7.7. Синхронные реверсивные счетчики

Синтез и основные свойства синхронных реверсивных счетчиков (Up-down-counter) были рассмотрены в § 4.5. Граф переходов 4-разрядного двоичного реверсивного счетчика изображен на рис. 7.73,а. Ветви графа переходов подписаны значениями сигналов , где сигнал, задающий направление счета: сложение вычитание сигнал переполнения счетчика, называемый также переносом при и заемом при Внутренние состояния счетчика обозначены числами где или 1 — состояние триггера

Рис. 7.73 (см. скан)

Легко убедиться, что двоичные коды внутренних состояний представляют числа в дополнительном коде знаковый разряд). Например, внутреннее состояние счетчика Таким образом, двоичные реверсивные счетчики производят счет числа перепадов тактового сигнала с 1 на 0 в дополнительном коде. Графу переходов, приведенному на рис. 7.73,а, соответствуют функции возбуждения (4.45) -триггеров:

Вычитающий счетчик (Down-counter) задается графом переходов, показанным на рис. 7.73,6. Данный граф переходов получен из графа переходов реверсивного счетчика заданием значения управляющего сигнала На рис. 7.73,в показаны временные диаграммы, поясняющие работу 4-разрядного вычитающего счетчика и соответствующие приведенному графу переходов.

Двоичные реверсивные счетчики.

Реверсивные счетчики, изготавливаемые в интегральном исполнении, имеют, как правило, входы и X асинхронной потенциальной или синхронной параллельной загрузки данных. В некоторых реверсивных счетчиках имеется также вход асинхронного потенциального или синхронного сброса в нулевое состояние. В соответствии с этим для построения реверсивных счетчиков (не только двоичных) используются триггеры типов и с приоритетом входа и 7.5).

Функции возбуждения реализуются внутри ИС с предоставлением пользователю, как правило, управления ими с помощью одного — или двух — и внешних сигналов: или для всех триггеров счетчика. Сигналы переполнения

при использовании одного управляющего входа

при использовании двух управляющих входов и

при отсутствии управляющих входов, где число триггеров в двоичном счетчике.

Как и при описании двоичных суммирующих счетчиков (см. § 7.5), при описании реверсивных счетчиков можно ограничиться указанием лишь типа используемых триггеров и одной из функций переполнения (7.52) - (7.54). На рис. 7.74 приведены двоичные реверсивные счетчики:

555ИЕ17, 74LS669, 74АС11169 - 4-разрядный счетчик с переносом (7.53), выполненный на -триггерах (7.22) (при с синхронной загрузкой данных счет, загрузка);

561ИЕ11, 74НС4516 - 4-разрядный счетчик с переносом (7.52), выполненный на -триггерах (7.26), с асинхронной загрузкой данных счет, загрузка) и асинхронным сбросом значением сигнала (вход имеет высший приоритет);

Рис. 7.74 (см. скан)

555ИЕ13, 74АС11191 - 4-разрядный сметчик с двумя переносами (7.54) и последовательный перенос), выполненный на -триггерах (7.26) (при с асинхронной загрузкой данных счет, загрузка);

74F269, 74АС11269, 74АС11469 - 8-разрядный счетчик с переносом (7.53), выполненный на с синхронной загрузкой данных счет, загрузка);

74АLS867А, 74АС11867 - 8-разрядный счетчик с переносом (7.53), выполненный на -триггерах (7.22), с синхронной загрузкой данных и асинхронным сбросом сброс, счет с вычитанием, 10 — загрузка, 11 — счет со сложением);

74АLS869, 74АС11869 - 8-разрядный счетчик с переносом (7.53), выполненный на -триггерах (7.23), с синхронными сбросбм и загрузкой данных сброс, счет с вычитанием, 10 — загрузка, 11 — счет со сложением);

74АLS8169 - 8-разрядный реверсивный счетчик во всем, за исключением числа разрядов, аналогичный счетчику 169.

Рис. 7.75

В счетчиках используется тактовый сигнал, формируемый двухвходовым ЛЭ. На рис. 7.75,а изображены две эквивалентные схемы, поясняющие воздействие на триггеры сигналов на таких динамических входах. В обеих схемах на триггер воздействует импульсный сигнал

из чего следует двойственность изображений тактового сигнала на условных графических обозначениях триггеров, показанная на рис.

Тактовые входы логически равноценны, так как триггеры на рис. запускаются перепадами с 0 на 1 любого тактового сигнала при значении 0 на другом тактовом входе. Один из входов или можно использовать для стробирования тактового сигнала как показано на рис. 7.74,в на примере

триггера со счетным входом Т = СЕ (счетчика по Триггер описывается функцией переходов Счет разрешен только при значении разрешение счета). Блокировка счета должна производиться при значении тактового сигнала в противном случае состояние триггера изменится под воздействием перехода сигнала Счетчик практически выполнен с соотношениями задержек поэтому предпочтительнее положить

Рис. 7.76

Принципиальная схема счетчика 555ИЕ13 изображена на рис. 7.77, из которой следует, что он описывается функциями:

т.е. тактовые сигналы триггеров где функции возбуждения триггеров определяются выражениями (7.51).

