Полтавський Військовий Інститут Зв’язку
Кафедра схемотехніки радіоелектронних систем
ЛЕКЦІЯ
з навчальної дисципліни
ОБЧИСЛЮВАЛЬНА ТЕХНІКА ТА МІКРОПРОЦЕСОРИ
напрям підготовки 0924 «Телекомунікації»
Лічильники.
Полтава – 2006
Навчальна література.
1. Тиртишніков О.І., Корж Ю.М. Обчислювальна техніка та мікропроцесори. Частина 2. Цифрові автомати: Навчальний посібник. – Полтава: ПВІЗ, 2006, с. 54 -- 62.
2. Калабеков Б.А., Мамзелев И.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы. М.: Радио и связь, 1987.
ЗМІСТ ЛЕКЦІЇ ТА МЕТОДИКА ІЇ ВИКЛАДЕННЯ
1. Загальні відомості. Класифікація лічильників.
Лічильником
називають послідовнісний ЦА, що забезпечує збереження кодового слова і виконання над ним операції рахування. Операція рахування полягає у зміні значення числа С
у лічильнику на задану константу (частіше за все на одиницю).
Основним параметром лічильника є модуль рахування М
(інша назва – ємність), тобто максимальне число імпульсів, що може бути перелічене лічильником. Лічильник, що має n
двійкових розрядів, може знаходитися у станах. При надходженні на вхід додаючого лічильника 2n
-го імпульсу, він переходить із стану 2n
-1
у стан 0. Таким чином, n
-розрядний додаючий двійковий лічильник має модуль рахування М = 2n
.
Лічильники характеризуються також швидкодією, що визначається припустимою частотою вхідних сигналів (імпульсів) і часом встановлення стану лічильника. Реалізовуються лічильники частіше за все на Т-
абоJK-
тригерах.
Лічильники класифікують за різними ознаками.
1. За напрямком рахування: лічильник, що реалізовує мікрооперацію С: = С + 1
(інкрементацію) називають додаючим,
а той, що виконує мікрооперацію С: = С - 1
(декрементацію) - віднімаючим.
Лічильник називається реверсивним,
якщо може реалізувати рахування в обох напрямках.
2. За способом організації схеми переносу (за способом з'єднання тригерів між собою, тобто способом передавання сигналу з молодшого розряду до старшого) лічильники можуть бути з послідовним переносом, з паралельним переносом, з наскрізним переносом та з комбінованим переносом.
3. У залежності від наявності синхронізації:лічильники можуть бути синхронні та асинхронні.
4. За способом кодування внутрішніх станів лічильника розрізняють двійкові лічильники, лічильники Джонсона, лічильники з кодом «1 із N»
та інші.
Лічильники застосовуються у пристроях фазової корекції, у цифрових вимірювальних приладах, у перетворювачах циклів та інших вузлах засобів зв'язку.
2. Додаючи та віднімаючи лічильники.
|
Схема та УГП трирозрядного додаючого двійкового лічильника із послідовним переносом зображені на рис. 1.
Рис.1 Трирозрядний двійковий додаючий лічильник із послідовним переносом.
Такий лічильник може реалізувати послідовністьрахування від 0 до 23
– 1 = 7. Кожний стан відповідає трирозрядному двійковому числу від 000 до 111. Початковий стан 000 встановлюється подачею імпульсу на вхід R
усіх Т
-тригерів одночасно. Тригери, з яких складається лічильник, побудовані таким чином, що вони переходять у протилежний стан за умовою наявності на вході зміни рівня вхідної напруги з 1 на 0, тобто при проходженні заднього фронту вхідного імпульсу. Принцип роботи лічильника пояснюється часовою діаграмою сигналів на його виходах, поєднаною з таблицею переходів, як показано на рис. 2.
Рис.2. Часова діаграма роботи трирозрядного додаючого лічильника.
