Синхронные счетчики.

К синхронным или параллельным относяг счегчикй, в которых переключение разрядов происходит одновременно независимо от удаленности разряда от счетного входа. Это достигается подачей на все триггеры синхронизирующих импульсов, которые положительным или отрицательным фронтом вызывают переключения триггеров в соответствии с логикой работы счетчика.

Рис. 6.41.

Благодаря такой синхронизации достигается минимальное время установления счетчика , которое не превышает время установления одного триггера . Тем самым обеспечивается максимальная частота смены состояний счетчика

Схема простейшего суммирующего синхронного счетчика показана на рис. 6.41,а. Здесь потенциал переноса формируется последовательно по мере распространения «логической 1» через вентили и т. д. Накопление задержки за счет вентилей цепи переноса обусловливает взаимное смещение счетных импульсов Т и импульсов переноса (рис. ). До тех пор пока совпадение импульсов Т и вследствие такого смещения не нарушается, счетчик работает без сбоев с максимально возможной частотой счета, соответствующей выражению (6.23). Очевидно, для этого необходимо, чтобы выполнялось условие

где N — количество разрядов счетчика, - длительность задержки нарастания сигнала на выходе вентиля переноса.

Ограничение сверху на количество разрядов N счетчика либо на частоту следования входных импульсов Т, накладываемое условием (6.24), может оказаться технически неприемлемым и обуславливает использование других схемных вариантов счетчиков с дополнительными затратами ИМС.

Принципиальной предпосылкой для построения синхронных счетчиков произвольной разрядности N является закономерность, отображаемая табл. разряд счетчика переключается синхроимкульсом в новое состояние, если все триггеры младших разрядов к моменту прихода синхроимпульса находятся в состоянии «1».

Рис. 6.42.

Потенциал, разрешающий переключение триггера разряда в противоположное состояние, должен сформировать логический элемент, фиксирующий состояние «1» всех младших разрядов. Этой цели в синхронном счетчике (рис. 6.42,а) служат вентили . Потенциалы с выходов триггеров поступают одновременно на все вентили переноса старших разрядов и переключение состояний триггеров происходит синхронно (рис. ).

Рис. 6.43.

С ростом номера разряда увеличивается количество входов логических элементов цепи переноса, поэтому соответственно с ростом количества разрядов N усложняется схема счетчика.

Некоторое упрощение схемы многоразрядного синхронного счетчика достигается использованием геров с дублированными входами и К (рис. 6.43). Инверторы в такой схеме дают на выходе усиленные по мощности сигналы соответственно , подаваемые на пары входов разрядов счетчика.

При построении быстродействующих двоичных счетчиков с разрядностью используется иерархическая структура. Счетчик разбивается на секции (например, по 8 разрядов).

Для сигналов переноса между секциями организуется схема параллельного переноса второго уровня, или групповой перенос. Это позволяет ценой незначительного уменьшения быстродействия существенно упростить схему по сравнению с регулярной синхронной структурой. Принцип построения секционированного синхронного счетчика приведен на рис. 6 44. Техническая реализация структуры рис. 6.44 на логических элементах обусловливает включение в цепи группового переноса дополнительных инверторов и соответствующее снижение быстродействия.

В качестве секции синхронного счетчика можно выделить двоично-десятичную декаду — синхронный двоичный счетчик с Вариант такой декады на основе -триггеров показан на рис. 6.45,а.

Рис. 6.44.

Первые 8 импульсов схема считает как обычный двоичный синхронный счетчик (рис. ), поскольку при этом аналогично схеме на рис. 6.42. После 8 счетных импульсов поэтому переносы через вентиль блокируются. Импульсом 9 триггер первого разряда устанавливается в состояние на входы старшего разряда поступают сигналы Поэтому следующий счетный импульс переключает младший и старший разряды, а значит, и всю декаду в состояние «0».

Сигнал группового переноса для декады формируется при установке в счетчике кода .

