Оперативность, качество, доступные цены!
info@smart-sps.ru

Москва, ул. 6-я Радиальная, д.9​

Лабораторная работа №6

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ГОРОДА МОСКВЫ

СЕВЕРНЫЙ АДМИНИМТРАТИВНЫЙ ОКРУГ

 

 

 

 

 

Лабораторная работа №6

 

Исследование двоичных счетчиков

 

1. Цель работы

Целью работы является изучение принципов работы двоичных счетчиков.

 

2. Краткие теоретические сведения

 

Счетчики

На базе счетных триггеров можно построить цифровое устройство, получившее название электронного счетчика. Электронные счетчики (далее, просто счетчики) позволяют вести подсчет электрических импульсов, количество которых (поступивших на вход счетчика) представляется, обычно, в параллельном коде. Счетчики могут отличаться модулем счета и типом счетной последовательности, которая, в частности, может быть двоичной, двоично-десятичной, в коде Грея и т.п.

Счетчики подразделяются на асинхронные и синхронные. У синхронных счетчиков все разрядные триггеры синхронизируются параллельно одними и теми же синхроимпульсами, поступающими из источника этих импульсов. Асинхронные счетчики имеют последовательную синхронизацию, т.е. каждый последующий разрядный триггер синхронизируется выходными импульсами триггера предыдущего разряда. Асинхронные счетчики иногда называют последовательными, а синхронные счетчики - параллельными.

Синхронные счетчики, в свою очередь, подразделяются на параллельно-синхронные и последовательно-синхронные. Параллельные счетчики имеют более высокую скорость счета, чем асинхронные.

Счетчики, независимо от способа синхронизации, подразделяются на счетчики прямого счета (суммирующие), счетчики обратного счета (вычитающие) и реверсивные счетчики, в которых имеется специальный вход для переключения режима работы, т.е. направления счета. Счетчики также могут работать в режиме регистра памяти, для этого существуют дополнительные входы предустановки счетчика.

В качестве разрядных триггеров счетчиков и делителей могут быть использованы D-триггеры, Т- и JK-триггеры.

Счетчики относятся к последовательностным устройствам с циклически повторяющейся последовательностью состояний. Число, соответствующее количеству импульсов (поступивших на вход счетчика), при котором счетчик “возвращается” в исходное состояние, называется модулем или коэффициентом счета. Модуль счета, обычно, обозначают буквой М (или Ксч). Например, максимальный модуль счета счетчика из двух триггеров равен М = 22 = 4, трех триггеров - М = 23 = 8 и т.д. В общем случае для n - разрядного счетчика - М = 2n. Модуль счета счетчика численно совпадает с модулем деления делителя частоты. Счетчик по модулю 8 позволяет реализовать (без дополнительных схемных затрат) делитель частоты на 8. Это значит, что данный делитель делит частоту входной импульсной последовательности на 8.

 

Асинхронный двоичный счетчик

 

Асинхронный двоичный счетчик представляет собой совокупность последовательно соединенных триггеров (D - или JK), каждый из которых ассоциируется с битом в двоичном представлении числа. Если в счетчике m триггеров, то число возможных состояний счетчика равно 2m, и, следовательно, модуль счета М также равен 2m. Счетная последовательность в двоичном суммирующем счетчике начинается с нуля и доходит до максимального числа 2m - 1, после чего снова проходит через нуль и повторяется. В вычитающем двоичном счетчике последовательные двоичные числа перебираются в обратном порядке, и при повторении последовательности максимальное число следует за нулем.

Рассмотрим устройство двоичного суммирующего счетчика по модулю М=16, выполненного на базе JK-триггеров.

 


Рисунок 6.1. Схема двоичного суммирующего счетчика

 

Как видно из рисунка 6.1, синхронизирующие входы всех триггеров, кроме крайнего левого (Т1), соединены с выходами предыдущих триггеров. Поэтому состояние триггера меняется в ответ на изменение состояния предыдущего триггера.

