можно задаться и стандартным (единичным) для вычитающего счетчика начальным состоянием, но тогда опять-таки необходима СУНС.

4. В случае использования СУНС проводится ее синтез. При этом ключевое значение имеют начальное состояние и направление счета счетчика. Так, при стандартном начальном состоянии и суммирующем счетчике СУНС должна обнаруживать число К = N, а вычитающем счетчике – К = 2ⁿ-1-N. Отсюда следует, что СУНС достаточно анализировать лишь те двоичные разряды числа К, которые имеют единичное (суммирующий счетчик) или нулевое (вычитающий счетчик) значение.

5. В соответствии с требованиями ЕСКД (приложение 1) вычерчивается структурная схема разработанного счетчика, сопровождаемая спецификацией, и приводятся временные диаграммы, отражающие принцип его работы, с указанием на них десятичного номера каждого состояния.

Спецификация – это таблица, в каждой строке которой отражены номер или номера корпусов микросхем одинакового функционального назначения, маркировка микросхемы, характерные для нее среднее время задержки распространения сигнала и потребляемая мощность, количество таких микросхем, использованных в данной структурной схеме.

Для примера рассмотрим задачу синтеза суммирующего счетчика по модулю 5 (N = 5). Для ее решения требуется базовый счетчик разрядностью n =  log₂(5) = 3. В качестве такого счетчика примем МС К155 ИЕ5 (рис. 4). Как видно, этот счетчик допускает только стандартное начальное состояние (Q_н = 0). Поэтому решение задачи требует использования СУНС, причем она должна вырабатывать активный сигнал (согласно рис. 4 – единицу) принудительной установки счетчика в начальное состояние сразу после его перехода в пятое (Q_н + N = 0 + 5 = 5) состояние. В двоичной системе счисления число 5 имеет значение 101 (используются вход С2 и, соответственно, 3 старших разряда счетчика). Следовательно, правила работы СУНС будут описываться таблицей истинности, представленной табл. 3.

На основании табл. 3 нетрудно записать ФАЛ, описывающую закон функционирования СУНС: z = q₂  q₀, которая в заданном минимальном базисе (пусть И-НЕ) принимает вид:

z = .

Таким образом, получаем структурную схему суммирующего счетчика по модулю 5, представленную на рис. 5.

В

Спецификация:

№ МС	Тип МС	Мощность потребления, мВт	Среднее время задержки, нс
D1	К155ИЕ5	265	135
D2	К155ЛА3	135	18,5
D3	К155ЛН2	165	35

качестве базового счетчика можно было выбрать и 4-разрядный реверсивный счетчик, например, К155ИЕ7. В этом случае отпадает необходимость в СУНС. Действительно, приняв начальным состояниемQ_н = 2ⁿ-1-N = 15-5 = 10 (десятое), для его установки достаточно воспользоваться сигналом с выхода «15» счетчика. Структурная схема такого счетчика будет представлена на рис. 6.