Мультиплексоры и селекторы

Мультиплексоры. Это функциональный узел ЭВМ, осуществляющий микрооперацию передачи сигнала с одного из своих входов на один выход. На рисунке 2.25 показаны схема и функциональное обозначение стробируемого мультиплексора К155КП7.

Рисунок 2.25 – Мультиплексор К155КП7

Структура этого узла описывается следующими уравнениями:

Вход V используется для стробирования и наращивания числа входов мультиплексора. Входы a₄, a₂ и а₁ – адресные. Двоичный код на этих входах определяет, какой сигнал D_i, будет передан на выход. Например, при a₄ = 1, a₂ = 0, а₁ = 1, V = 0 сигнал D₅ передается на выход, так как все остальные члены в формуле при этом наборе будут равны нулю, т. е. y₁ =D₅, a y₂ = . Способ наращивания мультиплексоров (до 16 входов) показан на рисунке 2.26.

Рисунок 2.26 – Наращивание мультиплексоров

Селекторы. Селектор (демультиплексор) – функциональный узел, осуществляющий операцию передачи сигнала с одного входа на один из нескольких выходов. Селекторы в виде самостоятельных узлов изготовляются редко, так как их функции может выполнять дешифратор. Очевидно, что входной сигнал активизирует тот выход дешифратора, который соответствует конкретному набору переменных, являющихся в данном случае адресом селектора. Использование дешифратора для мультиплексирования показано на рисунке 2.27.

Рисунок 2.27 – Селектор-мультиплексор 564КП2

Широкие возможности предоставляет мультиплексор-селектор, выполненный на КМДП-структурах. На рисунке 2.27 показаны схема и функциональное обозначение микросхемы 564КП2. Один из восьми выходов дешифратора, задаваемый адресом а₄а₂а₁ при V = 0, открывает соответствующий двунаправленный ключ Кл, обеспечивая связь цепей у и D_i. При V = 1 все ключи закрыты. Данная схема может использоваться в качестве дешифратора с активным уровнем выходов «1» или «0» и мультиплексора. При использовании схемы в качестве дешифратора с уровнем выходов «1» необходимо присоединить цепь у к источнику питания, а цепи D_i через резисторы не менее 20 кОм – к земле.

При использовании схемы в качестве дешифратора с активным уровнем выходов «0» необходимо присоединить цепь у к земле, а цепи D_i через резисторы не менее 20 кОм – к источнику питания. Входами дешифратора будут входы а₄, а₂, а₁, а выходами – D_i. При использовании схемы в качестве мультиплексора адресными входами являются входы а₄, а₂, а₁; информационными входами – D_i, а выходом – у.

При использовании схемы в качестве селектора адресными входами являются входы а₄, а₂, а₁, информационным входом – у, а выходами D_i. Из приведенных примеров следует, что мультиплексоры и селекторы являются многофункциональными узлами.

2.7 Счётчики импульсов

Подсчет числа импульсов является наиболее распространенной операцией в устройствах цифровой обработки информации. В устройствах цифровой обработки информации измеряемый параметр (угол поворота, перемещение, скорость, частота, время, температура и т. д.) преобразуется в импульсы напряжения, число которых в соответствующем масштабе характеризует значение данного параметра. Эти импульсы подсчитываются счетчиками импульсов и выражаются в виде цифр.

По целевому назначению счетчики подразделяют на простые и реверсивные. Простые счетчики, в свою очередь, подразделяют на суммирующие и вычитающие. Суммирующий счетчик предназначен для выполнения счета в прямом направлении, т. е. для сложения. С приходом очередного счетного импульса на вход счетчика его показание увеличивается на единицу. Вычитающий счетчик служит для осуществления счета в обратном направлении, т. е. для вычитания. Каждый счетный импульс, поступающий на вход вычитающего счетчика, уменьшает его показание на единицу.

Реверсивные счетчики предназначены для выполнения операции счета как в прямом, так и в обратном направлении, т. е. они могут работать в режиме сложения и вычитания. Ос новными параметрами счетчиков являются модуль счета (коэффициент счета К) и быстродействие. Коэффициент счета определяет число импульсов, которое может быть сосчитано счетчиком.

Быстродействие счетчика характеризуется максимальной частотой f_сч следования счетных импульсов и связанным с ней временем t_уст установки счетчика. Величина t_уст определяет максимальное время протекания переходных процессов во всех разрядах счетчика с поступлением на вход очередного счетного импульса. Счетчики импульсов выполняются на основе триггеров. Счет числа поступающих импульсов производится с использованием двоичной системы счисления.