 

 

N

Q3

Q2

Q1

Q0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

1

2

0

0

1

0

3

0

0

1

1

4

0

1

0

0

5

0

1

0

1

6

0

1

1

0

7

0

1

1

1

8

1

0

0

0

9

1

0

0

1

10

1

0

1

0

11

1

0

1

1

12

1

1

0

0

13

1

1

0

1

14

1

1

1

0

15

1

1

1

1

Таблица 1.1. Таблица состояния счетчика

 

Из таблицы 1.1 состояния счетчика легко заметить, что значение разряда в выбранной позиции меняется тогда, когда в соседней справа позиции состояние переходит из “1” в “0”, управление триггерами осуществляется фронтом синхроимпульсов.

Временные диаграммы, поясняющие работу асинхронного суммирующего счетчика приведены на рисунке 6.2.

 


Рисунок 6.2. Временная диаграмма асинхронного суммирующего счетчика

 

 

Счетчики обратного счета (вычитающие счетчики)

 

На рисунке 6.3 приведена схема асинхронного трехразрядного двоичного вычитающего счетчика, построенного на базе D-триггеров. Отметим, что условия для изменения состояний триггеров вычитающих счетчиков аналогичны условиям для суммирующих счетчиков с той лишь разницей, что они должны “опираться” на значения инверсных, а не прямых выходов триггеров. Следовательно, рассмотренный выше счетчик можно превратить в вычитающий, просто переключив входы “С” триггеров с выходов  на выходы . Когда в качестве разрядных триггеров используются D-триггеры, синхронизируемые передним фронтом синхроимпульсов, для получения вычитающего счетчика (асинхронного) входы “С” последующих тригеров соединяются с прямыми выходами предыдущих, также как в счетчике прямого счета, построенного на JK-триггерах.


Рисунок 6.3. Схема асинхронного двоичного суммирующего счетчика

 

Работа вычитающего счетчика на D-триггерах наглядно иллюстрирована на рисунке 6.4, из которого следует, что после нулевого состояния всех триггеров, с приходом первого синхроимпульса они устанавливаются в состояние “1”. Поступление второго синхроимпульса приводит к уменьшению этого числа на одну единицу и т.д. После поступления восьмого импульса, снова, все триггеры обнуляются и цикл счета повторяется, что соответствует модулю М=8.

 


Рисунок 6.4. Временная диаграмма работы вычитающего счетчика

 

 

Реверсивный счетчик

 

В некоторых случаях необходимо, чтобы счетчик мог работать как в прямом, так и в обратном направлении счета. Такие счетчики называются реверсивными. Реверсивные счетчики могут быть как асинхронного, так и синхронного типа. Они строятся путем применения логических коммутаторов (мультиплексоров) в цепях связи между триггерами. Так, например, асинхронный реверсивный двоичный счетчик можно построить, если обеспечить подачу сигналов с прямого (при суммировании) или с инверсного (при вычитании) выхода предыдущего JK- или Т-триггера на счетный вход последующего. В случае, когда реверсивный счетчик строится на базе D-триггеров, управляемых передним фронтом, для получения режима прямого счета следует соединить инверсный выход предыдущего с счетным входом последующего триггера.

Все рассмотренные типы счетчиков могут быть использованы в цифровых устройствах “умеренного” быстродействия, когда частота следования синхроимпульсов не превышает критического значения, при котором время задержки установки триггеров последних (старших) разрядов счетчика становится соизмеримым с длительностью периода входных тактовых импульсов. В связи с этим, асинхронные счетчики строятся на относительно небольшое количество разрядов, так как при большем количестве разрядов выходные сигналы триггеров старших разрядов появляются позднее, чем управляющие фронты синхроимпульсов (поступающих на вход первого триггера).