З надходженням першого імпульсу на вхід С
тригер ТТ1
переходить у стан 1 (Q1
= 1
). На входах тригерів ТТ2
і ТТ3
не відбувається зміна рівнів вхідної напруги з 1 на 0, ці тригери зберігають свій стан незмінним. У лічильнику записане число 001. З приходом другого імпульсу тригер 1 переходить у стан 0, тригер 2 – у стан 1. Тригер 3 зберігає свій стан незмінним. У лічильнику записане тепер число 010. Тригер 3 перейде до стану 1 лише при надходженні на лічильний вхід четвертого імпульсу.
До моменту приходу восьмого імпульсу на виходах тригерів Q1
, Q2
, Q3
буде встановлений рівень 1. По закінченні його дії всі тригери лічильника перейдуть у стан 0. Лічильник тепер готовий рахувати нову імпульсну послідовність з восьми імпульсів.
З рис. 2 видно, що частота проходження імпульсів на виході першого тригера удвічі менша, ніж на вході С
, на виході другого тригера – у 4 рази, на виході третього – у 8 разів, тобто кожний тригер лічильника зменшує частоту проходження імпульсів удвічі. Ця властивість лічильників і обумовила можливість їхнього застосування у якості дільників частоти проходження імпульсів на число 2n
, тобто, використовуючи лічильник, можна одержати з однієї імпульсної послідовності декілька синхронізованих послідовностей кратних частот, необхідних, наприклад, для погодженого управління (тактування) вузлів ЕОМ у цілому.
Схема трирозрядного віднімаючого двійкового лічильника, яка подана на рис. 3, відрізняється від розглянутої схеми додаючого лічильника тим, що:
1) сигнал на вхід кожного наступного тригера подається не з прямого, а з інверсного виходу попереднього тригера;
замість входу RESET
(«Встановлення 0») присутній вхід SET
(«Встановлення 1») для забезпечення початкового стану 111. У такому лічильнику з надходженням кожного імпульсу на вхід С
відбувається зменшення записаного числа на 1. Після надходження восьмого імпульсу в лічильнику встановлюється початковий стан 111.
ПРИМІТКА
: побудова часових діаграм сигналів на виходах віднімаючого лічильника, запис таблиці переходів і їх аналіз рекомендується у якості завдання курсантам для самостійної роботи.
Рис.3. Трирозрядний двійковий додаючий лічильник із послідовним переносом.
3. Реверсивний лічильник.
Для перетворення схеми реверсивного лічильника у схему додаючого або віднімаючого лічильника, у міжрозрядні кола переносу необхідно додати логічні елементи, що дозволяють робити переключення запуску кожного наступного тригера з прямого або з інверсного виходу попереднього тригера. На рис. 4 зображена схема реверсивного лічильника з керуючим RS
-тригером.
При встановленні керуючого RS
-тригера у стан 1 (подачею імпульсу на вхід «+») відкриваютьсяелементи ТА, через які до входів наступних тригерів підключаються прямі виходи попередніх. При цьому лічильник буде працювати як додаючий. Встановлення вихідного стану 000 в цьому випадку здійснюється подачею відповідного імпульсу на вхід S
.
Рис.4. Схема двійкового реверсивного лічильника.
При встановленні керуючого RS-тригера у стан 1 (подачею імпульсу на вхід «+») відкриваютьсяелементи ТА, через які до входів наступних тригерів підключаються прямі виходи попередніх. При цьому лічильник буде працювати як додаючий. Встановлення вихідного стана 000 здійснюється подачею відповідного імпульсу на вхід S
схеми.
При встановленні RS-тригера у стан 0 (подачею імпульсу на вхід «-») відкриваються елементи ТА, через які до входів наступних тригерів підключаються інверсні виходи попередніх. Лічильник перейде до режиму «Віднімання». Встановлення вихідного стана 111 здійснюється подачею імпульсу встановлення на вхід R
схеми. Елементи АБО
в схемі реверсивного лічильника необхідні для розв'язки виходів комутуючих елементів ТА
.
Більшість лічильників, що випускаються час промисловістю, є саме реверсивними.
