Недвоичные счётчики с обратной связью
Если посмотреть на временную диаграмму сигналов на выходах двоичного счётчика, приведённую на рисунке 12.1, то можно увидеть, что частота сигналов на его выходах будет уменьшаться в два раза по отношению к предыдущему выходу. Это позволяет использовать счетчики в качестве делителей частоты входного сигнала. Эти делители частоты могут быть использованы в устройствах формирования высокостабильных генераторов частоты (синтезаторов частот).
Рисунок 12.1. Временная диаграмма четырёхразрядного счётчика.
Сформированные частоты могут быть использованы либо для синхронизации различных цифровых устройств (в том числе и микропроцессоров) либо в качестве высокостабильных генераторов опорных частот в радиоприёмных и радиопередающих устройствах.
При использовании цифровых счётчиков в качестве устройств формирования опорных частот часто требуется обеспечить коэффициент деления частоты, отличающийся от степени числа 2. В этом случае требуется счётчик с недвоичным коэффициентом счёта.
Ещё одна ситуация, когда необходимо применять недвоичные счётчики возникает при отображении информации, записанной в счётчике. Человек, который работает с электронной техникой, привык работать с десятичной системой счисления, поэтому возникает необходимость отображать хранящееся в счётчике число в непосредственно десятичном виде. Это намного проще сделать, если и счет вести сразу в двоично-десятичном коде. Иначе для индикации потребуется перекодировать информацию из двоичного кода вдвоично-десятичный код.
Построить недвоичный счётчик можно из двоичного за счёт выбрасывания лишних комбинаций единиц и нулей. Это может быть осуществлено при помощи обратной связи. Для этого при помощи дешифратораопределяется число, соответствующее коэффициенту счёта, и сигнал с выхода этого дешифратора обнуляет содержимое двоичного счётчика. В качестве примера на рисунке 12.2 приведена схема двоично-десятичного счётчика.
Рисунок 12.2 Схема десятичного счётчика, построенного на основе двоичного счётчика
В этой схеме дешифратор построен на двухвходовой схеме "2И", входящей в состав микросхемы двоичного счётчика. Дешифратор декодирует число 10 (1010 в двоичной системе счисления). В соответствии с принципами построения схем по произвольной таблице истинности для построения дешифратора требуется ещё два инвертора, подключённых к выходам 1 и 4. Однако после сброса счётчика числа, большие 10 никогда не смогут появиться на выходах микросхемы. Поэтому схема дешифратора упрощается и вместо четырёхвходовой схемы "4И" можно обойтись двухвходовой схемой. Инверторы тоже оказываются лишними.
При использовании счётчиков в качестве делителей частоты тоже можно воспользоваться обратной связью. Приведём в качестве примера схему делителя частоты на 1000. При разработке делителя прежде всего определим сколько потребуется микросхем двоичных счётчиков. Для этого определим степень числа 2, при которой число M=2n будет больше требуемого числа 1000. Это будет число 10. При возведении основания системы счисления 2 в 10 степень получится число 1024. То есть, при использовании для построения делителя частоты непосредственно триггеров, достаточно будет десяти триггеров. Однако обычно для построения делителей частоты используют готовые двоичные счётчики, поэтому определим необходимое количество микросхем двоичных счётчиков. При использовании четырёхразрядных двоичных счётчиков достаточно будет трёх микросхем, так как в трёх микросхемах будет 3*4=12 триггеров, что заведомо больше минимального числа триггеров.
Следующим этапом построения делителя частоты будет перевод коэффициента деления 1000 в двоичное представление. Десятичное число 1000 в двоичном виде будет выглядеть как 0011 1110 1000. В этом числе шесть единиц, поэтому для построения делителя будет достаточно шестивходовой схемы "И". Однако такие схемы не выпускаются, поэтому воспользуемся микросхемой "8И-НЕ". Неиспользуемые входы этой микросхемы подключим к питанию. Ненужную нам инверсию сигнала скомпенсируем дополнительным инвертором. Получившаяся принципиальная схема делителя на 1000 приведена на рисунке 12.3.
Рисунок 12.3 Принципиальная схема делителя на 1000, построенного на основе трёх двоичных счётчиков
При использовании счётчиков в составе синтезаторов частот может потребоваться формирование целого диапазона частот. В этом случае делитель, построенный на недвоичном счётчике, должен обладать возможностью изменения коэффициента деления.
Такие делители частоты получили название делителей с переменным коэффициентом деления (ДПКД). При использовании обратной связи для реализации ДПКД потребуется полный дешифратор и переключатели его выходов на вход сброса счётчика. Схема делителя частоты при этом получается сложной, а управление таким делителем неудобным.
