Счётчики

ИССЛЕДОВАНИЕ СЧЁТЧИКОВ И РЕГИСТРОВ.

Лабораторная работа

Цель: изучение параметров и характеристик счётчиков и регистров, а также их схемных реализаций, широко применяемых в цифровых устройствах.

Счётчиком называют узел цифровых устройств, который предназначен для подсчёта числа входных импульсов и хранения двоичного кода числа подсчитанных сигналов.

Счётчики применяют для осуществления последовательного выполнения команд программы, подсчёта числа циклов выполненных операций, образования адресов при обращении к запоминающим устройствам.

Счётчики – это конечные автоматы, внутреннего состояния которых определяются только количеством сигналов лог.1, пришедших на вход. Сигналы лог.0 не изменяют их внутреннее состояние.

Различают счётчики с естественным и произвольным порядком счёта. Счётчики с естественным порядком счёта изменяют на единицу код формируемого или выходного сигнала при поступлении на вход каждой единицы. Счётчики с произвольным порядком счёта, называемые также пересчётными схемами формируют выходные сигналы только после подачи на их вход определённого количество единиц.

Счётчики делятся на суммирующие, вычитающие и реверсивные, т.е. позволяющие как прибавить, так и вычесть очередную пришедшую на вход единицу.

Модулем счёта (или коэффициентом пересчёта) М называют количество поступивших на вход единиц, которое возвращает счётчик или пересчётную схему в исходное состояние.

Элементарными конечными автоматами в счётчиках являются триггеры. Количество триггеров, необходимое для реализации счётчика или пересчётной схемы, равно , – ближайшее целое число.

Если возможное количество внутренних состояний счётчика окажется больше модуля счёта , то часть состояний () являются избыточной или запрещенной.

Основными параметрами счётчиков является ёмкость, равная (для суммирующего счётчика это максимальное число единиц, которое может быть сосчитан), и быстродействие, определимое разрешающей способностью (минимально допустимым интервалом времени между входными сигналами, при котором еще не происходит сбоя, т.е. пропуска счета сигналов) и временем установки кода (интервалом времени между моментом поступления на вход единицы и моментом завершения перехода счётчиков новое состояние).

Как и все дискретные автоматы, счётчики может быть асинхронными и синхронными (тактируемыми). Счётчики бывают последовательными, если при поступлении входного импульса триггеры перебрасываются последовательно друг за другом, и параллельными когда управляющий сигнал воздействует на все триггеры.

Рассмотрим работу суммирующего счётчика с последовательным переносом, у которого . Для синтеза необходимы триггера, соответствующие трем разрядам двоичного выходного числа. Обозначим через – старший, а через – младшие разряды. Выходные сигналы кодируются предельно просто: и . Простейшая схема счётчика с последовательным переносом, построенная на Т-триггерах, показана на рис. 1

В таблицах переходов (табл.1) показано, как изменяется состояния счётчика после каждого очередного импульса.

Таблица 1

Такт
Q 3
Q 2
Q 1

Триггеры в этой схеме переключаются из одного положения в другое при переходе уровня сигнала на счетном входе с низкого на высокий. Из табл.1 видно, что триггер младшего разряда переключается от каждого входного счетного сигнала . Частота переключения каждого следующего триггера уменьшается в двое по сравнению с частотой переключения предыдущего. Следовательно, кроме основной операции счета импульсов, счётчик обеспечивает деление частоты следование импульсов. Если частоту следования импульсов, поступивших на вход сигнал изменяется с частотой , на выходе - с частотой и т.д.

Обычно счётчик (рис. 1) дополняется цепями установки нуля (уст. 0), сигналами выдачи прямого кода и т.д. Для надежной установки «0» в счетчике рис.1 сигнал уст. 0 должен превышать по длительности входные сигналы и время появления сигналов переноса, возникших при переходе триггера из состояния «1» в состояние «0».

Недостатком последовательных счетчиков является малое быстродействие, поскольку срабатывание триггеров происходит последовательно друг за другом. Например, с приходом 4-го тактового импульса счётчик из состояния 011 переходит в состояние 010-000-100.

Быстродействие счётчика можно увеличить, если реализовать одновременной перенос в каждом разряде. Такой перенос осуществляется в схемах параллельных счётчиков.

Рабочее задание

1. Собрать схему последовательного 3-х разрядного двоичного счетчика с последовательным переносом.

· Выходы соединить с любыми гнездами индикатора на вспомогательном устройстве; свечение светодиода свидетельствует о наличии на выходе сигнал лог.1.