Из этих функций следует, что в счетчике используются, строго говоря, синхронные триггеры группы II (см. § 4.2) — состояния триггеров могут изменяться под воздействием переходов управляющего сигнала при значении сигналов (следует отметить, что большинство синхронных счетчиков выполняются на триггерах группы I). Ложные срабатывания счетчика происходят при изменении сигнала как с 1 на 0 (при значении так и с 0 на 1 (при значении Возможны ложные срабатывания только триггеров поэтому состояние счетчика при ложном срабатывании изменяется

(кликните для просмотра скана)

на При построении синхронных счетчиков на триггерах группы I такие ложные срабатывания счетчика отсутствуют. Временные диаграммы, поясняющие работу счетчика 555ИЕ13 в режиме вычитания, изображены на рис. 7.78.

На рис. 7.79 приведены двоичные реверсивные счетчики с Z-состоянием выходов:

74ALS569А, 74АС11569 - 4-разрядный счетчик с двумя переносами (7.53) и последовательный перенос), выполненный на -триггерах, с синхронной загрузкой данных и синхронным и асинхронным потенциальным сбросом в нулевое состояние; выходы счетчика

74F579, 74АС11579 - 8-разрядный счетчик с переносом (7.53) и двунаправленной шиной данных выполненный на триггерах типа с синхронной загрузкой данных и синхронным и асинхронным потенциальным сбросом в нулевое состояние;

74LS697 - интерфейсное устройство, содержащее 4-разрядный реверсивный счетчик типа 169, но с асинхронным потенциальным входом сброса выходной синхронный регистр памяти и 4-разрядный мультиплексор (рис. 7.80), которое описывается функциями:

74LS699 - интерфейсное устройство, содержащее 4-разрядный реверсивный счетчик типа 169, но с синхронным входом сброса выходной синхронный регистр памяти и 4-разрядный мультиплексор (отличается от ИС 74LS697 только типом входа сброса счетчика).

Описанные ИС удобны для использования в микроконтроллерах, так как не требуется согласование их выходов и с шиной данных микропроцессора.

Двоично-десятичные реверсивные счетчики. Синтез и основные свойства синхронных двоично-десятичных счетчиков

(кликните для просмотра скана)

Рис. 7.80

Рис. 7.81

Рис. 7.82

были рассмотрены в § 4.5. Граф переходов счетчика по mod 10 изображен на рис. 7.81. Ветви графа переходов подписаны значениями сигналов и 1/1, где сигнал, задающий направление счета: сложение вычитание сигнал переполнения счетчика. Внутренние состояния счетчика обозначены числами где или 1 — состояние триггера

Графу переходов, изображенному на рис. 7.81, соответствуют функции возбуждения (4.47) -триггеров:

где

На рис. 7.82. показаны временные диаграммы, поясняющие работу двоично-десятичных реверсивных счетчиков в режиме

вычитания (при значении управляющего сигнала соответствующие графу переходов, изображенному на рис. 7.81. Внутренние состояния счетчика обозначены числами где или 1 — состояние триггера

Функции возбуждения реверсивных двоично-десятичных счетчиков реализуются с предоставлением пользователю управления ими с помощью одного — или двух — и внешних сигналов: или для всех триггеров счетчика. Сигналы переполнения

при использовании одного управляющего входа

при использовании двух управляющих входов и

Каждой ИС 4-разрядного реверсивного двоичного счетчика, как правило, соответствует идентичная по цоколевке и функциональному назначению ИС реверсивного двоично-десятичного счетчика. Поэтому для функционального описания таких реверсивных двоично-десятичных счетчиков достаточно указать это соответствие и заменить функции переноса (7.52) и (7.53) на функции (7.56) и (7.57). На рис. 7.83 приведены ИС:

555ИЕ16, 74X5668, 74АС11168 — двоично-десятичный реверсивный счетчик, аналогичный двоичному реверсивному счетчику 169 (см. рис. 7.74);

533ИЕ12, 74АС11190 - двоично-десятичный реверсивный счетчик, аналогичный двоичному реверсивному счетчику 191 (см. рис. 7.74);

74АLS568А, 74АС11568 - двоично-десятичный реверсивный счетчик, аналогичный двоичному реверсивному счетчику 569/4 (см. рис. 7.79);

74LS696 - интерфейсное устройство на основе двоично-десятичного реверсивного счетчика типа 168 с асинхронным входом сброса счетчика, аналогичное интерфейсному устройству на основе двоичного реверсивного счетчика типа 169 (см. рис. 7.79);

74LS698 - интерфейсное устройство на основе двоично-десятичного реверсивного счетчика типа 168 с синхронным входом сброса аналогичное устройству 74X5699 на основе двоичного реверсивного счетчика типа 169 (см. рис. 7.79);

МС14510В, 74НС4510 - двоично-десятичный реверсивный счетчик, аналогичный двоичному реверсивному счетчику 4516 (см. рис. 7.74);

Рис. 7.83 (см. скан)

564ИЕ14 - 4-разрядный двоичный/двоично-десятичный реверсивный счетчик с переносом выполненный на -триггерах (7.26) (при с асинхронной загрузкой данных счет, загрузка); сигнал управляет типом счета двоичный счет, двоично-десятичный счет).

