5.4. Многофункциональные цифровые устройства

В современной цифровой технике широкое применение находят многофункциональные цифровые устройства (счетчики, шифраторы, дешифраторы, компараторы, мультиплексоры и др.). По своей структуре они являются группой определенным образом объединенных простых логических элементов с минимизированными функциями.

5.4.1. Счетчики и делители

Счетчик – цифровое устройство, осуществляющее счет поступающих на вход импульсов. Кроме того, счетчики часто используются как делители частоты входной импульсной последовательности.

Основу счетчика составляют интегральные триггеры (D, JK, T- триггеры как со статическим, так и динамическим управлением), охваченные внутренними межразрядными связями.

Счетчик, состояние триггеров которого при поступлении очередного входного импульса соответствует увеличенному на единицу числу, называются суммирующими. Напротив, счетчик, состояние триггеров которого при поступлении очередного входного импульса соответствует уменьшенному на единицу числу, называются вычитающим Счетчик способный по командам управления выполнять суммирование или вычитание называется реверсивным.

В паузах между импульсами счетчик должен хранить введенную в него информацию. Поэтому основными элементами счетчика являются триггеры (ячейки памяти).

Между собой ячейки счетчика (триггеры) соединяются таким образом, чтобы каждому числу импульсов соответствовали единичные состояния определенных ячеек. Совокупность единиц и нолей на выходах всех ячеек счетчика представляет собой двоичное число (как правило, это НДК), которое однозначно определяет количество пришедших на вход счетчика импульсов.

Рассмотрим упрощенную структуру суммирующего счетчика (рис. 5.10). Перечеркнутые Т - входы триггеров показывают, что данный вход динамический, т.е. опрокидывание триггера производится только по перепаду напряжение. Напомним, что ТТ триггер опрокидывается задним фронтом импульса.

С поступлением каждого входного импульса число в счетчике увеличивается на единицу. Если в данном разряде присутствует единица, то под воздействием перепада, поступающего от предыдущего разряда, он обнуляется, и единица переносится в следующий разряд. Если в данном разряде присутствует ноль, то в него записывается единица, а перенос не происходит. Таким образом, суммирующий счетчик работает по принципу суммирования двоичных чисел.

Из рассмотрения принципа функционирования счетчика можно сделать следующие выводы:

с наибольшей частотой опрокидывается входной триггер счетчика, частота срабатывания каждого последующего триггера в два раза меньше частоты срабатывания предыдущего триггера;

в момент переключения последующего триггера, все предыдущие триггеры находились в состоянии 1;

если все триггеры счетчика находятся в состоянии 1, то очередным счетным импульсом счетчик переполняется, все его триггеры сбрасываются в ноль. Счетчик в этом случае является делителем частоты входной импульсной последовательности с коэффициентом деления , где n – число триггеров счетчика.

Вычитающие и реверсивные счетчики строятся на аналогичных принципах, но имеют значительно большее число логических элементов управления и связей между ними.

Такие счетчики имеют каналы предварительной записи кода (+1), каналы займа (-1) , каналы обнуления (R) и заполнения счетчика (S).

Большинство счетчиков допускают расширение емкости, для чего в них имеется выход прямого переноса Р_+, перепад с которого, возникающий при переполнении, может быть записан в следующий счетчик. Для вычитающих счетчиков имеется вход обратного переноса Р_ (вход займа 1).

Вариант условного обозначения счетчиков приведен на рис.5.11.

Н а основе счетчиков строятся делители частоты входной импульсной последовательности. В отличие от счетчиков, имеющих фиксированный коэффициент деления, равный емкости, в делителях применяются меры, позволяющие менять коэффициент деления.

Выполняются такие делители на счетчиках, имеющих входы предварительной записи.

Принцип установки определенного коэффициента деления заключается в том, что в суммирующий счетчик по каналу предварительной записи (на рис.5.11 вход +1, управление входом – канал V) записывается двоичный код числа К. При этом емкость счетчика уменьшается и становится равной N – К – 1. Емкость счетчика является коэффициентом деления, который можно менять, изменяя код предварительно записанного числа.

Делитель с переменным коэффициентом деления может строиться на вычитающем счетчике. В этом случае счетчик с каждым входным перепадом будет вычитать 1 из предварительно записанного кода числа. Коэффициент деления определяется предварительно записанным числом.

Существуют и другие варианты построения делителей частоты с переменным коэффициентом деления, например, за счет дополнительных внешних или внутренних логических связей.

Широко распространены декадные делители, позволяющие индицировать число приходящих импульсов в привычной для восприятия форме. Делители, как и суммирующие счетчики, для увеличения коэффициента деления включаются последовательно (имеют возможность расширения).