Кольцевой счетчик Джонсона

Идея перекрестной обратной связи получила серьезное подтверждение в счетчике Джонсона, который по сути представляет собой сдвиговый регистр (рис. 3.50).

Рис. 3.50. Пятиразрядный сдвиговый регистр с перекрестной связью

Очевидно, что длительность цикла такого регистра будет равна 10. При сбое, потеряв единицу, схема сама не исправляется, но если внести корректирующую цепь, то получится схема с самовосстановлением, устойчивая к случайным перебросам триггеров (рис. 3.51).

Рис. 3.51 Способ коррекции состояний регистра

Как видно из схемы, каждый новый цикл счета начинается с образования единицы в дополнительном логическом элементе И, что повышает устойчивость схемы.

Собственно счетчик Джонсона и есть регистр сдвига, оснащенный дешифратором состояний (рис. 3.52).

Рис. 3.52 Десятичный счетчик Джонсона

осле установки всех триггеров в нулевое состояние на входе первого триггера окажется логическая единица, которая будет с каждым тактовым импульсом передаваться по разрядам, не стираясь, следующей ступени до заполнения всех разрядов. За счет обратной связи в следующем цикле пойдет волна нулей и т.д. аналогично диаграмме на рис. 3.49.

Первым достоинством счетчика Джонсона является то, что состояние 01 или 10 для двух соседних триггеров в течение цикла имеет место один раз независимо от длины счетчика, поэтому для организации дешифратора нужны простейшие элементы 2И.

Второе преимущество – в ходе счета только один триггер изменяет свое состояние и на выходах не возникают ложные пики напряжений, обусловленные задержками сигналов в разных разрядах.

Недостаток – если под воздействием помех произойдет ошибочный переброс отдельных триггеров, то такое состояние раз возникнув, само не исправится. Исправляется корректирующей логической цепью (рис. 3.51).

Представители: К561ИЕ8, К561ИЕ9, К561ИЕ19.

Счетчик

Узел, предназначенный для счета сигналов. По мере поступления входных сигналов счетчик последовательно перебирает свои состояния в определенном для данной схемы порядке. Длину списка используемых состояний называют коэффициентом счета , модулем счета или ёмкостью счетчика. Если счетчик начал считать с начального (нулевого) состояния то через каждые сигналов в нем снова устанавливается начальное состояние, а на выходе формируется перенос СR (carry – нести).

Классификация счетчиков

1. Код в котором работает счетчик:

а) 1248 – двоичный счетчик на все сочетания;

б) двоично-десятичный;

в) одинарного кодирования, когда состояние счетчика представлено местом расположения единственной единицы (например, сдвигающий регистр с одной единицей, кольцевой распределитель);

г) унитарного кодирования, когда состояние счетчика представлено числом единиц и нулей (счетчик Джонсона).

2. Направление счета:

а – суммирующий;

б – вычитающий;

в – реверсивный.

3. Управляющие сигналы:

а – асинхронные;

б – синхронные;

в - с раздельным счетным входом и переносом;

г – с общим счетным входом и сигналом переноса.

4. По виду внутренних связей:

а – с непосредственной связью;

б – с трактом последовательного переноса;

в – с параллельным переносом.

Условное обозначение счетчика приведено на рис. 3.53.

Рис. 3.53 УГО счетчика

1 - счетные входы сложения или вычитания

входы загрузки

R – сброс

выходы триггеров счетчика

- перенос или заём

С – вход управления параллельной загрузкой

воичный n-разрядный счетчик содержит n – Т-триггеров и функционирует согласно таблице 3.10, где n = 3:

Таблица 3.10

Состояния двоичного счетчика

N
			1

Из таблицы видно, что импульсом № 7 устанавливаются единицы во всех трёх разрядах счетчика, в момент подачи следующего восьмого импульса все триггеры обнуляются и возникает функция образования переноса CR.

Cуммирующие и вычитающие счетчики с непосредственной связью

Это самая простая структура организации триггеров в счетчик. Счетные триггеры образованы из непрозрачных D-триггеров, управляемых перепадами входных импульсов с 0 на 1 (рис.3.16 и 3.21-в) и соединены последовательно. На рис. 3.54 приведена схема суммирующего счетчика, а на рис. 3.55 временная диаграмма переключений.

Рис. 3.54. Суммирующий счетчик с непосредственной связью

t

Рис. 3.55 Временная диаграмма работы суммирующего счетчика

Те же триггеры можно соединить по схеме на рис. 3.56, тогда получится вычитающий счетчик. На рис. 3.57 приведена диаграмма работы вычитающего счетчика с непосредственной связью.

Рис. 3.56. Вычитающий счетчик с непосредственной связью

t

Рис. 3.57. Диаграмма работы вычитающего счетчика

Достоинства – простота организации и наращивания.

