3.2.7. Проведите исследование (см. п. 3.1.7) JK-триггера с учетом приоритетов и запрещенных состояний.

3.2.8. Занесите в отчет результаты экспериментов и ВЫВОДЫ по каждому типу триггеров.

4. Контрольные вопросы

1.  Дайте общее определение триггеров, их классификацию и определения подклассов.

2.  Объясните, какие процессы происходят в RS-триггере (рис. 5.2) при каждом переходе, занесенном в составленную вами таблицу, и как составляют таблицу возбуждений.

3.  Объясните, какие процессы происходят при переводе RS-триггера (рис. 5.1) в запрещенное состояние и выходе из него. Что показывают проведенные вами эксперименты по исследованию этого состояния?

4.  Какую функцию выполняет D-триггер и в чем разница между триггерами с разными типами управления.

5.  В чем суть приоритетности одних входов триггера перед другими?

6.  Какие уровни следует подать на информационный и тактовый входы в комбинированном триггере DRS, если предполагается использовать только асинхронные входы? Для чего?

7.  Готовые наборы нескоммутированных Т-триггеров не выпускаются. Предложите схемы коммутации микросхем триггеров другого типа для получения Т-триггеров, поясните их работу. Работу какой из этих схем вы наблюдали в ходе экспериментов? Какую из этих схем вы использовали в ходе предшествующих лабораторных работ?

8.  Есть ли запрещенные состояния у JK-триггера и у исследованной вами микросхемы типа ТВ?

9. Какие функциональные узлы ВТ строят на основе D-триггеров и какие – на основе Т-триггеров?

Лабораторная работа № 6 ИССЛЕДОВАНИЕ СЧЕТЧИКА

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.1. Изучить принципы построения схем счетчиков.

1.2. На примере загружаемого реверсивного счетчика получить практические навыки использования многофункциональных микросхем в различных режимах.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

2.1. Определение счетчиков

Счетчики – общее название последовательностных элементов цифровой микросхемотехники, выполняющих несколько логических функций. Основной функцией может быть либо подсчет поступающих на вход импульсов (счетных импульсов) с выдачей текущего результата счета в заданном коде, либо выделение нужного числа импульсов из серии постоянной длины, либо деление частоты входного импульсного сигнала. Счетчики, способные выполнять и подсчет импульсов и деление частоты, можно отнести к полным, а выделяющие заданное число импульсов K из серии N – к специальным. Делители с этой точки зрения представляют собой частный случай специальных счетчиков с выделением одного импульса из N. Дополнительные функции обеспечивают установку счетчика в заданное состояние перед счетом, переход в режим хранения, управление направлением счета и др. Структурно счетчики состоят из нескольких соединенных каскадно схем Т-триггеров. Наиболее характерны два способа построения счетчиков: с последовательным (рис. 6.1, а) и с параллельным переносом (рис. 6.1, б – цепь обнуления R не показана). В счетчике с последовательным переносом триггеры соединены последовательно, так что каждый последующий разряд срабатывает после того, как переключился предыдущий. Результат снимается в виде двоичного кода с выходов всех разрядов одновременно. Сигнал с выхода старшего разряда может использоваться для подачи на вход счетчика следующих разрядов (Q₄ =P₄). Быстродействие таких счетчиков невелико, что обусловлено последовательным во времени срабатыванием разрядов. Соответственно быстродействие счетчика в n раз меньше быстродействия составляющих его триггеров (n – разрядность счетчика), смена кодов на выходах может сопровождаться последовательностью ложных переходных состояний (например, вместо перехода 0111₂-1000₂ получаем 0111-0110-0100-0000-1000). Микросхемы счетчиков с такой организацией переноса называют асинхронными.

С четчик с параллельным переносом (синхронный) характеризуется бóльшим быстродействием, поскольку счетные импульсы воздействуют одновременно на все триггеры. Условие переключения определяет логический элемент И, включенный на входе Е каждого разряда счетчика. На выходе этого элемента формируется разрешающий переключение сигнал, если все предыдущие разряды имеют состояние лог.1. Таким образом, с поступлением каждого счетного импульса переключаются те и только те триггеры, которым предшествуют разряды с состоянием лог.1 на выходах. При заполнении счетчика единицами формируется сигнал переноса P в старший разряд. Наличие выхода сигнала переноса позволяет объединять между собой четырехразрядные счетчики путем соединения выхода переноса одной микросхемы со счетным входом другой. Быстродействие полученного каскадированного счетчика будет меньше быстродействия составляющих его микросхем.

Другим классификационным признаком счетчиков является направление счета. По этому признаку различают счетчики суммирующие (up-counter), вычитающие (down-counter) и реверсивные (updown-counter). В первых с каждым счетным импульсом результат увеличивается на 1. В вычитающих счетчиках имеет место обратная смена состояний. Реверсивные счетчики могут работать в режимах суммирования и вычитания.

