Изучение различных схем счетчиков и их функционирования

Лабораторная работа 4.2

Счетчики

Цель работы

Изучение различных схем счетчиков и их функционирования, приобретение навыков в определении характеристик счетчиков.

Основные теоретические положения

Счетчик предназначен для подсчета числа поступающих на вход импульсов в произвольной системе счисления.

В данной работе используются двоичные счетчики. Они строятся на основе Т-триггеров, которые получаются из синхронного D-триггера путем соединения его инверсного выхода с входом  D.

Файлы для моделирования счетчиков расположены в папке Lab_4_2\Модели.

1 Суммирующий асинхронный двоичный счетчик

На рисунке 1 представлен асинхронный суммирующий счетчик. Подсчитываемые сигналы подаются на вход D. Переключение триггеров происходит по переднему фронту входного сигнала. Для сброса триггеров используется асинхронный приоритетный вход R(инверсное значение). Выходным сигналом счетчика является двоичный код Q₂Q₁Q₀, его возможные наборы записаны в таблице 1.

          Рис. 1 Трехразрядный асинхронный суммирующий двоичный счетчик

Состояния трехразрядного счетчика                  Таблица 1

Число импульсов	Состояние счетчика
	суммирующего	вычитающего
0	000	000
1	001	111
2	010	110
3	011	101
4	100	100
5	101	011
6	110	010
7	111	001
8	000	000

Каждый поступающий на вход счетчика импульс переводит триггер D1 в противоположное состояние. Сигнал с инверсного выхода предыдущего триггера является входным сигналом для последующего.

Триггеры переключаются в разные моменты времени, поэтому счетчик называется асинхронным.

Характеристикой счетчика является коэффициент пересчета K_СЧ =2³. Максимальное число импульсов, которое может подчитать счетчик N = 2³-1. После поступления восьмого импульса D, счетчик возвращается в исходное состояние.

Счетчик является преобразователем импульсного кода в некоторый двоичный код.

2 Вычитающий асинхронный двоичный счетчик

Если на счетный вход каждого последующего триггера счетчика подавать сигнал с прямого выхода предыдущего триггера, то счетчик будет производить операцию вычитания (табл. 1, рис.2).

Рис. 2 Трехразрядный асинхронный вычитающий двоичный счетчик

Инверсия выходных данных счетчика позволяет изменять операцию суммирования на вычитание и обратно (рис. 3).

Рис. 3 Трехразрядный асинхронный

суммирующий-вычитающий двоичный счетчик

3 Реверсивные двоичные счетчики

Счетчики, способные выполнять операции сложения и вычитания согласно сигналу управления, называются реверсивными (рис. 4).

По сигналу U₁ =0, U₂ =1 счетчик работает, как суммирующий. При U₁ =1, U₂ =0 схема выполняет функцию вычитающего счетчика. Переключение через комбинацию управляющих сигналов U₁ =1, U₂ =1. Вход R для сброса.

Рис. 4 Трехразрядный реверсивный двоичный счетчик

4 Счетчики по модулю n

Для построения счетчика с требуемым коэффициентом пересчета, отличным от величины 2ⁿ (n - число двоичных разрядов счетчика), используется принудительный сброс счетчика в исходное состояние при достижении счетчиком запрещенного кода.

 Модель суммирующего асинхронного счетчика с K_СЧ= 5 представлена на рисунке 5. После формирования последнего числа из ряда целых чисел 0, 1,…, 4, осуществляется переход к 0 (а не к 5). Двоичные коды чисел 5, 6, 7 являются запрещенными, и их появление приводит к сбросу данных во всех разрядах счетчика. Выявление запрещенных комбинаций осуществляют логические элементы 2И-НЕ. Недостатком схемы является кратковременное появление запрещенного состояния перед сбросом.

Рис. 5 Счетчик по модулю 4

В представленной на рисунке 6 схеме счетчика выявляется факт попадания в состояние, которое предшествует запрещенному состоянию (код 100). С приходом очередного входного сигнала происходит сброс данных. Поэтому запрещенное состояние на выходах не появляется.