В двоично-десятичных реверсивных счетчиках шесть внутренних состояний от до при естественном десятичном счете не используются. При программировании модуля пересчета можно задавать числа принудительно переводя счетчик в эти состояния. На рис. 7.84 изображен полный граф переходов двоично-десятичного реверсивного счетчика по которому можно установить его поведение при установке любого состояния. Все двоично-десятичные реверсивные счетчики при работе в режиме вычитания описываются графом переходов, представленным на рис. Это позволяет при программировании модуля пересчета вычитающих счетчиков задавать числа в 16-ричной системе счисления При работе в режиме суммирования графы переходов зависят от типа ИС. Так, счетчик 74LS190 при значении сигнала описывается графом переходов, приведенным на рис. 7.69,а.

Рис. 7.84

Каскадирование реверсивных счетчиков с сигналами управления

Суммирующие счетчики являются частным случаем реверсивных счетчиков, что следует из сравнения функций (7.21) с функциями (7.51) и функций (7.42) с функциями (7.55) при значении сигнала Поэтому все методы каскадирования, разработанные для суммирующих счетчиков, естественно, остаются в силе и для реверсивных счетчиков, имеющих аналогичные управляющие сигналы или и

На рис. 7.85,а показана структурная схема -разрядного двоичного реверсивного счетчика с последовательным переносом (СЕ - Count Enable - разрешение счета), построенная на пяти 4-разрядных двоичных реверсивных счетчиках. На основании (7.53) легко получить:

т. е. в данном многокаскадном счетчике функции переполнения

Рис. 7.85

формируются многоярусными КС (сигнал переполнения распространяется последовательно через все 4-разрядные счетчики). Следовательно, недостатком этой схемы является значительное уменьшение максимального значения частоты тактового сигнала по сравнению с максимально допустимой для одного 4-разрядного счетчика (для правильного срабатывания триггеров суммарная задержка сигнала во всех последовательно включенных счетчиках не должна превышать периода тактового сигнала).

Из предыдущих соотношений следует, что сигналы переполнения в многокаскадных двоичных реверсивных счетчиках с последовательным переносом, построенных на 4-разрядных двоичных реверсивных счетчиках, можно представить в общем виде:

Длительность активного уровня (0) сигнала переполнения равна периоду тактового сигнала а значит, и все остальные сигналы переполнения без учета задержек имеют такую же длительность. Из-за последовательной задержки сигнала переполнения каждый следующий

сигнал переполнения имеет меньшую длительность активного уровня, чем предыдущий

Структурная схема -разрядного двоичного реверсивного счетчика с параллельным переносом, соответствующая схеме двоичного суммирующего счетчика, приведенной на рис. 7.50, б, показана на рис. 7.85, б. Внешние свойства двоичных и двоично-десятичных реверсивных счетчиков не зависят от типа счета (от функций возбуждения триггеров поэтому в любой схеме, построенной на двоичных реверсивных счетчиках, можно использовать и соответствующие им двоично-десятичные реверсивные счетчики. В частности, в схемах, изображенных на рис. 7.85 можно произвести такую замену.

Принципиальная схема -разрядного двоичного реверсивного счетчика с последовательным переносом, выполненная на трех представлена на рис. 7.86,а. Параллельная загрузка -разрядного двоичного числа значением сигнала позволяет начинать счет с заданного начального внутреннего состояния счетчика. Если в этом счетчике ИС 555ИЕ17 заменить на ИС 531ИЕ16, то получится трехразрядный двоично-десятичный счетчик с последовательным переносом. Сигналы переполнения этого счетчика на основании (7.57) описываются функциями:

Структурная схема -разрядного двоичного реверсивного счетчика с параллельным переносом, построенная на пяти 4-разрядных двоичных реверсивных счетчиках, показана на рис. На основании (7.53) легко получить:

т.е. сигналы переноса не зависят от состояний триггеров а значит, длительность активных

Рис. 7.86

уровней всех этих сигналов определяется длительностью значения сигнала переноса равной (длительность нулевого активного уровня сигнала равна периоду тактового сигнала

Максимально допустимая частота тактового сигнала у этого счетчика не зависит от числа используемых ИС, а определяется только быстродействием триггеров и временем прохождения сигнала через формирующий его ЛЭ, находящийся внутри ИС, и цепи формирования функций возбуждения одного счетчика по Это объясняется тем, что последовательно распространяется через ИС сигнал переноса длительность активного уровня которого в 16 раз больше, чем у сигнала (при практически используемых разрядностях счетчиков задержка сигнала на время невозможна).

Сигналы переноса в многокаскадных двоичных реверсивных счетчиках с параллельным переносом, построенных на 4-разрядных двоичных реверсивных счетчиках, можно представить в общем виде:

Принципиальная схема -разрядного двоичного реверсивного счетчика с параллельным переносом, выполненная на трех представлена на рис. Если в этом счетчике ИС 555ИЕ17 заменить на ИС 531ИЕ16, то получится трехразрядный двоично-десятичный реверсивный счетчик с параллельным переносом. Сигналы переполнения этого счетчика на основании (7.57) описываются функциями:

Реверсивные счетчики с синхронной параллельной загрузкой данных можно использовать для построения сдвигающих регистров и многокаскадных счетчиков с последовательной загрузкой данных и последовательным выводом результатов счета. На рис. 7.87,а показан -разрядный двоичный реверсивный счетчик с последовательным вводом и выводом 4-разрядных данных. Сигнал управления переключает режимы работы счетчика: счет,

— сдвиг. Загрузка данных осуществляется по последовательным входам а вывод результата счета — по последовательным выходам Загрузку данных и вывод результата счета можно выполнять одновременно. При значении сигнала управления счетчик превращается в -разрядный сдвигающий регистр. Значения сигналов задает режим хранения данных.

