Характеристика объекта исследования

Одной из наиболее распространенных операций, выполняемых в вычислительных устройствах цифровой обработки информации является подсчет числа сигналов импульсного или потенциального вида.

Узел вычислительных устройств, предназначенный для подсчета

числа входных сигналов, называется счетчиком. Счетчики широко применяются почти во всех цифровых устройствах автоматики и вычислительной техники. В цифровых вычислительных машинах счетчики используются: для подсчета шагов программы, для подсчета циклов сложения и вычитания при выполнении арифметических операций, для преобразования кодов, в делителях частоты и распределителях сигналов и т.п.

По системе счисления счетчики делятся на двоичные, двоично-десятичные, десятичные, счетчики с основанием системы счисления не равным 2 и 10 (пересчетные схемы).

По реализуемой операции счетчики подразделяются на суммирующие, вычитающие и реверсивные.

К основным параметрам счетчиков относятся:

- модуль счета или коэффициент пересчета счетчика К сч ,

характеризующий число устойчивых состояний, в которых может находиться n - разрядный счетчик, т. е. предельное число входных сигналов, которое может быть подсчитано счетчиком.

Двоичный n - разрядный счетчик имеет различных состояний.

Число разрядов двоичного счетчика можно определить по выражению:

n³ log 2 K сч (1)

где n – число разрядов, определяемое ближайшим целым числом, удовлетворяющим данному неравентству; К сч - коэффициент пересчета;

- максимальная частота поступления входных сигналов fсч max

- частота, при которой счетчик еще сохраняет работоспособность;

эта частота определяется, как правило, максимально допустимой частотой переключения триггера младшего разряда счетчика.

Синтез счетчиков и пересчетных схем на универсальных D– и JK – триггерах.

Простейшим счетчиком является триггер со счетным входом, регистрирующий сигналы по модулю 2, т.е. осуществляющий подсчет и хранение результата подсчета не более двух сигналов. Соединив несколько счетных триггеров определённым образом, можно получить схему многоразрядного счетчика.

В настоящее время в состав большинства современных серий логических микросхем (133, К133, 155, К155 и др./ входят широко

используемые D и J-K -триггеры.

При использовании D - триггеров в качестве счетного триггера его инверсный выход соединяют со своим входом D. Работать в счётном режиме могут триггеры только динамического типа.

Представление счётчика цепочкой счётных триггеров возможно как для суммирующего, так и для вычитающего вариантов, поскольку закономерность по соотношению частот переключения разрядов сохраняется как при просмотре таблицы сверху, так и снизу. Различия при этом состоят в направлении переключения предыдущего разряда, вызывающего переключение следующего.

При прямом счёте (суммирование) следующий разряд переключается при переходе предыдущего в направлении из 1 в 0,

а при обратном счёте – при переключении из 0 в 1.

Асинхронный суммирующий счетчик на D- триггерах можно

получить, соединив инверсный выход предыдущего триггера со входом С последующего триггера.

Схема асинхронного четырёхразрядного суммирующего счетчика

на D -триггерах приведена на рис.1.

Рис. 1. Схема асинхронного суммирующего счётчика на D-триггерах.

Для построения вычитающего счетчика на D - триггерах прямой выход предыдущего триггера соединяют со входом С последующего триггера.

Схема асинхронного четырёхразрядного вычитающего счетчика на D - триггерах приведена на рис.2.

Рис. 2. Схема асинхронного вычитающего счётчика на D-триггерах.

Для построения суммирующего асинхронного счетчика на

JK-триггерах необходимо соединить прямые выходы предыдущих тригге-ров со входом С последующих триггеров.

JK триггер должен находиться в счётном режиме, при котором входные сигналы J=K=1.

Все выводы триггеров на макете УМ-11 находятся под потенциалом логической единицы. Поэтому достаточно организовать только межразрядные связи в счётчике.

Схема асинхронного 4-х разрядного суммирующего счетчика

на JK-триггерах приведена на рис.3.

Рис. 3. Схема асинхронного суммирующего счётчика на JK– триггерах.

Асинхронный вычитающий счетчик на JK- триггерах можно получить, соединив инверсный выход предыдущего триггера соединить со входом С последующего триггера (рис.4).

Рис. 4. Схема асинхронного вычитающего счётчика на JK– триггерах.

Следует отметить, что в изображениях JK триггеров на рис. 3 и 4 не показаны единичные потенциалы, которые необходимо подавать на входы

J и K каждого триггера, чтобы данный триггер работал в счётном режиме. Данное изображение соответствует триггеру макета УМ-11, в котором все незадействованные входы всех схем находятся под потенциалом логической единицы.