Рис. 6 Счетчик по модулю 4

5 Счетчик Джонсона

Данное устройство является также циклическим регистром, но часто применяется в качестве счетчика или делителя частоты. На рис. 7 счетчик реализован на D-триггерах, на рис. 8 – на JK-триггерах. Разница заключается в выборе момента переключения тактовым сигналом.

Рис. 7 Счетчик Джонсона на D-триггерах

Рис. 8 Счетчик Джонсона на JK-триггерах

Счетчики используются в цифровых устройствах управления, обработки и преобразования информации. Помимо указанных функций счетчики иногда также могут выполнять функции приема и выдачи кода.

Задание 1

Изучить работу двоичных счетчиков (рисунки 1…8), определить логические сигналы на их выходах.

Задание 2

Определить назначение счетчика, модель которого в файле: L4_C_04.ewb. Ответ указать в таблице 2, удалив лишнее.

Таблица к заданию 2                                               Таблица 2

Задание 3

С помощью реверсивного счетчика (рис. 4) провести подсчет импульсов от 0 до 4 в режиме суммирования (файл L4_C_05.ewb). Затем переключиться в режим вычитания (через комбинацию управляющих сигналов U₁ =1, U₂ =1) и считать от 4 до 0.

Перед повторением моделирования рекомендуется осуществлять сброс. В процессе подачи входного сигнала не оставлять выключатель D в замкнутом состоянии. Результаты занести в таблицу 3.

Таблица к заданию 3                                                           Таблица 3

Количество импульсов	N10	R	U1	U2	Q2	Q1	Q0
0	0
1	1
2	2
3	3
4	4
5	3
6	2
7	1
8	0

Задание 4 Составить таблицу истинности счетчика Джонсона (табл. 4).

Таблица к заданию 4                                                         Таблица 4

Число импульсов	Q2	Q1	Q0
0
1
2
3
4
5
6

Задание 5

Определить величину коэффициента пересчета счетчика (рис. 9) и максимальное количество импульсов, которые он может сосчитать. Ответ указать в табл. 5.

Рис. 9 Счетчик

Таблица к заданию 5                                           Таблица 5

Задание 6

На рисунке 10 представлена модель микросхемы, которая содержит два счетчика (файл L4_C_10.ewb). Требуется с ее помощью создать счетчик с коэффициентом пересчета  K_СЧ= 16.

В качестве ответа предлагается указать в табл. 6, какие выводы микросхемы необходимо соединить между собой. В строке 1 указаны выходы счетчиков. В строке 2 и соответствующем столбце указать наименование входа, к которому надо подключить выход.

Например, требуется соединить выход Q₂² и вход D₁. Для этого в ячейку на пересечении столбца Q₂² и строки 2  перенесем надпись D₁.

Таблица к заданию 6                                                                                                    Таблица 6

1	Входы и выходы счетчиков	Q01	Q02	Q12	Q22	-	-	-
2	Наименование вывода					EI	D1	D2

Рис. 10 Микросхема с двумя счетчиками

Для самостоятельного изучения предлагаются модели счетчиков по модулю n:

-  SL4_C_01.ewb –  с коэффициентом пересчета K_СЧ =6, N = 5;

- SL4_C_02.ewb –  с коэффициентом пересчета K_СЧ =6, N =5 и исключением   появления запрещенного состояния;

-  SL4_C_03.ewb –  декадный счетчик (K_СЧ =10, N = 9);

- SL4_C_03.ewb –  декадный счетчик с раздельным подсчетом десятков и единиц     (K_СЧ =80, N = 79).

Выводы

Счетчик является преобразователем импульсного кода в некоторый двоичный код и строится на основе Т-триггеров;

Счетчики используются в цифровых устройствах управления, обработки и преобразования информации. Помимо указанных функций счетчики иногда также могут выполнять функции приема и выдачи кода.