Применение счётчиков и регистров

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Доклад

по курсу “Основы цифровой электроники”

на тему

Применение счётчиков и регистров

Подготовил студент группы 717

Косинов Владислав

ФРКТ МФТИ 2020

Содержание

Введение

1. Что такое счётчик. Простейшие реализации

1.1 Счётчик с последовательным переносом

1.2 Счётчик с параллельным переносом

2. Что такое регистр. Простейшие реализации

2.1 Простейший последовательный регистр сдвига

2.2 Последовательный регистр сдвига с параллельным чтением

2.3 Регистры с параллельным вводом

3. Применения счётчиков

3.1 Счётчик Гейгера

3.2 Деление частоты импульсного сигнала

3.3 Аналого-цифровые преобразователи

3.3.1 АЦП последовательного счёта

3.3.2 Следящие АЦП

3.3.3 АЦП двойного интегрирования

4. Применения регистров

4.1 Хранение чисел и побитовые операции

4.2 Преобразование последовательного кода в параллельный

Использованная литература

Введение

Цель этого доклада - дать начальное представление о принципах работы счётчика и регистра и показать, как они применяются.

1. Что такое счётчик. Простейшие реализации.

счетчик регистр сигнал цифровой

Счётчик, это последовательная тактируемая схема с закольцованной диаграммой состояний. Чаще всего используются N-разрядные двоичные счётчики, где N - это число триггеров, на которых они реализованы. В таких счётчиках каждому состоянию соответствует N-разрядное двоичное число.

Если схема позволяет сбрасывать счётчик к состоянию “0” или задавать указанное состояние, то, настроив обратную связь, можно сделать счётчик с количеством состояний не равным степени двойки.

1.1 Счётчик с последовательным переносом

На рисунке ниже представлен простейший 4-разрядный счётчик. Сигнал Qi соответствует единице или нулю в i-том по старшинству разряде.

Это счётчик с последовательным переносом. В этой реализации информация о переносе поочередно передается от младших разрядов к старшим.

У этой реализации есть существенный минус - быстродействие. Если в физической системе импульс от одного триггера к другому передастся спустя характерное время t, то, соответственно, задержка изменения сигнала последнего разряда может достигать N*t.

1.2 Синхронный счётчик

Проблему можно устранить, если проверка переноса и перенос будут происходить по всем разрядам одновременно.

На рисунке ниже представлен простой пример такого четырёхразрядного двоичного счётчика.

В очередной импульс сигнала CLK, N-ый разряд переключится, только если включен счёт (переключатель CNTEN) и равны единице все предыдущие разряды.

2. Что такое регистр. Простейшие реализации.

Регистром называют логическое устройство, хранящее N-разрядное двоичное число и способное выполнять над ним простейшие операции в зависимости от реализации регистра. В 6 семестре рассматриваются операции побитового сдвига в старший или младший разряд, а также преобразования последовательного кода в параллельный и наоборот.

2.1 Последовательный регистр сдвига

Простейшая реализация регистра - битовая очередь. Запись только в нулевой разряд, сдвиг каждого бита в старший регистр, и потеря бита старшего разряда. Единственное применение такого регистра - задержка битовой последовательности на N тактов.

2.2 Последовательный регистр сдвига с параллельным чтением

Запись в этот регистр также происходит побитовым сдвигом в старшие разряды, но считывать можно параллельно каждый разряд.

Такое считывание даёт возможность использования одной битовой последовательности в разных устройствах, то есть параллельного чтения информации.

2.3 Регистр с параллельным вводом

Немного более сложные схемы регистров позволяют вводить биты в каждый триггер-бит регистра параллельно. В первую очередь это нужно для преобразования параллельного кода в последовательный: несколько битовых последовательностей сшиваются в одну.

3. Применения счётчиков

3.1 Счётчик Гейгера

Простейший пример устройства, использующего счётчик импульсов.

На сколько вы помните с прошлого семестра, счётчик Гейгера детектирует и регистрирует попадание в него отдельной частицы высокой энергии.

Детектирование происходит путём создания импульса из волны электронов, летящих от катода к аноду, в камере с инертным газом.