По способу кодирования внутренних состояний полные счетчики делятся на подгруппы: двоичные, двоично-десятичные (декадные), двенадцатиричные (ИЕ4) счетчики, счетчики Джонсона (выпускаются в сериях КМОП) и др. Наиболее полно представлены в различных сериях микросхем двоичные счетчики. Как правило, микросхемы двоичного счетчика содержат четыре разряда, могут иметь выходы сигналов переноса и, следовательно, допускают непосредственное соединение с другой такой же микросхемой при наращивании разрядности счетчика. Наряду с двоичными широкое распространение получили двоично-десятичные счетчики. В отличие от двоичных они имеют число состояний, равное 10, а не 2ⁿ. В схеме такого счетчика четыре триггера, но шесть "лишних" состояний исключены. Во всех счетчиках предусмотрены дополнительные входы обнуления R, а во многих – входы разрешения предварительной установки состояния L. Эти функции обычно используют при реализации делителей. Выполняться они могут как асинхронно, так и синхронно (в момент подачи очередного счетного импульса). Функция L обычно имеет приоритет перед функцией счета, а функция R – перед ними обеими, так что одновременная подача нескольких управляющих воздействий ведет к выполнению наиболее приоритетной функции.

Более подробные сведения о счетчиках см. в /3-10/.

2.2. Специальные счетчики и делители

Особенность этих устройств состоит в том, что для выходного сигнала они имеют единственный вывод (хотя могут иметь и дополнительные выходы для каскадирования и т.п.). Основной функцией специальных счетчиков является выделение нужного числа импульсов из серии постоянной длины. Среди микросхем семейства ТТЛ в законченном виде выпускался только счетчик К155ИЕ8 (К импульсов из 64). В нем установка двоичного кода количества импульсов производится в режиме загрузки, имеются выходы и входы для каскадирования. Подробно функционирование ИЕ8 описано в /5/.

Делители предназначены для деления числа входных импульсов или частоты их следования на заданный коэффициент. Среди микросхем семейства ТТЛ в законченном виде выпускаются К555ПЦ1 (в 2^N раз, где N = 2…31) /6, 9/. В семействе КМОП есть программируемые делители на счетчиках Джонсона К561ИЕ19 и 564ИЕ19 с К_дел от 3 до 21327 /10/. Однако в большинстве случаев делители строят на основе двоичных счетчиков: полных или специальных.

Рассмотрим реализацию делителей на полных счетчиках. Коэффициент деления К_дел может иметь постоянное или переменное, т.­е. программируемое, значение. Делители с переменным К_дел управляются от внешних устройств, задающих коэффициент деления, а делителям с постоянным коэффициентам он задается путем соответствующей коммутации входов и выходов. Делители на полных счетчиках могут быть построены по различным схемотехническим вариантам, например, с предварительной установкой исходного состояния, от которого счет ведется (вверх или вниз) до переполнения счетчика, либо с установкой заданного конечного состояния, до которого, начиная с нулевого, ведется счет входных импульсов, после чего результат сбрасывается и начинается новый счетный цикл. Последняя схема может использоваться не только в делителях, но и в узлах счета импульсов по основанию К_дел, тогда как счетчик с предустановкой исходного состояния выдает в ходе счета коды, не соответствующие количеству поступивших импульсов, а, следовательно, для счета использоваться не может. В счетчиках с предустановкой исходного состояния результирующий сигнал снимается с выхода переполнения, а в счетчиках со сбросом – с выхода дешифратора (компаратора) состояний – дополнительной схемы, выявляющей граничное состояние счетчика. Некоторые микросхемы счетчиков имеют для выполнения функции начальной установки встроенные элементы И (например, К555ИЕ5), что позволяет строить делители со сбросом без дополнительных элементов только с помощью обратных связей /10/. Делители с переменным К_дел и установкой заданного конечного состояния включают в себя, помимо счетчика, компаратор кодов, на входы которого подают выходной код счетчика и опорный код А= К_дел, а выход подключают к R-входу счетчика. При достижении счетчиком состояния, код которого равен опорному, компаратор выдает сигнал, возвращающий счетчик в нулевое состояние. Следует отметить, что пребывание счетчика в заданном состоянии оказывается кратковременным (на временной диаграмме виден только так называемый "клык"), так что счетчик последовательно проходит состояния от 0 до К_дел–1 (всего К_дел состояний). Если схема используется в качестве счетчика импульсов по основанию К_дел, наличие "клыков" может быть недопустимым и в схему потребуется вводить дополнительные элементы. Рассмотрим функционирование счетчика К555ИЕ7 и различные схемы делителей, выполненные на его основе.

