Цифрові лічильники імпульсів
Міністерство науки та освіти Республіки Казахстан
Вища технічна школа
По предмету: Цифрові пристрої та мікропроцесорні системи
На тему: "Цифрові лічильники імпульсів"
Виконав: студент гр. В-512
Перевірила: Отарбаєва Ж. О.
З розвитком електроніки виник такий клас електронної техніки, як цифрова. Ця техніка призначена для формування, обробки та передачі електричних імпульсних сигналів та перепадів напруги та струму, а також для управління інформацією та її зберігання. Цифрові пристрої займають домінуюче місце у багатьох галузях науки і техніки, що обумовлено значно меншим споживанням енергії від джерела живлення, більш високою точністю, меншою критичністю до змін зовнішніх умов, більшою стійкістю до перешкод. Цифрова техніка включає такі пристрої як тригери, регістри, лічильники, комбінаційні пристрої, програмовані логічні інтегральні схеми та ін.
Цифровий лічильник імпульсів - це цифровий вузол, який здійснює рахунок імпульсів, що надходять на його вхід. Результат рахунка формується лічильником у заданому коді і може зберігатися потрібний час. Лічильники будуються на тригерах, при цьому кількість імпульсів, що може підрахувати лічильник визначається з виразу N = 2 n - 1, де n - число тригерів, а мінус один, тому що в цифровій техніці за початок відліку приймається 0. Лічильники бувають підсумовують, коли рахунок йде збільшення, і віднімають - рахунок зменшення. Якщо лічильник може перемикатися у процесі роботи з підсумовування віднімання і навпаки, він називається реверсивним.
Як вихідний стан прийнятий нульовий рівень на всіх виходах тригерів (Q1 - Q3), тобто цифровийкод 000. У цьому старшим розрядом є вихід Q3 . Для переведення всіх тригерів в нульовий стан входи R тригерів об'єднані і на них подається необхідний рівень напруги (тобто імпульс, що обнулює тригери). По суті, це скидання. На вхід надходять тактові імпульси, які збільшують цифровий код на одиницю, тобто після приходу першого імпульсу перший тригер переключається в стан 1 (код 001), після приходу другого імпульсу другий тригер переключається в стан 1, а перший - в стан 0 (код 010), потім третій і т. д. У результаті подібний пристрій може дорахувати до 7 (код 111), оскільки 23 - 1 = 7. Коли на всіх виходах тригерів встановилися одиниці, кажуть, що лічильник переповнений. Після приходу наступного (дев'ятого) імпульсу лічильник обнуляться і почнеться з початку. На графіках зміна станів тригерів відбувається з деякою затримкою tз. На третьому розряді затримка вже втричі. Затримка, що збільшується зі збільшенням числа розрядів, є недоліком лічильників з послідовним переносом, що, незважаючи на простоту, обмежує їх застосування в пристроях з невеликим числом розрядів.
Класифікація лічильників
Лічильниками називають пристрої для підрахунку числа надійшли на їх вхід імпульсів (команд), запам'ятовування та зберігання результату рахунку та видачі цього результату. Основним параметром лічильника є модуль счёта(емкость) Kс. Ця величина дорівнює числу стійких станів лічильника. Після надходження імпульсів Kс лічильник повертається у вихідний стан. Для двійкових лічильників Kс = 2 m, де m – число розрядів лічильника.
Крім Kз важливими характеристиками лічильника є максимальна частота рахунку fmax і час встановлення tуст, які характеризують швидкодію лічильника.
Tуст – тривалістьперехідного процесу перемикання лічильника у новий стан: tуст = mtтр, де m – число розрядів, а tтр – час перемикання тригера.
Fmax – максимальна частота вхідних імпульсів, коли він відбувається втрати імпульсів.
За типом функціонування:
У підсумовуючому лічильнику прихід кожного вхідного імпульсу збільшує результат рахунку на одиницю, у віднімає – зменшує на одиницю; у реверсивних лічильниках може відбуватися як підсумовування, і віднімання.
По структурній організації:
У послідовному лічильнику вхідний імпульс подається тільки вхід першого розряду, на входи кожного наступного розряду подається вихідний імпульс попереднього розряду.
У паралельному лічильнику з приходом чергового лічильного імпульсу перемикання тригерів під час переходу на новий стан відбувається одночасно.
Послідовно-паралельна схема включає обидва попередні варіанти.
