Синхронный счетчик с параллельным переносом

Содержание

Введение…………………………………………………………………….3

1. Технические требования………………………………………5

    1. Назначение устройства……………………………………………..5
    2. Условие эксплуатации……………………………………………....5
    3. Основные параметры……………………………………………….6
    4. Технологические требования……………………………………....7
    5. Конструктивные требования……………………………………….8
  1. Синхронные счетчики………………………………………...9
    1. Синхронный счетчик с параллельным переносом…………...11
    2. Синхронный способ загрузки параллельного кода…………..12
    3. Синхронный (параллельный) счетчик………………………...13
    4. Счетчик с изменяемым направлением счета (реверсивный счетчик)………………………………………………………….15

           Список использованных источников…………………………………….18

 

 

 

 

 

 

 

         

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

С развитием электроники  появился такой класс электронной  техники, как цифровая. Эта техника  предназначена для формирования, обработки и передачи электрических  импульсных сигналов и перепадов  напряжения и тока, а также для  управления информацией и её хранения. Цифровые устройства занимают доминирующее место во многих областях науки и  техники, что обусловлено существенно  меньшим потреблением энергии от источника питания, более высокой  точностью, меньшей критичностью к  изменениям внешних условий, большей  помехоустойчивостью. Цифровая техника  включает в себя такие устройства как триггеры, регистры, счетчики, комбинационные устройства, программируемые логические интегральные схемы.

Счётчики  относятся к функциональным узлам  последовательностного типа, логическое состояние которых определяется последовательностью поступления  входных сигналов. Счётчики применяются  в различных цифровых устройствах. Назначение счётчика очевидно: это  подсчёт числа некоторых событий  или временных интервалов, либо упорядочение событий в хронологической последовательности. Счётчики могут выполнять и другие функции, например, их можно использовать для адресации, в качестве делителей  частоты и элементов памяти.

Счётчик характеризуются прежде всего модулем счёта (ёмкостью) М. Он переходит при поступлении входных сигналов из состояния в состояние, после каждых М сигналов возвращаясь к началу цикла. Счётчики классифицируют по значению модуля, направлению счёта, способу организации межразрядных связей, по способу подачи тактового импульса.

По значению модуля счёта различают двоичные (М=2n), двоично-кодированные (с произвольным модулем, но кодированием состояний двоичными кодами), счётчики с одинарным кодированием и др.

По направлению счёта счётчики делят на суммирующие (прямого счёта), вычитающие (обратного счёта) и реверсивные (с изменением направления счёта).

По способу организации  межразрядных связей различают счётчики с последовательным, параллельным и комбинированными переносами. Параллельные счётчики называют синхронными, а последовательные - асинхронными.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Технические  требования

1.1 Назначение  устройства

Счетчик предназначен для  подсчета единиц информации, поступающих  на его вход. Так же данное устройство осуществляет счет и хранение кода числа подсчитанных сигналов. Под  сигналами понимаются как перепады потенциала, так и импульсы. Строятся счетчики обычно на JK- триггерах, D-триггерах  и T-триггерах. Существуют разные счетчики. По типу функционирования их разделяют  на суммирующие, вычитающие, реверсивные. По структурной организации: последовательные, параллельные, последовательно-параллельные (комбинированные), кольцевые. По порядку  изменения состояний: с естественным порядком счета, с произвольным порядком счета. По модулю счета: двоичные и не двоичные. По числу устойчивых состояний  триггеров: на двоичных триггерах, на троичных триггерах, на n-ичных триггерах. По способу переключения триггера: синхронные и асинхронные.

 

D — триггер

1.2 Условие эксплуатации

Нормальными условиями эксплуатации средств автоматизации по ГОСТ12997 считаются: температура окружающего  воздуха — 20°С; относительная влажность  воздуха при температуре 20°С —  от 45 до 75%; атмосферное давление —  от 86 до 106 кПа (от 630 до 800 ммрт.ст); частота  — в пределах 49-51 Гц. Допускается отклонения от номинальных значений, если они увеличивают погрешность средства измерения не более чем на 35% от предела допускаемой основной погрешности.