· Вход «R» соединить с блоком одиночных отрицательных импульсов (формирователем отрицательных перепадов напряжения).

· Произвести сброс счетчика в нулевое состояние, для чего на вход R (уст.0) подать отрицательный импульс;

· На вход «С» подать положительный импульсы с блока формирователя положительных перепадов напряжения; для исследования всех возможных состояний счетчика необходимо подать импульсов (где N =4 - количество разрядов счетчика); все значения входных и выходных сигналов занести в таблицу переходов табл. 2.

· Построить временную диаграмму работы счётчика.

Таблица 2

C^t	R^t	Q 1 ^t+ ^1	Q 2 ^t+ ^1	Q 3 ^t+ ^1

Примечание. Индекс «t» означает номер такта работы счётчика, t =1, 2, 3,…

Рассмотрим реализацию двоично-десятичного счётчика, для которого модуль счета . Для реализации такого счетчика необходимо четыре триггера. На десятом входном импульсе счётчик устанавливается в нулевое состояние (при коде 8421). Схема двоично-десятичного счётчика показана на рис.2. Схема содержит дополнительные логические элементы Э1, Э2, Э3, которые обеспечивают исключение запрещенных комбинаций (1010, 1011, …1111).

В течение первых девяти входных импульсов на выходе элементов Э2 и Э3 установится высокий уровень напряжения и схема работает как обычный последовательный двоичный счётчик. С приходом десятого импульса (код 1010), когда и , состояние элементов Э3 и Э2 изменяются и низкий уровень выходного напряжения Э3 при R =1 обнуляет все разряды счётчика, т.е. десятым импульсом счётчик возвращается в исходное нулевое состояние.

Рабочее задание

2. Собрать схему двоично-десятичного счётчика (рис. 2). Выполнить следующие действия:

· Выходы соединить с любыми гнездами индикатора на вспомогательном устройстве. Вход «С» соединить с блоком выдачи положительных импульсов вход;

· Произвести сброс счетчика, для чего на вход «R» подать отрицательный импульс от блока выдачи одиночных отрицательных импульсов;

· На вход «R» подать постоянный сигнал лог.1;

· На вход «С» подать положительный импульсы; для исследования всех возможных состояний счетчика необходимо подать на вход «С» 10 импульсов; все значения входных и выходных сигналов занести в таблицу переходов (табл. 2).

· Построить временную диаграмму работы счетчика.

Если коэффициент пересчета равен , где - количество триггеров в схеме, то такой счётчик называется счётчиком Джонсона (рис. 3). В схеме счётчика Джонсона используется перекрестная обратная связь с инверсного выхода последнего триггера на прямой вход первого триггера. С приходом каждого тактового импульса перебрасывается только один триггер, при чем по мере поступления тактовых импульсов счётчик сначала заполняется единицами, а потом от них освобождается (табл. 3).

Таблица 3

Такт
Q 1
Q 2
Q 3
Q 4

Рабочее задание

3. Собрать схему счётчика Джонсона (рис. 3). Провести исследования схемы счетчика в соответствии с п.1, подавая на вход «С» тактовых импульсов.

На основе недвоичных счётчиков можно построить схемы счётчиков делителей, которые осуществляют подсчёт поступающих импульсов. Коэффициент пересчёта таких схем равен M. После каждого M -го импульса, поступающего на вход счётчика – делителя, формируется один прямоугольный импульс на выходе. В данной работе предлагается исследовать схемe последовательного счётчика-делителя с модулем M= 5. Схема этого делителя приведена на рис. 4.

Рабочее задание

4. Собрать схемы счетчика-делителя на 5 (рис. 4) Выполнить следующие действия:

· Выход «Q’» соединить с любым гнездом индикатора на вспомогательном устройстве. Произвести сброс счетчика-делителя подачей отрицательного импульса на вход «R». Подать последовательность импульсов на вход «С» счетчика-делителя. Появление импульса на выходе «Q» счетчика-делителя должно произойти после набора числа импульсов (контроль осуществляется с помощью индикаторов), равного коэффициенту М деления счетчика. Для фиксации поступления М счетных импульсов служит выход «Q’» Т -триггера, состояние которого меняется каждый раз после прихода очередного М -го импульса на вход «С».

· Все значения входных и выходных сигналов занести в таблицу переходов вида

Такт	С^t	Q^t^+1

· Построить временные диаграммы работы счётчика-делителя.

Дата добавления: 2015-05-06