 

Параллельные счетчики (синхронные счетчики)

 

Как было уже сказано выше, параллельные счетчики бывают двух типов: синхронные параллельные и синхронные последовательные.

 

Синхронный последовательный счетчик. По способу подачи синхроимпульсов такие счетчики параллельные, т.е. синхроимпульсы поступают на все триггеры счетчика параллельно, а по способу управления (подачи управляющих импульсов) - последовательные. Схема синхронного последовательного счетчика, реализованного на JK-триггерах, приведена на рисунке 6.5.

 

 


Рисунок 6.5. Схема синхронного последовательного счетчика

 

Синхронный последовательный счетчик обладает повышенным быстродействием, однако, за счет последовательного формирования управляющих уровней, на входы “J” и “К” счетных триггеров, быстродействие несколько уменьшается. От этого недостатка лишены параллельные синхронные счетчики, в которых формирование управляющих уровней и их подача на соответствующие входы триггеров счетчика осуществляется одновременно, т.е. параллельно. Пример реализации параллельного синхронного счетчика иллюстрирован на рисунке 6.6.


Рисунок 6.6. Схема параллельного синхронного счетчика

 

Поскольку счетчик имеет одну общую линию синхронизации, состояние триггеров меняется синхронно, т.е. те триггеры, которые по синхроимпульсу должны изменить свое состояние, делают это одновременно, что существенно повышает быстродействие синхронных счетчиков.

 

Счетчики с произвольным коэффициентом счета

 

Принцип построения подобного класса счетных устройств состоит в исключении нескольких состояний обычного двоичного счетчика, являющихся избыточными для счетчиков с коэффициентом пересчета, отличающимися от двоичных. При этом избыточные состояния исключаются с помощью обратных связей внутри счетчика.

Число избыточных состояний для любого счетчика определяется из следующего выражения:

М = 2m - Ксч,                                                             (6.1)

 

где М - число запрещенных состояний, Ксч - требуемый коэффициент счета; 2m - число устойчивых состояний двоичного счетчика.

Для получения требуемого коэффициента пересчета в каждом отдельном случае приходится применять какие-то конкретные методы. Существует несколько методов получения счетчиков с заданным коэффициентом пересчета Ксч. Один их этих методов заключается в немедленном сбросе в “0” счетчика, установившегося в комбинацию, соответствующему числу Ксч. Его называют также методом автосброса. Рассмотрим пример реализации счетчика с Ксч=10 методом автосброса. Очевидно, что “сбрасывая” двоичный четырехразрядный счетчик на нуль каждый раз, когда он будет принимать состояние 1010, можно обеспечить”возврат” счетчика в исходное состояние после каждых десяти импульсов.

 

3. Задание для самостоятельного выполнения

Внимание!

При выполнении практикума в лабораторном классе:

Соблюдайте правила техники безопасности при работе со стендом и приборами как с электрическими установками! Сетевое питание на стенд и питание на тестируемые схемы подавайте только после полного монтажа схемы и проверки монтажа преподавателем!

 

3.1. Для изучения принципов работы счетчика синтезируйте архитектуру ПЛИС в соответствии с функциональной схемой 6.7, приведенной ниже по тексту.

 


Рисунок 6.7. Функциональная схема экспериментальной установки

 

Нажимая на кнопку SA1, подключенную через модуль подавления «дребезга» контактов “remove_chatter”, убедитесь в инкрементировании состояния счетчика при каждом нажатии на кнопку SA1.

3.2. Синтезируйте счетчик с произвольным коэффициентом счета, применив для сброса счетчика цифровой компаратор. Задайте коэффициент пересчета равный 10. Убедитесь в правильной работе счетчика.

 

4. Контрольные вопросы

1. Объяснить принцип работы счетчика с произвольным модулем счета.

2. Рассказать о классификации счетчиков.

3. На каких типах триггеров реализуются счетчики?

4. В чем преимущество параллельных счетчиков над последовательными?