Меню

4 разрядный асинхронный счетчик



Счётчики. Асинхронные счётчики

Введение в цифровую схемотехнику

10. Счётчики. Асинхронные счётчики

Счетчики представляют собой более высокий, чем регистры, уровень сложности цифровых микросхем, имеющих внутреннюю память. Хотя в основе любого счетчика лежат те же самые триггеры, которые образуют и регистры, но в счетчиках триггеры соединены более сложными связями, в результате чего их функции — сложнее, и на их основе можно строить более сложные устройства, чем на регистрах. Точно так же, как и в случае регистров, внутренняя память счетчиков — оперативная, то есть ее содержимое сохраняется только до тех пор, пока включено питание схемы. С выключением питания память стирается, а при новом включении питания схемы содержимое памяти будет произвольным, случайным, зависящим только от конкретной микросхемы, то есть выходные сигналы счетчиков будут произвольными.

Работа 4-разрядного двоичного счетчика

Асинхронные счетчики строятся из простой цепочки JK-триггеров, каждый из которых работает в счетном режиме. Выходной сигнал каждого триггера служит входным сигналом для следующего триггера. Поэтому все разряды (выходы) асинхронного счетчика переключаются последовательно (отсюда название — последовательные счетчики), один за другим, начиная с младшего и кончая старшим. Каждый следующий разряд переключается с задержкой относительно предыдущего, то есть, вообще говоря, асинхронно, не одновременно с входным сигналом и с другими разрядами.

Асинхронные счетчики стандартных серий

Чем больше разрядов имеет счетчик, тем большее время ему требуется на полное переключение всех разрядов. Задержка переключения каждого разряда примерно равна задержке триггера, а полная задержка установления кода на выходе счетчика равна задержке одного разряда, умноженной на число разрядов счетчика. Легко заметить, что при периоде входного сигнала, меньшем полной задержки установления кода счетчика, правильный код на выходе счетчика просто не успеет установиться, поэтому такая ситуация не имеет смысла. Это накладывает жесткие ограничения на период (частоту) входного сигнала, причем увеличение, к примеру, вдвое количества разрядов счетчика автоматически уменьшает вдвое предельно допустимую частоту входного сигнала.

Временная диаграмма работы 4-разрядного асинхронного счетчика

Основное применение асинхронных счетчиков состоит в построении всевозможных делителей частоты, то есть устройств, выдающих выходной сигнал с частотой, в несколько раз меньшей, чем частота входного сигнала. В данном случае нас интересует не выходной код счетчика, то есть не все его разряды одновременно, а только один разряд, поэтому взаимные задержки отдельных разрядов не играют роли, полная задержка переключения счетчика не имеет значения. Простейший пример делителя частоты на два — это триггер в счетном режиме или счетчик, выходным сигналом которого является выход первого, младшего разряда 1.

При построении делителей частоты иногда важна не только частота выходного сигнала, но и его форма, его скважность, то есть отношение периода следования импульсов к длительности этих импульсов. В таких случаях чаще всего требуется меандр — цифровой сигнал со скважностью, равной двум (длительность импульсов равна длительности паузы между ними). Получить меандр из любого сигнала довольно просто: надо использовать дополнительный делитель частоты на 2, правда, при этом частота выходного сигнала уменьшится еще вдвое.

В делителе использован счетчик ИЕ2, у которого одноразрядный внутренний счетчик включен после трехразрядного внутреннего счетчика. Трехразрядный счетчик делит частоту входного сигнала на 5, но выходные импульсы имеют скважность, не равную двум (она равна 5). Одноразрядный счетчик делит частоту еще вдвое и одновременно формирует меандр. Задержки переключения разрядов счетчика относительно друг друга на рисунке не показаны (применяем первый уровень представления, логическую модель).