Двоичные суммирующие счетчики с непосредственной связью: они производят счет поступающих импульсов в двоичной системе счисления. Основным узлом двоичного счетчика (служащим также его разрядом) является триггер со счетным запуском, осуществляющий подсчет импульсов по модулю 2.

Многоразрядные двоичные суммирующие счетчики с непосредственной связью выполняются путем последовательного соединения счетных триггеров. Принцип действия двоичного счетчика с непосредственной связью рассмотрим на примере четырехразрядного счетчика, показанного на рисунке 2.28. Схема выполнена на счетных Т_t-триггерах с внутренней задержкой. Работу схемы иллюстрируют временные диаграммы, приведенные на рисунке 2.28, и таблица 2.4.

Рисунок 2.28 – Двоичный четырёхразрядный счётчик

По окончании 15-го импульса все разряды счетчика устанавливаются в состояние «1», а 16-й импульс переключает первый разряд счетчика в «0». В соответствии с рисунком 2.28 и таблицей 2.4, установка в исходное состояние «0» двух последовательно включенных триггеров (DD1 и DD2) осуществляется четвертым счетным импульсом, трех триггеров (DD1-DD3) – восьмым и четырех триггеров – 16-м счетным импульсом. Из этого следует, что модуль счета двухразрядного, трехразрядного и четырехразрядного двоичных счетчиков равен соответственно 4, 8 и 16. Модуль счета двоичного счетчика находят из соотношения К_сч = 2^N, где N – число разрядов счетчика.

В процессе работы двоичного счетчика частота следования импульсов на выходе каждого последующего триггера уменьшается вдвое по сравнению с частотой его входных импульсов. Это свойство схемы используют для построения делителей частоты. При использовании схемы в качестве делителя частоты входной сигнал подают на счетный вход первого триггера, а выходной снимают с последнего триггера.

Выходная и входная частоты связаны соотношением f_вых = f_вх/К_сч. Максимальное время установки t_{уст max} в двоичных счетчиках с непосредственной связью характеризуется суммарной задержкой в последовательной передаче информации от младшего к старшему разряду счетчика. Другими словами, параметр определяется временем перехода счетчика из кода 2^N – 1 в код 00...0. Его находят из соотношения t_{уст max} = Nt_зт, где t_зт – задержка переключения Т_t -триггера после окончания счетного импульса.

Таблица 2.4 – Состояние триггеров счётчика

Число импульсов	Триггер 1	Триггер 2	Триггер 3	Триггер 4
	0	0	0	0
	0	0	0	1
	0	0	1	0
	0	0	1	1
	0	1	0	0
	0	1	0	1
	0	1	1	0
	0	1	1	1
	1	0	0	0
	1	0	0	1
	1	0	1	0
	1	0	1	1
	1	1	0	0
	1	1	0	1
	1	1	1	0
	1	1	1	1
	0	0	0	0

Время установки возрастает с увеличением числа разрядов, что сказывается на быстродействии счетчика. Максимальная частота следования счетных импульсов ограничивается величиной:

f_{вх max} = 1/(t_и + t_{уст max}). (2.13)

При работе счетчика в режиме деления частоты его предельная частота определяется предельной частотой переключения триггера первого разряда:

f_{вх max} = 1/(t_и + t_зт). (2.14)

Счетчики с коэффициентом счета К_сч ¹ 2^N.

На практике часто возникает необходимость в счетчиках, коэффициент счета которых не соответствует указанному значению 2^N. Такие счетчики выполняются на основе двоичных счетчиков. Общий принцип их построения основывается на исключении у счетчика с К_сч = 2^N соответствующего числа « избыточных» состояний. Число избыточных состояний s определяется разностью: s = 2^N – К_сч, где 2^N – количество состояний двоичного счетчика; К_сч – требуемый коэффициент счета. Число триггеров счётчика выбирают по минимуму величины s. Например, при построении счетчика с К_сч = 3на двух триггерах и счетчика с К_сч = 10 на четырех триггерах следует исключить соответственно 1 и 6 состояний.

Способы построения счетчиков с коэффициентом счета К_сч ¹ 2^N достаточно разнообразны. Наибольшее распространение получили способ принудительной установки в состояние «0» всех разрядов двоичного счетчика и способ принудительного насчета. По первому способу реализуются счетчики с естественным порядком счета, по второму – счетчики с принудительным счетом.