По порядку зміни станів:
- З природним порядком рахунку;
- З довільним порядком рахунку.
За модулем рахунку:
Модуль рахунку двійкового лічильника Kc=2, а модуль рахунку недвійкового лічильника Kc= 2m, де m – число розрядів лічильника.
Підсумовуючий послідовний лічильник
Рис.1. Підсумовуючий послідовний 3-х розрядний лічильник.
Тригери даного лічильника спрацьовують по задньому фронті лічильного імпульсу. Вхід старшого розряду лічильника пов'язаний із прямим виходом (Q) молодшого сусіднього розряду. Тимчасова діаграма роботи такого лічильника наведено на рис.2. У початковий момент часу стану всіх тригерів дорівнюють лог.0 відповідно на їх прямих виходах лог.0. Це досягається за допомогою короткочасного лог.0, поданого на входи асинхронної установки тригерів лог.0. Загальнестан лічильника можна охарактеризувати двійковим числом (000). Під час рахунку на входах асинхронної установки тригерів лог.1 підтримується лог.1. Після приходу заднього фронту першого імпульсу 0-розряд переключається на протилежний стан – лог.1. На вході 1-розряду з'являється передній фронт лічильного імпульсу. Стан лічильника (001). Після приходу на вхід лічильника заднього фронту другого імпульсу 0-розряд перемикається в протилежний стан - лог.0, на вході 1-розряду з'являється задній фронт лічильного імпульсу, який перемикає 1-розряд лог.1. Загальний стан лічильника – (010). Наступний задній фронт на вході 0-розряду встановить його в лог.1(011) і т.д. Таким чином, лічильник накопичує число вхідних імпульсів, що надходять на його вхід. При надходженні 8-ми імпульсів з його вхід лічильник повертається у вихідний стан (000), отже коефіцієнт рахунки (КСЛ) даного лічильника дорівнює 8.
Мал. 2. Тимчасова діаграма послідовного підсумовуючого лічильника.
Послідовний лічильник, що віднімає
Тригери цього лічильника спрацьовують по задньому фронту. Для реалізації операції віднімання лічильний вхід старшого розряду підключається до інверсного виходу сусіднього молодшого розряду. Попередньо тригери встановлюють стан лог.1 (111). Роботу даного лічильника показує часова діаграма на рис. 4.
Мал. 1 Послідовний лічильник, що віднімає
Мал. 2 Тимчасова діаграма послідовного лічильника, що віднімає
Реверсивний послідовний лічильник
Для реалізації реверсивного лічильника необхідно об'єднати функції підсумовуючого лічильника та функції лічильника, що віднімає. Схема цього лічильника наведена на рис. 5. Для керування режимом рахунку служать сигнали «сума» та"Різниця". Для режиму підсумовування "сума" = лог.1, "0" - короткочасний лог.0; "Різниця" = лог.0, "1"-короткочасний лог.0. При цьому елементи DD4.1 та DD4.3 дозволяють подачу на тактові входи тригерів DD1.2, DD2.1 через елементи DD5.1 та DD5.2 сигналів з прямих виходів тригерів DD1.1, DD1.2 відповідно. При цьому елементи DD4.2 і DD4.4 закриті, на їх виходах є лог.0, тому дія інверсних виходів ніяк не відбивається на рахункових входах тригерів DD1.2, DD2.1. Таким чином, реалізується операція підсумовування. Задля реалізації операції віднімання на вхід «сума» подається лог.0, вхід «різницю» лог.1. При цьому елементи DD4.2, DD4.4 дозволяють подачу на входи елементів DD5.1, DD5.2, відповідно і на рахункові входи тригерів DD1.2, DD2.1 сигналів з інверсних виходів тригерів DD1.1, DD1.2. При цьому елементи DD4.1, DD4.3 закриті і сигнали з прямих виходів тригерів DD1.1, DD1.2 не впливають на рахункові входи тригерів DD1.2, DD2.1. Таким чином, реалізується операція віднімання.
Мал. 3 Послідовний реверсивний 3-х розрядний лічильник
Для реалізації даних лічильників також можна використовувати тригери, які спрацьовують на передньому фронті рахункових імпульсів. Тоді під час підсумовування на лічильний вхід старшого розряду треба подавати сигнал з інверсного виходу сусіднього молодшого розряду, а відніманні навпаки – з'єднувати лічильний вхід із прямим виходом.