Полтавський Військовий ІнститутЗв’язку
Кафедрасхемотехніки радіоелектронних систем
ЛЕКЦІЯ
знавчальної дисципліни
ОБЧИСЛЮВАЛЬНА ТЕХНІКА ТА МІКРОПРОЦЕСОРИ
напрямпідготовки 0924 «Телекомунікації»
Лічильники.
Полтава– 2006
Навчальна література.
1. ТиртишніковО.І., Корж Ю.М. Обчислювальна техніка та мікропроцесори. Частина 2. Цифровіавтомати: Навчальний посібник. – Полтава: ПВІЗ, 2006, с. 54 — 62.
2. КалабековБ.А., Мамзелев И.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы. М.: Радиои связь, 1987.
ЗМІСТЛЕКЦІЇ ТА МЕТОДИКА ІЇ ВИКЛАДЕННЯ
1.Загальні відомості. Класифікація лічильників.
Лічильникомназиваютьпослідовнісний ЦА, що забезпечує збереження кодового слова і виконання над нимоперації рахування. Операція рахування полягає у зміні значення числа С улічильнику на задану константу (частіше за все на одиницю).
Основнимпараметром лічильника є модуль рахування М (інша назва – ємність), тобтомаксимальне число імпульсів, що може бути перелічене лічильником. Лічильник, щомає 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-розряднийдодаючий двійковий лічильник має модуль рахування М = 2n.
Лічильники характеризуютьсятакож швидкодією, що визначається припустимою частотою вхідних сигналів(імпульсів) і часом встановлення стану лічильника. Реалізовуються лічильникичастіше за все на Т- або
JK-тригерах.
Лічильникикласифікують за різними ознаками.
1. За напрямкомрахування: 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 міжсобою, тобто способом передавання сигналу з молодшого розряду до старшого)лічильники можуть бути з послідовним переносом, з паралельним переносом, знаскрізним переносом та з комбінованим переносом.
3.У залежності від наявності синхронізації: лічильники можуть бути синхронніта асинхронні.
4. За способомкодування внутрішніх станів лічильника розрізняють двійкові лічильники,лічильники Джонсона, лічильники з кодом «1 із N» та інші.
Лічильникизастосовуються у пристроях фазової корекції, у цифрових вимірювальних приладах,у перетворювачах циклів та інших вузлах засобів зв'язку.
2.Додаючи та віднімаючи лічильники.
/> Схема та УГПтрирозрядного додаючого двійкового лічильника із послідовним переносомзображені на рис. 1./> />
Рис.1Трирозрядний двійковий додаючий лічильник із послідовним переносом.
Такий лічильникможе 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-тригеріводночасно. Тригери, з яких складається лічильник, побудовані таким чином, щовони переходять у протилежний стан за умовою наявності на вході зміни рівнявхідної напруги з 1 на 0, тобто при проходженні заднього фронту вхідногоімпульсу. Принцип роботи лічильника пояснюється часовою діаграмою сигналів найого виходах, поєднаною з таблицею переходів, як показано на рис. 2.
/>
Рис.2.Часова діаграма роботи трирозрядного додаючого лічильника.
З надходженнямпершого імпульсу на вхід С тригер ТТ1 переходить у стан 1 (Q1= 1). На входах тригерів ТТ2 і ТТ3 не відбуваєтьсязміна рівнів вхідної напруги з 1 на 0, ці тригери зберігають свій станнезмінним. У лічильнику записане число 001. З приходом другого імпульсу тригер1 переходить у стан 0, тригер 2 – у стан 1. Тригер 3 зберігає свій станнезмінним. У лічильнику записане тепер число 010. Тригер 3 перейде до стану 1лише при надходженні на лічильний вхід четвертого імпульсу.
До моментуприходу восьмого імпульсу на виходах тригерів Q1, Q2,Q3 буде встановлений рівень 1. По закінченні його дії всітригери лічильника перейдуть у стан 0. Лічильник тепер готовий рахувати новуімпульсну послідовність з восьми імпульсів.
З рис. 2 видно,що частота проходження імпульсів на виході першого тригера удвічі менша, ніж навході С, на виході другого тригера – у 4 рази, на виході третього – у 8разів, тобто кожний тригер лічильника зменшує частоту проходження імпульсівудвічі. Ця властивість лічильників і обумовила можливість їхнього застосуванняу якості дільників частоти проходження імпульсів на число 2n,тобто, використовуючи лічильник, можна одержати з однієї імпульсноїпослідовності декілька синхронізованих послідовностей кратних частот,необхідних, наприклад, для погодженого управління (тактування) вузлів ЕОМ у цілому.
Схематрирозрядного віднімаючого двійкового лічильника, яка подана на рис. 3,відрізняється від розглянутої схеми додаючого лічильника тим, що:
1) сигнал навхід кожного наступного тригера подається не з прямого, а з інверсного виходупопереднього тригера;
замість входу RESET(«Встановлення 0») присутній вхід SET («Встановлення 1») длязабезпечення початкового стану 111. У такому лічильнику з надходженням кожногоімпульсу на вхід С відбувається зменшення записаного числа на 1. Післянадходження восьмого імпульсу в лічильнику встановлюється початковий стан 111.
