20.1.2. СИНХРОННЫЙ (ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ) СЧЕТЧИК

Характерной чертой асинхронного счетчика является то, что импульсы счета поступают на тактовый вход только первого триггера, а каждый из последующих триггеров управляется выходным сигналом предыдущего. Это приводит к тому, что сигнал на вход последнего триггера приходит лишь тогда, когда все предыдущие триггеры переключились. Изменение каждого из выходных сигналов от до происходит с задержкой, равной времени срабатывания триггера. В многоразрядных последовательных счетчиках высокая частота следования импульсов счета может привести к тому, что триггер не успеет переключиться до прихода следующего импульса счета. Поэтому период следования импульсов счета при использовании выходных кодов в процессе вычислении должен быть больше времени распространения сигнала в цепи.

От этих недостатков свободны синхронные (параллельные) счетчики. В отличие от асинхронных счетчиков тактовые импульсы в синхронных счетчиках одновременно подаются на С всех разрядов Чтобы в каждом такте не переключались все триггеры, для управления процессом переключения используются логические J- и K-входы, как показано на рис. 20.4.

В соответствии с табл. 20.1 триггер переключается при поступлении каждого тактового импульса. Для этого в триггере должно выполняться условие Триггер при поступлении тактового сигнала переключается только тогда, когда Это достигается подключением J- и К-входов триггера к выходу Тогда этот триггер сохраняет свое состояние до тех пор, пока и

Рис. 20.4. Синхронный (параллельный) счетчик.

изменяет его лишь при подаче следующего тактового импульса, когда

Из табл. 20.1 следует, что триггер может переключиться при условии Для этого одна пара J- и К-входов соединена с а другая - с . Соответственно у триггера каждая пара J- и К-входов подключается к выходам предыдущих триггеров.

При использовании одинаковых триггеров с тремя J- и тремя К-входами в триггерах некоторые J- и К-входы не используются. На эти входы нужно подать логическую «1», чтобы обеспечить надежную работу схемы. При использовании триггеров с одной парой J- и К-входов также можно осуществить наращивание разрядов, применяя в цепях межразрядных связей дополнительные схемы совпадения, на которые поступает информация с выходов предыдущих разрядов.

Очевидно, что наращивание на произвольную длину невозможно из-за отсутствия многовходовых схем И. Поэтому чаще всего используются группы из четырех три перо в (рис. 20.5). Соединение групп производится через выход переноса и вход разрешения которым блокируется вся группа.

Выход переноса формируется тогда, когда код группы равен 1111, и все младшие группы также обеспечивают перенос. Для этого в каждой группе должно выполняться условие

Таким образом можно соединять любое число групп счетчиков без использования сложной логики, что иллюстрируется рис. 20.6.

Типы ИС:

(см. скан)

Счетчик с изменяемым направлением счета (реверсивный счетчик)

Синхронный двоичный счетчик с помощью дополнительных ключей легко перестроить для работы в обратном направлении. При этом J- и К-входы подключаются вместо прямых выходов Q к инверсным выходам Q. Так как переключение касается только J- и К-входов, а не -входов. состояние счетчика не изменяется при изменении направления счета. Это большое преимущество по сравнению

Рис. 20.5. Синхронный счетчик с логикой формирования переноса.

Рис. 20.6. Каскадирование синхронных счетных ступеней.

с асинхронными счетчиками. Поэтому в качестве реверсивных счетчиков используются главным образом синхронные устройства. Для переключения можно применять уже рассмотренные ранее логические управляемые ключи, показанные на рис. 19.14 По этому принципу построена схема, представленная на рис. 20.7. При ее проектировании использовались триггеры, в которых новое состояние на выходах формируется при переходе тактового сигнала из «1» в «0».

До тех пор пока на управляющем переключением входе V сохраняется «1», нижние логические элементы И закрыты. Схема работает как синхронный суммирующий двоичный счетчик, подобный показанному на рис. 20.5. При верхние логические элементы И блокируются, и JK-пары подключаются к выходам Q. В этом случае схема работает в режиме вычитающего счетчика. Так как перемена направления счета вызывает изменение подключения J- и К-входов, то схема срабатывает лишь тогда, когда тактовый сигнал равен нулю.

Сигнал переноса в следующую старшую группу может формироваться в двух случаях, а именно, когда в счетчике хранится код (в режиме суммирования) или когда в счетчике записан код (режим вычитания). Для сигнала переноса можно записать

Этот сигнал поступает, как показано на рис. 20.6, на вход разрешения следующей группы разрядов счетчика. Перенос всегда интерпретируется правильно, так как направление счета, естественно, изменяется одновременно для всех групп.

Если высокая скорость не требуется, отдельные группы счетчика объединяются последовательно, и при этом сигнал переноса служит тактовым сигналом для следующей старшей группы. При этом существует, однако, опасность, что из-за различия во времени задержки на короткое время возникает ложное значение Этот импульс помехи поступает на старшую группу. Он может быть блокирован введением коньюнктора

поскольку выбраны JK-триггеры, срабатывающие по отрицательному фронту тактового импульса, то устойчивое состояние счетчика надежно обеспечивается, когда тактовый сигнал равен 1.