Делитель частоты на 10, выдающий меандр

Иногда возникает задача деления частоты входного сигнала в произвольное число раз (не в 10 и не в 2 n , что легко обеспечивается самой структурой стандартных счетчиков). В этом случае можно организовать сброс счетчика при достижении им требуемого кода путем введения обратных связей. Например, на рис. показан простейший делитель частоты на 9 на основе счетчика ИЕ5. При достижении его выходным кодом значения 9 (то есть 1001) счетчик автоматически сбрасывается в нуль по входам R1 и R2, и счет начинается снова. В результате частота выходного сигнала в 9 раз меньше частоты входного сигнала. При этом скважность выходного сигнала не равна двум. Временная диаграмма показана на рисунке для первого уровня представления (без учета временных задержек).

Делитель частоты на 9 с обратными связями

Если в числе, на которое надо делить частоту, больше двух единиц (например, 15, то есть 1111, или 13, то есть 1101), то для формирования сигнала сброса надо использовать элементы 2И, 3И или 4И, чтобы объединить все выходы, равные единице. В результате можно построить делитель входной частоты в любое число раз от 2 до 2N, где N — число разрядов используемого счетчика. Правда, при организации обратных связей надо учитывать ограничение на быстродействие счетчика. Все разряды, используемые для обратной связи, должны успеть переключиться за один период входного сигнала. Скважность выходного сигнала может принимать в данном случае самые разные значения, например, выходной сигнал может представлять собой очень короткие импульсы.

Источник

Асинхронные счетчики

Дата добавления: 2014-11-27 ; просмотров: 4610 ; Нарушение авторских прав

Асинхронные счетчики строятся из простой цепочки JK-триггеров, каждый из которых работает в счетном режиме. Выходной сигнал каждого триггера служит входным сигналом для следующего триггера. Поэтому все разряды (выходы) асинхронного счетчика переключаются последовательно (отсюда название — последовательные счетчики), один за другим, начиная с младшего и кончая старшим. Каждый следующий разряд переключается с задержкой относительно предыдущего (рис. 9.2), то есть, вообще говоря, асинхронно, не одновременно с входным сигналом и с другими разрядами.

Чем больше разрядов имеет счетчик, тем большее время ему требуется на полное переключение всех разрядов. Задержка переключения каждого разряда примерно равна задержке триггера, а полная задержка установления кода на выходе счетчика равна задержке одного разряда, умноженной на число разрядов счетчика. Легко заметить, что при периоде входного сигнала, меньшем полной задержки установления кода счетчика, правильный код на выходе счетчика просто не успеет установиться, поэтому такая ситуация не имеет смысла. Это накладывает жесткие ограничения на период (частоту) входного сигнала, причем увеличение, к примеру, вдвое количества разрядов счетчика автоматически уменьшает вдвое предельно допустимую частоту входного сигнала.


Рис. 9.2. Временная диаграмма работы 4-разрядного асинхронного счетчика

Таким образом, если нам нужен выходной код асинхронного счетчика, то есть все его выходные сигналы (разряды) одновременно, то должно выполняться следующее неравенство: T> Ntз, где T — период входного сигнала, N — число разрядов счетчика, tз — время задержки одного разряда.

Надо еще учесть, что за период входного сигнала должно успеть сработать устройство (узел), на которое поступает выходной код счетчика, иначе счетчик просто не нужен; поэтому ограничение на частоту входного сигнала обычно бывает еще жестче.

В составе стандартных серий цифровых микросхем асинхронных счетчиков немного. Для примера на рис. 9.3 приведены три из них: 4-х разрядный двоично-десятичный счетчик ИЕ2, 4-х разрядный двоичный счетчик ИЕ5 и 8-и разрядный двоичный счетчик ИЕ19 (он же сдвоенный четырехразрядный счетчик).