ПРИМІТКА: побудова часових діаграм сигналів на виходах віднімаючоголічильника, запис таблиці переходів і їх аналіз рекомендується у якостізавдання курсантам для самостійної роботи.
/>
Рис.3.Трирозрядний двійковий додаючий лічильник із послідовним переносом.
3.Реверсивний лічильник.
Для перетвореннясхеми реверсивного лічильника у схему додаючого або віднімаючого лічильника, уміжрозрядні кола переносу необхідно додати логічні елементи, що дозволяютьробити переключення запуску кожного наступного тригера з прямого або зінверсного виходу попереднього тригера. На рис. 4 зображена схема реверсивноголічильника з керуючим RS-тригером.
При встановленнікеруючого RS-тригера у стан 1 (подачею імпульсу на вхід «+»)відкриваютьсяелементи ТА, через які до входів наступних тригерівпідключаються прямі виходи попередніх. При цьому лічильник буде працювати якдодаючий. Встановлення вихідного стану 000 в цьому випадку здійснюється подачеювідповідного імпульсу на вхід S./> />
Рис.4. Схемадвійкового реверсивного лічильника.
При встановленнікеруючого RS-тригера у стан 1 (подачею імпульсу на вхід «+») відкриваютьсяелементи ТА, через які до входів наступних тригерів підключаються прямівиходи попередніх. При цьому лічильник буде працювати як додаючий. Встановленнявихідного стана 000 здійснюється подачею відповідного імпульсу на вхід Sсхеми.
При встановленніRS-тригера у стан 0 (подачею імпульсу на вхід «-») відкриваються елементи ТА,через які до входів наступних тригерів підключаються інверсні виходипопередніх. Лічильник перейде до режиму «Віднімання». Встановлення вихідногостана 111 здійснюється подачею імпульсу встановлення на вхід R схеми.Елементи АБО в схемі реверсивного лічильника необхідні для розв'язкивиходів комутуючих елементів ТА.
Більшістьлічильників, що випускаються час промисловістю, є саме реверсивними.
Крім розглянутихдвійкових лічильників існують лічильники з модулем рахування Кс ¹2n. З них частішеусього застосовуються лічильники, що рахують у десятковому коді або удвійково-десятковому (так звані декади). Найбільше поширеним кодом у цихлічильниках є двійковий код з ваговими коефіцієнтами 8421. Знаходять такожзастосування на практиці лічильники з програмованим модулем рахування.
4.Дільники частоти слідування імпульсів.
Дільникчастоти– це пристрій, який при надходженні на його вхід періодичної імпульсноїпослідовності формує на виході таку ж послідовність, але з частотою повторенняімпульсів, яка у визначене число разів Кд менша, ніж частотаповторення імпульсів вхідної послідовності.
Як булорозглянуто раніше, двійкові лічильники можуть бути використані у якостідільників частоти слідування імпульсів на 2n. На практицічасто потрібні дільники частоти імпульсів на числа, що не дорівнюють 2n.Можливі різні варіанти побудови таких дільників. Наприклад, аналізуючи роботукільцевого регістра, розглянутого раніше, можна помітити, що частота появиімпульсів на будь-якому з його виходів, порівняно з частотою вхідних імпульсів,зменшується в цілечисло разів m, що дорівнює кількостізамкнутих у кільце тригерів регістра (Fвих1 = Fвх / m).Це означає, що кільцевий регістр є дільником частоти імпульсів з коефіцієнтомділенняКд = m.
Спосіб побудовидільників частоти у вигляді кільцевого регістра зручний тим, що можна легкоотримати будь-який потрібний коефіцієнт ділення, але для великих значень Кдвін є дуже неекономічним. Наприклад, для отримання Кд = 28потрібен двадцятивосьмирозрядний кільцевий регістр, тобто 28 тригерів,з'єднаних у кільце.
Для зменшеннячисла тригерів можна використовувати схеми дільників частоти слідуванняімпульсів у вигляді послідовного (каскадного) з'єднання двох або більшекільцевих регістрів (за умови, що необхіднийКд не є простимчислом і може бути поданий у вигляді Кд1*Кд2*… Кдn).Наприклад, дільник на 28 може бути реалізований у вигляді послідовногоз'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 практицінайбільш часто використовуються дільники, реалізовані на основі лічильників зЛЗЗ. Необхідне число тригерів у них визначається як мінімальне n, щозадовольняє нерівності 2n >= Кд (для отриманняКд = 28, наприклад, потрібно лише n = 5тригерів). Очевидно, що лічильник в цьому випадку має 2n — Кд= L «надлишкових» станів, що не використовуються. Відповідно, їхнеобхідно виключити.