За регистрацию же этого импульса ответственен наш цифровой счётчик.

3.2 Деление частоты импульсного сигнала

Если рассмотреть период сигнала на i-ом регистре, он будет в 2 раза больше, чем период сигнала на (i-1)-ом. Этим свойством счётчиков можно пользоваться для их применения в качестве делителя частоты на степень двойки.

3.3 Аналого-цифровые преобразователи

На основе счётчиков реализованы АЦП последовательного счёта и АЦП двойного интегрирования.

3.3.1 АЦП последовательного счёта

Простейшая реализация АЦП последовательного счёта на счётчике разрядности m работает так: АЦП принимает на вход аналоговый сигнал, от которого ожидается, что его уровень каждые N тактов (N > 2m) соответствует некоторому числу, не превосходящему N.

Для получения этого числа, будем каждый такт увеличивать значение счётчика (начиная с 0), а значит и его выходной сигнал. Если только сигнал счётчика превзойдёт входной сигнал, мы не увеличиваем счётчик.

К окончанию текущего сегмента в N тактов, передаём значение счётчика и сбрасываем счётчик до 0 для отсчёта следующего сегмента.

Иллюстрация вышенаписанного приведена на изображении под абзацем. Красным обозначен сигнал счётчика, пунктиром - входной аналоговый сигнал.

3.3.2 Следящие АЦП

Также существуют варианты АЦП с реверсивным счётчиком - следящие АЦП. Их идея в том, чтобы не сбрасывать значение счётчика по окончании сегмента времени, и повышать значение счётчика, когда входной сигнал больше, и уменьшать, когда меньше, тем самым “следя” за сигналом.

Такая реализация даёт преимущество в скорости преобразования (число тактов N на одно измерение значительно сокращается), если для производной входного сигнала U' выполняется условие |U'|*t < h. (t - длительность такта, h - инкремент уровня счётчика)

3.3.3 АЦП двойного интегрирования

Недостатком последовательных АЦП является относительно низкая помехоустойчивость, что ограничивает их разрешающую способность, как правило, на уровне 8-10 разрядов. От этого недостатка в значительной мере свободны АЦП, использующие в процессе преобразования операцию интегрирования входного сигнала за фиксированный интервал времени. Одним из наиболее распространенных вариантов преобразователей такого типа является АЦП с двухтактным интегрированием.

Полный цикл его работы состоит из двух тактов. В первом с помощью аналогового интегратора происходит интегрирование входного напряжения за фиксированный интервал времени Т=Nмахtсч, где Nмах -это емкость счетчика, определяющая разрешающую способность АЦП.

Во втором такте происходит разряд конденсатора от источника опорного напряжения (ИОН) U0, полярность которого противоположна входному напряжению. Напряжение U0 подключается к интегратору с помощью переключателя. Этот процесс продолжается до возвращения конденсатора в начальное состояние, что фиксируется компаратором CУ.

При таком методе время разрядки конденсатора, измеренное тактовым счётчиком, является числом, соответствующим сигналу за период.

4. Применения регистров

4.1 Хранение чисел и побитовые операции

Регистр - цифровое устройство, позволяющее хранить часть битового потока для дальнейшего использования: изменения или многократного чтения.

Регистры процессора, которые мы использовали, изучая ассемблер на первом курсе - это суть те регистры, которые мы изучаем сейчас. В зависимости от реализации надстроек над базовой схемой регистра, он может выполнять над хранимым числом операции битового сдвига влево или вправо, а также побитовые логические операции and/or/xor/…, приняв на вход второй набор битов.

4.2 Преобразование последовательного кода в параллельный

На основе регистров с параллельным вводом и параллельным считыванием создаются устройства для преобразований параллельного кода в последовательный и наоборот.

Такие преобразования полезны для передачи нескольких потоков данных по одной линии передач. Яркий пример большого использования такой передачи - магистрали цифровых данных (различные стандарты TDM и SDH).

Использованная литература

1. Ларин А.Л. - Основы Цифровой Электроники

2. Климанов М.М. - Семинары за весенний семестр 2020 года

Размещено на Allbest.ru