Рисунок 12.4. Схема делителя с переменным коэффициентом деления с максимальным коэффициентом деления 100, построенного на основе двух десятичных счётчиков
Пример двухразрядного делителя с переменным коэффициентом деления (ДПКД), построенного на десятичных счётчиках приведён на рисунке 4. Обратите внимание, что для удобного управления таким синтезатором частоты использованы десятичные счётчики. Использование десятичных счетчиков позволяет выставлять необходимую частоту непосредственно в десятичном виде. Значение частоты можно нанести на корпусе прибора под клювиками переключателей или отображать набираемую частоту на десятичных индикаторах.
В качестве ещё одного недостатка такого делителя частоты можно отметить очень маленькую длительность выходных импульсов. Если требуется сформировать строго симметричное колебание, то на выходе такого делителя можно поставить одноразрядный двоичный делитель частоты на T‑триггере. На выходе двоичного делителя всегда формируется меандр с очень высокой точностью.
Глава 13
Недвоичные счётчики с предварительной записью
В счётчиках с обратной связью исключаются последние состояния двоичного счётчика. Можно поступить по-другому. Начать с последнего состояния счётчика и, воспользовавшись вычитающим счётчиком, определять нулевое состояние счётчика. Это состояние очень просто можно определить при помощи логического элемента "И". В данной схеме начинать счёт необходимо с числа, которое будет определять коэффициент деления делителя, построенного на таком счётчике.
При построении счётчика по таким принципам необходимо иметь возможность предварительной записи в счётчик. То есть счётчик при предварительной записи должен вести себя как параллельный регистр. Опять нам требуется, как и при построении универсального регистра, коммутатор логических сигналов.
Напомню, что в качестве коммутатора вполне успешно используется логический элемент “2И-2ИЛИ”. Главное обеспечить подачу на элементы “И” противофазных сигналов. Это условие нам обеспечит инвертор.
Одна из схем счётчика, с возможностью параллельной записи двоичных кодов во внутренние триггеры счётчика, приведена на рисунке 13.1. В этой схеме вход C предназначен для подачи тактовых импульсов. Его ещё называют "-1", так как при подаче на этот вход импульсов, содержимое счётчика уменьшается на единицу. Входы D0 ... D3 предназначены для записи произвольного двоичного числа в счётчик. Запись производится по сигналу, подаваемому на вход параллельной записи PE.
Рисунок 13.1. Схема счётчика с возможностью параллельной записи
На первый взгляд схема достаточно сложна. Однако если приглядеться, то она состоит из одинаковых узлов. Информационные входы D триггеров могут быть подключены либо к входу параллельной записи, либо к инверсному выходу триггера. Так как в схеме применено четыре триггера, то для коммутации входов требуется четыре мультиплексора.
Точно так же переключаются источники сигналов и на тактовых входах триггеров. Входы триггеров либо подключены к выходу предыдущего триггера, либо к цепи синхронизации. Условно-графическое обозначение двоичного счётчика с возможностью параллельной записи приведено на рисунке 13.2.
Рисунок 13.2. Условно-графическое обозначение счётчика с возможностью параллельной записи
Ну а теперь, точно так же как и в предыдущем примере, попробуем реализовать делитель с коэффициентом деления 1000. Вспомним, что при разработке делителя частоты сначала определяется количество микросхем двоичных счётчиков. Для этого определим степень числа 2, при которой число M=2n будет больше требуемого числа 1000.
Получаем число десять. При возведении основания системы счисления 2 в 10 степень получится число 1024. При использовании четырёхразрядных двоичных счётчиков достаточно будет трёх микросхем, так как в трёх микросхемах будет 3*4=12 триггеров, что заведомо больше минимального числа триггеров.
Следующим этапом построения делителя частоты будет перевод коэффициента деления 1000 в двоичное представление. Перевод чисел между системами счисления мы рассматривали в предыдущих главах. Десятичное число 100010 в двоичном виде будет выглядеть как 0011 1110 10002. Как мы уже говорили, с этого числа должен начинаться счёт вычитающего счётчика.
Схема делителя частоты на 1000 приведена на рисунке 3. В этой схеме первая микросхема является младшей, поэтому в неё загружается младшая тетрада числа предварительной записи 100010, равная 10002. В следующую микросхему загружается число 11102, а в последнюю микросхему — 00112.
Рисунок 13.3 Схема делителя на 1000, построенного на основе трёх двоичных счётчиков с предварительной записью
Для определения нулевого состояния триггеров счётчика служит выход <0. Для этого внутри микросхемы расположен логический элемент "4ИЛИ". Чтобы определить обнулились ли все три микросхемы, в схеме на рисунке 3 счётные входы микросхем –1 соединяются с входом переноса предыдущей микросхемы. Как только такое состояние обнаруживается, сигнал поступает на входы параллельной записи PE, и в счётчик снова записывается число 1000.В результате работы приведённой схемы на выходе делителя импульс возникает один раз после подачи на его вход тысячи импульсов.