Недостатки – большая задержка распространения сигнала . Поэтому в силу неодновременного переключения триггеров, прежде чем верное состояние установится окончательно, на выходах счетчика будут появляться различные мимолетные неверные коды.

Из-за невозможности выполнить смену состояния всего счетчика в единый момент времени, счетчики с непосредственной связью бывают только асинхронные, то есть сигналом, переключающим их, является сам входной сигнал. Специального выхода переноса счетчики такого типа не имеют – роль выходного переноса играет срез состояния старшего разряда.

Достоинство – счетчик не сбивается если на его вход поступит некачественный, например, зауженный импульс, что бывает при работе счетчика от нецифровых приборов: фотодатчиков, радиоприемников и т.д.

Пример: К155ИЕ5 (рис. 3.58).

Рис. 3.58 Структура счетчика К155ИЕ5

Счетчик имеет две ступени, т.к. первый триггер отделен от группы последующих триггеров, поэтому совершенно очевидно, что для получения коэффициента счета больше двух необходимо соединить выход первого триггера Q₁ с входом цепочки из трех триггеров Т₂.

Два входа сброса R₁ и R₂ объединены конъюнкцией, что расширяет функциональные возможности счетчика табл. 3.11.

Таблица 3.11

Режим обнуления К155ИЕ5

Входы		Режим
		Счет
		прекращение счета

Так как - двухвходовой, с его помощью могут быть организованы такие коэффициенты счета (деления), которые в двоичном коде содержат две единицы:

Остальные произвольные в диапазоне от 1 до 15 можно получить добавив дополнительные логические элементы, позволяющие сформировать импульс обнуления (рис.3.59).

Рис. 3.59 Схема делителя на К155 ИЕ5

Соединяя перемычками выходы Q1–Q8 счетчика с входами четырехвходового конъюнктора DD2, можно управлять коэффициентом счета. Следует помнить о том, что оставлять свободными не задействованные входы конъюнктора DD2 нельзя, поэтому их следует объединять с другими, задействованными входами, либо подавать на них логическую единицу.

Счетчик с трактом последовательного переноса (рис. 3.60)

Рис. 3.60 Структура счетчика с трактом последовательного переноса

Входной импульс проходит через все каскады импульса, в которых содержатся единицы, попутно сбрасывая их в нуль, и переводит в единицу первый встречный на пути погашенный триггер, причем, через этот каскад импульс уже не проходит.

Недостаток:

Длительность входного импульса должна выбираться из расчета распространения через всю цепочку элементов .

Особых преимуществ не имеет, но: 1) формирует сигнал переноса CR; 2) существуют моменты когда Т-входы всех триггеров отключены от схемы запертыми элементами - поэтому в это время можно изменять состояния отдельных триггеров по R или S входам не мешая всему счетчику в целом.

Счетчик с параллельным переносом (parallel carry counter) – асинхронный (рис. 3.61)

Рис. 3.61 Схема параллельного счетчика

Принцип параллельного переноса заключается в следующем. На входе каждого триггера (кроме самого первого) включен конъюнктор. Входной сигнал +1 поступает параллельно на все конъюнкторы и там, где они открыты, вызывает одновременное переключение соответствующих триггеров.

При подаче сигнала на +1 изменяют состояние те триггеры, перед которыми все более младшие триггеры находились в состоянии 1.

Достоинства:

1. время задержки не зависит от числа разрядов, так как все триггеры начинают переключаться одновременно.

2. формируется сигнал переноса, если все триггеры счетчика находятся в единичном состоянии, и пропускает на выход CR очередной импульс, который сбрасывает весь счетчик в ноль.

Недостатки: затраты на дополнительные логические элементы, причем конъюнктор CR должен иметь n+1 входов.

Схемы большой разрядности приходится набирать из нескольких малоразрядных счетчиков, которые называются группами.

Счетчик с последовательным межгрупповым переносом

Схемы большой разрядности приходится набирать из нескольких малоразрядных счетчиков, которые называются группами (рис. 3.62).

Рис. 3.62 Счетчик с последовательным межгрупповым переносом

Наращивание происходит подключением выхода переноса более младшей группы к входу +1 более старшей, тем самым организуется т. н. последовательный межгрупповой перенос при параллельном переносе внутри группы.

Время задержки распространения переноса зависит от количества межгрупповых конъюнкторов:

Каждая группа начинает работу со сдвигом, равным в элементе, формирующем межгрупповой перенос.

Счетчик с параллельным межгрупповым переносом (рис. 3.63)

Рис. 3.63 Счетчик с параллельным межгрупповым переносом

Конъюнкторы выявляют ситуацию , которая называется прозрачностью тракта переноса группы. Если группа прозрачна по переносу то сигнал +1 должен, как бы пройдя ее насквозь, стать сигналом +1 для следующей группы, не распространяясь внутри счетчика.

