Цифровые интегральные схемы

Можно создать счетчики с любым требуемым коэффициентом пересчета. При этом для их устойчивой работы целесообразно использовать двухступенчатые триггеры. Это обусловлено тем, что изменение сигнала на выходе триггера не должно вызывать дополнительных переключений этого или связанного с ним другого триггера. Двухступенчатые триггеры, вследствие свойств их структуры, гарантируют отсутствие «гонок», что облегчает выполнение устойчивых счетчиков.

Для изменения коэффициента пересчета можно использовать входы R- и S-триггеров, входящих в состав счетчика. Сигналы на них обычно подаются с дополнительных логических элементов, входы которых подключены к выходам триггеров. Логические элементы включают так, чтобы их сигналы обеспечили недвоичный переход при приходе соответствующего входного импульса. Характер перехода (из единицы в ноль или из нуля в единицу) определяется требуемым коэффициентом счета. Так, если требуется, чтобы счетчик работал по модулю Ксч, то при его построении логический элемент включают так, чтобы на его входы подавались сигналы с выходов Q тех разрядов, на которых при состоянии (Ксч ? 1) имеется логическая единица.

Выход логического элемента подсоединяют ко входам остальных разрядов. Так, например, в асинхронном десятичном счетчике (рис. 17.35) на вход логического элемента DD5 поданы сигналы с выходов триггеров DD1 и DD4.

Изменение состояний триггеров счетчика характеризуется табл. 17.8. После прихода девяти импульсов на выходах Q1 и Q4 будет логическая единица. При приходе десятого импульса на выходе логического элемента И DD5 появится логический ноль. Триггеры DD2 и DD3 установятся в единичное состояние, в котором пребывают в течение действия входного импульса. При срезе десятого входного импульса все триггеры установятся в нулевое состояние, так как на выходах всех триггеров имеется логическая единица, а уменьшающийся сигнал на входе логического элемента DD5 «снимает» со входа S сигнал логического нуля. Для устойчивой работы счетчика необходимо, чтобы логическая единица на входе S появилась раньше момента записи информации и триггеры. В противном случае сигнал входа S, имеющего абсолютный приоритет перед другими входами, нарушит нормальную работу счетчика.

Этого можно избежать при использовании двухвходового логического элемента, входы которого соединены с Q1 и Q4.

Рис. 17.35. Асинхронный счетчик с коэффициентом счета Ксч = 10

Тогда состояние Ql = l, Q2 = 0, Q3 = Q, Q4 = 1, наблюдаемое после девятого импульса, будет кратковременным. Сигнал логического элемента DD5 через время задержки распространения логического элемента изменит состояние триггеров DD2, DD3 на противоположное (Q2 = 1, Q3 = 1). Поэтому десятый импульс установит все триггеры в состояние 0. Такой счетчик можно использовать для деления частоты на десять. Но он уже не будет работать в коде 8-4-2-1, так как после девятого импульса наблюдается не двоичный переход, при котором Ql = Q2 = Q3 = Q4 = 1.

Счетчики, работающие в самодополняющихся кодах. У счетчиков, работающих в самодополняющихся кодах, поразрядное инвертирование кодовой комбинации числа, записанного в разрядах, даст код числа, дополняющего данное до 9.

Счетчик, работающий в самодополняющемся коде 2-4-2-1 (код Айкена), приведен на рис. 17.37а. Недвоичный переход происходит по кодовой комбинации 0100, после которой счетчик устанавливается в состояние 1011 (табл. 17.9).

Рис. 17.37. Десятичные счетчики, работающие в самодополняющихся кодах: 2-4-2-1 (а) и 4-2-2-1 (б)

Счетчик, работающий в самодополняющемся коде 4-2-2-1, может быть реализован о помощью структуры рис. 17.37б. В ней за время подсчета десяти импульсов триггер DD2 имеет три недвоичных перехода в связи с тем, что на его вход С подается сигнал с выхода трехвходового логического элемента DD5. В итоге работа триггера характеризуется табл. 17.10.

Таблица 17.9 Таблица 17.10

Для изменения режима работы счетчика и реализации определенного кода в общем случае следует составить таблицу истинности. По ней находят, после какого из входных импульсов должен осуществляться недвоичный переход. Зная это, проектируют схему включения логических элементов, которые обеспечивают его осуществление. Причем, как правило, тот же результат может ныть получен разными путями.

17.5.3 Реверсивные и программируемые счетчики

Счетчики, в которых направление счета может быть изменено на противоположное, называются реверсивными. Если при одном направлении счета в триггерах счетчика записан код, соответствующий сумме поступивших на вход импульсов, то при изменении направления счета из этой суммы вычитается число, соответствующее количеству импульсов, пришедших на вход после изменения направления счета (реверса). Так, если в четырехразрядном двоичном счетчике записан код 0101, то первый импульс, поступивший при реверсе, должен уменьшить число в счетчике на единицу (код числа 4 -- 0100), второй -- на два (код числа 3 -- 0011) и т. д.

Реверсивные счетчики обычно выполняются синхронными. Изменение направления счета в них осуществляется за счет введения дополнительных логических элементов.

Например, в двоичном синхронном счетчике на JК-триггерах DD1 -- DD4 введены дополнительные логические элементы DD5 -- DD10 (рис. 17.38). У счетчика имеются два входа: суммирующий «+1»; вычитающий «-1». Импульсы, поданные на них, поступают на входы синхронизации триггеров DD1 -- DD4 только в случае, если предыдущий триггер находится в состоянии 1 (вход +1) или состоянии 0 (вход -1). Таким образом, логические элементы И блокируют прохождение импульсов на входы синхронизации соответствующих триггеров и обеспечивают нужную последовательность их переключения.