Все двоичные реверсивные счетчики производят счет числа изменений тактового сигнала с 1 на 0 в дополнительном коде, если старший разряд считать знаковым. Так, при вычитании счетчик, состоящий из m триггеров, из внутреннего состояния переходит в состояние т. е. все триггеры изменяют состояние с 0 на 1 и полученный двоичный код соответствует дополнительному коду числа —1. С помощью специальных схем управления можно построить счетные схемы с представлением результата счета в других кодах.

На рис. изображена схема счета в прямом коде, выполненная на двух Управление счетчиком производится сигналом х, который задает направление счета:

— сложение, вычитание. Число изменений тактового сигнала на 1 с учетом знака, задаваемого сигналом х, представляется в прямом коде:

Рис. 7.87 (см. скан)

где знак числа знак; число положительное, число отрицательное), модуль числа. В каждом сеансе работы (от старта до съема значения счетчик не должен переполняться, т. е. в течение всего сеанса работы должно выполняться условие При достижении значения счетчик переполняется, если сигнал управления а при значении состояние счетчика изменится на состояние что допустимо любое число раз.

Из схемы счетчика следует, что сигнал управления направлением счета и при отсутствии переполнения

счетчика сигнал

где в нулевом состоянии счетчика, сигнал заема. Работа триггера знака числа описывается функцией переходов

поэтому при достижении нулевого состоящая сигнал заема а значит при что обеспечивает переход в следующем такте из состояния в состояние независимо от значения х при знаке числа равном текущему значению х.

На рис. 7.87,в изображены временные диаграммы, построенные на основании приведенных выше функций, — длительность импульсного сигнала определяется быстродействием используемых ИС и составляет не при построении схемы на ИС серии 555. Из этого следует, что схема счета в прямом коде представляет собой асинхронный импульсный автомат. Быстродействие таких автоматов значительно ниже быстродействия синхронных автоматов, так как они срабатывают и от входных информационных сигналов (в данном случае от сигнала между двумя соседними воздействиями импульсного сигнала Сигнал CLR (Clear - очистка) служит для синхронного сброса счетчика в нулевое состояние. В описанной схеме можно использовать и двоично-десятичные реверсивные счетчики.

Пример применения реверсивных счетчиков в микроконтроллерах и микроЭВМ приведен на рис. 7.88. Структура системных шин показана для случая использования микропроцессора Программируется модуль пересчета загрузкой в счетчик 8-разрядного двоичного числа сигналом при значении адресного сигнала выдаваемого дешифратором портов внешних устройств. Поскольку загрузка синхронная, то длительность значения сигнала загрузки должна быть больше периода тактового сигнала

Чтение состояния счетчика производится по шине данных сигналом при выполнении команд ввода

Рис. 7.88

программы обслуживания внешнего устройства, выполняемой микропроцессором. При переполнении счетчика устанавливается значение сигнала запрос прерывания), который подается на контроллер прерываний для организации ввода-вывода по прерыванию. После обслуживания прерывания производится загрузка числа и сброс триггера запроса прерывания сигналом Формировать сигналы и можно как аппаратно, так и программно. При программном формировании сигналов и требуется добавить два триггера (одну управление которыми производится подобно управлению триггером, формирующим сигнал (только следует задать для установки значений сигналов 0 и 1, задаваемых программным способом по шине данных).

Каскадирование счетчиков типа 555ИЕ13.

Методы каскадирования счетчиков с сигналами переполнения (7.52) и

(7.54) отличаются от ранее рассмотренных методов. Реверсивный счетчик имеет два сигнала переполнения (см. рис. 7.77)

один из которых описывается функцией (7.54). Сигнал RC стробируется тактовым сигналом поэтому он принципиально не может иметь ложных значений во время переходных процессов. Значит, этот сигнал можно подать на тактовый вход другого счетчика. В результате будет получен асинхронный импульсный счетчик (рис. 7.89,а), описываемый функциями:

где Максимальное значение частоты тактового сигнала Но не зависит от числа каскадов.

Схема синхронного счетчика с последовательным переносом изображена на рис. Она построена по тому же принципу, что и схема, показанная на рис. 7.86,а. Легко показать, что сигналы переполнения описываются функциями:

которые отличаются от функций (7.58) только стробированием тактовым сигналом

Поскольку длительность активного уровня сигнала вдвое меньше, чем у сигнала переполнения (см. рис. 7.78), то задержка сигнала в последовательно соединенных счетчиках не должна превышать полпериода тактового сигнала (допустимая задержка вдвое меньше, чем в схеме, приведенной на рис. 7.86,а, при равенстве полупериодов тактового сигнала Чем выше порядок КС, реализующей функции переноса (7.61), тем меньше максимальное значение частоты тактового сигнала.

