Тема 2. Исследование двоичных счетчиков

Цель работы: Приобретение практических навыков синтеза бинарных счетчиков с произвольным козфффициентом пересчета

Теория и примеры выполнения задания

Счетчиком называется узел ЭВМ, предназначенный для подсчета числа входных сигналов. Счетчики используются в ЭВМ для образования последовательных адресов команд, для счета количества циклов выполнения операций и т.п.

Счетчики работают в двух режимах: длительном и управляющем.

Длительный режим связан с одним из наиболее частых применений счетчика в качестве делителя частоты. В этом применении не имеет значения соответствие информации, записанной в разрядах счетчика в каждый данный момент, числу поступивших на его вход импульсов – основной задачей счетчика является деление (уменьшение) частоты входных импульсов.

Управляющий режим работы счетчика связан с необходимостью считывания информации о количестве поступивших импульсов после каждого такта события.

При использовании счетчика в качестве делителя частоты допустимая частота счетных импульсов определяется скоростными свойствами первого разряда независимо от вида применяемого поразрядного переноса.

Счетчики подразделяются на суммирующие, вычитающие (нереверсивные) и реверсивные.

Суммирующий счетчик предназначен для выполнения счета в прямом направлении, то есть для сложения. С приходом очередного счетного импульса на вход счетчика, его показание увеличивается на единицу.

Вычитающий счетчик предназначен для выполнения счета в обратном направлении, то есть в режиме вычитания. Каждый счетный импульс, поступивший на вход счетчика, уменьшает его показания на единицу.

Реверсивными называются такие счетчики, которые предназначены для выполнения счета как в прямом, так и в обратном направлении, то есть могут работать в режиме сложения и вычитания.

Счетчики могут быть построены:

· на основе счетных триггеров,

· на основе регистров и кольцевых схем (сдвигающие счетчики),

· на основе многоустойчивых схем.

Основными характеристиками счетчика являются:

· модуль счета или коэффициент пересчета К счетчика,

· быстродействие.

Коэффициент пересчета К характеризует число устойчивых состояний счетчика, то-есть предельное число импульсов, которое может быть сосчитано счетчиком. Например, при К=8 счетчик будет иметь 8 устойчивых состояний и каждый восьмой импульс, поступивший на его вход, будет возвращать счетчик в первоначальное состояние.

Счетный триггер является простейшим счетчиком, осуществляющим подсчет импульсов по модулю 2. Соединив несколько счетных триггеров определенным образом, можно получить схему многоразрядного счетчика

Таблица 2.1 состояний счетчика рис. 2.1

fcr	Q4	Q3	Q2	Q1

Обычно счетчик имеет цепь установки в 0, однако начальное его состояние не обязательно нулевое. Начальное состояние может устанавливаться передачей в счетчик кода некоторого числа и с него уже будет начинаться операция счета единиц. Такой режим характерен, например, при образовании последовательности адресов команд при заданном исходном адресе.

Основной особенностью асинхронного счетчика является зависимость длительности переходного процесса в счетчике от его разрядности. С ростом разрядности счетчика понижается предельная частота его работы. Это объясняется тем, что с ростом разрядности счетчика n будет возрастать задержка поступления сигнала на вход с некоторого j-го разряда относительно времени поступления входного сигнала f_cr на вход с младшего разряда счетчика. Такая задержка может привести к искажению информации в счетчике. Для повышения быстродействия счетчики выполняют с параллельным переносом, показанным на рис. 2.2. Схема вычитающего счетчика приведена на рис. 2.3.

Рисунок 2.2 – Синхронный суммирующий счетчик (двоичный) с параллельным переносом.

Рисунок 2.3 – Синхронный вычитающий счетчик с параллельным переносом.

Отличительной особенностью счетчиков с параллельным переносом является то, что выходы всех предшествующих каскадов (разрядов) подаются на информационные входы J и К последующих триггеров. Длительность переходного процесса в таком счетчике равна длительности переключения одного разряда. Из схемы видно, что с возрастанием порядкового номера триггера увеличивается число входов в элементах И JK-триггеров. А так как число входов J и К и нагрузочная способность выходов триггеров ограничены, то и разрядность счетчика с параллельным переносом невелика, и обычно равна 4. Поэтому, при числе разрядов счетчика большем максимального числа входов J и К, счетчик разбивают на группы и внутри каждой группы строят цепи параллельного переноса.

Такой подход удобен и потому, что счетчик часто реализуют в виде ИС в отдельном корпусе. В этом случае при последовательном переносе просто осуществляется увеличение разрядности счетчика.

Реверсивные счетчики выполняют операцию суммирования и вычитания импульсов. В зависимости от требований к схеме управления могут быть построены реверсивные счетчики 2 типов:

· с одним счетным и двумя управляющими входами (рисунок 2.4),

· с двумя счетными входами.

Реверсивный счетчик первого типа осуществляет суммирование или вычитание импульсов, поступающих на счетный вход в зависимости от разрешающего уровня на управляющих входах.

В реверсивных счетчиках второго типа по одному входу поступают импульсы для сложения, по второму – для вычитания. Для этих счетчиков не требуется дополнительных уровней управления.

Рисунок 2.4– Асинхронный реверсивный счетчик

В составе ИМС счетчики маркируются буквами ИЕ.

При использовании обратной связи можно выполнять схемы счетчиков с любым коэффициентом пересчета.

Рисунок 2.5, 2.6 - Двоичный счетчик с К=3; двоичный счетчик с К=10

Счетчики представляют собой автоматы Мура, в которых новое состояние определяется его предыдущим состоянием и значением логической переменной на входе.

По порядку изменения состояния могут быть счетчики:

– с естественным и

– с произвольным (принудительным) порядком изменения состояния.

В счетчиках с естественнымпорядкомизменениясостояния значение кода каждого последующего состояния счетчика отличается на единицу от кода предыдущего состояния.

В счетчиках с произвольнымпорядкомизменениясостояния значения кодов соседних состояний могут отличаться более чем на единицу.