В счетчиках с естественным порядком счета порядок счета такой же, как в двоичных счетчиках. Отличие заключается в том, что путем введения дополнительных связей счет заканчивается раньше значения 2^N. У счетчика с К_сч = 10 переход разрядов в состояние «0» будет происходить с приходом не 16-го, а 10-го счетного импульса («Система 16 – 6»).

В счетчиках с принудительным насчетом исключение избыточных состояний двоичного счетчика достигается путем принудительной установки отдельных его разрядов в состояние «1» в процессе счета. Принудительный насчет осуществляется введением обратных связей со старших разрядов двоичного счетчика в младшие, благодаря чему соответствующие младшие разряды вне очереди переключаются в состояние «1».

Вследствие принудительного насчета показания рассматриваемых счетчиков не соответствуют двоичной системе счисления. По этой причине их относят к классу счетчиков с «произвольным» порядком счета. Способ реализации счетчиков с принудительным насчетом показан на примере функциональной схемы счетчика с К_сч = 10 (рисунок 2.29).

Рисунок 2.29 – Функциональная схема декадного счетчика

с принудительным насчетом

До записи «1» в четвертый разряд, т. е. до прихода восьмого счетного импульса, счетчик работает как двоичный (таблица 2.5). С приходом восьмого счетного импульса «1» записывается в триггер Т₄ с осуществлением обратной связи на запись «1» во вторую и третью ячейки.

Таблица 2.5 – Состояние триггеров счётчика с принудительным счётом

Число входных импульсов	Т4	Т3	Т2	Т1
8*®14

Таким образом, после восьмого счетного импульса вследствие принудительного насчета в счетчик записывается число 8 + 6 = 14. Девятый счетный импульс устанавливает «1» в триггере Т₁, а десятый счетный импульс возвращает счетчик в исходное нулевое состояние.

Счетчики с К_сч = 10 называют десятичными, или декадными. Они нашли широкое применение для регистрации числа импульсов с последующим визуальным отображением результата.

Десятичные счетчики часто включают последовательно (рисунок 2.30).

Рисунок 2.30 – Последовательное соединение декадных счётчиков

Если в пределах всех декад счет ведется в двоичной системе счисления, то, например, числу 978 будет отвечать код 1001 0111 1000, характеризующий двоично-десятичную систему счисления.

Электронная промышленность выпускает широкую номенклатуру интегральных схем счётчиков. Типичным представителем является счётчик 531ИЕ16 – синхронный, реверсивный, декадный, двоично-десятичный счётчик. Эта ИС позволяет строить счётчики с предустановкой, строить комбинированные схемы счётчиков, управлять их коэффициентом счёта и управлять направлением счёта.

Современными счётчиками КМОП ИС являются микросхемы КР1554 ИЕ6, ИЕ7, ИЕ10, ИЕ18 и ИЕ23, имеющие примерное время задержки распространения в диапазоне 9-22 нс. Развитие этой технологии – серии 5514 и 5554. Кроме счётчиков в сериях общего назначения имеются счётчики и в сериях сверхбыстродействующих ИС. Микросхемы серии 6500 (буферизированная полевая логика, материал GaAs) работают на максимальной частоте не менее 1000 МГц и имеют время задержки распространения 1-2 нс. Так, 6500ИЕ4 – 4-разрядный двоичный счётчик с предустановкой. Напряжения питания ИС этой серии – 4 В и минус 2,5 В. Выход – с открытым истоком, сопротивление внешней нагрузки – 50 Ом.

Особо стоит сверхбыстродействующая серия 193, используемая с закрытым входом (с разделительным конденсатором) и имеющая высокую чувствительность, но работающая от конечного значения нижней входной частоты. Так, счётчик К193ИЕ9 с коэффициентом счёта 4 работает на нижней частоте 150 МГц при напряжении 0,6 В и на верхней 1,3 ГГц, а при нескольких милливольтах на частоте 1150 МГц. Счётчик Н193ПЦ5 работает в диапазоне частот 1500-3000 МГц. В этой серии имеются микросхемы для построения сверхвысокочастотных делителей частоты с управляемым коэффициентом деления. У этих ИС есть управляющий вход, изменяющий коэффициент счёта дискретно: так, счётчик 193ИЕ8 имеет управляемый коэффициент счёта 20/22, а микросхема ИЕ2 – коэффициент 10/11.

Дата добавления: 2014-01-13