Міністерство загальної та професійної освіти Російської Федерації
Уральський державний технічний університет
Дослідження довічних лічильників
1. ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА
Лічильником називають пристрій, сигнали, на вході якого в певному коді відображають число імпульсів, що надійшли на рахунковий вхід. Тригер Т-типу може служити прикладом найпростішого лічильника. Такий лічильник рахує до двох. Лічильник, утворений ланцюжком з m-тригерів, зможе порахувати в двійковому коді 2 m імпульсів. Кожен з тригерів ланцюжка називають розрядом лічильника. Число m визначає кількість розрядів двійкового числа, яке може бути записано в лічильник. Число Ксч = 2 m називають коефіцієнтом (модулем) рахунки.
Інформація знімається з прямих і (або) інверсних виходів всіх тригерів. У паузах між вхідними імпульсами тригери зберігають свій стан, т. Е. Лічильник запам'ятовує число полічених імпульсів.
Нульове стан всіх тригерів приймається за нульовий стан лічильника в цілому.
Після кожного циклу рахунку на виходах останнього тригера виникають перепади напруги. Це властивість визначає друге призначення лічильників: Розподіл числа вхідних імпульсів. Якщо вхідні сигнали періодичні і слідують з частотою fвх. то частота вихідних імпульсів буде fвих = fвх / Ксч
У лічильників в режимі поділу використовується вихідний сигнал тільки останнього тригера, проміжні стану інших тригерів не враховуються. Всякий лічильник може бути використаний як дільник частоти. Тому подібний пристрій часто називають лічильником-дільником. Такі подільники мають цілочисельний коефіцієнт ділення. Елементна база сучасної мікроелектроніки дозволяє будувати подільники та з дробовим коефіцієнтом ділення.
Символом лічильником на схемах служать букви СТ (від англ. Counter - лічильник). Якщо потрібно, після символу проставляють число, що характеризує модуль рахунку, наприклад СТ2.
Основні експлуатаційні показники: ємність і швидкодія. Ємність лічильника, чисельно рівна коефіцієнту рахунку, характеризує число імпульсів, доступне рахунку за один цикл.
Швидкодія лічильника визначається роздільною здатністю tразр.сч і часом установки коду лічильника. Під роздільною здатністю на увазі мінімальний час між двома вхідними сигналами, протягом якого ще не виникають збої в роботі лічильника.
Зворотній величина fmax = 1 / Tразр. рах називається максимальною частотою рахунку. Час установки коду tуст одно часу між моментом надходження вхідного сигналу і переходом лічильника в новий стійкий стан. Тимчасові властивості залежать від тимчасових характеристик тригерів і способу їх з'єднання між собою.
Цифрові лічильники класифікуються наступним чином:
За коефіцієнтом рахунку: виконавчі (бінарні); двійковій-десяткові (декадні) або з іншою підставою рахунку; з довільним постійним модулем; зі змінним модулем.
У напрямку рахунку: підсумовують; віднімаються; реверсивні.
За способом організації внутрішніх зв'язків: з послідовним переносом; з паралельним переносом; з комбінованим переносом; кільцеві.
Для двійкового лічильника з Ксч = 2 m. знаючи номера тригерів і стану виходів Q, можна визначити записане в лічильник двійковечисло
де m-номер тригера, 2 m-1 - вага m-ного розряду.
Введенням додаткових логічних зв'язків - зворотних і прямих - виконавчі лічильники можуть бути звернені в недвійкові, для яких Ксч ¹2 m. Найбільшого поширення набули десяткові (декадні) лічильники, що працюють зі звичним Ксч = 10. Десятковий рахунок здійснюється в двійковій-десятковому коді (двійковий за кодом рахунку, десятковий - по числу станів).
Десяткові лічильники організовуються з чотирирозрядний двійкових лічильників. Надлишкові шість станів виключаються введенням додаткових зв'язків.
Можливі 2 варіанти побудови схем: а) рахунок циклічно йде від 0000 до 1001 і б) вихідним станом служить 01102 = 610 і рахунок відбувається до 11112 = 1510. Перший варіант застосовують частіше.
У суммирующем лічильнику кожен вхідний імпульс збільшує число, записане в лічильник, на 1. Як випливає з таблиці, перенесення інформації з одного розряду в інший, більш високий, має місце, коли відбувається зміна стану з 1 на 0.
Віднімає лічильник діє зворотним чином: двійкове число, яке зберігається в лічильнику, з кожним вступником імпульсом зменшується на 1. Переповнення віднімає лічильника відбувається після досягнення нею нульового стану. Перенесення з молодшого розряду в старший тут має місце при зміні стану молодшого розряду з 0 на 1.
