Для повышения быстродействия счетчиков применяют различные способы ускорения переноса, как это делают и в сумматорах для сокращения времени сложения чисел. Один из широко применяемых способов ускорения переноса в счетчиках основан на введении логических элементов, с помощью которых достигается возможность одновременного (параллельного) формирования сигналов переноса для всех разрядов. Для реализации этого способа применяют ТV-триггеры. На Т-входы всех триггеров одновременно подаются счетные импульсы, а на V-вход каждого триггера поступает сигнал переноса, формируемый логической схемой в виде уровня 1. Триггеры, на V-входе которых имеется сигнал переноса, одновременно опрокидываются с приходом очередного счетного импульса, и таким образом устанавливается новое состояние счетчика. Для определения вида цепи переноса в счетчике обратимся к уже рассмотренной табл. 2.4. Из нее следует, что первый разряд, как и в счетчике с последовательным переносом, должен быть построен на Т-триггере. Если применяется ТV-триггер, то на его V-вход следует подать 1 или соединить его с Т-входом. Второй триггер опрокидывается счетным импульсом при наличии 1 на выходе первого триггера, а третий триггер опрокидывается при наличии 1 на выходах двух предыдущих триггеров. Обобщая эту закономерность на случай N-разрядного счетчика, получим, что каждый последующий триггер должен опрокинуться под воздействием счетного импульса при наличии 1 на выходах всех предыдущих триггеров. Следовательно, для формирования сигнала переносов каждый разряд счетчика необходимо включить элемент И и соединить его входы с прямыми выходами всех предыдущих разрядов, а выход с V-входом триггера данного разряда. Пример суммирующего счетчика с параллельным переносом на ТV-триггерах приведен на рис. 2.12. Быстродействие этого счетчика выше, чем счетчика с последовательным переносом, поскольку оно равно быстродействию одного разряда. Рис. 2.12. Счетчик с параллельным переносом Это является важным достоинством счетчиков с параллельным переносом, обеспечившим им широкое применение. Недостаток необходимости включения в схему логических элементов с разным, причем нарастающим от разряда к разряду, числом входов. Это нарушает регулярность структуры счетчика и ограничивает возможность наращивания его схемы. Частично этот недостаток можно устранить при использовании триггеров с входной логикой.Многие серии микросхем содержат JК-триггеры с входной логикой. Для преобразования JК-триггера в ТV-триггер необходимо объединить входы J и К в один, это и будет V-вход. У триггера с тремя конъюнктивно связанными J-входами и тремя конъюнктивно связанными К-входами могут быть образованы, следовательно, три конъюнктивно связанных V-входа. При реализации счетчика на таких триггерах исключаются дополнительные логические элементы в цепях переноса. Однако ограничение в разрядности счетчика остается. Поскольку имеющиеся интегральные JК-триггеры позволяют получить до трех V-входов, на них может быть построен лишь четырехразрядный счетчик с параллельным переносом (рис. 2.13).
Из таблицы следует еще одна особенность вычитающего счетчика, отличающая его от суммирующего и состоящая в том, что триггер каждого последующего разряда опрокидывается при изменении уровня на выходе триггера предыдущего разряда от 0 к 1, т. е. при сигнале займа, обратном сигналу переноса в суммирующем счетчике. Строится вычитающий счетчик так же, как суммирующий, но с тем отличием, что со входом каждого последующего триггера соединяется другой выход предыдущего триггера.Из временных диаграмм (рис. 2.10, в) видно, что в наихудшем случае новое состояние счетчика устанавливается с задержкой, равной утроенной задержке переключения одного триггера, что вызвано последовательным по времени распространением сигнала переноса через все разряды счетчика. Таким образом, в счетчике с последовательным переносом неэффективно используется быстродействие триггеров, особенно при большом числе разрядов. В этом состоит существенный недостаток счетчиков с последовательным переносом, из-за которого, несмотря на простоту и удобство реалиизации схемы, область их применения ограничивается цифровыми устройствами с небольшим числом разрядов и невысоким быстродействием.
а функциональная схема; б условное обозначение
Следовательно, если суммирующий счетчик строится на триггерах двухступенчатой структуры с прямым статическим входом или триггерах с инверсным динамическим входом, то следует соединять вход каждого последующего триггера с прямым выходом предыдущего. Формируемый при этом на выходе каждого разряда сигнал переноса в виде перепада уровня от 1 к 0 опрокидывает триггер последующею разряда. Пример трехразрядного счетчика на Т-триггерах двухступенчатой структуры приведен на рис. 2.10. Для установки исходного состояния служит шина «Уст. 0», которой объединены R-входы всех триггеров. На рис. 2.10, б показано, что его входом является Т1-вход первого разряда, а на правом поле указан «вес» каждого разряда.Широко применяют также и триггеры с прямым динамическим входом, которые для опрокидывания требуют перепада уровня от 0 к 1. При использовании таких триггеров для построения суммирующего счетчика с последовательным переносом необходимо вход каждого последующего триггера соединять с инверсным выходом предыдущего. Пример такого счетчика на Т-триггерах, полученных из D-триггеров с динамическим управлением, приведен на рис. 2.11. Рис. 2.10. Счетчик с последовательностным переносом: а функциональная схема; б условное обозначение; в временные диаграммы Вычитающий счетчик с последовательным переносом имеет обратный порядок смены состояний: с приходом очередного счетного импульса содержащееся в счетчике число уменьшается на единицу (табл. 2.5). Рис. 2.11. Счетчик на D-триггерах с динамическим управлением:
после перепада входного уровня от 0 к 1.