Реверсивные счетчики осуществляют подсчет сигналов как в прямом, так и в обратном направлении, т.е. они могут работать в режиме сложения и в режиме вычитания сигналов.

Для построения реверсивных счетчиков необходимо предусмотреть схемы, пропускающие сигналы на вход следующих триггеров либо с инверсного (при суммировании), либо с прямого (при вычитании) выходов предыдущего триггера.

Схема асинхронного реверсивного счетчика наD-триггерах со схемой управления прямым и обратным счетом приведена на рис.5.

Асинхронные реверсивные счетчики на JK-триггерах строятся аналогично реверсивным счетчикам на D- триггерах.

Рис. 5. Схема асинхронного реверсивного счётчика на JK триггерах.

Рассмотренные выше счетчики имели коэффициент пересчета . а. Однако на практике возникает необходимость в счетчиках, коэффициент пересчета которых отличен от . Очень часто, например, применяются счетчики с = 3, 10 и т.д., т.е. счетчики, имеющие число устойчивых состояний соответственно 3, 10 и т.д. Принцип построения таких счетчиков заключается в исключении “ лишних” устойчивых состояний счетчика с = , т.е. в организации схем, запрещающих некоторые состояния.

Число запрещенных состояний для любого счетчика можно

определить по следующему выражению:

m = - (2)

где m - число запрещенных состояний;

- число устойчивых состояний двоичного счетчика; - требуемый коэффициент пересчета.

Например, для счетчика с = 3, который строится на двух счетных триггерах, и для счетчика с = 10, который строится на четырех счетных триггерах, число избыточных состояний согласно формуле (2) равно 1 и 6 соответственно.

Рассмотрим способ построения счетчика с естественным по­рядком счета, у которого уменьшение числа устойчивых состояний достигается за счет сбрасывания счетчика в нулевое состояние при записи в него заданного числа сигналов.

В соответствии с этим способом к счетчику добавляется ло­гическая схема, проверяющая условие: «Kод на счетчике изобража­ет число, равное К_сч и в зависимости от результата проверки направляет входной сигнал либо на шину "установка 0", либо на суммирование к записанному коду.

Это условие можно проверить с помощьюn-входовой схемой И, связанной с прямыми выходами тех триггеров, которые при записи в счетчике коэффициента К_сч должны находиться в состоянии «1», и с инверсными выходами триггеров, которые в этом случае должны находиться в состоянии «0».

Практически число входов элемента "И" можно сократить, связав его с прямыми выходами, т.к. сочетание единиц в записи кода числа К_сч может повториться только в недозволенных кодах больших К_сч.

Рассмотрим синтез схемы подобного счетчика на примере К_сч=10 ,т.е. счетчик должен иметь 10 состояний - от 0 до 9 в десятичной системе и от 0000 до 1001 в двоичной системе. Снача­ла определим разрядность счетчика

n log₂ K_сч=log₂10 3.35 (3)

Полученное значениеnокругляется до ближайшего целого числа, т.е. n=4. Затем определим, какие разряды счетчика будут находится в единичном состоянии при записи в счетчик коэффициента К_сч.

Прямые выходы этих разрядов заводятся на входы логической схемы ”И” и далее в цепь установки "0". Таким образом, при достижении счетчиком значения К_сч он ав­томатически возвращается в состояние 0000 и счет начинается снова.

Схемы суммирующих счётчиковсК_сч=10, построенных на

D – триггерах и JK – триггерах, приведены на рис. 6 и 7.

Рис. 6. Суммирующий счетчик с К_сч=10 на D-триггерах.

Рис. 7. Суммирующий счетчик с К_сч=10 на JK-триггерах.

Синтез синхронных счетчиков на основе JК -триггера

Особенностью синхронного счётчика является то, что счётный сигнал

подаётся по шине одновременно на синхровходы триггеров всех разрядов.

Логика переключения счётчика управляется переводом триггера данного

разряда в счётное состояние (логические единицы на входах J и K), либо в

иное состояние, когда изменение состояния триггера не меняется при наличии счётного сигнала.

Во многих схемах JK триггер реализуется с наличием нескольких входов J и входов K, объединённых конъюнкторами (логический элемент “И”).

JK триггеры, входящие в состав макета УМ-11, имеют по три входа

J и по три входа K, под символами J и К изображён знак &, поясняющий, что входные сигналы подаются на внутренние встроенные конъюнкторы. В макете УМ-11 все незадействованные имеют потенциал логической единицы, поэтому некоторые из незадействованных входов будут работать правильно, отражая логику логического элемента “И”.