1.3 Основные параметры

Основные параметры  счетчика:

1. Модуль счета  М — основной статистический  параметр, который характеризует  максимальное число импульсов,  после прихода которого счетчик  устанавливается в исходное состояние.

2. Время установки  выходного кода tk — основной динамический  параметр, который характеризует  временной интервал между моментом  передачи входного сигнала и  моментом установления нового  кода на выходе.

Основным статистическим параметром является модуль счета М, который характеризуется максимальным числом импульсов, после прихода  которого счетчик устанавливается  в исходное состояние. Каждый триггер  имеет два устойчивых состояния, поэтому количество комбинаций выходных сигналов, снимаемых с выходов  всех триггеров, а соответственно, и  максимальное число подсчитанных импульсов N равно:

N max = 2m,

где m — количество последовательно  включенных триггеров.

Каждый из триггеров такой  цепочки называют разрядом счетчика, поэтому если, например, m – 4, то счетчик  четырехразрядный. Максимальное число, которое может подсчитать счетчик Nmax, называется коэффициентом, или модулем  счета КСЧ (КСЧ = Nmax). Если количество входных импульсов Nmax больше КСЧ, то происходит переполнение счетчика. При  этом он возвращается в исходное состояние  и цикл снова повторяется.

 

1.4 Технологические  требования

Технология изготовления.

1.Полупроводниковая микросхема  — все элементы и межэлементные  соединения выполнены на одном  полупроводниковом кристалле (например, кремния, германия, арсенида галия,  оксид гафния).

2.Плёночная интегральная  микросхема — все элементы  и межэлементные соединения выполнены  в виде плёнок:

    • толстоплёночная интегральная схема;
    • тонкоплёночная интегральная схема.

3.Гибридная микросхема (также  микросрка полупроводникового кристалла  содержит несколько бескорпусных  диодов, транзисторов и (или) других  электронных компонентов, помещённых  в один корпус.

4.Смешанная микросхема  — кроме полупроводникового кристалла  содержит тонкоплёночные (толстоплёночные)пассивные  элементы размещённые на поверхности  кристалла.

  • Данное устройство разработано для применения в качестве счетчика витков при намотке трансформаторов. Устройство может быть использовано как восьмиразрядный низкочастотный счетчик с частотой счета до 15 кГц.
  • Для питания данных приборов можно использовать как источники переменого напряжения с номиналом в 220В (~90... 264В), так и источники постоянного напряжения с номиналом 24В (=10... 30В).

Приборы способны работать и при отрицательных температурах до -20 °С.

 

 

    1. Конструктивные требования

1. Уровень первый – это уровень  сбора информации.

Элементами  этого уровня являются электросчётчики  и различные устройства, измеряющие параметры системы. В качестве таких  устройств могут применяться  различные датчики как имеющие  выход для подключения интерфейса RS-485, так и датчики, подключенные к системе через специальные  аналого-цифровые преобразователи. Необходимо обратить внимание на то, что возможно использовать не только электронные  электросчётчики, но и обычные индукционные, оборудованные преобразователями  количества оборотов диска в электрические  импульсы.

2. Уровень второй – это связующий  уровень.

На  этом уровне находятся различные  контролеры необходимые для транспортировки  сигнала.

3. Третий уровень –  это уровень сбора, анализа  и хранения данных.

Элементом этого уровня является компьютер, контролер или сервер. Основным требование к оборудованию этого уровня является наличие специализированного  программного обеспечения для настройки  элементов системы.

Счетчики, в маркировке которых  есть буква «Д», например, СР3У-И670Д, имеют телеметрический выход (импульсный датчик), обеспечивающий передачу по двухпроводной  линии связи информации о проходящей через счетчик активной (реактивной) энергии в систему дистанционного сбора и обработки данных.