Крім розглянутих двійкових лічильників існують лічильники з модулем рахування Кс
¹2n. З них частіше усього застосовуються лічильники, що рахують у десятковому коді або у двійково-десятковому (так звані декади). Найбільше поширеним кодом у цих лічильниках є двійковий код з ваго
4. Дільники частоти слідування імпульсів.
Дільник частоти–
це пристрій, який при надходженні на його вхід періодичної імпульсної послідовності формує на виході таку ж послідовність, але з частотою повторення імпульсів, яка у визначене число разів Кд
менша, ніж частота повторення імпульсів вхідної послідовності.
Як було розглянуто раніше, двійкові лічильники можуть бути використані у якості дільників частоти слідування імпульсів на 2n
. На практиці часто потрібні дільники частоти імпульсів на числа, що не дорівнюють 2n
. Можливі різні варіанти побудови таких дільників. Наприклад, аналізуючи роботу кільцевого регістра, розглянутого раніше, можна помітити, що частота появи імпульсів на будь-якому з його виходів, порівняно з частотою вхідних імпульсів, зменшується в цілечисло разів m
, що дорівнює кількості замкнутих у кільце тригерів регістра (Fвих1
= Fвх
/ m)
. Це означає, що кільцевий регістр є дільником частоти імпульсів з коефіцієнтом ділення Кд
= m
.
Спосіб побудови дільників частоти у вигляді кільцевого регістра зручний тим, що можна легко отримати будь-який потрібний коефіцієнт ділення, але для великих значень Кд
він є дуже неекономічним. Наприклад, для отримання Кд
=
28 потрібен двадцятивосьмирозрядний кільцевий регістр, тобто 28 тригерів, з'єднаних у кільце.
Для зменшення числа тригерів можна використовувати схеми дільників частоти слідування імпульсів у вигляді послідовного (каскадного) з'єднання двох або більше кільцевих регістрів (за умови, що необхідний Кд
не є простим числом і може бути поданий у вигляді Кд1
*Кд2
*… Кдn
). Наприклад, дільник на 28 може бути реалізований у вигляді послідовного з'єднання двох дільників, один із яких має m1
= 4
тригери (Кд1
= 4
), інший має m2
=
7 тригерів (Кд2
=
7). Загальний коефіцієнт ділення у цьому випадку Кд
= Кд1
*
Кд2
= 28
, а число тригерів у схемі m = m1
+ m2
= 11
.
На практиці найбільш часто використовуються дільники, реалізовані на основі лічильників з ЛЗЗ. Необхідне число тригерів у них визначається як мінімальне n
, що задовольняє нерівності 2n
>= Кд
(для отримання Кд
=
28
, наприклад, потрібно лише n =
5
тригерів). Очевидно, що лічильник в цьому випадку має 2n
- Кд
= L
«надлишкових» станів, що не використовуються. Відповідно, їх необхідно виключити.
Для будь-якого Кд
в загальному випадку можна запропонувати безліч реалізацій лічильника – в залежності від того, які стани виключаються. Всі вони можуть бути отримані одним з двох основних методів: модифікації міжрозрядних зв’язків
або управління скиданням
.
При використанні способу управління скиданням після встановлення в лічильнику числа Кд
- 1
потрібно у наступному такті роботи забезпечити скидання лічильника у нульовий (вихідний) стан, після чого починається новий цикл функціонування. Забезпечення такого скидання і є основною функцією ЛЗЗ.Загальний вигляд схеми ЛЗЗ поданий на рис. 5. Вона містить в собі кон’юнктор з n
входами, що формує сигнал скидання для тригерів всіх розрядів лічильника. На його входи подаються вихідні сигнали тригерів або їх інверсії – в залежності від значень розрядів Кд
-1
-гостану лічильника.
Рис. 5. Загальний вигляд схеми ЛЗЗ
Використання розглянутого способу дозволяє отримувати дуже прості схеми дільників частоти з можливістю зміни Кд
.
Але такі дільники мають суттєвий недолік – перед скиданням у них можливе короткочасне встановлення виключеного стану, що для деяких схем неприпустимо.