Рассмотренные счетчики – асинхронные, так как все процессы в нем инициируются входным сигналом и, в принципе, могут быть совершенно не привязаны к синхросигналам.

Триггеры счетчика начинают переключаться с некоторой задержкой относительно среза входного сигнала +1, определяемой …логической комбинационной схемы тракта переноса. Поэтому при использовании таких счетчиков в синхронных устройствах смена их состояний будет отставать от смены состояний других синхронных регистров устройства, что чревато сбоями в работе.

Типичным представителем таких счетчиков является К561ИЕ10, который состоит из двух 4 разрядных двоичных суммирующих счетчиков – делителей с внутренним параллельным переносом (рис. 3.64).

Рис. 3.64 Счетчик К561 ИЕ10

Каждый счетчик имеет входы Т и V, сброс-R и по 4 выхода. Режимы работы счетчика приведены в табл.3.12.

Таблица 3.12

Режимы работы счетчика К561 ИЕ10

	Входы		Выходы	Режим
Т	V	R
X	X			Уст. нуля
			-	Cчет
X	X			Хранение

Использование ИЕ 10 в роли десятичного счетчика возможно по схеме, приведенной на рис. 3.65.

Рис. 3.65 Двоичный счетчик с К_сч = 10

обнаруживает код .

позволяет производить сброс внешним сигналом «сброс» или кодом из .

Синхронные параллельные счетчики (рис. 3.66)

Рис. 3. 66 Синхронный параллельный счетчик

Входным сигналом +1 служит не фронт, а потенциал СЕ (cont enable – разрешение счета), который вырабатывается комбинационными схемами с любыми задержками в пределах такта синхронизации, т.е. СЕ только подготавливает триггеры.

Смена состояний триггеров происходит по активным фронтам синхроимпульса одновременно не только в пределах данного счетчика, но и других частей (регистров, триггеров и т.д.)

СЕТ – count enable trickle – разрешение переноса

СЕ

СЕР – count enable parallel – разрешение параллельного счета

Уровень CR становится активным при переключении триггеров в состояние – «Все единицы» и существует до момента переключения его в состояние «Все нули».

Представитель К155ИЕ9 – двоично-десятичный счетчик (рис. 3.67).

Рис. 3.67 Микросхема К155 ИЕ9

Разрядами счетчика служат тактовые JК триггеры MS структуры.

входы параллельной загрузки счетчика (предварительная установка)

– разрешение ввода параллельной загрузки СЕР

– тактовый вход синхроимпульсов

- вход разрешения счета СЕ

- вход разрешения переноса СЕТ

– сброс

- выход переноса

		Входы				Выходы		Режим
R	Т						P
	X	X	X	X	X			Уст. нуля
		X	X		1(0)	1(0)		Предварит.установка зависит от
					X			Счет
	X X	X	X		X X			Хранение - // - // -

На рис. 3.68 приведена схема управления К_сч параллельной загрузкой.

Рис. 3.68 Счетчик К155ИЕ9 в роли программируемого делителя

, где М – число в двоично-десятичном коде, записанное в счетчике через входы .

		входы

Схема наращивания МС ИЕ9 приведена на рис. 3.69.

Рис. 3.69 Схема наращивания счетчиков К155ИЕ9

Возможное число счетчиков ограничено нагрузочной способностью по выходу Р = 6.

Примечание: смена кодов в счетчике происходит не по естественному циклу и требует в случае их использования перекодировки.

Реверсивные счетчики

Для превращения суммирующего счетчика в вычитающий нужно сигналы управления трактом переноса снимать с противоположных выходов триггеров счетчика, т.е. везде вместо выхода использовать выход и наоборот. Схема счетчика с общим входом сложения-вычитания UP/DN (рис. 3.70). Управление направлением счета происходит в мультиплексорах, соединенных с прямыми и инверсными выходами соответствующих триггеров.

Рис. 3.70 Реверсивный параллельный счетчик

Для использования выходов и можно применить мультиплексор вида 2:1.

UP/DN (up – down – вверх –вниз)

CR/BR (carry – нити, перенос,to borrow – брать в долг, заем)

Переключать уровень направления счета можно лишь при нулевом уровне счетного сигнала, когда входные конъюнкторы триггеров закрыты, т.е. триггеры находятся в режиме хранения информации.

Пример: 564 ИЕ14

WR – разрешение предварительной установки

входы предварительной установки

T – счетный вход

разрешение счета СЕ

режим 1 – сложение, 0 – вычитание

2/10 – основание счета 1 – двоичный, 0 - десятичный

P – перенос

		WR	2/10	Режим
	X		X	Хранение
				Суммирование в двоичном коде
				Суммирование в 2-10
				Вычитание в 2 коде
				Вычитание в 2-10 коде
X	X		X	Предварительная установка

Способы наращивания счетчиков 564 ИЕ14 приведены на рис. 3.71 и 3.72.