0. Если вход инверсный, то изменение состояния триггера происходит
с окончанием входного импульса, т. е. после перепада уровня от 1 к
двухступенчатой структуры с прямым Т-входом изменяют свое состояние
уровня от 0 к 1, а на инверсный Т-вход от 1 к 0. Триггеры
управлением опрокидываются при поступлении на прямой Т-вход перепада
Т-триггер переключается. Напомним, что триггеры с динамическим
При соединении триггеров необходимо учитывать вид сигнала, которым
Из табл. 2.4 также следует, что триггер первого, самого младшего разряда, должен менять свое состояние каждый раз с приходом очередного счетного импульса, а триггер каждого последующего разряда вдвое реже триггера предыдущего разряда.Описанные порядок смены состояний счетчика и характер процесса их установления могут быть реализованы, если счетчик будет построен на последовательно соединенных Т-триг]герах. Каждый последующий разряд при этом будет переключаться сигналом переноса, формируемым на выходе предыдущего разряда. Счетные импульсы должны быть поданы на вход триггера самого младшего разряда. Счетчики, построенные таким образом, получили название счетчиков с последовательным переносом.PPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP
Цифровым счетчиком импульсов называют последовательностный цифровой узел, который осуществляет счет поступающих на его вход импульсов. Результат счета формируется счетчиком в заданном кoдe и может храниться требуемое время.Счетчики строят на Т-триггерах и ТV-триггерах с применением при необходимости логических элементов в цепях межразрядных связей. Количество триггеров N должно быть таким, чтобы множество внутренних состояний счетчика 2N было не меньше максимального числа импульсов, которое должно быть зафиксировано. С приходом очередного счетного импульса изменяется состояние счетчика, которое в заданном коде отображает результат счета.Считывание результата параллельным N-разрядным кодом может быть произведено после каждого счетного импульса. Если количество счетных импульсов не ограничивать, то счетчик будет работать в режиме деления их числа на коэффициент (модуль) счета Ксч равный 2N. Через каждые 2N импульсов он будет возвращаться в начальное состояние и снова считать импульсы. Эта операция называется делением, а счетчики, ее осуществляющие, делителями. Если необходимый коэффициент счета не равен 2N применяют различные способы сокращения числа внутренних состояний счетчика. Для построения счетчика могут применять не только триггеры со счетным входом, но и D-триггеры, иP JК-триггеры двухступенчатой структуры или с динамическим управлением.Счетчики можно классифицировать по ряду признаков. По направлению счета их делят на суммирующие (с прямым счетом), вычитающие (с обратным счетом) и реверсивные. В суммирующих счетчиках с приходом очередного счетного импульса результат увеличивается на единицу, в вычитающих уменьшается на единицу. Реверсивными называются счетчики, которые могут работать как в режиме суммирующего счетчика, так и в режиме вычитающего счетчика.По способу организации переноса различают счетчики с последовательным, параллельным и комбинированным (параллельно-последова]тельным) переносом.Конструктивно цифровые счетчики могут быть выполнены в виде совокупности интегральных микросхем-триггepов определенным образом соединенных, и в виде одной микросхемы повышенного уровня интеграции, содержащей сформированную на единой подложке. РассмотримP пример реализации трехразрядного суммирующего в коде 8-4-2-1 счетчика с последовательным переносом. Порядок смены состояний счетчика задан табл. 2.4. В качестве исходного принято состояние, которое определяется нулевым уровнем на выходах всех триггеров, т. е. Q1 = Q2 = Q3 = 0. Как следует из таблицы, с приходом очередного счетного импульса к содержимому счетчика прибавляется единица. При этом увеличивается на единицу номер состояния, являющийся десятичным эквивалентом соответствующего данному состоянию двоичного числа. Изменение состояния каждого последующего разряда происходит при изменении состояния предыдущего разряда от 1 к 0. Это означает, что если данный триггер в счетчике переходит из состояния 1 в состояние 0, на его выходе должен формироваться сигнал переноса, опрокидывающий следующий триггер. Если же данный триггер переходит из 0 в 1, то сигнала переноса на его выходе не должно быть.