При побудові дільника частоти способом модифікації міжрозрядних зв’язків надлишкові стани виключаються безпосередньо з таблиці функціонування лічильника. У результаті отримують схему з нестандартними зв’язками між тригерами, що і пояснює назву методу. При синтезі схеми таким способом необхідно пам'ятати наступне. У лічильнику кожна комбінація станів тригерів визначає у деякій системі числення кількість імпульсів, що надійшли на вхід до даного моменту часу. У дільнику частоти послідовність станів може бути довільною, важливо лише забезпечити заданий коефіцієнт ділення Кд
. Тому послідовність станів вибирають за умови забезпечення при заданому Кд
найбільшої простоти міжтригерних зв'язків з метою більш економічної схемотехнічної реалізації дільника.
Приклад.
необхідно синтезувати дільник частоти з Кд
= 3
(лічильник із періодом 3). Число тригерів у такому лічильнику n = 2
. При n = 2
число можливих станів лічильника дорівнює 4 (00, 01, 10, 11). Щоб одержати дільник, необхідно забезпечити перехід лічильника зі стану 10 відразу у вихідний стан 00, минаючи стан 11. Виключення стану 11 досягається введенням до схеми лічильника зворотного зв'язку, що з'єднує інверсний вихід тригера Т2
із входом J
тригера Т1
, як показано на рис. 6.
Початковий стан лічильника 00 забезпечується подачею сигналу «скидання» на вхід R
схеми. На входи К
обох тригерів постійно подається логічна одиниця. При подачі на вхід С
першого вхідного імпульсу, другий тригер залишається у нульовому стані (K = 1, J = 0)
. Перший тригер переходить до стану 1, бо на його вхід J
надходить з інверсного виходу другого тригера по колу зворотного зв'язку логічна 1 (J = K = 1).
При подачі на вхід С
другого вхідного імпульсу обидва тригери змінюють свій стан на протилежний (J = K = 1).
При надходженні на вхід С
третього вхідного імпульсу, лічильник знаходиться у початковому стані 00 (тому що для обох тригерів K = 1, J = 0
). Після цього робочий цикл лічильника повторюється.
Рис. 6. Дільник частоти слідування імпульсів з Кд
=3 на JK-тригерах
Алгоритм функціонування такого дільника поданий таблицею станів (табл.1).
Дільники частоти слідування імпульсів застосовуються у схемах синхронізації та у синтезаторах частоти.
Таблиця 1.
| Номер вхідного імпульсу | Стани тригерів | |||
| Поточний | Наступний | |||
| Q2
|
Q1
|
Q2
|
Q1
|
|
| 1 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 2 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| 3 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 4 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| …
|
…
|
…
|
…
|
…
|
В И С Н О В О К
Лічильником називають послідовностний цифровий автомат, що забезпечує збереження кодового слова і виконання над ним операції рахування. Операція рахування полягає у зміні значення числа С
у лічильнику на задану константу.
Лічильник, що реалізує мікрооперацію С:=С+1
називають додаючим, а той,
що виконує мікрооперацію С:=С-1
- віднімаючим. Лічильник називають реверсивним, якщо він реалізує обидві названі операції рахування (додавання і віднімання).
Основним параметром лічильника є модуль рахунку КС
, тобто максимальне число одиничних сигналів (імпульсів), що може бути полічене лічильником.
Лічильники застосовуються у пристроях фазової корекції, вимірювальних приладах цифрового типу, у перетворювачах циклів і інших вузлах засобів зв'язку.
Дільник частоти - це пристрій, який при надходженні на його вхід періодичної імпульсної послідовності формує на виході таку ж послідовність, але з частотою повторення імпульсів, яка у визначене число разів менша, ніж частота повторення імпульсів вхідної послідовності.
Найбільш часто використовують дільники, реалізовані на основі лічильників з логічними зворотними зв'язками. У військовій техніці зв'язку дільники частоти проходження імпульсів застосовують у синтезаторах частоти.