Файл: 1.9-к Лічильники.pdf

Тема 1.9 Лічильники.

Мета: розглянути призначення та принципи роботи лічильників.

Перелік питань для вивчення.

1.Визначення та призначення лічильників.

2.Логічна структура та принцип роботи лічильників.

3.Модуль лічби.

4.Класифікація лічильників.

5.Асинхронний двійковий лічильник.

6.Синхронний двійковий лічильник.

7.Реверсивні лічильники.

8.Лічильники з довільним постійним модулем лічби.

1. Визначення та призначення лічильників.

Лічильники – це пристрої для підрахунку кількості вхідних сигналів.

Лічильник є автоматом, який здатний під впливом вхідних сигналів перемикатися з попереднього стану в наступний, фіксуючи таким чином кількість вхідних сигналів.

Стан – це пам'ять пристрою. Послідовність станів відображає трасу процесів.

Лічильник є одним з основних функціональних вузлів комп’ютера, а також різних цифрових керуючих та інформаційно-вимірювальних систем.

Основні застосування лічильників:

-лічильники команд (програмні лічильники);

-лічильники циклів;

-електронні таймери (годинники реального часу).

2. Логічна структура та принцип роботи лічильників.

Лічильники представляють вищий, ніж регістри, рівень складності цифрових мікросхем з внутрішньою пам'яттю. В лічильниках застосовують такі ж тригери, як і в регістрах. Але в лічильниках зв'язки та функції тригерів складніші. На основі лічильників можна будувати складніші пристрої, ніж на основі регістрів.

Логічна функція лічильника позначається буквами СТ (counter).

Лічильник являє собою зв’язаний ланцюг Т-тригерів, які утворюють пам’ять iз заданим числом сталих станів (рис. 1.9.1).

Рис. 1.9.1 Логічна структура лічильника.

Точно так, як і в регістрах, внутрішня пам'ять лічильників - оперативна, тобто її вміст збе-

рігається тільки до тих пір, поки ввімкнено живлення схеми. З вимкненням живлення пам'ять сти-

рається, а при новій появі живлення вміст пам'яті буде довільним, випадковим, залежним тільки від конкретної мікросхеми.

Як випливає з самої назви, лічильники призначені для підрахунку вхідних імпульсів. Тобто, з приходом кожного нового вхідного імпульсу двійковий код на виході лічильника збільшується або

зменшується на одиницю.

Спрацьовувати лічильник може по негативному або по позитивному фронту вхідного сигналу. Режим підрахунку забезпечується використанням внутрішніх тригерів, які працюють в лічильному режимі. Виходами лічильника являються виходи цих тригерів. Кожен вихід лічильника є розрядом двійкового коду, причому розряд, який перемикається частіше за інших, буде молодшим, а розряд, що перемикається рідше — старшим.

3. Модуль лічби.

Кількість тактів, через які повторюється початковий стан лічильника, називають модулем лічби М.

Модуль лічби М – це число можливих станів лічильника (число вхідних сигналів, які може порахувати лічильник).

Для двійкового лічильника М = 2n, для десяткового М = 10n. Показник n дорівнює числу тригерів лічильника.

4. Класифікація лічильників.

За модулем лічби лічильники бувають: двійкові, десяткові, з довільним постійним або змінним (програмованим) модулем.

За напрямом лічби лічильники діляться на прості (підсумовуючі, віднімальні) та реверсивні.

За способом організації внутрішніх зв'язків між тригерами лічильники можуть бути асинхронними (з послідовним перенесенням) та синхронними (з паралельним перенесенням).

Синхронні лічильники мають більшу швидкодію, ніж асинхронні.

5. Асинхронний двійковий лічильник.

Асинхронні двійкові лічильники будують з ланцюжка лічильних тригерів, з’єднуючи вихід

попереднього тригера з входом наступного.

За базовий тригер візьмемо Т-тригер з динамічним Т-входом, який спрацьовує по зрізу

синхроімпульсів. Назвемо синхроімпульс лічильним імпульсом і позначимо y2.

Виберемо М=8=23. Показник степеня двійки вказує на необхідне число тригерів у схемі. Схема асинхронного двійкового лічильника показана на рис. 1.9.2.

Рис. 1.9.2 Схема асинхронного двійкового лічильника.

Часова діаграма роботи даного лічильника показана на рис. 1.9.3.

Рис. 1.9.3 Часова діаграма роботи асинхронного двійкового лічильника.

Стан лічильника в кожен момент часу визначається комбінацією сигналів на виходах Q0, Q1, Q2. Така лічильна схема виконує ще й функцію ділення частоти, що видно на часовій діаграмі.

Схема має найменшу швидкодію.

6.Синхронний двійковий лічильник.

Усинхронному двійковому лічильнику (рис. 1.9.4) лічильний імпульс Т впливає відразу на всі тригери. Перший тригер працює як лічильний. Кожен наступний змінює свій стан на протилежний, коли всі попередні знаходяться в одиничному стані. Пристрій реалізує алгоритм роботи

чотирирозрядного підсумовуючого двійкового лічильника з М = 16.

Перевага синхронного лічильника – висока швидкодія. Недолік – при збільшенні розрядності лічильника зростає число входів на елемент І, яке може перевищити допустиме стандартне значення.