Реверсивний лічильник може працювати в якості підсумовує і віднімає. Ці лічильники мають додаткові входи для завдання напряму рахунку. Режим роботи визначається керуючими сигналами на цих входах. Є лічильники і з окремими входами для підсумовування і віднімання.
Коли лічильник використовується в якості подільника, напрямок рахунку не грає ролі.
Лічильники з послідовним переносом - ланцюжок тригерів, в якій імпульси, що підлягають рахунку, надходять на вхід 1 тригера, а сигнал перенесення передається послідовно від одного розряду до іншого. У цих лічильниках використовуються асинхронні Т-тригери з прямим або з інверсним керуванням, а також JK- і D-тригери в рахунковому режимі. Головне достоїнство лічильників з послідовним переносом - простота схеми. Збільшення розрядності (нарощування) здійснюється підключенням потрібного числа тригерів до виходу останнього тригера. Оскільки вхідні сигнали надходять на вхід тільки першоготригера, такий лічильник мало навантажує попередній каскад.
Основний недолік лічильників з послідовним переносом - порівняно низька швидкодія, оскільки тригери тут спрацьовують послідовно, один за іншим. Інший недолік, обумовлений цієї ж причиною, полягає в тому, що через накопичення тимчасових зрушень в розрядах на виходах дешифраторів таких лічильників можуть з'являтися короткочасні хибні імпульси, особливо помітні на високих частотах.
Лічильники з паралельним переносом складаються з синхронних тригерів. Рахункові імпульси подаються одночасно на всі тактові входи, а кожен з тригерів ланцюжка служить по відношенню до наступних тільки джерелом інформаційних сигналів. Спрацьовування тригерів паралельного лічильника відбувається синхронно, і затримка перемикання всього лічильника дорівнює затримці перемикання для одного тригера. Лічильники з паралельним переносом широко застосовуються в швидкодіючих пристроях.
Лічильники - подільники, оформлені як самостійні вироби, є у складі багатьох серій мікросхем. Номенклатуру лічильників відрізняє велика різноманітність. Багато з них мають універсальними властивостями і дозволяють управляти коефіцієнтом і напрямком рахунки, вводити до початку циклу вихідне число, припиняти рахунок по команді, нарощувати число розрядів і т. П.
Лічильники з коефіцієнтом рахунку Ксч = 2 m є послідовний ланцюжок з m тригерів.
За допомогою додаткового логічного елемента можна змінювати Ксч (ділення) в межах 2 m-1 Роботу такого лічильника розглянемо на прикладі лічильника з Ксч = 5. Для отримання такого Kсч досить 3-х тригерів. З таблиці станів видно, що після 5-го імпульсу лічильник буде мати стан 101. Щоб організувати зворотний зв'язок і виключити зайві імпульси шляхом скидання лічильника в початковий стан. Подамо на 3-х входовий елемент І-НЕ три високі рівня з усіх трьох тригерів. Тільки в цьому випадку осередок збіги одиниць І-НЕ дасть "0" на виході, який і скине тригер в початковий стан.
Інший приклад лічильника з Ксч = 13. Перший тригер спрацьовує від кожного вхідного імпульсу, тобто 1 = 2 0; другий - від кожного 2-го імпульсу (2 = 2 1); третій - від четверте імпульсів (4 = 2 + 2); а четвертий тригер - від кожного восьмого імпульсу (8 = 2 3). Коефіцієнту рахунку Ксч = 13 = 8 + 4 + 1 = 1 * 2 3 +1 * 2 2 + 0 * 2 1 + 1 * 2 0 відповідають, отже, стану Q3 = Q2 = Q0 = 1. За цикл рахунку ДД5 спрацює тільки 1 раз. Вихідний сигнал ( "0") з ДД5 подається на R-входи всіх тригерів, в тому числі і на 2-й тригер. Зроблено це для того, щоб виключити помилкове спрацьовування ДД2 після переходу ДД1 в нульовий стан, тому що цей перепад після 13-го імпульсу подібний корисного сигналу. Проектування лічильника зводиться до визначення числа тригерів, виду логічного елемента, організації зв'язків між тригерами і ЛЕ.
Коли лічильник використовується в якості подільника частоти, то, трохи ускладнивши схему, можна отримати на виході короткочасні імпульси замість звичайного перепаду напруги.
Схема формування короткочасного імпульсу на виході МС К155ІЕ5 (Кдел = 14) представлена на малюнку.
Установка нуля лічильника відбувається в цьому випадку через тригер ДД4, ДД5. З приходом наступного вхідного імпульсу тригер повертається в початковий стан.