2.3. Микросхема ие7

М икросхема представляет собой загружаемый синхронный четырехразрядный двоичный реверсивный счетчик с асинхронной установкой в 0. Его условное обозначение изображено на рис. 6.2, функциональная схема и временная диаграмма функционирования приведены в /6, 7, 9/. Структурно счетчик состоит из четырех соединенных каскадно схем тактируемых RS-триг­геров с комбинационной логикой на входах. Эта логика обеспечивает замыкание обратных связей, переводящее триггеры в счетный режим, параллельный перенос между разрядами, загрузку произвольного кода и установку триггеров в "0". При этом реализуется приоритет функции загрузки перед функцией счета, а функции начальной установки – перед ними обеими, так что одновременная подача нескольких управляющих воздействий ведет к выполнению наиболее приоритетной функции. Вход CU (count up, обозначается также С1 или "+1") предназначен для подачи подсчитываемых импульсов в режиме прямого счета, а вход CD (count down, C2, "-1") – в режиме обратного счета. Входы CU и CD являются динамическими, причем сигналы на этих входах воспринимаются схемой счетчика тогда, когда они изменяют свое состояние с "0" на "1". При прямом счете на входе CD должно быть напряжение лог.1, при обратном счете напряжение лог.1 должно быть на входе CU. Для записи в счетчик параллельного кода предназначены входы D0-D3, при этом на вход L (load) должен быть подан сигнал логического нуля (иногда этот вход обозначают V или C). Установка счетчика в нулевое состояние (сброс) осуществляется подачей лог.1 на вход R и отрабатывается независимо от значений сигналов на остальных входах. Выходы PU, PD (propagation carry up/down) предназначены для передачи сигнала переноса в соседнюю (старшую) микросхему. На выходе PU (обозначается также "≥15", P) сигнал лог.0 появляется только в том случае, когда все триггеры счетчика находятся в единичном состоянии и поступил очередной импульс на вход CU. На выходе PD ("≤0", B) сигнал лог.0 появляется в том случае, когда все триггеры счетчика находятся в нулевом состоянии и поступил очередной импульс на вход CD. При последовательном соединении нескольких микросхем К555ИЕ7 (то есть при увеличении разрядности счетчиков) выход РU предыдущей микросхемы соединяется со входом CU последующей, а выход РD предыдущей микросхемы со входом CD последующей.

2.4. Делители на базе счетчика ие7

Рассмотрим реализацию на базе счетчика ИЕ7 делителя с постоянным коэффициентом К_дел и обнулением после прихода в заданное состояние. В этом случае в качестве дешифратора используют элемент И, на входы которого подают выходные сигналы с тех разрядов счетчика, которые в состоянии А= К_дел имеют значения лог.1. Выход логического элемента соединяют с R-входом счетчика. Такой счетчик последовательно проходит К_дел состояний от 0 до К_дел–1 (пребывание счетчика в состоянии А= К_дел оказывается кратковременным­ – он обнуляется). Результирующий сигнал может сниматься с выхода элемента И, однако он имеет малую длительность и для устойчивой работы последующих функциональных узлов лучше пользоваться выходным сигналом того разряда счетчика, который изменяет свое значение один раз за период счета. Более того, кратковременность импульса начальной установки может привести к необнулению некоторых разрядов счетчика, поэтому рекомендуется ввести схему задержки, удлиняющую импульс начальной установки, либо /10, рис. 2.66, в/ – дополнительный триггер. Схема делителя на счетчике ИЕ7 с триггером приведена на рис. 6.3.

Для сокращения разнообразия микросхем RS-триггер можно выполнить на такой же микросхеме, как и дешифратор (И-НЕ) – см. материал, изученный в лабораторной работе № 5 «Исследование триггеров». Более того, если отказаться от возможности выявления А=15, то и компаратор, и триггер можно разместить в одном корпусе, включающем три логических элемента.

Д ля счетчика ИЕ7, имеющего функцию загрузки произвольного кода, возможен и другой схемотехнический вариант делителя – с предварительной установкой исходного состояния В, от которого счет ведется до переполнения счетчика. В этом случае на входах D0-D3 устанавливают код В, выход PU или PD (в зависимости от желаемого направления счета) подключают ко входу L, так что после перехода счетчика в конечное состояние в него снова загружается В и процесс повторяется. Результирующий сигнал снимается с выхода переноса. Студентам предлагается самостоятельно вывести зависимость В от заданного Кдел при обоих направлениях счета для счетчика по основанию 16. При реализации этой схемы следует обратить внимание на то, что пребывание счетчика в конечном состоянии оказывается кратковременным и это может привести к незагрузке некоторых разрядов счетчика. Аналогично предыдущей схеме рекомендуется вводить в цепь "выход переноса – вход разрешения загрузки" либо схему задержки, либо дополнительный триггер.