3.7. Счётчики с произвольным модулем счёта. Программируемые счётчики

Различные области применения требуют счётчиков с модулями счёта не только равными 2n, но и другими, например, для работы в десятичной системе - 10; для схем часов и календарей - 7, 12, 24, 60, …, в синтезаторах частот, при формировании телевизионных кадров в мониторах и т.д. В общем случае требуется строить счётчики по любому заданному основанию M, причём часто необходимо программно изменять модуль счёта M.

Иногда пересчёт выгоднее организовать на единственном счётчике, иногда - разложить модуль счёта на сомножители: степень двойки, реализуемую на обычном двоичном счётчике и располагаемую, как правило, в конце него для реализации скважности выходных сигналов, равной 2, и оставшееся нечетное число, являющееся модулем счётчика меньшей разрядности.

На базе отдельных триггеров и готовых счётчиков в виде СИС счётчик по произвольному модулю счёта можно построить пятью различными способами.

1.Если доступны отдельные триггеры, а модуль счёта должен быть фиксированным, то счётчик с произвольным модулем счёта может быть построен по методикам, изложенным в разделах «Синхронные счётчики» и «Асинхронные счётчики».

2.Двоичный счётчик разрядности n, такой, чтобы 2n было больше M, дополняется элементом И (для счётчика с фиксированным M) или цифровым компаратором (для счётчика с программируемым M), которые

по состояниям выходов Qi обнаруживают код конца счёта (как правило, M – 1), после чего по цепи R счётчик сбрасывается в нуль. Структурные схемы, реализующие этот способ, приведены на рис.3.27,а,б.

Сигнал, обнуляющий счётчик, одновременно является сигналом M-ичного переноса PM.

К достоинствам этого способа можно отнести: естественную двоичную последовательность кодов от 0 до M – 1; использование обычно имеющегося в схемах счётчиков входа R; в случае суммирующего счётчика достаточно подать на элемент И лишь прямые выходы тех триггеров, которые при коде конца счёта M равны единице; простоту смены модуля счёта счётчика.

3.В двоичный счётчик перед началом счёта загружается код дополнения числа M до 2n. Кодом конца счёта в этом случае является естественное переполнение счётчика, т.е. код «все единицы», обнаруживаемый

штатным трактом переноса, в результате чего вырабатывается сигнал переноса Pвых, который, пройдя через схему формирования сигнала записи, вновь устанавливает в счётчике дополнение M до 2n (рис.3.27,в).

К достоинствам этого способа можно отнести: использование штатного тракта переноса и имеющихся во многих счётчиках входов параллельной загрузки; простоту смены модуля счёта счётчика.

В качестве несущественного недостатка можно отметить «неестественную» последовательность кодов состояний счётчика.

4.Иногда в качестве кодов начала в конце счёта выбирают некоторую произвольную пару кодов, разность между которыми равна M – 1. Этому способу присущи недостатки как второго, так и третьего способов, поэтому используется он лишь в специальных случаях.

Отметим также, что структуры, приведенные на рис.3.27, могут быть реализованы и на вычитающих, и на реверсивных счётчиках.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

Код

состояния

ТИ	+1 СТ			Схема
	2n	Q	И	установки	Pм
				в нуль
	R
			а

									Код
									состояния
ТИ	СТ					A	= =	Схема
	+1	n						установки
		2	Q					в нуль	Pм
	R							F=
						B
	Код М-1
							б
	ТИ		+1	СТ	Q				Код
			DI	2n				состояния
2n- М								Схема
			V		Pвых		формирования		Pм
							сигнала записи

в

Рис.3.27. Структурные схемы счётчиков с произвольным модулем счёта: а - со сбросом счётчика в нуль с фиксированным М; б - со сбросом счётчика в нуль с программируемым М; в - с загрузкой дополнения

5. Последний вариант предполагает использование безвентильных счётчиков (см. раздел 3.8. «Безвентильные счётчики»).

Реализация второго способа построения счётчика по произвольному модулю счёта использована при построении некоторых ИС счётчиков, например К555ИЕ2; ИЕ4; ИЕ5. Они состоят из четырёх JK-триггеров, используемых в зависимости от внутренней структуры ИС по прямому назначению либо как T-триггеры. Срабатывание триггера осуществляется по отрицательному перепаду 10 на тактовом входе. Триггеры разделены на две секции, содержащие три и один триггер. Такая структура позволяет использовать секции раздельно, а также по-разному включать их между собой. Кроме триггеров в схемы этих счётчиков входят логические элементы, входы которых являются самостоятельными входам и ИС. С помощью логических элементов осуществляется одновременная установка всех триггеров в определённое состояние, а также остановка счёта.