Для будь-якого Кдв загальному випадку можна запропонувати безліч реалізацій лічильника – взалежності від того, які стани виключаються. Всі вони можуть бути отриманіодним з двох основних методів: модифікації міжрозрядних зв’язків або управлінняскиданням.
При використанніспособу 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. Забезпеченнятакого скидання і є основною функцією ЛЗЗ. Загальний вигляд схеми ЛЗЗ поданий нарис. 5. Вона містить в собі кон’юнктор з n входами, що формує сигналскидання для тригерів всіх розрядів лічильника. На його входи подаються вихіднісигнали тригерів або їх інверсії – в залежності від значень розрядів Кд-1-гостану лічильника.
/>
Рис.5. Загальний вигляд схеми ЛЗЗ
Використаннярозглянутого способу дозволяє отримувати дуже прості схеми дільників частоти зможливістю зміни Кд. Але такі дільники мають суттєвий недолік– перед скиданням у них можливе короткочасне встановлення виключеного стану, щодля деяких схем неприпустимо.
При побудовідільника частоти способом модифікації міжрозрядних зв’язків надлишкові станивиключаються безпосередньо з таблиці функціонування лічильника. У результатіотримують схему з нестандартними зв’язками між тригерами, що і пояснює назвуметоду. При синтезі схеми таким способом необхідно пам'ятати наступне. Улічильнику кожна комбінація станів тригерів визначає у деякій системі численнякількість імпульсів, що надійшли на вхід до даного моменту часу. У дільникучастоти послідовність станів може бути довільною, важливо лише забезпечитизаданий коефіцієнт ділення Кд. Тому послідовність станіввибирають за умови забезпечення при заданому Кд найбільшоїпростоти міжтригерних зв'язків з метою більш економічної схемотехнічноїреалізації дільника.
Приклад. необхідно синтезуватидільник частоти з Кд = 3 (лічильник із періодом 3). Числотригерів у такому лічильнику n = 2. При n = 2 число можливихстанів лічильника дорівнює 4 (00, 01, 10, 11). Щоб одержати дільник, необхіднозабезпечити перехід лічильника зі стану 10 відразу у вихідний стан 00, минаючистан 11. Виключення стану 11 досягається введенням до схеми лічильниказворотного зв'язку, що з'єднує інверсний вихід тригера Т2 із входом Jтригера Т1, як показано на рис. 6.
Початковий станлічильника 00 забезпечується подачею сигналу «скидання» на вхід R схеми.На входи К обох тригерів постійно подається логічна одиниця. При подачіна вхід С першого вхідного імпульсу, другий тригер залишається унульовому стані (K = 1, J = 0). Перший тригер переходить до стану 1, бона його вхід J надходить з інверсного виходу другого тригера по колузворотного зв'язку логічна 1 (J = K = 1).
При подачі навхід С другого вхідного імпульсу обидва тригери змінюють свій стан напротилежний (J = K = 1). При надходженні на вхід С третьоговхідного імпульсу, лічильник знаходиться у початковому стані 00 (тому що дляобох тригерів K = 1, J = 0). Після цього робочий цикл лічильникаповторюється.
/>
Рис.6. Дільник частоти слідування імпульсів з Кд =3 на JK-тригерах
Алгоритмфункціонування такого дільника поданий таблицею станів (табл.1).
Дільники частотислідування імпульсів застосовуються у схемах синхронізації та у синтезаторахчастоти.
Таблиця 1.Номер вхідного імпульсу Стани тригерів Поточний Наступний
Q2
Q1
Q2
Q1 1 1 2 1 1 3 1 4 1
…
…
…
…
…
В И С Н О В О К
Лічильникомназивають послідовностний цифровий автомат, що забезпечує збереження кодовогослова і виконання над ним операції рахування. Операція рахування полягає узміні значення числа С у лічильнику на задану константу.
Лічильник, щореалізує мікрооперацію С:=С+1 називають додаючим, а той, щовиконує мікрооперацію С:=С-1 — віднімаючим. Лічильник називаютьреверсивним, якщо він реалізує обидві названі операції рахування (додавання івіднімання).
Основнимпараметром лічильника є модуль рахунку КС, тобто максимальне числоодиничних сигналів (імпульсів), що може бути полічене лічильником.
Лічильникизастосовуються у пристроях фазової корекції, вимірювальних приладах цифровоготипу, у перетворювачах циклів і інших вузлах засобів зв'язку.
Дільник частоти — це пристрій, який при надходженні на його вхід періодичної імпульсноїпослідовності формує на виході таку ж послідовність, але з частотою повторенняімпульсів, яка у визначене число разів менша, ніж частота повторення імпульсіввхідної послідовності.
Найбільш частовикористовують дільники, реалізовані на основі лічильників з логічнимизворотними зв'язками. У військовій техніці зв'язку дільники частоти проходженняімпульсів застосовують у синтезаторах частоти.