Рис. 9.3. Асинхронные счетчики стандартных серий

У всех этих счетчиков управление работой очень простое, есть всего лишь входы сброса в нуль или входы установки в 9 (только у ИЕ2). Все асинхронные счетчики работают по отрицательному фронту входного сигнала С (или, что то же самое, по заднему фронту положительного входного сигнала). У всех трех счетчиков выделены две независимые части, что увеличивает возможности их применения. При объединении этих двух частей получается счетчик максимальной разрядности. Выходы счетчиков обозначают на схемах 0, 1, 2, 3, . (как номера разрядов выходного двоичного кода) или 1, 2, 4, 8, . (как веса каждого разряда двоичного кода).

Счетчик ИЕ2 имеет две части: один триггер (вход С1, выход 1) и три триггера (вход С2 и выходы 2, 4, 8). Таким образом, он состоит из одноразрядного счетчика и трехразрядного счетчика. Одиночный триггер работает в обычном счетном режиме, изменяя свое состояние по каждому отрицательному фронту сигнала С1, то есть делит частоту входного сигнала на 2. Три оставшихся триггера включены таким образом, чтобы считать до 5, то есть делить входную частоту сигнала С2 на 9. После достижения кода 4 (то есть 100) на выходах 2, 4 и 8 этот трехразрядный счетчик по следующему отрицательному фронту сигнала С2 сбрасывается в нуль. В результате при объединении выхода 1 микросхемы со входом С2 мы получаем 4-разрядный двоично-десятичный счетчик, делящий частоту входного сигнала С1 на 10 и сбрасывающийся в нуль после достижения на выходах 1, 2, 4, 8 кода 9 (то есть 1001) по отрицательному фронту сигнала С1.

Таблица 9.1. Таблица истинности счетчика ИЕ2
Входы Выходы
С1 R1 R2 S1 S2
Х X
Х Х
Х Х Х
1 Х X Счет
1 Х Х Счет
1 Х Х Счет
1 Х Х Счет

Счетчик ИЕ2 имеет два входа асинхронного сброса в нуль R1 и R2, объединенных по функции И, и два входа установки в 9 — S1 и S2, также объединенных по функции И, причем установка в 9 блокирует установку в нуль. Наличие этих входов сброса и установки позволяет строить на базе счетчика ИЕ2 делители частоты с разными коэффициентами деления. Правда, этот счетчик используется довольно редко, значительно реже, чем другие асинхронные счетчики ИЕ5 и ИЕ19.

Таблица истинности асинхронного счетчика ИЕ2 при соединенном выходе 1 и входе С2 (при 4-разрядном выходном коде) приведена в табл. 9.1, а состояния выходов при счете входных импульсов по тактам представлены в табл. 9.2.

Таблица 9.2. Состояния выходов счетчика ИЕ2 при счете входных импульсов
Такт Вых.8 Вых.4 Вых.2 Вых.1

Счетчик ИЕ5, точно так же как и ИЕ2, имеет две части: один триггер (одноразрядный счетчик) со входом С1 и выходом 1 и три триггера (трехразрядный счетчик) со входом С2 и выходами 2, 4, 8. Оба счетчика — двоичные, то есть первый считает до двух, а второй — до 8. При объединении входа С2 с выходом 1 получается 4-разрядный двоичный счетчик, считающий до 16. Счет производится по отрицательному фронту входных сигналов С1 и С2. Предусмотрена возможность сброса счетчика в нуль по сигналам R1 и R2, объединенным по функции И.

Таблица 9.3. Таблица истинности счетчика ИЕ5
Выходы Выходы
С1 R1 R2
Х
1 Х Счет
1 Х Счет

Таблица истинности счетчика ИЕ5 при соединении входа С2 и выхода 1 (при 4-разрядном выходном коде) приведена в табл. 9.3.