Імпульси, що надходять для рахунку, потрапляють на вхід 1-го тригера, а виходять з нього по двох каналах: при прямому рахунку з прямого виходу, а при зворотному - з інверсного. Для того, щоб управляти шляхами руху, служать елементу І-НЕ. Такі осередки ставляться після кожного тригера. Керуючим сигналом для прямого і зворотного рахунку є логічні нулі.
Так, якщо на входах елементів ДД4.1 і ДД4.4 нулі, то вони заблоковані, а логічні одиниці на їх виходах ніякого впливу на роботу елементів ДД4.2 і ДД5.1 не роблять.
Аналогічно з шиною +1. Відбувається рух імпульсу при прямому рахунку. Нехай на шині -1 високий потенціал - логічна "1", а на +1 - логічний "0", початковий стан лічильника 000. Перший імпульс зрізом переводить молодший розряд в "1" (тобто на виході 8 ДД1 буде "1 "). На виході ДД4.1 з'явиться "0", а на виході ДД4.2 - високий потенціал. На вході ДД2 високий потенціал зміни стану ДД2 не викличе, тобто після 1-го імпульсу лічильник буде в змозі 001. Наступним імпульсом ДД1 перекинеться в "0", ДД4.1- в "1", ДД4.2 - в "0" і ДД2 - в "1", ДД4.4 - в "0", ДД5.1 - в "1", тобто лічильник буде в змозі 010 і т.д.
Аналогічно при відніманні: на шині -1 - логічний "0", на шині +1 - логічна "1", на виходах ДД4.1 і ДД4.4 - логічна "1", початковий стан лічильника 111. Імпульси проходять по нижнім осередкам.
Серед великого різноманіття МС лічильників можна виділити 155ІЕ6 і 155ІЕ7 - двійково-десятковий і двійковий чотирьох розрядні реверсні лічильники.
Входи С1 і С2 для подачі рахункових імпульсів, R - для установки в "0", S - для попереднього запису інформації (S = "0") встановленої тригерами по спадів Р1 на С1 слід МС при прямому рахунку (при переході з 9 в 0 ), "перенесення" Р2 - при зворотному рахунку (при переході з 0 в 9), вихід "позики".
Кільцевій лічильник представляє собою регістр, у якого інформаційний вхід тригерів D-типу (або обидва входи JK- або RS-тригерів в разі їх застосування) з'єднаний з виходом (або з обома виходами) останнього ступеня, утворюючи замкнуте кільце.
Якщо в один з розрядів регістра ввести логічну одиницю або нуль, то ця одиниця або нуль з кожним тактовим імпульсом буде переходити від тригера до триггеру з циклом, що дорівнює кількості тригерів. Оскільки стан всіх тригерів регістра, за винятком одного, однаково, активний стан цього розряду однозначно характеризує число вхідних тактових імпульсів з урахуванням, природно, числа циклів.
На рис. 5 показана логічна структура пятіразрядний кільцевого лічильника.
На рис. 6 показана його тимчасова діаграма.
Крім RS (JK) -тригер в таких схемах застосовують також і D-тригери. В останньому випадку інверсні виходи тригерів не використовуються. До початку роботи поряд з введенням логічної 1 в перший розряд інші тригери встановлюються в нуль, оскільки стан, яке вони приймуть у момент включення живлення, непередбачувано.
На відміну від довічних лічильників перетворення послідовності імпульсів в необхідний код (наприклад, восьмеричний або десятковий) тут забезпечується без допомоги дешифратора, що є перевагою кільцевих лічильників. Кожен з виходів приходить в активний стан з частотою fвих = fвх / m, де m-число тригерів, тобто коефіцієнт рахунку кільцевого лічильника чисельно дорівнює числу тригерів. Оскільки кільцеві лічильники не містять зовнішніх логічних елементів, вони мають більшу швидкодію.
Кільцевих лічильників властиво два недоліки.
Перший - підвищена витрата тригерів і відповідно великі економічні та енергетичні витрати. Так, наприклад, для кільцевого лічильника з коефіцієнтом рахунку 16 буде потрібно 16 тригерів, в той час як для двійкового лічильника досить чотирьох.
Другий - ймовірність збоїв. Якщо під впливом перешкод відбудеться помилковий перекидання окремих тригерів, то такий стан, раз виникнувши, сама не виправиться. Цей недолік усувають введенням коректує логічного ланцюга, яка стежить за станом тригерів. При появі хибних сигналів на вхід подаються імпульси, що виправляють положення в новому циклі.
2.1 Вивчення роботи довічних лічильників, експериментальне дослідження графа переходів лічильника
2.2 Дослідження швидкодії лічильників і способів його підвищення