Рис. 17.38. Упрощенная структура реверсивного счетчика

Аналогичные идеи используются при построении реверсивных счетчиков с другими коэффициентами счета, например, двоично-десятичных.

Рис. 17.39. Каскадное включение реверсивных счетчиков (а) и встречающееся условное обозначение входов и выходов (б)

При этом в дополнительном поле после метки «» указывается то число входных импульсов, при поступлении которых изменяется сигнал на этом выходе, например «9».

Выход переноса «» обозначают буквами CR, а выход заема «» -- BR (рис. 17.39б).

В счетчиках с предварительной установкой имеются дополнительные входы. Они позволяют осуществить независимую предварительную установку триггеров в нулевое или единичное состояние. Это позволяет записать в счетчик выбранное число М. При подаче входных импульсов к записанному при предустановке числу добавляется (вычитается) число входных импульсов. При вычитании ноль в счетчике появится после прихода М импульсов.

Таким образом, счетчик с предварительной установкой может работать как счетчик с любым требуемым коэффициентом счета.

17.5.4 Регистры хранения

Регистрами называют устройства, предназначенные для записи и выдачи информации, представленной в форме цифрового кода. Схемы их выполняют так, чтобы имелась возможность записать и обеспечить выдачу информации в виде параллельного или последовательного кодов. Для этого предусматривают соответствующее количество входных и выходных выводов.

Имеются регистры, у которых входные и выходные выводы объединены между собой. По специальным командам они используются как входные или как выходные. При подобном решении в два раза уменьшается количество проводов, соединяющих регистр с процессором. Такие многорежимные регистры обычно называют «портами данных», а организацию обмена информацией -- «портовой».

В зависимости от назначения регистры подразделяют на регистры хранения, сдвига, последовательных приближений.

Регистры хранения обеспечивают запись и хранение кода числа. В сдвиговых регистрах записанная информация сдвигается вправо или влево при подаче каждого импульса, управляющего сдвигом. Регистры последовательных приближений предназначены для построения аналого-цифровых преобразователей и позволяют при измерении сигнала неизвестной величины реализовать метод поразрядного уравновешивания. В них запись информации начинается со старшего разряда регистра и записанное значение остается или стирается при следующем импульсе записи в зависимости от выходного сигнала компаратора напряжений, который сравнивает измеряемый и образцовый сигналы.

Регистры подразделяются на статические и динамические.

Статические регистры выполняют на триггерах. Они могут как угодно долго хранить записанную информацию (при сохранении триггерами работоспособности). В динамических регистрах функции элементов памяти выполняют МДП-конденсаторы. Они могут сохранять информацию только в течение определенного промежутка времени. Поэтому в динамических регистрах записанная информация должна постоянно находиться в движении.

Простейший регистр выполняют в виде линейки из RS-, D-или JК- триггеров. Причем для наиболее распространенных регистров сдвига предпочитают использовать JК- триггеры ввиду меньшего числа межсоединений, связей и дополнительных логических элементов.

Регистры хранения обеспечивают запись, хранение и выдачу информации в параллельном коде. От количества триггеров, входящих в состав регистра, зависит разрядность записанного числа. Так, при наличии четырех триггеров можно записать четырехразрядное слово, восьми -- восьмиразрядное и т. д. Схема простейшего трехразрядного параллельного регистра хранения приведена на рис. 17.41.

Рис. 17.41. Параллельный регистр хранения на JК- триггерах

17.5.5 Регистры сдвига

Регистры сдвига схемотехнически аналогичны счетчикам и чаще всего выполняются на основе JК- триггеров.

С помощью их можно: записать и хранить цифровое слово в последовательном коде; изменить положение цифрового слова в разрядах регистра путем сдвига его влево или вправо; преобразовать числа, представленные в параллельном коде, в числа в последовательном коде, и наоборот. Соответственно и считывание информации в них может быть выполнено двумя способами: в течение определенного времени в последовательном коде; одновременно в параллельном коде.

Если схема регистра выполнена так, что записанная информация может сдвигаться только в одном направлении (вправо или влево), то его называют однонаправленным. Если сдвиг цифрового слова возможен в обе стороны (вправо и влево), то говорят, что регистр двунаправленный или реверсивный.

Регистры, в которых возможно сдвигать цифровые слова вправо и влево, записывать их как в последовательном, так и в параллельном кодах и считывать в последовательном и параллельном кодах, называют универсальными.

Принципиальная схема простейшего однонаправленного регистра на D-триггерах приведена на рис. 17.42а. Условное обозначение его показано на рис. 17.42б.

Рис. 17.42 Схема однонаправленного сдвига (а) и его условное обозначение (б)

Как видно из принципиальной схемы рис. 17.42а, регистр ничем не отличается от двоичного синхронного счетчика. Цифровое число, которое требуется записать в последовательном коде, подается на вход D. Запись каждого разряда происходит «по фронту» импульсов синхронизации, подаваемых на вход С. Они должны следовать с той же частотой, с которой меняются сигналы на входе D, но для четкой и уверенной работы должны быть сдвинуты относительно него по фазе так, чтобы фронты импульсов не совпадали. Вход R используется для установки всех триггеров в нулевое состояние.

Размещено на Allbest.ru