Рис. 1.9.4 Схема синхронного двійкового лічильника.

7. Реверсивні лічильники.

Реверсивні лічильники мають універсальні можливості. На рис. 1.9.5 показані умовні графічні позначення синхронних реверсивних лічильників - десяткового та двійкового.

Рис. 1.9.5 Умовні графічні позначення синхронних реверсивних лічильників - десяткового та двійкового.

Рівнем логічного нуля на вході L в лічильник записується чотирирозрядний код з входів 1, 2, 4, 8 (паралельне завантаження). Ця можливість дозволяє будувати на таких мікросхемах лічильники та дільники частоти зі змінним модулем лічби.

Рівнем логічної одиниці на вході R лічильник скидається в нульовий стан. Вхід R має пріоритет по відношенню до входу L.

При подачі імпульсів на вхід +1 лічильники працюють як підсумовуючі, на вхід -1 – як віднімальні.

8. Лічильники з довільним постійним модулем лічби.

Оскільки в якості розрядів лічильників використовуються тригери, то кількість можливих станів будь-якої системи на їх основі буде дорівнювати 2n, де п — число тригерів. У двійкових лічильників всі ці стани є робочими, тобто модуль лічби М = 2n.

В лічильниках з недвійковим модулем лічби кількість робочих станів L відрізняється від 2n. Для побудови таких пристроїв можна використовувати двійкові лічильники з М>L, у яких частина станів, а саме М - L, виключається з числа робочих.

Наприклад, маємо двійковий підсумовуючий лічильник з модулем М. Послідовність зміни його станів представлена на рис. 1.9.6.

Рис. 1.9.6 Послідовність зміни станів двійкового підсумовуючого лічильника.

Із стану, що відповідає коду числа М-1, лічильник переходитиме в початковий нульовий стан. Для реалізації лічильника з модулем L необхідно з початкового робочого двійкового циклу вилучити М-L станів. Це можна зробити, скинувши розряди лічильника в нуль при досягненні ним

стану L (рис. 1.9.7).

Рис. 1.9.7 Послідовність зміни станів підсумовуючого лічильника з модулем L.

Один з варіантів вирішення даної задачі полягає у використанні дешифратора (рис. 1.9.8). Наприклад, під час роботи чотирирозрядного лічильника на його виходах формуються комбінації двійкового коду, який відповідає числам 0, 1, 2 ... 15. Коли лічильник перейде в стан L, одиничний

сигнал з виходу дешифратора поступить на вхід R, обнулить розряди лічильника, і далі цей процес циклічно повторюватиметься.

Рис. 1.9.8 Схема варіанту лічильника з модулем L.

При використанні чотирирозрядного лічильника, комутуючи виходи дешифратора, можна задати будь-який модуль лічби в межах від 1 до 15. В реальних схемах обнулення лічильника вимагає певного часу, що обумовлюється швидкодією елементів, які входять в його склад. Тому протягом короткого проміжку, який залежить від швидкодії дешифратора, на виходах лічильника буде присутня кодова комбінація, яка не є робочою.

Контрольні запитання.

1.Дайте визначення лічильника.

2.Що називається станом пристрою?

3.Назвіть основні застосування лічильників.

4.В яких пристроях вищий рівень складності: в лічильниках чи регістрах?

5.Якими буквами позначається логічна функція лічильника?

6.Що можна сказати про тип внутрішньої пам'яті лічильників?

7.Яким чином змінюється двійковий код на виході лічильника з приходом нового вхідного імпульсу?

8.По якому фронту може спрацьовувати лічильник?

9.Що собою являють виходи лічильника?

10.Дайте визначення модуля лічби.

11.Чому дорівнює в загальному вигляді модуль лічби для двійкового лічильника?

12.Чому дорівнює в загальному вигляді модуль лічби для десяткового лічильника?

13.Чому дорівнює показник n в формулі для обчислення модуля лічби лічильника?

14.Яким чином класифікують лічильники за модулем лічби?

15.Яким чином класифікують лічильники за напрямом лічби?

16.Яким чином класифікують лічильники за способом організації внутрішніх зв'язків між тригерами?

17.Які лічильники мають більшу швидкодію: синхронні чи асинхронні?

18.Поясніть роботу асинхронного двійкового лічильника за допомогою схеми та часової діаграми.

19.Поясніть роботу синхронного двійкового лічильника за допомогою схеми.

20.Назвіть переваги та недоліки синхронного двійкового лічильника.

21.Поясніть роботу реверсивного двійкового лічильника за допомогою схеми.

22.Поясніть роботу лічильника з довільним постійним модулем лічби за допомогою формул та схеми.

Література.

1.Новиков Ю. В. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования. — М.: Мир, 2001. — 379 с, ил. — (Современная схемотехника)

2.Бабич Н. П., Жуков И. А. Компьютерная схемотехника. Методы построения и проектирования: Учебное пособие. — К,: "МК-Пресс", 2004. — 576 с, ил.

3.Шарапов А.В. Микроэлектроника: Учебное пособие. — Томск: Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2007. — 158 с.

4.Лехин С. Н. Схемотехника ЭВМ. — СПб.: БХВ-Петербург, 2010. — 672 е.: ил. — (Учебная литература для вузов).