Схему синхронного счетчика с параллельным переносом можно построить только при использовании внешних ЛЭ (рис. 7.89,в) для формирования сигналов разрешения счета

где которые совпадают с функциями (7.58) при значении сигнала Для реализации функций (7.62) требуются многовходовые ЛЭ И-НЕ.

Рис. 7.89 (см. скан)

Каскадирование счетчиков с одним сигналом управления Ро

Счетчики с таким сигналом управления и функцией переполнения (7.52) изготавливаются по КМОП-технологии: например, ИС 561ИЕ11 (см. рис. 7.74) и 561ИЕ14 (см. рис. 7.83). Структурная схема -разрядного асинхронного импульсного двоичного реверсивного счетчика изображена на рис. 7.90, а:

Рис. 7.90 (см. скан)

где Данные функции совпадают с функциями (7.60) при значении сигнала Максимальное значение частоты тактового сигнала Но не зависит от числа каскадов.

Схема -разрядного синхронного счетчика с последовательным переносом изображена на рис. Легко показать, что сигналы переполнения описываются функциями

которые совпадают с функциями (7.58). Задержка сигналов должна быть меньше периода тактового сигнала

Схему счетчика с параллельным переносом выполнить невозможно даже при использовании внешних ЛЭ при функции переноса типа (7.52).

Генератор параллельного переноса для счетчиков.

Принцип построения схемы параллельного переноса на ЛЭ И-НЕ был рассмотрен на примере счетчика, изображенного на рис. 7.89,в. Выпускается универсальный генератор параллельного (ускоренного) переноса 7445264 (рис. 7.91,a; CLA - Look-Ahead Carry Generators for Counters). Данный генератор описывается функциями:

Рис. 7.91

При подстановке значений сигналов получаются функции

которые представляют собой функции переполнения 4-каскад-ных счетчиков, построенных, например, на 4-разрядных счетчиках с инверсными сигналами (рис. Структурная схема 4-каскадного 16-разрядного двоичного реверсивного счетчика, построенная на основе генератора параллельного переноса, приведена на рис. 7.92. В этой схеме можно использовать и двоично-десятичные счетчики, например,

При подстановке значений сигналов получаются функции

(кликните для просмотра скана)

которые представляют собой функции переполнения 4-каскад-ных счетчиков, построенных, например, на 4-разрядных счетчиках с прямыми сигналами Структурная схема 4-каскадного 16-разрядного двоичного суммирующего счетчика, построенная на основе генератора параллельного переноса, приведена на рис. 7.93. В этой схеме можно использовать и двоично-десятичные счетчики, например, 555ИЕ9.

Программирование модуля пересчета счетчиков с синхронной загрузкой данных.

Методы программирования модуля пересчета не зависят от направления счета, поэтому в любой схеме программируемого двоичного суммирующего счетчика можно использовать и соответствующие по набору управляющих сигналов реверсивные как двоичные, так и двоично-десятичные счетчики (конечно, в схеме следует произвести некоторые изменения, вызванные необходимостью замены сигнала сброса на сигнал управления направлением счета и несовпадением активных уровней некоторых сигналов). В частности, все формулы, определяющие модуль пересчета суммирующих двоичных и двоично-десятичных счетчиков будут справедливы и для соответствующих реверсивных счетчиков при включении их на сложение Значит, остается получить лишь формулы для модуля пересчета тех же схем, но при включении реверсивных счетчиков на вычитание

На рис. 7.94,а показана схема включения реверсивного двоичного счетчика на вычитание с программированием модуля пересчета (ср. с рис. 7.54) загрузкой числа сигналом Как следует из выражения (7.53), сигнал переполнения Ко, т.е. сигнал загрузки в состоянии счетчика а значит счетчик описывается графом переходов, изображенным на рис. Из графа переходов видно, что модуль пересчета Таким образом, в общем случае модуль пересчета

где модуль пересчета при значении сигнала (вычитание) и допустимых значениях числа модуль пересчета при значении сигнала (сложение) и допустимых значениях числа

По заданному модулю пересчета можно найти число которое необходимо загружать при каждом переполнении счетчика. Так, из выражения (7.65) следует, что

Рис. 7.94

При программировании модуля пересчета реверсивных счетчиков предпочитают включать их на вычитание из-за более естественной работы счетчика (декремент состояний счетчика от значения До значения и простоты отыскания значений разрядов числа Временные диаграммы, изображенные на рис. 7.94,в, поясняют работу вычитающего счетчика при загрузке сигналом числа

На рис. 7.95,а показана схема включения двоично-десятичного реверсивного счетчика на вычитание с программированием модуля пересчета загрузкой числа сигналом Как следует из выражения (7.57), сигнал переполнения сигнал загрузки в состоянии счетчика Счетчик описывается графом переходов, изображенным на рис. Этот граф переходов получен заданием значения в полном графе переходов двоично-десятичного счетчика, приведенном на рис. 7.84. Из графа переходов видно, что модуль пересчета Таким образом, в общем случае модуль пересчета

где модуль пересчета при значении сигнала (вычитание) и допустимых значениях числа

(кликните для просмотра скана)

— модуль пересчета при значении сигнала (сложение) и допустимых значениях числа определяемый выражением (7.45).

