Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Конспект лекций Комп схем и АК 2011.doc
Скачиваний:
696
Добавлен:
10.02.2016
Размер:
13.66 Mб
Скачать

4.8.3 Счётчик Джонсона

Для увеличения количества выходных каналов РТ при том же количестве триггеров кольцевого регистра сдвига применяется кольцевой регистр сдвига с перекрестной обратной связью, который получил название счетчик Джонсона или Мёбиуса или Либау-Крейга. Такой счетчик имеет обратную связь на первый триггер от инверсии последнего триггера кольцевого регистра (рис. 4.43.а). Он имеет 2n состояний, т.е. при той же разрядности вдвое больше, чем обычный кольцевой регистр, а это значит, что с его помощью можно реализовать РТ с количеством выходных каналов в 2 раза больше по сравнению с РТ, реализованным на основе обычного кольцевого регистра сдвига. В то же время выход счетчика Джонсона представлен не в коде «1 из N», что требует преобразования кодов для получения выходов распределителя тактов. Такие преобразователи очень просты, что обуславливает применение счетчиков Джонсона в составе распределителей тактов.

Рис. 4.43 Функциональная схема счетчика Джонсона (а) и временные диаграммы его работы (б)

Показанный на рисунке четырехразрядный счетчик Джонсона при начальном нулевом состоянии работает следующим образом. Первый импульс сдвига установит первый триггер в единичное состояние (), в остальных разрядах будут нули как результат сдвига нулей от соседних слева разрядов. Второй импульс сдвига сохраняет единичное состояние первого триггера, т.к. по прежнему. Второй разряд окажется в единичном состоянии, поскольку примет единицу от первого триггера. Остальные разряды будут нулевыми. Последующие сдвиги приведут к заполнению единицами всех разрядов счетчика, т.е. «волна единиц», распространяясь слева направо приведет счетчик в состояние 1111. Следующий импульс сдвига установит первый разряд в ноль, т.к. теперь. Этим начинается процесс распространения «волны нулей». После восьми импульсов повторится состояние 0000, с которого начато рассмотрение работы счетчика. Временные диаграммы описанных процессов показаны на рис. 4.43.б.

Особенность рассмотренной схемы – четное число состояний при любом количестве разрядов n счетчика, т.к. 2n – всегда число четное. Обычный кольцевой счетчик такого ограничения не имеет.

Преобразование выходного кода счетчика Джонсона в код «1 из N» требует добавления всего одного двухвходового элемента И либо И-НЕ для каждого выхода распределителя тактов. Принцип дешифрации состоит в выявлении положения характерной координаты временной диаграммы – границы между зонами единиц и нулей (табл. 4.8).

Таблица 4.8

Номер состояния

Q1

Q2

Q3

Q4

Номер состояния

Q1

Q2

Q3

Q4

0

0

0

0

0

4

1

1

1

1

1

1

0

0

0

5

0

1

1

1

2

1

1

0

0

6

0

0

1

1

3

1

1

1

0

7

0

0

0

1

В двух случаях (для слов, состоящих только из нулей или только из единиц) состояние выявляется анализом крайних разрядов. В остальных случаях анализируются разряды на границе зоны единиц и нулей.

Как видно из таблицы, преобразование выходного кода счетчика Джонсона в код «1 из N» осуществляется согласно следующим выражениям:

, ,,,

, ,и,

где Fi(i=0…7) – выходы распределителя тактов.

По полученным выражениям строится дешифратор. Рассмотрим дешифратор на ЛЭ И-НЕ (с инверсными выходами). В таком дешифраторе можно дополнительно принять меры по предотвращению перекрытий импульсов в соседних каналах, возможных из-за различных задержек элементов. Используя элементы с тремя входами и «косыми связями» (рис. 4.44.а) можно запретить начало импульса в последующем канале до его завершения в предыдущем.

Рис. 4.44. Функциональная схема дешифратора кода Джонсона в код «1 из N» (а), структурная схема распределителя тактов на основе счетчика Джонсона и временные диаграммы его работы (б)

Распределитель тактов в целом (рис. 4.44.б) имеет выходные сигналы в коде «1 из N».

Для схем со счетчиком Джонсона могут возникнуть вопросы преодоления ограничения обязательной четности числа состояний счетчика и обеспечения автоматического вхождения его в рабочий цикл (свойства самозапуска). Первую задачу можно решить в рамках подхода, применявшегося при построении счетчиков с произвольным модулем, т.е. исключением одного «лишнего» состояния. Получить схему с исключенным состоянием можно уже не раз показанным способом, переходя от таблицы функционирования (истинности) к функции возбуждения триггеров и далее к схеме. Однако в данном случае нетрудно сократить этот путь, воспользовавшись простыми рассуждениями. Пусть исключению подлежит состояние 11..11. Чтобы его исключить необходимо перейти к следующему состоянию не из состояния «все единицы», а от предыдущего состояния 11…10, которое создает единицу в предпоследнем разряде счетчика, т.е. ноль на инверсном выходе этого разряда. Подавая нулевой сигнал на вход счетчика вместе с основным сигналом обратной связи через конъюнктор (показан на рис. 4.44.б штриховой линией) исключим состояние 11…11 и получим счетчик с нечетным числом состояний 2n-1.

Задача обеспечения вхождения распределителя на основе счетчика Джонсона в рабочий цикл связана с тем, что базовая схема, рассмотренная выше, свойством самозапуска не обладает. Например, распределитель с трехразрядным счетчиком Джонсона имеет общее число возможных состояний 23=8, а число состояний в рабочем цикле 2×3=6. Неиспользуемыми являются два состояния: 010 и 101. Нетрудно заметить, что из состояния 010 счетчик перейдет в состояние 101, а из состояния 101 в состояние 010. Таким образом, наряду с замкнутым рабочим циклом существует цикл из двух неиспользуемых состояний, попав в который, схема без постороннего воздействия не сможет перейти в рабочий цикл.

Чтобы придать схеме свойство самозапуска, нужно модифицировать сигнал обратной связи, поступающий на вход счетчика. Это можно сделать разными способами, поскольку траектория перехода из замкнутого цикла неиспользуемых состояний в рабочий неоднозначна. Одной из возможностей является выработка сигнала обратной связи согласно выражению

.

Распределители тактов на основе счетчика Джонсона характеризуются небольшими аппаратурными затратами (1/2 триггера и один двухвходовой вентиль на 1 канал) и достаточно высоким быстродействием (время установления = сумма задержек переключения триггера и вентиля). Счетчики Джонсона реализованы, в частности, в сериях ИС типа КМОП (микросхемы ИЕ9 и ИЕ19 серии К531 и др.), причем одной из причин их применения является отсутствие импульсных помех в цепи питания, создаваемых микросхемами. Распределитель тактов в целом реализован в ИС К561ИЕ8.