Типы ИС:

Рис. 20.7. Двоичный счетчик с изменяемым направлением счета: Направление счета: .

Счетчик с входами прямого и обратного счета

Часто требуется счетчик, имеющий два входа. Импульс, поступающий на вход должен увеличивать результат счета; импульс, поступающий на вход должен его уменьшать. Схема, выполняющая эти функции, показана на рис. 20.8. Рассмотрим сначала импульс, поступающий на вход Очевидно, что благодаря наличию предшествующих логических элементов И тактовый импульс поступает только на те триггеры, для которых все предыдущие разряды находятся в состоянии «1». Это точно то условие функционирования, которое мы вывели из табл. 20.1 для суммирующего счетчика.

В ранее описанной схеме тактовые импульсы подавались на все триггеры. Триггеры, состояния которых не должны были изменяться, блокировались подачей на J- и К-входы комбинации . В данном случае импульсы счета не поступают на соответствующие триггеры благодаря тому, что вентили И блокируют их тактовые входы. Для этого необходимы те же самые, что и в предыдущем случае, логические связи. Это объясняет подобие управляющих логических цепей в схемах, приведенных на рис. 20.7 и 20.8.

Теперь рассмотрим, что происходит в случае, когда импульсы поступают на вход Код на выходах определяет те вентили И, которые пропускают импульсы счета. Таким образом, импульсы поступают на тактовые входы только тех триггеров, которые находятся в состоянии «0». Это и есть условие обратного счета.

На триггеры, которые должны переключаться, тактовые импульсы поступают практически одновременно. Триггеры в старших разрядах переключаются одновременно с триггерами в младших разрядах. Следовательно, схема работает как синхронный счетчик. Логические элементы И на выходе определяют перенос в прямом и обратном направлениях. Можно присоединить идентичный счетчик, который является синхронным, но по сравнению с первым работает с задержкой, т.е. асинхронно. Этот способ организации называют полусинхронным (параллельно-последовательным).

Тип ИС:

Устранение состязаний

Временной интервал между двумя импульсами счета и его длительность должны быть больше времени срабатывания счетчика В противном случае при воздействии второго импульса получится ошибочный результат. Для счетчиков с одним счетным входом это требование

Рис. 20.8. Реверсивный двоичный счетчик.

Рис. 20.9. Схема исключения состязаний.

означает, что максимальная возможная частота счета Для счетчика на рис. 20.8 соотношение сложнее. Если даже частота импульсов счета для входов прямого и обратного счета значительно меньше, чем в асинхронной системе возможен случай, когда интервал между импульсами прямого и обратного счета окажется меньше, чем При таком совпадении импульсов возникает неопределенное состояние счетчика. При проектировании следует исключать возможность такого совпадения импульсов. Состояние счетчика после выдачи одинакового числа импульсов прямого и обратного счета не должно измениться.

Схема без состязаний может быть реализована, например, так, как показано на рис. 20.9, с помощью одновибратора [20.1]. Одновибраторы и при поступлении импульсов счета формируют сигналы определенной длительности Задним фронтом этих импульсов запускаются одновибраторы которые формируют выходные импульсы. Логический элемент С, определяет, не перекрываются ли нормированные входные импульсы Если это происходит, на его выходе формируется отрицательный логический перепад, который запускает одновибратор При этом оба выходных элемента блокируются на время и импульсы на их входы не проходят, что исключает состязание. Для того чтобы блокировка была надежной, должно выполняться условие

Время определяет длительность выходного импульса. Минимальная пауза между импульсами определяется из условия исключения совпадений. Она составляет Для правильной работы счетчика требуется выполнение дополнительных условий:

Таким образом, минимально допустимые длительности импульсов составляют

Максимальная частота счета для обоих выходов схемы совпадений равна

Следовательно, она уменьшается в 1,5 раза из-за введения схемы исключения состязаний.

Более изящный метод, иллюстрируемый рис. 20.10, состоит в том, что импульсы прямого и обратного счета подсчитываются отдельными счетчиками и затем вычисляется разность кодов счетчиков. При этом совпадение импульсов счета неопасно. Дополнительное

Рис. 20.10. Реверсивный двоичный счетчик, невосприимчивый к совпадению счетных импульсов.

преимущество заключается в том, что благодаря простоте логики схема принципиально допускает работу на более высокой тактовой частоте.

Сигнал переноса вычитателя не может использоваться как знаковый разряд; положительная разность ошибочно можег быть интерпретирована как отрицательная, если один из счетчиков переполнен, а другой еще нет. Получить результат с правильным знаком можно, если разность, как в данном примере, рассматривать как число в двоичном дополнительном коде. Разряд определяет правильный знак тогда, когда разность не превышает допустимый диапазон от — 8 до +7.