Из выражения (7.67) следует, что

Для программирования модуля пересчета многокаскадных двоичных счетчиков используется, как правило, сигнал загрузки На рис. 7.96,а показана структурная схема многокаскадного реверсивного счетчика с последовательным переносом и сигналом загрузки Как следует из соотношений (7.53), (7.57) и (7.58) при значениях управляющих сигналов сигнал загрузки как для двоичных, так и для двоично-десятичных реверсивных счетчиков Поэтому формулы для модулей пересчета получаются из соотношений (7.65) и (7.67) для 4-разрядных счетчиков простым изменением разрядности чисел. Так, для 16-разрядного двоичного реверсивного счетчика модули пересчета

число разрядов счетчика, -разрядное двоичное число, модуль пересчета вычитающего счетчика при допустимых значениях числа модуль пересчета суммирующего счетчика при допустимых значениях для 4-разрядного двоично-десятичного реверсивного счетчика модули пересчета

где — число десятичных разрядов счетчика, модуль пересчета вычитающего счетчика при допустимых значениях разрядов и чисел номер разряда), модуль пересчета суммирующего счетчика при допустимых значениях разрядов и чисел

При использовании значений разрядов счет производится не в десятичной системе счисления с представлением результата счета в коде 8-4-2-1. При использовании счетчиков

в качестве делителей частоты это позволяет получать коэффициенты деления Из выражений (7.69) и (7.70) следует, что для двоичных реверсивных счетчиков загружаемое при программировании число

а для двоично-десятичных загружаемое число

(например, при модули пересчета

Пример. Пусть требуется спроектировать делитель частоты с коффициентом деления на двоично-десятичных счетчиках. Из соотношений (7.72) следует, что для этого требуется не более двух десятичных разрядов, так как а загружаемое число Поскольку то можно взять или Поэтому можно использовать одно из двух двоичных представлений загружаемого числа

Принципиальная схема -разрядного двоичного счетчика с последовательным переносом показана на рис. 7.97,а. В этой же схеме можно использовать и двоично-десятичные реверсивные счетчики

Структурная схема многокаскадного счетчика с параллельным переносом и сигналом загрузки изображена на рис. Легко убедиться, что программирование модуля пересчета этого счетчика ничем не отличается от программирования модуля пересчета счетчика с последовательным переносом. В частности, модуль пересчета определяется соотношениями (7.69) для двоичного и (7.70) для двоично-десятичного реверсивных счетчиков. Принципиальная схема -разрядного двоичного счетчика с параллельным переносом показана на рис. В этой же схеме можно использовать и двоично-десятичные реверсивные счетчики

Вторая структурная схема многокаскадного счетчика с параллельным переносом и сигналом загрузки показана на рис. 7.96,в. Как и в соответствующем суммирующем двоичном (двоично-десятичном) счетчике (см. рис. 7.58,в), загрузка числа производится на 15 (9) тактов раньше, чем в предыдущих счетчиках. Из этого следует, что модуль пересчета

Рис. 7.97 (см. скан)

двоичного реверсивного счетчика с параллельным переносом и сигналом загрузки определяется выражениями:

число двоичных разрядов счетчика), а двоично-десятичного реверсивного счетчика — выражениями:

где число десятичных разрядов счетчика, модуль пересчета вычитающего счетчика при допустимых значениях разрядов и чисел

номер разряда), модуль пересчета суммирующего счетчика при допустимых значениях разрядов и чисел

Принципиальная схема -разрядного двоичного счетчика с параллельным переносом и сигналом загрузки показана на рис. 7.97,в. В этой же схеме можно использовать и двоично-десятичные реверсивные счетчики Наибольшее быстродействие имеют программируемые счетчики, представленные на рис. 7.96,6 и 7.97,6, так как активный уровень сигнала определяется значением переноса который без задержки подается по параллельной цепи на ЛЭ ИЛИ. При использовании экспериментальные максимальные значения частоты тактового сигнала при программировании любого модуля пересчета 16-разрядных двоичных счетчиков составляют для счетчика, выполненного по для счетчика, выполненного по для счетчика, выполненного по

Программирование модуля пересчета счетчиков с асинхронной загрузкой данных.

Загрузка чисел при программировавши модуля пересчета асинхронным потенциальным сигналом производится немедленно без воздействия импульсного сигнала по которому при счете совершаются переходы внутренних состояний счетчика. На рис. 7.98,а показано включение счетчика на вычитание сзаписью сигналом числа где Так как при этом внутреннее состояние счетчика изменяется на состояние (рис. или 1), то длительность сигнала определяется лишь быстродействием ИС, т. е. сигнал импульсный сигнал с низким (0) активным уровнем.