В микросхеме Е555ИЕ5 (рис.3.28 и 3.29) секция из трёх триггеров D3 - D5 образует счётчик-делитель на 8 с последовательным переносом. При последовательном включении всех триггеров, когда, например, выход Q0 соединяется со входом C2, получается счётчик-делитель в коде 8421 с модулем счёта (деления) до 16. Если последовательность входных импульсов периодична, частота сигналов на выходах Q0 - Q3 будет соответственно в 2, 4, 8 и 16 раз ниже входной.

C2			Q0	Q1	Q2	Q3
C1		TT	TT	TT		TT
		T	T	T		T
R0	&	R D2	R D3	R D4		R D5
R0
	D1
			Рис.3.28. Логическая структура ИС К555ИЕ5

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

14		C	СТ2	Q	0
		1
1		C2		Q1
2				Q2
		&
3		R		Q3

Uип-5; Общ-10

12

9

8

11

Рис.3.29. Функциональное обозначение ИС К555ИЕ5

Логический элемент D1 обеспечивает одновременную принудительную установку всех триггеров

счётчика в нулевое состояние и прекращение счёта на время действия активного уровня управляющего

сигнала R'	R''	. Действие логического элемента характеризуется табл.3.8.					Таблица 3.8
0	0		Режимы работы счётчика типа ИЕ5
			Входы			Режим
			R0	R0
			0	0		Счёт
			0	1
			1	0
			1	1	Обнуление счётчика:
					Q3	= Q2 = Q1 = Q0 = 0

Путём определённых соединений входных C1; C2; R0' ; R0'' и выходных Q0 - Q3 выводов (табл.3.9) можно обеспечить различные коэффициенты счёта (деления частоты) меньше 16.

Таблица 3.9

Реализация различных коэффициентов счёта

	Kдел	Nвыводов		Внешние соединения
		Вход	Выход
	2	14	12	2 или 3 к общему (10)
		1	9
	3	14	9	2	к 12; 3 к 9; 12 к 1;
		1	8	2	к 9; 3 к 8
	5	14	8	2 к 12; 3 к 8; 12 к 1;
		1	11	2 к 9; 3 к 11
	6	14	8	2	к 9; 3 к 8; 12 к 1;
		1	11	2	к 8; 3 к 11
	9	14	11	2	к 12; 3 к 11; 12 к 1
	10	14	11	2 к 9; 3 к 11; 12 к 1
	12	14	11	2	к 8; 3 к 11; 12 к 1

Поскольку логический элемент D1 двухвходовый, с его помощью могут быть организованы такие коэффициенты счёта, которые в двоичном 4-разрядном коде содержат две единицы: 3, 5, 6, 9, 10 и 12. Увеличив число входов элемента D1, можно реализовать и другие коэффициенты счёта. На рис.3.30 приведены временные диаграммы ИС К555ИЕ5 в режиме делителя с M = 10, из которых видно, что в разряде Q0 наблюдается статический риск сбоя S0 при переходе из состояния 9 в состояние 0, а длительность сигнала R определяется задержками распространения в элементе D1 и тракте «вход R - выход Q». Используя такой способ реализации различного модуля счёта M, необходимо помнить и учитывать следующие моменты.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

ТИ

Q0 Q1 Q2 Q4 R

N состояния 9

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

1

Рис.3.30. Временные диаграммы ИС К555ИЕ5 в режиме делителя с М = 10

Во-первых, если счётчик имеет тракт межразрядного или межгруппового переноса последовательного типа, то в процессе счёта триггеры переключаются не строго одновременно. Порядок их переключения может быть любым, и при этом сразу после активного перепада счётного сигнала на некоторые мгновенья могут возникнуть коды конца счёта. Это приводит к появлению на выходе элемента И или И-НЕ (D1 на рис.3.28) помех, способных досрочно сбросить счётчик в 0. Поэтому элемент И (И-НЕ) или схема, использующая его сигнал, должны открываться лишь спустя время задержки счётчика, например, сигналом иной фазы или другим задержанным импульсом. Счётчик с непосредственной связью, имеющий жесткий порядок переключения триггеров, опасных помех такого типа не порождает. Счётчики, кодом конца счёта которых являются все единицы, также не имеют этого недостатка, поскольку схемы штатных трактов переноса всегда построены так, что ложных сигналов на выходе переноса не появляется.

