Раздел 9 Цифровые устройства

Классификация цифровых устройств

Различают два типа цифровых устройств: комбинационные (однотактные) и последовательностные (многотактные).

Комбинационныминазывают цифровые устройства, в которых значения выходных сигналов определяются заданным в данный момент времени сочетанием входных воздействий. Соответственно в комбинационных логических устройствах отсутству­ют запоминающие элементы.

Последовательностныминазывают устройства, в которых вы­ходные сигналы зависят не только от входных воздействий в за­данный момент времени, но и от их предыдущих значений. По­этому последовательностные устройства в отличие от комбинаци­онных содержат запоминающие элементы.

Регистры. Счётчики импульсов

Регистры

Регистр - устройство, предназначенное для кратковре­менного хранения и преобразования многоразрядных двоич­ных чисел.

В качестве запоминающих элементов в регистрах используются триггеры. Вспомогательные элементы исполь­зуются для осуществления следующих операций:

§ ввода и вывода из регистра хранимой информации;

§ преобразования кода числа, хранящегося в регистре;

§ сдвига числа влево или вправо на определенное число раз­рядов;

§ преобразования последовательного кода числа в парал­лельный и наоборот.

Вспомогательные элементы обычно строятся на основе комбинационных схем из логических элементов.

Регистры классифицируют по различным признакам, основ­ными из которых являются способ ввода информации в регистр и ее вывод, и способ представления вводимой и выводимой информации.

По способу ввода и вывода информации регистры подраз­деляются на:

§ параллельные (регистры памяти);

§ последовательные (регистры сдвига);

§ параллельно-последовательные.

Различают одно- и многоканальные регистры в зависимо­сти от числа источников информации, с которых она посту­пает на входы регистра.

В последовательном регистре триггеры соединены последова­тельно, т. е. выходы предыдущего триггера передают инфор­мацию на входы последующего. Тактовые входы С триггеров соединены параллельно. Такой регистр имеет один информационный вход и вход управления - тактовый вход С.

Если к входу каждого триггера добавить разрешающую логику, то можно осуществить параллельную загрузку данных в регистр. Можно предусмотреть логическую схему парал­лельного отображения выходных данных.

Рисунок 64 – Схема четырёхразрядного параллельного регистра

На рисунке 64 представлена схема параллельного 4-х разрядного регистра на D-триггерах. На входах D1- D4 устанавливается параллельный 4-х разрядный двоичный код. По приходу тактового импульса на входы С триггеров происходит запись кода в регистр. Для считывания информации с выходов Q₀ – Q₃ необходимо подать «1» на вторые входы логических элементов И.

Т.к. после считывания информация по прежнему остаётся в регистре, предусмотрено обнуление её по входу R.

Регистры могут быть двунаправленные, т. е. записанную информацию можно сдвигать по линейке триггеров вправо или влево. Для включения режима сдвига предусматривают специальный вход.

Рисунок 65 – УГО четырёхразрядного

параллельно-последовательного регистра

S1 -последова­тельный вход данных

DO...D3 -параллель­ные входы данных

QO...Q3 -четыре выхода

два тактовых входа последовательной С1 ипараллельнойС2 загрузки

РЕ - вход разреше­ния параллельной загрузки

Счетчики импульсов

Счетчиком называют устройство, предназначенное для подсчета числа импульсов, поданных на вход. Кроме подсчёта счётчики выполняют функцию делителей частоты.

Подсчет числа импульсов является наиболее распространенной операцией в устройствах цифровой обработки информации. Повышен­ный интерес к таким устройствам объясняется их высокой точностью, возможностью применения регистрирующих приборов с непосред­ственным цифровым представлением результата, а также возможно­стью осуществления связи с ЭВМ.

В устройствах цифровой обработки информации измеряемый пара­метр (угол поворота, перемещение, скорость, частота, время, темпе­ратура и т. д.) преобразуется в импульсы напряжения, число которых в соответствующем масштабе характеризует значение данного пара­метра. Эти импульсы подсчитываются счетчиками импульсов и выра­жаются в виде цифр

Основными показателями счетчиков являются коэффициент счета К и быстродей­ствие. Коэффициент счета определяет число импульсов, которое может быть сосчитано счетчиком.

Основой любого счетчика явля­ется линейка из нескольких триггеров. Между триггерами могут быть введены дополнительные обратные связи, позво­ляющие получить любой коэффициент счёта, а не только равный 2ⁿ. Например, счетчик, состоящий из четырех триг­геров, может иметь максимальный коэффициент счёта 2⁴=16. Для четырехтриггерного счетчика минимальный выходной код - 0000, максимальный -1111, а при коэффициенте счёта К_с = 10 выходной счет останавливается при коде 1001 = 9.