На рис. изображен граф переходов, описывающий работу счетчика при программировании модуля пересчета, — переход, обозначенный штриховой линией, выполняется в том же такте, что и переход из состояния в состояние т.е. за один такт осуществляется два перехода. Из графа переходов следует, что модуль пересчета счетчика на 1 меньше, чем в счетчике с синхронной загрузкой данных, изображенной на рис. 7.94,а. Аналогично можно показать, что при подаче на счетчик, представленный на рис. 7.98,а,

(кликните для просмотра скана)

сигнала U = 0 (включение на сложение) модуль пересчета будет равен 10. В общем случае модуль пересчета двоичного реверсивного счетчика с асинхронной загрузкой данных задается выражениями:

где

Основным недостатком рассмотренного метода программирования модуля пересчета является уменьшение быстродействия счетчика из-за срабатывания триггеров дважды за один такт при загрузке данных (максимально допустимая частота тактового сигнала уменьшается, по меньшей мере, в два раза). Кроме того, в принципе возможны, хотя и маловероятно, сбои в работе счетчика из-за недостаточной длительности импульсного сигнала для некоторых триггеров счетчика (если бы триггеры сильно различались по быстродействию, то счетчик не смог бы работать правильно).

В схеме, изображенной на рис. 7.98,а, можно использовать и двоично-десятичный реверсивный счетчик 74X5190 (см. рис. 7.83), модули пересчета которого будут определяться соотношениями:

где

На рис. 7.98,6 показано включение счетчика на вычитание с квазисинхронной загрузкой числа или конвейерным переносом. Сигнал переполнения задерживается -триггером на один такт (рис. 7.100,а), поэтому загрузка числа производится в состоянии счетчика а не в состоянии (рис. и на загрузку числа затрачивается один такт (квазисинхронная загрузка). Из этого следует, что модуль пересчета определяется соотношениями:

где

Из этих выражений видно, что модуль пересчета может быть больше В принципе, цифровой автомат, содержащий пять триггеров, может иметь внутренних состояния. Хотя 4-разрядный счетчик не может иметь более 16 внутренних состояний, однако некоторые его состояния под управлением -триггера могут повторяться дважды за цикл пересчета. Так, при значении управляющего сигнала (вычитание) и загрузке числа внутреннее состояние счетчика устанавливается в двух последовательных тактах.

Длительность активного уровня задержанного сигнала переполнения счетчика равна периоду тактового сигнала поэтому надежность срабатывания всех триггеров счетчика гарантирована. Быстродействие счетчика с квазисинхронной загрузкой не ниже быстродействия счетчика с синхронной загрузкой, если задержка сигнала переполнения в счетчике относительно тактового сигнала II не меньше задержки сигнала в -триггере.

Если в схеме на рис. двоичный счетчик заменить на двоично-десятичный реверсивный счетчик 74X5190, то модули пересчета будут определяться выражениями:

где

Задержка сигналов переполнения и RC в относительно тактового сигнала несколько больше задержки выходных сигналов триггеров поэтому повысить быстродействие программируемого счетчика можно использованием сигналов для загрузки данных На рис. 7.101 приведена схема счетчика с программируемым модулем пересчета, выполненная на основе универсальной схемы временной привязки см. рис. 5.132).

Рис. 7.101

Временные диаграммы, изображенные на рис. 7.102,а, поясняют работу вычитающего счетчика для случая загрузки числа обеспечивает проведение квазисинхронной загрузки в состоянии счетчика Из графа переходов (рис. следует, что модуль пересчета В суммирующем счетчике его старший разряд изменяется с 0 на 1 при переходе из состояния в состояние Значение

Рис. 7.102 (см. скан)

сигнала загрузки выдает на такт позже в состоянии поэтому модуль пересчета при квазисинхронной загрузке числа (рис. 7.102,в). В общем случае модули пересчета двоичного реверсивного счетчика с квазисинхронной загрузкой данных с помощью УСВП задаются выражениями:

где

Из этих выражений видно, что модуль пересчета может быть равен 18. Под управлением УСВП некоторые состояния счетчика могут повторяться дважды за цикл пересчета. Так, при значении управляющего сигнала (вычитание) и загрузке числа последовательность внутренних состояний счетчика и 14 повторяется два раза за цикл пересчета.

Программируемый -разрядный двоичный реверсивный счетчик с последовательным переносом и асинхронной потенциальной загрузкой данных представлен на рис. 7.103.

(кликните для просмотра скана)

Надежность его работы ниже надежности работы 4-разрядного счетчика из-за возможного различия в быстродействии ИС, что более вероятно, чем значительное различие быстродействия триггеров внутри ИС. Модули пересчета этого счетчика определяются выражениями:

где Непрограммируемый -разрядный двоичный реверсивный счетчик с последовательным переносом и квазисинхронной загрузкой данных приведен на рис. 7.104,а. Надежность его работы гарантирована, так как длительность активного уровня сигнала загрузки равна периоду тактового сигнала Модули пересчета этого счетчика определяются выражениями:

Непрограммируемый -разрядный двоичный реверсивный счетчик с последовательным переносом и квазисинхронной загрузкой данных, выполненной на основе приведен на рис. Модули пересчета этого счетчика определяются выражениями:

где

Реверсивные счетчики 561ИЕ11 и 561ИЕ14 с асинхронной потенциальной загрузкой данных (см. рис. 7.74 и 7.83), изготовляемые по КМОП-технологии, хотя и отличаются по принципу управления от счетчика однако допускают использовать те же методы программирования модуля пересчета. Программируемый -разрядный двоичный реверсивный счетчик с последовательным переносом и асинхронной потенциальной загрузкой данных, выполненный на ИС 561ИЕ11 и эквивалентный счетчику, приведенному на рис. 7.103, изображен на рис. 7.105,а. Сигнал загрузки поэтому модули пересчета этого счетчика определяются выражениями (7.80).

