35 ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТНЫЕ УСТРОЙСТВА
счетчика равен M , а вводимое с входов Di число равно N , то модуль счета схемы с периодической предустановкой сигналом переноса равен K = M − N ( N не должно превышать ( M −1), т.е. представляет собой дополнение числа N до M . Задавая различные числа N , можно получить переменный модуль счета.
Аналогичные схемы строятся на основе счетчиков, работающих в режиме обратного счета. Выходной код может быть при необходимости преобразован в натуральный двоичный с помощью арифметических устройств.
4.2.9. Наращивание разрядности счетчиков
Для построения многоразрядных счетчиков интегральные схемы счетчиков включают каскадно, т.е. объединяют отдельные секции со сравнительно небольшим модулем счета в многоразрядную систему. Различают последовательное (асинхронное) и параллельное (синхронное) соединение отдельных ИС (секций).
При последовательном соединении выходная переменная старшего разряда (или сигнал переноса) секции используется в качестве сигнала, подаваемого на вход следующей по старшинству секции. Пример построения 8-разрядного счетчика на ИС 4-рарядных счетчиков К155ИЕ5
показан на рис. 4.22. Отрицательный перепад Q3 происходящий с каждым
16-м импульсом C (см. рис. 4.7) переключает триггер младшего разряда следующей секции. При этом с каждым 16-м импульсом добавляется
единица в разряд Q4 , имеющий весовой коэффициент 24 =16 . Подобным образом можно построить счетчик и большей разрядности, соединяя необходимое число ИС. Следует иметь ввиду, что переменные Qi меняются неодновременно (асинхронно).
Рис. 4.22. Каскадное включение ИС К155ИЕ5
При параллельном соединении входные импульсы поступают на входы C всех секций многоразрядного счетчика одновременно. Необходимая последовательность изменения выходных переменных
36
достигается подключением выхода переноса младшей секции к входу разрешения переноса следующей по старшинству секции (см. разд. 4.2.2). Пример построения 12-разрядного двоичного асинхронного счетчика на ИС К555ИЕ10 показан на рис. 4.23. Управляющие сигналы параллельного
ввода L и сброса R являются общими для всех ИС. Для увеличения быстродействия выход переноса CR младшей секции подключен к входам разрешения счета E всех старших секций. Количество соединяемых таким образом ИС ограничено нагрузочной способностью выхода CR . Все
переменные Qi многоразрядного счетчика при параллельном способе
соединения ИС изменяются одновременно (синхронно). Естественно, что такой способ покаскадного соединения возможен только для ИС синхронных счетчиков.
Рис. 4.23. Каскадное включение ИС К555ИЕ10
Если нет необходимости в синхронности, то ИС синхронных счетчиков можно соединять последовательно (выход переноса подключается к входу C следующей секции). Такой многоразрядный счетчик является параллельно-последовательным (полусинхронным). Каждая синхронная секция работает с задержкой по отношению к предыдущей. Так соединяются ИС счетчиков К155ИЕ7 (К155ИЕ6), не имеющие входа разрешения переноса (рис. 4.24). С помощью дополнительных логических схем можно организовать и синхронную работу ИС.
ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ. ЧАСТЬ 2
37 ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТНЫЕ УСТРОЙСТВА
Рис. 4.24. Каскадное включение ИС К555ИЕ7
4.2.10. Кольцевые счетчики
Особенностью кольцевых счетчиков, определяющей их название, является построенная по типу кольцевого регистра схема. Под действием входных импульсов в них циркулирует одна или несколько единиц, меняя кодовые комбинации выходных переменных. Наиболее распространенными являются кольцевые счетчики, в которых выходные переменные представляют число импульсов в унитарном коде и коде Джонсона.
Счетчик с унитарным кодированием можно получить на основе кольцевого регистра (рис. 4.4), если в нем под действием тактовых импульсов будет циркулировать единица, введенная в один из триггеров регистра пред началом счета. Состояния кольцевого счетчика с модулем 5 приведены в табл. 4.8.
Таблица 4.8
Таблица состояний 5-разрядного кольцевого счетчика
n |
Q4 |
Q3 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
2 |
0 |
0 |
3 |
0 |
1 |
4 |
1 |
0 |
5 |
0 |
0 |
Q2 |
Q1 |
Q0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
Недостатком кольцевых счетчиков является то, что если при первоначальной установке или в процессе работы произойдет сбой, то на выходах появится недопустимая кодовая комбинация. Работа счетчика в этом случае полностью нарушится. Возникнув, недопустимая кодовая
38
комбинация будет циркулировать неопределенное время. Поэтому кольцевые счетчики часто дополняют корректирующими схемами, которые переводят недопустимые комбинации в допустимые в новом цикле счета. Пример кольцевого счетчика, работающего в коде "1 из 5", показан на рис. 4.25а.
Рис. 4.25. 5-разрядный кольцевой счетчик
Счетчик состоит из четырех динамических триггеров, образующих регистр сдвига вправо, и корректирующего элемента ИЛИ-НЕ. Запись
единицы в первый триггер T1 с очередным импульсом происходит только в том случае, если все триггеры находятся перед этим импульсом в нулевом состоянии (рис. 4.25б). При следующем импульсе единица будет записана
ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ. ЧАСТЬ 2
39ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТНЫЕ УСТРОЙСТВА
втриггер T2 , а в T1 будет введен нуль и т.д. Элемент ИЛИ-НЕ не только
устраняет последствия сбоев, но и играет роль ( n −1)-го триггера регистра. При 4-разрядном регистре модуль счета равен 5. Временная последовательность переключения триггеров под действием первых двух импульсов показана на рис. 4.25в.
Кольцевой счетчик с унитарным кодированием в сравнении с двоичным или двоично-десятичным требует больших аппаратурных затрат. При его использовании упрощается декодирование состояния (номер выхода, на котором единичный уровень определяет число импульсов). Он также обладает большим быстродействием, так как между триггерами нет дополнительных логических элементов.
Состояния десятичного счетчика Джонсона приведены в табл. 4.9. Счетчик может быть построен на основе регистра сдвига, в котором последовательно распространяются от младшего разряда к старшему сначала «волна единиц», а затем «волна нулей». Для получения таких волн нужно инверсный выход триггера старшего разряда подключить к входу данных триггера младшего разряда (рис. 4.26а). После установки всех
триггеров в нулевое состояние (при этомQ4 =1) по фронту первого импульса в триггер T0 записывается 1, которая со следующими импульсами распространяется по регистру. По фронту 5-го импульса
единица вводится в T4 (при этом Q4 = 0 ) и с 6-го импульса по регистру начинает распространяться «волна нулей» (рис. 4.26 б).
Таблица 4.9
Таблица состояний десятичного счетчика Джонсона
n |
Q4 |
Q3 |
Q2 |
Q1 |
Q0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
2 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
3 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
4 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
5 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
6 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
7 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
8 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
9 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
10 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
40
Рис. 4.26. Десятичный счетчик Джонсона:
а – схема, б – временная диаграмма
Для преобразования недопустимых кодовых комбинаций, появившихся в результате сбоев, в допустимые можно использовать корректирующую схему (рис. 4.27).
Рис. 4.27. Счетчик Джонсона с корректирующей схемой
По числу триггеров десятичный счетчик Джонсона близок к двоично-десятичному. Важным достоинством является принципиальное отсутствие ошибок декодирования состояний счетчика из-за логических состязаний выходных переменных, так как после каждого импульса лишь один триггер меняет свое состояние.
ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ. ЧАСТЬ 2