Быстродействие счетчика характеризуется максимальной часто­той f_сч следования счетных импульсов и связанным с ней временем f_уст установки счетчика. Величина f_уст определяет максимальное время протекания переходных процессов во всех разрядах счетчика с по­ступлением на вход очередного счетного импульса.

Счет числа поступающих импульсов производится с использова­нием двоичной системы счисления.

Рисунок 66 - Схема двоичного счетчика (а) и его временные диаграммы (б)

Простейший многоразрядный двоичный счётчик с коэффициентом счёта (деления) 2ⁿ можно получить, соединив после­довательно n триггеров Т-типа (рис. 68). Счетные импульсы подаются на счетный вход первого триггера. Счетные входы последующих тригге­ров связаны непосредствен­но с прямыми выходами пре­дыдущих триггеров: вход второго триггера соединен с выходом первого триггера, вход третьего - с выходом второго и т. д.

Принцип действия двоич­ного счетчика с непосредст­венной связью рассмотрим на примере четырехразрядного счетчика, показанного на рис. 66, а. Работу схемы иллюстрируют временные диаграм­мы, приведенные на рис. 66, б и таблица 7 состояний счётчика.

Перед поступлением счетных импульсов все разряды счетчика устанавливаются в состояние «0» (Q₁ = Q₂ = Q₃ = Q₄ = 0) по­дачей импульса на вход «Установка нуля». При поступлении первого счетного импульса первый разряд подготавливается к переключению в противоположное состояние и после окончания дей­ствия входного импульса переходит в состояние Q = 1. В счетчик записывается число 1. Уровень 1 с выхода Q₁ воздействует на счетный вход второго разряда, подготавливая его к переключению.

Таблица 7 - Таблица состояний 4-х разрядного счётчика

По окон­чании второго счетного импульса первый разряд счетчика переходит в состояние «0», а второй разряд переключается в состояние «1». В счет­чике записывается число 2 с кодом 0010.

Подобным образом осуществляется работа схемы с приходом по­следующих импульсов. Первый разряд счетчика, как видно из рис. 66, б, переключается с приходом каждого входного импульса, второй разряд — каждого второго, третий - каждого четвертого, а четвертый разряд срабатывает на каждый восьмой счетный импульс.

По окончании 15-го импульса все разряды счетчика устанавлива­ются в состояние «1» (рис. 66, б, табл. 7), а 16-й импульс переклю­чает первый разряд счетчика в состояние «0». Уровень Q1 = 0 пере­водит второй разряд счетчика в состояние Q₂ = 0, что, в свою оче­редь, вызывает Q₃ = 0, а затем и Q₄ = 0, т. е. счетчик переходит в исходное состояние.

В соответствии с рис. 66, б и табл. 7 установка в исходное со­стояние «0» двух последовательно включенных триггеров (Т₁ и Т₂) осуществляется четвертым счетным импульсом, трех триггеров (Т₁ - Т₃) - восьмым и четырех триггеров (Т₁ - Т₄) - 16-м счетным импульсом. Из этого следует, что коэффициент счета двухразрядного, трех­разрядного и четырехразрядного двоичных счетчиков равен соответ­ственно 4, 8 и 16. Коэффициент счета двоичного счет­чика находят из соотношения К_сч = 2^N, где N - число разрядов счетчика.

В процессе работы двоичного счетчика частота следования импуль­сов на выходе каждого последующего триггера уменьшается вдвое по сравнению с частотой его входных импульсов (рис. 66, б). Это свойство схемы используют для построения делителей час­тоты.

Используется множество раз­личных вариантов счетчиков: асинхронные и синхронные; двоич­ные и десятичные; однонаправленные (с увеличением счета) и двунаправленные (с увеличением или уменьшением счета), называемые реверсивными (рис. 67), с постоянным или переключае­мым коэффициентом деления (коэффициентом счёта).

В асинхронном счетчике каждый последующий триггер получает тактовый импульс от предыдущего триггера.

В синхронном счетчике все триггеры получают тактовый импульс одновременно. В такой счетчик можно осуществить синхронную (с тактовым импульсом) параллельную (в каждый триггер) загрузку исходных данных. Дополнительно введен­ные логические элементы управления позволяют сделать про­цесс счета реверсивным, т. е. с приходом каждого тактового импульса содержимое счетчика можно либо увеличивать, либо уменьшать на единицу.

Рисунок 67 - Двоичные суммирующий (а) и вычитающий (в)

диаграммы их работы (б) и (г) соответственно