Программируемый -разрядный двоичный реверсивный счетчик с последовательным переносом и квазисинхронной загрузкой данных, выполненный на ИС561ИЕ11 и эквивалентный

Рис. 7.105

счетчику, приведенному на рис. 7.104, а, показан на рис. Модули пересчета этого счетчика определяются соотношениями (7.81). В схемах, изображенных на рис. 7.105, можно использовать и ИС 561ИЕ14 при замене сигнала сброса на сигнал ML управления двоичным/двоично-десятичным счетом. Схема -разрядного двоичного счетчика, приведенная на рис. работает на частоте при напряжении питания Частота -разрядного двоичного счетчика с квазисинхронной загрузкой (одна ИС 561ИЕ11 и -триггер напряжение питания

Программирование модуля пересчета счетчиков с синхронной загрузкой данных и конвейерным переносом.

Конвейерный перенос можно использовать не только для организации квазисинхронной загрузки, но и в счетчиках с синхронной загрузкой чисел для увеличения их быстродействия при программировании модуля пересчета.

На рис. 7.106 показан программируемый счетчик с конвейерным переносом, выполненный на ИС серии 531. Среднее время задержки распространения от входа тактового сигнала до некоторого выхода характеризует быстродействие

схемы, в которой сигнал с данного выхода подается по цепи обратной связи на какой-либо управляющий вход схемы. Так, время задержки распространения не от входа до выхода и не от входа до выхода Из этого следует, что быстродействие счетчика будет примерно в два раза больше при использовании сигнала синхронной загрузки чем при Задержка же сигнала загрузки на целое число тактов (в данном случае на один) учитывается при вычислении загружаемого числа по заданному значению модуля пересчета

Рис. 7.106

Временные диаграммы, изображенные на рис. 7.107,а, поясняют работу счетчика при загрузке числа загрузка производится в состоянии счетчика т. е. на один такт позже, чем в счетчике, приведенном на рис. 7.94,а. Из графа переходов (рис. следует, что модуль пересчета В общем случае модуль пересчета определяется выражениями:

где При значении модуля пересчета, равном 17, одно из внутренних состояний при или при повторяется дважды за цикл пересчета (рис. 7.108).

Время задержки распространения не от входа до выходов в [29], поэтому увеличения быстродействия или надежности работы счетчика можно добиться использованием УСВП (рис. 7.109). Модули пересчета такого счетчика определяются соотношениями (7.79).

Схема 4-разрядного двоичного реверсивного счетчика с конвейерным переносом показана на рис. 7.110,а, а его условное графическое изображение — на рис. 7.110,6 (СТРС - Counter with Pipeline Carry). Такие счетчики можно каскадировать всеми рассмотренными ранее методами. На рис. 7.111,а представлена структурная схема 16-разрядного двоичного реверсивного счетчика с последовательным конвейерным переносом и программируемым модулем пересчета. Модули пересчета этого

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

счетчика определяются выражениями:

где число разрядов счетчика, -разрядное двоичное число,

При использовании счетчик работает на частоте тактового сигнала равной независимо от числа каскадов.

Схема 16-разрядного двоичного реверсивного счетчика с параллельным конвейерным переносом и программируемым модулем пересчета изображена на рис. Модули пересчета этого счетчика определяются выражениями:

где число разрядов счетчика, -разрядное двоичное число, Счетчик работает на частоте тактового сигнала И, равной

При проектировании счетчиков можно использовать разложение модуля пересчета на множители, в частности, на простые множители. Пусть требуется построить счетчик, имеющий модуль пересчета который представим в виде произведения двух чисел На рис. 7.112,а изображен синхронный счетчик с последовательным переносом и раздельной загрузкой чисел Длительность активных уровней сигналов загрузки равна периоду тактового сигнала

Повысить надежность работы счетчика без снижения частоты тактового сигнала можно с помощью асинхронного включения счетчиков по (рис. простые числа; загружаемые числа). В этом случае быстродействие всего счетчика определяется первым счетчиком (по так как частота тактового сигнала втброго счетчика в 11 раз ниже частоты тактового сигнала при скважности 11/3 (рис. 7.112,в). Повысить быстродействие первого счетчика можно использованием конвейерного переноса для формирования сигнала загрузки (рис. 7.113). Такой счетчик работает на частоте тактового сигнала равной

(кликните для просмотра скана)

Таблица 7.10. (см. скан) Программирование модуля пересчета

Рис. 7.114

Переключение модулей пересчета реверсивных счетчиков.

Проектирование счетчиков с переключаемым модулем пересчета может быть выполнено на любом реверсивном счетчике на основании соотношений (7.65) - (7.85), определяющих их модули пересчета.

Пусть требуется синтезировать счетчик с четырьмя модулями пересчета, задаваемыми табл. 7.10. Для достижения максимального быстродействия следует использовать счетчик с конвейерным переносом (рис. 7.106), модуль пересчета которого описывается соотношениями (7.83). При включении счетчика на вычитание модуль пересчета а значит должны загружаться числа Занеся эти числа в табл. 7.10, легко найти, что Полученным функциям соответствует схема, изображенная на рис. 7.114.