Рис. 3.71 Наращивание счетчиков 564ИЕ14 с последовательным переносом

Реверс счета следует производить когда на счетном входе первого каскада есть напряжение логической 1.

С параллельным переносом

Рис. 3.72 Наращивание счетчиков 564ИЕ14 с параллельным переносом

Реверсивный счетчик с раздельными счетными входами и переносом

Импульсы для сложения и вычитания подаются по двум отдельным входам, поэтому счетчик имеет два независимых тракта переноса – один для сложения, а другой для вычитания (рис. 3.73). Сразу оба счетных сигнала подавать нельзя, т.е. должно соблюдаться условие (+1) & (– 1) = 0.

Рис. 3.73 Параллельный счетчик с раздельными счетными входами и выходами переноса и займа

Такой счетчик можно превратить в счетчик с общим счетным входом, включив на входе демультиплексор вида 1:2 (рис. 3.74).

Рис. 3.74 Схема объединения раздельных входов счетчика

Пример – К155ИЕ6, ИЕ7 (рис. 3.75).

Рис. 3.75 Счетчик с раздельными входами

В табл. 3.13 приведены режимы работы счетчиков К155ИЕ6 и К155ИЕ7

Таблица 3.13

Режимы работы счетчиков К155ИЕ6 и К155ИЕ7

	Входы			Режим
R	C	+1	-1
	X	X	X	Установка нуля
		X	X	Произв. установка по
				Прямой счет
				Обратный счет

Счетчики по произвольному основанию

Рассмотрим два способа изменения основания счета

1. Со сбросом счетчика в 0 (рис. 3.76).

Рис. 3.76 Схема управления коэффициентом счета по входу R.

Двоичный счетчик разрядности n, такой, чтобы было К, дополняется элементом &, который по состояниям выходов обнаруживает код конца счета (обычно К-1), после чего по цепи R сбрасывает счетчик в 0.

Сигнал, сбрасывающий счетчик в 0 одновременно является и сигналом К переноса .

Достоинства способа:

а) естественная двоичная последовательность кодов от 0 до К-1

б) использование обычно имеющегося в счетчиках входа R.

Пример: К155ИЕ5, 564ИЕ10

2. Дополнения емкости счетчика параллельной загрузкой

PL (parallel load) (рис. 3.77).

Рис. 3.77 Схема управления коэффициентом счета параллельной загрузкой.

Счетчик перед началом счета по тракту параллельной загрузки загружается кодом дополнения числа К до . Кодом конца счета в этом случае является естественное переполнение счетчика, то есть код «Все единицы» вырабатывает сигнал .

Достоинство способа:

а) использование штатного тракта переноса и имеющихся во многих счетчиках входов параллельной загрузки

б) легкая смена основания пересчета. Для этого входы
подключают к выходу специального регистра начальных состояний.

Недостаток – неестественная последовательность получаемых кодов, требующая в случае их использования перекодировки. Поэтому данный способ применяется лишь в счетчиках-делителях.

Пример: К155ИЕ9.

Программируемые счетчики

В ряде случаев необходимо, чтобы коэффициентом счета счетчика импульсов можно было управлять в широком диапазоне значений. Представителями такого класса счетчиков являются т.н. программируемые счетчики. На рис. 3.78 показан счетчик-делитель К561ИЕ15 с переключаемым коэффициентом деления.

Рис. 3.78 Программируемый счетчик –делитель К561ИЕ15

задается программой и может быть любым целым числом от 3 до 21327 с шагом 1.

выходы для формирования модуля М = 2, 4, 5, 8, 10.

входы для установки нужного коэффициента деления

выбор режима

− счетный вход

Еще одним представителем программируемых счетчиков является счетчик-делитель К155ИЕ8 (рис. 3.79).

Рис. 3.79 Счетчик-делитель К155ИЕ8

Микросхема содержит шестиразрядный двоичный счетчик, элементы совпадения, позволяющие выделять не совпадающие между собой импульсы – каждый второй, каждый четвертый, каждый восьмой и т. д. И управляемый элемент И-ИЛИ, который позволяет подавать на выход часть или все выделенные импульсы. В результате средняя частота выходных импульсов может изменяться от 1/64 до 63/64 частоты входных импульсов.

разрешение счета

строб-вход, управляющий выходами и

строб-вход, управляющий выходом

R – установка нуля

Т – счетный вход

Наращивание счетчиков К155ИЕ8 по схеме, приведенной на рис. 3.80, позволяет получить:

Рис. 3.80 Наращивание К155ИЕ8