Проанализировав последовательность двоичных состояний счётчика, можно сделать вывод о том, что i-тый разряд счётчика должен поменять своё состояние при приходе очередного счётного импульса только тогда, когда все разряды более младшие разряды находятся в состоянии логических единиц.

Самый младший разряд счётчика должен менять своё состояние при каждым счётном импульсе. Счётное состояние первого разряда обеспечивают логические единицы на всех трёх входах J и K.

Схема трёхразрядного синхронного суммирующего счётчика показана на рис.8.

Рис. 8. Синхронный суммирующий счетчик на JK-триггерах.

Часть 1.

Исследование работы счётчиков на макете УМ-11. Задание на выполнение работы.

2.1 Изучение описания лабораторной работы и проверка лабора­торного макета.

2.1.1. Внимательно прочитать теоретическую часть описания лабораторной работы.

2.1.2. Включить электропитание лабораторного макета. Должна загореть­ся лампочка около тумблера "Вкл".

2.1.3. Проверить набор прилагаемых соединительных шнуров на обрыв, подключая каждый шнур одним концом к тумблеру, а другим к индикаторной лампочке.

2.2. Исследование работы счетчиков на D- триггерах.

2.2.1. В соответствии с заданным преподавателем вариантом (табл.1) собрать одну из схем счетчиков на D-триггерах, соединяя триггеры с помощью соединительных шнуров в соответствии со схемами на рис. 1, 2.

2.2.2. Шину установки нуля (У”О”) подключить к одному из тумб­леров тумблерного регистра (верхнее гнездо) для снятия потенци­ала, необходимого для установки счетчика в нулевое состояние. Верхнее положение тумблера -счетный режим, нижнее - установка нуля.

2.2.3. Прямые выходы триггеров подключить к индикаторным лам­почкам.

2.2.4. Для проверки работы счетчика в статическом режиме подключить к входу счетчика генератор одиночных импульсов. На вход синхронизации ("Синхр") генератора одиночных импульсов подать синхронизирующие импульсы CИ1 « ». Произвести обнуление счетчика тумблером У «0».

2.2.5. Нажимая кнопку «Пуск" генератора одиночных импульсов, проверить работоспособность счетчика по тактам, фиксируя состояние триггеров счетчика по индикаторным лампочкам и занося их в таблицу 2.

Таблица 1

Таблица 2.

2.3. Исследование работы счетчиков на JК -триггерах.

2.3.1. В соответствии с заданным преподавателем вариантом (см. табл. 1) собрать одну из схем счетчика на JK-триггерах (см. рис.3, 4).

2.3.2. Для снятия потенциала, необходимого для установки счёт­чика в нулевое состояние, шину У"0" подключить к одному из тумб­леров тумблерного регистра (см. п. Б2).

2.3.3. Прямые выходы триггеров подключить к индикаторным лампочкам.

2.3.4. Для проверки работы счетчика в статическом режиме ко входу счетчика подключить генератор одиночных импульсов, на вход "Синхр" которого подать синхронизирующие импульсы СИ1. Обнулить счетчик тумблером У"0".

2.3.5. Проверить работоспособность счетчика по тактам, нажимая кнопку "Пуск" генератора одиночных импульсов. Зафиксировать состояние триггеров счетчика по индикаторным лампочкам, занести их в таблицу, аналогичную табл.2.

2.4. Исследование работы пересчетной схемы при естественном порядке счета.

2.4.1. В соответствии с заданным преподавателем вариантом (см. табл.1) и в соответствии с изложенной методикой собрать пересчетную схему на

D-триггерах или JК -триггерах.

2.4.2. Прямые выходы триггеров подключить к индикаторным лампочкам.

2.4.3. Установку нуля выполнять аналогично 2.4.2.

2.4.4. Проверить работу счетчика аналогично 2.4.4, 2.4.5.

2.4.5. Состояние счетчика фиксировать в виде таблицы, аналогичной таблице 2.

2.5. Исследование работы синхронного счетчика на JK-триггерах.

2.5.1. Собрать схему четырёхразрядного синхронного счётчика на

JK-триггерах по аналогии с рис.8.

2.5.2. Проверить работу счетчика аналогично п. 2.4.4, п.2.4.5.

2.5.3. Состояние счетчика фиксировать в виде таблицы, аналогичной таблице

Содержание отчёта по части 1 лабораторной работы.

3.1. Принципиальные схемы счетчиков наD-иJК-триггеpax, переcчетной схемы наD -триггерах и на JK-триггерах.

3.2. Заполненные таблицы состояний триггеров счетчика.

3.3. Временные диаграммы, поясняющие работу разрядов счетчиков.

Часть 2.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: