Цель работы: Знакомство с принципом работы счетчиков с различными типами переноса между разрядами. Получение навыков работы по определению временных диаграмм и составлению таблиц соответствия.

1.Основные понятия

Счетчик – это узел ЭВМ, который осуществляет счет и хранение кода числа подсчитанных сигналов. Внутреннее состояние счетчика характеризуется коэффициентом пересчета К, определяющим число его устойчивых состояний. Основные параметры счетчика:

- разрешающая способность - минимальное время между двумя сигналами, которые надежно фиксируются счетчиком.

- максимальное быстродействие счетчика - величина, обратная разрешающей способности и равная числу сигналов, фиксируемых счетчиком в единицу времени.

- информационная емкость - максимальное число сигналов, которые могут быть посчитаны счетчиком.

Счетчики делятся на счетчики с естественным порядком изменения состояния, в которых значение кода каждого последующего состояния отличается на 1 от предыдущего, и счетчики с произвольным изменением состояния, в этом случае значения кодов соседних сигналов могут отличаться более чем на 1.

Счетчики бывают следующих типов: суммирующие, вычитающие, реверсивные.

Для всех типов счетчиков может осуществляться следующие виды переноса между разрядами: последовательный, сквозной, параллельный, групповой.

Рассмотрим некоторые виды счетчиков.

Двоичный суммирующий счетчик (3-разрядный) с последовательным переносом с естественным порядком изменения состояния.

Таблица 1 – таблица соответствия для двоичного суммирующего счетчика

№ входного сигнала	Т0	Q2	Q1	Q0	№ входного сигнала	Т0	Q2	Q1	Q0
1	1	0	0	0	5	1	1	0	0
	0	0	0	1		0	1	0	1
2	1	0	0	1	6	1	1	0	1
	0	0	1	0		0	1	1	0
3	1	0	1	0	7	1	1	1	0
	0	0	1	1		0	1	1	1
4	1	0	1	1	8	1	1	1	1
	0	1	0	0		0	0	0	0

Из таблицы следует, что изменение младшего разряда Q₀ связано с изменением единичного значения сигнала счета Т₀, каждого последующего разряда Q_i с изменением единичного состояния на 0 предыдущего Q_i-1 разряда. Таким образом, в счетчике сигналы переноса распространяются последовательно от младшего разряда к старшему. Так как каждый триггер счетчика осуществляет сложение по модулю 2, то закон функционирования 3-разрядного суммирующего двоичного счетчика может быть представлен характеристическими уравнениями:

Q₀(t+1) = Q_0tT_0t V Q_0tT_0t

Q₁(t+1) = Q_1tQ_0t V Q_1tQ_0t

Q₂(t+1) = Q_2tQ_1t V Q_2tQ_1t

Р ис. 1 Суммирующий трехразрядный счетчик с последовательным переносом

Рис. 2 Временная диаграмма суммирующего трехразрядного счетчика

с последовательным переносом

Максимальное время Т_сч.max установки кода в счетчике с последовательным переносом: Т_сч.max = nt_т ,

где: n - число разрядов счетчика,

t _т - время задержки сигнала в одном разряде.

Рис. 3 вычитающий счетчик

Вычитающие двоичные счетчики используются редко, чаще применяются реверсивные счетчики, в которых операции сложения и вычитания организуются вместе.

Рис. 4 реверсивный счетчик

В данном счетчике межразрядные связи выполнены на элементах И-ИЛИ-НЕ. Значение сигнала на управляющем входе V=0 – определяет режим сложения, V=1 - режим вычитания.

Для увеличения быстродействия применяются счетчики со сквозным переносом. В данном случае переключение триггера возможно, если на входе Т будет 1. Переключение каждого последующего разряда возможно, если все предшествующие триггеры младших разрядов находятся в состоянии 1.:

Q_i-1 Q_i-2... Q₁ Q₀ ; i=0,1,2,...,(n-1)

Если условие не выполняется, то разряд сохраняет предыдущее состояние.

Рис.5 Счетчик со сквозным переносом

Цепь синхронного переноса собрана на &1, &2. Входной счетный сигнал Т₀= х подается одновременно на входы С всех триггеров счетчика. Формирование сигнала Т_i в цепи сквозного переноса заканчивается к моменту прихода счетного сигнала Т₀, поэтому практически все триггеры переключаются одновременно.

Т_{сч max}= t_т+(n-2)t_н

t_н - время задержки сигнала на элементе N.

Ц епь последовательного сквозного переноса вызывает задержку в асинхронном установлении уровней сигналов Т_i. Этот недостаток можно устранить, если в счетчике сформировать цепь параллельного сквозного переноса.

Рис.6 Счетчик с параллельным переносом

Закон функционирования:

J_0t = K_0t = 1;

J_1t = K_1t = Q_0t;

J_2t = K_2t = Q_1t Q_0t;;

J_3t = K_3t = Q_2t Q_1t Q_0t.

Максимальное время установки кода:

Т_{сч max} = t_т + t_н.

Если число разрядов счетчика превышает число входов элемента N, то счетчик разбивается на группы. Внутри группы организуется параллельный перенос, а между группами любой вид переноса.

Рис. 7 Двенадцатиразрядный счетчик со сквозным переносом

между группами.

Закон функционирования передачи сигнала между группами:

T_j = T_j-1 Q_k Q_k+1... Q_km-1,

j - номер группы,

k - номер младшего разряда в группе,

m - число разрядов в группе.

Т_{сч max} = t_т + (n/m)t_н

2 Описание работы стенда

Учебный стенд «Счетчики» (рис. 8) предназначен для изучения различных видов счетчиков: суммирующий, вычитающий, реверсивный, с последовательным и параллельным переносом. Стенд состоит из трех частей:

• первая часть стенда - блок общих переключателей: «Сеть», «Переключатель работы» между верхней и нижней частью стенда, «Уст. 1», «Уст. 0», «Подача импульса».

Кнопка «Сеть» подключает учебный стенд к источнику питания;

Кнопка «Переключатель работы» устанавливает режим работы стенда: в отжатом положении в работе находится верхняя часть стенда, в нажатом положении – нижняя часть стенда;

Кнопки «Уст. 1» и «Уст. 0» устанавливает все разряды счетчиков соответственно в единичное и нулевое состояние;

Кнопка «Подача импульсов» служит для подачи управляющих командных импульсов на счетные входы счетчиков.

• Вторая (верхняя) часть стенда содержит четырехразрядный счетчик, реализованный на универсальных JK триггерах, перестраиваемый с помощью переключателей S2 и S3. Переключатель S2 предназначен для переключения счетчика из суммирующего в вычитающий режим работы. Переключатель S3 предназначен для преобразования переноса – из параллельного в последовательный. При работе счетчика с параллельным переносом между разрядами отсутствует вычитающий режим работы счетчика.

Рассмотрим работу данной части стенда в режиме суммирующего счетчика с последовательным переносом. Подавая импульсы с помощью кнопки SВ2 на вход синхронизации первого триггера DD2, наблюдаем сложение каждого последующего импульса с накопленным значением, что отражается на светодиодах HL2, HL4, HL6, HL9. Передача сигнала происходит через контакты переключателей S2 и S3 с выходов предыдущих триггеров на входы синхронизации С последующих триггеров.

• Третья (нижняя) часть стенда содержит более сложный реверсивный счетчик с последовательно – параллельным переносом, перестраиваемый с помощью переключателей S4, S1 и S5.

Переключатель S4 предназначен для перестройки счетчика из последовательного в параллельный, что достигается коммутацией прямого выхода предыдущего триггера и схемой реверсивного суммирования - вычитания, выполненной на логических элементах 2И – ИЛИ и 2И – НЕ.

Переключатель S5 предназначен для установки в счетчике суммирующего или вычитающего режима. В суммирующем режиме на S1.1. присутствует логическая единица, разрешающая реверсивное суммирование в режиме параллельного переноса. В вычитающем режиме логическая единица, разрешающая реверсивное вычитание в режиме параллельного переноса, присутствует на S1.2.

Работа счетчика в режиме суммирующего с параллельным переносом происходит следующим образом: при подаче импульсов (кнопка SВ1) на входы синхронизации триггеров DD3, DD7, DD11, DD14, происходит суммирование каждого импульса с накопленным значением, что отражается на светодиодах HL3, HL5, HL7, HL8. Передача сигнала происходит через схему реверсивного суммирования, выполненного на микросхемах DD3 и DD9, а также контакты переключателя S4 на счетные входы J и K последующих триггеров. Реверс осуществляется переключателем S5.

3 Указания по технике безопасности при работе со стендом.

При выполнении лабораторной работы необходимо выполнять общие требования по технике безопасности:

• стенд включать в сеть только после ознакомления с его устройством и только по разрешению преподавателя;

• перед включением в сеть предупредить всех членов бригады;

• при обнаружении неисправности (искрение, запах и т. д.) немедленно отключить установку от сети и сообщить преподавателю;

• категорически запрещается проводить устранение неисправности при включенном стенде;

• работать на установке разрешается только в составе бригады не менее двух человек;

• запрещается эксплуатировать стенд со снятой крышкой, так как попадание в электрическую часть инородных предметов может привести к замыканию схемы. Во время работы нельзя отвлекаться и необходимо выполнять работу в указанном порядке;

• по завершении работы необходимо поставить все выключатели в исходное состояние, затем вынуть вилку из розетки.

• 4. Порядок выполнения работы