Рассмотренные выше варианты синхронных счетчиков построены на основе -триггеров. Очевидно, принцип их работы сохраняется при использовании других типов Т-триггеров, например, -триггеров, управляемых фронтом, с обратной связью . В качестве примера рассмотрим схемы синхронных двоичных счетчиков с последовательным (рис. 6.46,а) и параллельным (рис. ) формированием признака переноса. Признак переноса формируется вентилями , Поскольку информационные входы триггеров замкнуты на инверсные выходы , перенос и синхронизация возможны только по входу С. Для этой цели служат вентили , которые для -триггеров, синхронизируемых положительным фронтом, выполняют также функцию инверсии. Как видно из сопоставления счетчиков, схема рис. 6.46,а при малом количестве разрядов N может быть даже , чем схема рис. 6 46,б, но с ростом N сложность синхронного счетчика растет быстрее.

Рис. 6.45.

(см. оригинал)

Рис. 6.46

(см. оригинал)

Быстродействие счетчиков на -триггерах несколько ниже 8а счет дополнительных вентилей между синхронным входом Т счетчика и входами С -триггеров.

Синхронный двоичный вычитающий счетчик так же, как и асинхронный, реализуется связями входов триггеров с инверсными выходными сигналами младших разрядов. Как правило, такие счетчики должны содержать входы предварительной параллельной (синхронизируемой) установки числа, от которого начинается обратный счет. Фрагмент такого счетчика на основе показан на рис. 6.47. Занесение параллельного кода в счетчик происходит при , блокирующем цепи переноса, на выходах которых устанавливаются .

Рис. 6.47.

При инверсный сигнал блокирует цепи записи числа и подключает цепи переноса , которые с учетом сигнала А должны реализовать выражения

Управляющий сигнал В определяет режим записи или счета при либо работу счетчика в режиме хранения информации при .

В синхронных вычитающих счетчиках на основе синхронизируемых фронтом -триггеров запись исходного состояния производится обычно через асинхронные входы установки R и S. В счетчике, показанном на рис. 6.48, для записи начального состояния служат вентили . Управление режимом «запись—счет» осуществляется сигналом А. Если , то вентили записи заблокированы инверсным сигналом , на их выходах сохраняются уровни «логической 1» независимо ОТ состояния параллельных входов .

Счетчик при этом работает в режиме обратного счета, так как вентили управления ааемом из старшего разряда сигналом не блокируются. Установкой блокируются вентили переноса, а инверсный сигнал открывает вентили асинхронной записи. На выходах последовательно включенных пар вентилей формируются взаимно инверсные уровни и и одним из них, принявшим значение «0», производится установка -триггера в соответствующее состояние.

Рис. 6.48.

Рис. 6.49.

Рис. 6.50.

Рассмотрим примеры построения реверсивных синхронных счетчиков. Принципы построения синхронного и асинхронного реверсивных счетчиков аналогичны: прямой счет реализуется при включении цепей переноса с единичных выходов триггеров младших разрядов на входы старших разрядов, а обратный счет (вычитание) — при включении цепей заема между инверсными выходами триггеров младших разрядов и входами старших разрядов.

Таблица 6.8

(см. оригинал)

Для управления режимом счета воспользуемся сигналом Е так, чтобы при осуществлялся прямой счет, а при — обратный.

Рис. 6.51.

В счетчике (рис. 6.49) на основе триггеров перенос и заем реализованы по типу сквозного, для которого характерна относительная простота реализации, так как сложность схемы разряда счетчика не зависит от его номера.

Рис. 6.52.

Быстродействие такого счетчика ниже, чем счетчика со строго параллельным переносом, показанного на рис. 6.50. В счетчике с параллельным формированием сигналов переноса, как уже отмечалось, сложность схемы разряда возрастает с ростом его веса, но ценой аппаратурных затрат достигается максимальное быстродействие, однозначно определяемое быстродействием (частотой переключения) одного -триггера.

Для построения реверсивного синхронного счетчика на основе -триггеров с управлением по информационному входу признаком переноса и сигналом обратной связи триггера необходимо реализовать функцию управления информационным входом так, чтобы каждый сигнал переноса (заема) изменял состояние -триггера на противоположное

С учетом выражения (6.25) реализованы цепи переноса в реверсивном синхронном счетчике на основе -триггеров . Для перенос , поэтому согласно выражению .

В табл. 6.8 приведены основные параметры счетчиков широко Используемых серий ИМС, а на рис. 6.52 — обозначения внешних выводов.