Во-вторых, для надежного обнуления счётчика или для его параллельной загрузки длительность соответствующего сигнала должна быть не менее некоторого значения. В то же время при обнулении счётчика сигналом элемента И (И-НЕ), реагирующего на код конца счёта, любой триггер счётчика, первым переключившийся в 0, тут же вызовет исчезновение кода конца счёта и, как следствие, сигнала обнуления R. Чтобы длительность сигнала R была не менее требуемой паспортом (техническими условиям), сумма двух величин - задержки счётчика по тракту вход обнуления R - выход Q и задержки элемента И (И-НЕ) конца счёта - должна быть гарантированно больше минимально допустимой длительности сигнала R. Это требует гарантии минимальных значений задержек, входящих в рассматриваемую сумму, а этих-то гарантий изготовитель практически никогда и не даёт.

Например, если tзд.р.max тракта R – Q 40 нс, tимп.min в цепи R 50 нс, то при таких значениях допусков обсуждаемая сумма задержек с очень большой вероятностью окажется меньше требуемых 50 нс. Поэтому у

заманчиво простой схемы счётчика по произвольному модулю M, в котором сигнал элемента И (И-НЕ) конца счёта заведен непосредственно на вход R обнуления счётчика, малая вероятность сбоев не гарантируется паспортными данными элементов.

Несмотря на то, что подобные схемы на практике применяются и при этом даже работают, для серийной аппаратуры такие решения нельзя считать грамотными. Как и во всех других случаях, связанных с гонками (рисками сбоя), эксперимент не может быть критерием правильности решения: при других UИП, температуре, нагрузках или других образцах комплектующих элементов схема может давать сбои.

Чтобы гарантировать правильность работы, сигнал элемента И (И-НЕ) переноса или параллельной загрузки необходимо или удлинить до требуемого значения одновибратором, или запомнить на триггере. Эти узлы и обслуживающие их элементы на рис.3.27 показаны условно в виде схем установки в нуль и формирования сигнала записи. Пример практической реализации приведен на рис.3.31.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

ТИ	C	СТ2	Q			&
					&	R
	1			0
	C2		Q1
	&		Q2			D4
	R	D2	Q3		D2
						&
						R
	1
	D4				а	D5

ТИ

Q0

Q1

Q2

Q3

R

б

Рис.3.31. Схема (а) и временные диаграммы (б) формирования импульсного выходного сигнала в делителе с М = 10

В-третьих, как известно, счётчик по модулю M должен при поступлении каждого M-го импульса переходить из состояния M – 1. в 0. Например, счётчик по основанию 10 после каждого десятого импульса переключается из 9 в 0. Однако схемы, изображенные на рис.3.28 (см. также рис.3.30) и рис.3.31, решают эту задачу некорректно: из состояния M – 1 они сначала переходят в состояние M, что для счётчика с модулем счёта M лишено смысла, и только потом переходят в 0. Не все пользователи (исполнительные устройства) могут перенести даже малую длительность неверного (лишнего) состояния.

Схема счётчика по произвольному модулю счёта, пригодная для любого типа переноса, не боящаяся

ине создающая рисков сбоя и выдающая на выходе только допустимые M-ичные коды, т. е. схема универсальная во всех отношениях, показана на рис.3.32. В приведенной схеме риски сбоя устраняются соответствующим выбором величины задержки распространения элемента D1. Эту конкретную схему следует рассматривать как схему, иллюстрирующую принцип реализации, который заключается в применении в цепи тактовых сигналов селектора, представленного конъюнкторами D4 и D5 и управляемого триггером D2. Селектор направляет входные сигналы или на счётный вход двоичного счётчика (типа ИЕ5) или на вход сброса R. Триггер D2 на один такт запоминает сигнал элемента И D7, обнаружившего код конца счёта M – 1 (например, код 9 для десятичного счётчика (рис.3.32,б)). Для исключения реакции на неустановившиеся состояния двоичного счётчика, срабатывающего от перепада 10, в схеме применен триггер, срабатывающий по перепаду 01.

Вряде случаев удобно применить двухфазную систему синхронизации. Аналогичную схему можно построить для схем счётчиков с параллельной загрузкой дополнения M до 2n, а также для вычитающих

иреверсивных счётчиков.

Если разработчику доступна вся схема счётчика, например, при проектировании схем на элементах матричных БИС, то для счёта по произвольному модулю M можно модифицировать тракт переноса счётчика. Изучите этот материал самостоятельно по [24].

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com