Обратите внимание, что на этот раз коэффициент деления заключён не в принципиальной схеме делителя, а просто подаётся на вход параллельной записи счётчиков. В результате процесс изменения коэффициента деления значительно упростился. Для изменения частоты на выходе делителя достаточно просто подать нужное число. Схема делителя, в отличие от схемы недвоичного счётчика с обратной связью, при этом не меняется.
Для построения делителя с переменным коэффициентом деления мы использовали вычитающий счётчик. Можно ли такую же схему построит на суммирующем счётчике? Можно! Однако в этом случае придётся для записи коэффициента деления воспользоваться отрицательным числом в дополнительном коде. Для того, чтобы получить отрицательное число в этом коде необходимо положительное двоичное число проинвертировать и прибавить единицу. Например, для реализации коэффициента деления 1000 возьмём его двоичный эквивалент 0011 1110 10002. После инвертирования получим число 1100 0001 01112. Окончательный результат будет равен 1100 0001 10002.
Для десятиразрядного двоичного кода это будет равно десятичному эквиваленту 2410. Действительно, если в счётчике с коэффициентом 210=1024 начать считать от числа 24, то ровно через 100010 импульсов счётчик переполнится и станет равным нулю.
Глава 14
Синхронные счётчики
В рассмотренных схемах делителей частоты быстродействие всей схемы определяется временем распространения сигнала от входа до выхода самого старшего разряда. При этом получается, что чем больше требуемый коэффициент деления, тем больше двоичных разрядов счётчика требуется для реализации этого делителя. Тем большее время требуется для распространения сигнала от входа синхронизации счётчика, до его выхода, и тем меньше будет предельная частота, которую можно подавать на вход этого делителя.
Можно ли обойти такую неприятную особенность недвоичных счётчиков? Да можно! Нужно, чтобы счётчик подготавливал своё новое состояние в промежутках между тактовыми импульсами и только записывал его по приходу нового импульса.
Первая схема, которую мы рассмотрим - это схема кольцевого счётчика. Такой счётчик можно построить на основе сдвигового регистра. Схема кольцевого счётчика приведена на рисунке 14.1.
Рисунок 14.1. Схема кольцевого счетчика.
Рассмотрим работу этой схемы. Пусть первоначально в счетчике записано число 002. После первого же тактового импульса состояние счётчика станет равным 102, после второго - 112. Временные диаграммы этой схемы приведены на рисунке 14.2.
В результате анализа временных диаграмм можно определить, что коэффициент деления схемы кольцевого счётчика будет равен:
Кд = 2*n.
В качестве преимущества схемы кольцевого счётчика можно отметить то, что её быстродействие зависит только от времени задержки одного триггера. Это означает, что на кольцевых счётчиках можно реализовывать самые быстродействующие делители частоты.
То, что коэффициент деления пропорционален не степени количества триггеров, а только сумме является недостатком данной схемы. Это означает, что при увеличении коэффициента деления сложность схемы неоправданно возрастает по сравнению со схемой двоичного счётчика. Ещё одним недостатком схемы является то, что в результате воздействия помехи в регистр может быт записано число 012. В результате коэффициент деления схемы изменится, а это является недопустимым.
Ещё одним недостатком схемы кольцевого счётчика является то, что при количестве триггеров большем трёх, в результате воздействия помехи в регистр может быт записано число, содержащее несколько единиц. В результате коэффициент деления схемы изменится, а это является недопустимым. Временные диаграммы сигналов на входе и выходах 3-разрядного кольцевого счётчика при правильной и ошибочной работе приведены на рисунке 14.3.
а)
б)
Рисунок 14.3. Временные диаграммы сигналов 3-разрядного кольцевого синхронного счётчика при правильной (а) и ошибочной (б) работе.
Для того чтобы избежать неправильной работы счётчика в этот счётчик можно ввести схему контроля правильной работы. В простейшем случае это может быть обычный логический элемент “И-НЕ”. Этот элемент будет контролировать состояние счётчика, соответствующее единицам во всех его разрядах. Схема 2-разрядного счётчика со схемой проверки правильности его работы приведена на рисунке 14.4.
Рисунок 14.4. Схема 2-разрядного счетчика с проверкой правильности его работы.
В этой схеме триггеры счётчика при поступлении импульсов на тактовый вход последовательно заполняются единицами. Как только все триггеры будут заполнены единицами, на выходе логического элемента “2И-НЕ” появится уровень логического нуля. При поступлении следующего тактового импульса этот ноль будет записан в первый триггер счётчика. В дальнейшем работа счётчика повторяется. Временные диаграммы сигналов на выходах этого счётчика приведены на рисунке 14.5.
Рисунок 14.5. Временные диаграммы сигналов на выходах 2-разрядного счетчика счётчика с проверкой правильности его работы.
Глава 15