Рис. 9.4. Объединение трех счетчиков ИЕ5 для увеличения разрядности

Объединять счетчики ИЕ5 для увеличения разрядности (каскадировать) очень просто: нужно выход 8 предыдущего счетчика (выдающего более младшие разряды) соединить со входом С1 следующего счетчика (выдающего более старшие разряды). На рис. 9.4 показано соединение трех счетчиков ИЕ5 для получения 12-разрядного асинхронного счетчика со сбросом в нуль. Точно так же можно объединять и счетчики ИЕ2, добавляя при этом входы общей установки счетчика в код 99. 9. Однако при объединении надо помнить, что добавление каждого нового разряда увеличивает общую задержку переключения полученного счетчика. Многоразрядный асинхронный счетчик может получиться неприемлемо медленным.

Счетчик ИЕ19 можно считать сдвоенным вариантом счетчика ИЕ9. Он включает в себя два идентичных независимых друг от друга 4-разрядных асинхронных счетчика, каждый из которых имеет свой счетный вход С и свой вход сброса R. Считают оба счетчика, входящие в микросхему, по отрицательному фронту на своих входах С1 и С2. Сбрасываются они единичными сигналами на своих входах сброса R1 и R2.

Счетчики, входящие в ИЕ19, можно использовать самостоятельно, но можно и объединить их для получения 8-разрядного асинхронного счетчика с выходами 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128. Для такого объединения достаточно соединить выход 8 первого счетчика со счетным входом С2 второго счетчика. Если соединить два ИЕ19 (рис. 9.5), то получится уже 16-разрядный асинхронный двоичный счетчик. При этом выход 8 второго счетчика соединяется со счетным входом С1 первого счетчика. Однако и в данном случае каждый следующий разряд переключается с задержкой после переключения предыдущего.


Рис. 9.5. Объединение двух счетчиков ИЕ19 для увеличения разрядности

Основное применение асинхронных счетчиков состоит в построении всевозможных делителей частоты, то есть устройств, выдающих выходной сигнал с частотой, в несколько раз меньшей, чем частота входного сигнала. В данном случае нас интересует не выходной код счетчика, то есть не все его разряды одновременно, а только один разряд, поэтому взаимные задержки отдельных разрядов не играют роли, полная задержка переключения счетчика не имеет значения. Простейший пример делителя частоты на два — это триггер в счетном режиме или счетчик, выходным сигналом которого является выход первого, младшего разряда 1.

При построении делителей частоты иногда важна не только частота выходного сигнала, но и его форма, его скважность, то есть отношение периода следования импульсов к длительности этих импульсов. В таких случаях чаще всего требуется меандр — цифровой сигнал со скважностью, равной двум (длительность импульсов равна длительности паузы между ними). Получить меандр из любого сигнала довольно просто: надо использовать дополнительный делитель частоты на 2, правда, при этом частота выходного сигнала уменьшится еще вдвое.

Простейший пример такого делителя частоты на десять приведен на рис. 9.6. В делителе использован счетчик ИЕ2, у которого одноразрядный внутренний счетчик включен после трехразрядного внутреннего счетчика. Трехразрядный счетчик делит частоту входного сигнала на 5, но выходные импульсы имеют скважность, не равную двум (она равна 5). Одноразрядный счетчик делит частоту еще вдвое и одновременно формирует меандр. Задержки переключения разрядов счетчика относительно друг друга на рисунке не показаны (применяем первый уровень представления, логическую модель).


Рис. 9.6. Делитель частоты на 10, выдающий меандр

Иногда возникает задача деления частоты входного сигнала в произвольное число раз (не в 10 и не в 2 n , что легко обеспечивается самой структурой стандартных счетчиков). В этом случае можно организовать сброс счетчика при достижении им требуемого кода путем введения обратных связей.


Рис. 9.7. Делитель частоты на 9 с обратными связями

Например, на рис. 9.7 показан простейший делитель частоты на 9 на основе счетчика ИЕ9. При достижении его выходным кодом значения 9 (то есть 1001) счетчик автоматически сбрасывается в нуль по входам R1 и R2, и счет начинается снова. В результате частота выходного сигнала в 9 раз меньше частоты входного сигнала. При этом скважность выходного сигнала не равна двум. Временная диаграмма показана на рисунке для первого уровня представления (без учета временных задержек).

