Лекция 32. Последовательностные устройства

В сложных электронных устройствах вместе с комбинационными схемами применяются и такие, у которых есть "память". Значения их выходных сигналов зависят не только от того, какие сигналы действуют в данный момент времени на входе, но и от того, каково было внутреннее состояние схемы ранее. В качестве элементов памяти, как правило, используются триггеры. Схемы, содержащие и логические элементы, и элементы памяти, называются последовательностными.

1. Счетчики импульсов

Одной из наиболее распространенных операций в устройствах дискретной обработки информации является счет импульсов (таймеры, ЭСЧ, цифровые измерительные приборы, АЦП и т. п.). Эту операцию выполняют счетчики, которые по назначению делятся на простые (выполняющие операцию суммирования и вычитания) и реверсивные.

Простые счетчики осуществляют переходы от предыдущего состояния к последующему только в одном направлении, т. е. могут или суммировать или вычитать импульсы. Реверсивные счетчики имеют переходы в двух направлениях – прямом и обратном.

В зависимости от системы счисления счетчики делятся на двоичные и десятичные. Синхронизация счета бывает двух типов – синхронная (по фронту импульса) и асинхронная (по импульсу).

В основу построения счетчиков положено применение Т-триггеров. Максимальное число, которое может быть записано в счетчике, равно , где n – число разрядов счетчика. Каждый разряд двоичного счетчика представляет собой триггер.

Схема четырехразрядного счетчика на сумму приведена на рис. 32.1, а. На рис. 32.1, б приведены графики напряжений на входе Т и на выходах триггеров Q₁ ÷ Q₄, поясняющие принцип его работы. На схеме введены следующие обозначения:

– "Т" – счетный вход счетчика,

– – выходы разрядов,

– "УСТ" – установка состояния.

Связь между триггерами выполнена по прямым входам. Перед началом счета все триггеры устанавливаются в нулевое состояние – Q₁ = Q₂ = Q₃ = Q₄ = 0. Для этого достаточно подать единичный потенциал по шине "УСТ". Счетные импульсы поступают на вход "Т" первого триггера и переключают его срезом каждого импульса (график Q₁ рис. 32.1, б). Срезом импульсов на выходе Q₁ переключается триггер Т₂ (график Q₂ рис. 32.1, б). Триггеры Т₃ и Т₄ переключаются по аналогичному алгоритму.

Все состояния триггеров счетчика отражаются таблицей состояний 32.1. Нетрудно видеть, что состояния разрядов счетчика представляют собой запись двоичного числа импульсов, поступивших на его вход на данный момент. После записи максимального числа счетчик автоматически обнуляется, т. е. устанавливается исходное состояние: Q₁ = Q₂ = Q₃ = Q₄ = 0. Далее начинается новый цикл счета. При необходимости увеличить число N достаточно подключить к выходу счетчика дополнительные разряды (триггеры).

Аналогично суммирующему счетчику строится счетчик на вычитание. Схема такого счетчика приведена на рис. 32.1, в. В этой схеме связь между триггерами выполнена по инверсным выходам, а шина "УСТ" объединяет установочные входы триггеров "S".

Перед началом счета все триггеры устанавливаются в состояние . С поступлением на вход Т счетных импульсов происходит изменение состояний триггеров на вычитание. Все состояния триггеров приведены в таблице 32.2. Таблица представляет собой двоичную запись линейно убывающих чисел.

Таблица 32.1 Таблица 32.2

№ импульса						№ им- пульса
0	0	0	0	0		0	1	1	1	1
1	0	0	0	1		1	1	1	1	0
2	0	0	1	0		2	1	1	0	1
3	0	0	1	1		3	1	1	0	0
4	0	1	0	0		4	1	0	1	1
5	0	1	0	1		5	1	0	1	0
6	0	1	1	0		6	1	0	0	1
7	0	1	1	1		7	1	0	0	0
8	1	0	0	0		8	0	1	1	1
9	1	0	0	1		9	0	1	1	0
10	1	0	1	0		10	0	1	0	1
11	1	0	1	1		11	0	1	0	0
12	1	1	0	0		12	0	0	1	1
13	1	1	0	1		13	0	0	1	0
14	1	1	1	0		14	0	0	0	1
15	1	1	1	1		15	0	0	0	0
16	0	0	0	0		16	1	1	1	1

Часто возникает необходимость в счетчиках, которые могли бы поочередно выполнять сложение и вычитание поступающих импульсов. Такие счетчики называются реверсивными. Реверсивные счетчики снабжаются системой коммутации связей между триггерами (с прямых на инверсные и обратно), а также одним или двумя счетными входами.

В качестве примера рассмотрим реверсивные счетчики с двумя счетными входами, реализованные в микросхемах К555ИЕ6 и К555ИЕ7. Условное графическое обозначение ИС К555ИЕ6 приведено на рис. 32.2, а. Индексами С1 и С2 обозначены счетные входы счетчика. При прямом счете на входе С2 должно быть напряжение высокого уровня. Для обратного счета напряжение высокого уровня необходимо подать на вход С1. Входы D0 – D3 информационные. Они необходимы для предварительной установки счетчика. Информация с этих входов передается на выходы Q0 – Q3 при низком уровне напряжения на входе . Для сброса информации достаточно подать низкий уровень напряжения на вход .

В ряде случаев возникает необходимость вернуть счетчик в исходное состояние после записи некоторого числа . Для создания такого счетчика достаточно ввести в него цепь ОС. Например, декадные счетчики выполняются на основе четырехразрядных двоичных счетчиков. Но счет необходимо выполнять от 0 до 9, т. е. после записи цифры 9 необходимо возвратить триггеры в исходное состояние. Значит, цепь ОС должна выделить двоичную комбинацию числа 10. Наиболее просто она может быть образована с использованием логического элемента "И" (рис. 32.2, б).

Промышленность выпускает счетчики в виде интегральных микросхем, в том числе двоичные (на сложение и вычитание), двоично-десятичные (декады), реверсивные, с программируемым коэффициентом счета. Например,

К555 ИЕ6; ИЕ7 – двоично-десятичный и двоичный реверсивные четырехразрядные счетчики.