Если в числе, на которое надо делить частоту, больше двух единиц (например, 15, то есть 1111, или 13, то есть 1101), то для формирования сигнала сброса надо использовать элементы 2И, 3И или 4И, чтобы объединить все выходы, равные единице. В результате можно построить делитель входной частоты в любое число раз от 2 до 2N, где N — число разрядов используемого счетчика. Правда, при организации обратных связей надо учитывать ограничение на быстродействие счетчика. Все разряды, используемые для обратной связи, должны успеть переключиться за один период входного сигнала. Скважность выходного сигнала может принимать в данном случае самые разные значения, например, выходной сигнал может представлять собой очень короткие импульсы.

На асинхронных счетчиках можно строить также управляемые делители частоты, то есть такие делители, выходная частота которых определяется управляющим кодом. На рис. 9.8 показан делитель на 2n, где n — целое. Восьмиразрядный счетчик ИЕ19 работает по входному сигналу с тактовой частотой fT, а выходной 8-входовый мультиплексор КП7 передает на выход схемы один из 7 разрядов счетчика или же входной сигнал. Выбор номера канала производится входным управляющим 3-разрядным кодом. Например, при тактовой частоте fT = 10 МГц, то есть при периоде входного сигнала 100 нс период выходного сигнала может составлять 100 нс, 200 нс, 400 нс, 800 нс, 1,6 мкс, 3,2 мкс, 6,4 мкс, 12,8 мкс.


Рис. 9.8. Управляемый делитель частоты на асинхронном счетчике

В момент переключения управляющего кода на выходе схемы могут появиться нежелательные короткие импульсы, так как никакой синхронизации управляющего кода не предусмотрено. Поэтому схема должна работать так: сначала задается входной управляющий код, а уже потом разрешается работа той схемы, на которую поступает выходной сигнал, сформированный нашей схемой. В этом случае никаких проблем не будет. Не играют роли в данном случае и задержки переключения разрядов счетчика, так как всегда используется только один его разряд. Главное, чтобы с частотой fT переключался первый разряд счетчика.

Конечно, применение асинхронных счетчиков не ограничивается только делителями частоты. В случаях, когда высокого быстродействия не требуется, когда переходные процессы на выходах счетчика не имеют значения (при правильной синхронизации), асинхронные счетчики вполне могут заменить более быстрые синхронные счетчики. Доля таких задач составляет около 20% от общего числа.

Если же включить на выходе асинхронного счетчика выходной параллельный регистр (рис. 9.9), то можно обеспечить одновременное переключение всех выходных разрядов счетчика.


Рис. 9.9. Включение выходного регистра для одновременного
переключения разрядов выходного кода

Данная схема будет работать правильно, если период следования входных тактовых импульсов будет больше, чем время установления всех разрядов счетчика (в нашем случае — 8-разрядного счетчика ИЕ19). Инвертор необходим, так как счетчик срабатывает по отрицательному фронту входного сигнала, а регистр — по положительному фронту. Данное решение устраняет главный недостаток асинхронного счетчика — неодновременность установления его выходных разрядов. Однако второй недостаток — большая задержка установления выходного кода — сохраняется. Его устранить невозможно, можно только перейти на другие, более быстрые счетчики.

В заключение данного раздела надо отметить, что асинхронные счетчики, как и другие цифровые схемы, предъявляют требования к длительности входных сигналов. Например, не должны быть слишком короткими сигналы на тактовых входах и на входах сброса и установки. Не должны быть слишком затянутыми фронты входных сигналов. Тактовые сигналы и сигналы сброса не должны приходить со слишком малыми задержками друг относительно друга.

Источник

Читайте также:  Отправить показания счетчика чистый город