 

 

 

  1. Синхронные счетчики

В синхронных счетчиках все триггеры получают тактовый импульс одновременно, поскольку  тактовые входы их соединяются параллельно. Такие триггеры переключаются практически  одновременно. В асинхронных счетчиках  каждый триггер вносит в процесс  счета определенную задержку, поэтому  младшие разряды результирующего  кода появляются на выходах триггеров  не одновременно, т.е.  несинхронно  с соответствующим тактовым импульсом. Например, для четырехразрядного  асинхронного счетчика код 1111 появится на выходах триггеров уже после того, как поступит шестнадцатый тактовый импульс. Код 1111 сформируется не одновременно.

Рассмотрим  схему 3-разрядного счетчика по модулю 8 (рис.13.4). Все синхронизирующие входы триггеров (C) соединены параллельно, тактовые импульсы поступают непосредственно на синхронизирующий вход каждого триггера.

Рис.13.4. Схема синхронного счетчика по модулю 8

 

Последовательность  двоичных чисел, проходимая счетчиком  за один цикл счета (счетная последовательность) приведена в табл.13.2.

 

Таблица 1

Счетная последовательность импульсов

Рассмотрим  принцип работы данного счетчика в течение одного цикла счета. На каждом шаге цикла входной импульс  поступает на синхронизирующий вход каждого триггера.

Импульс 1 — строка 2 табл.13.2. Переключается только триггер T1, поскольку только у него на входах J и K действует уровень логической 1. T1 переходит из состояния 0 в состояние 1.

Результат: на выходе счетчика 001.

Импульс 2 — строка 3. Переключаются два триггера T1 и T2, поскольку на входах J и K этих триггеров действует уровень логической 1. T1 переходит из состояния 1 в состояние 0, T2 — из состояния 0 в состояние 1.

Результат: на выходе 010.

Импульс 3 — строка 4. Переключается только один триггер. T1 переходит из состояния 0 в состояние 1. T2 не переключается, поскольку на входах J и K действует уровень логического 0.

Результат: на выходе 011.

Импульс 4 — строка 5. Все триггеры меняют свое состояние на противоположное. T1 и T2 переходят из 1 в 0. T3 переключается из 0 в 1.

Результат: на выходе 100.

Импульс 5 — строка 6. Триггер T1 переходит из состояния 0 в состояние 1.

Результат: на выходе 101.

Импульс 6 — строка 7. Переключаются два триггера. T1 переходит из 1 в 0, T2 - из 0 в 1.

Результат: на выходе 110.

Импульс 7 — строка 8. Триггер T1 переходит из состояния 0 в состояние 1.

Результат: на выходе 111.

Импульс 8 — строка 9. Все триггеры меняют свое состояние, переходя из 1 в 0.

Результат: на выходе 000.

Следует заметить, что в  данном счетчике JK-триггеры используются как в режиме переключения (J=K=1), так и в режиме блокировки (J=K=0).

2.1. Синхронный  счетчик с параллельным переносом

В синхронном счетчике импульсы поступают на тактовые входы всех триггеров одновременно. Ниже на рисунке  ниже приведен трехразрядный счетчик  с модулем счета M = 8. Справа приведено  условное обозначение промышленно  выпускаемого счетчика, дополненного входами Di для параллельной синхронной загрузки начального кода перепадом сигнала на входе C(+1) при ~L = 0, а также входом сброса ~R.

Перенос из i-го разряда в (i+1)-ый производится по формуле CRi = Qi*..*Q1*Q0*(CE*PE) с помощью элементов "И". Входы CE (разрешение счета) и PE (разрешение переноса) на данном этапе рассмотрения могут  быть объединены вместе (CE = PE = 1). Входы J и K триггеров соединены, поэтому  возможно только два режима их работы - память (J = K= 0) и счет (J = K = 1). Триггер "i" изменит свое состояние только тогда, когда CR(i-1) = J = K = 1, т.е. при единичных  значениях выходов всех предыдущих триггеров, что отвечает правилу 1. Во всех остальных случаях CR(i-1) = J = K = 0 и значение Qi не изменится. Быстродействие синхронного счетчика значительно  выше, из-за того, что триггеры переключаются  одновременно и сигнал CRi появится на JK входах через интервал tзд.р.счетч. = tзд.р.триггера + tзд.р.элемента"И", который не зависит от числа триггеров. Частота счета Fmax < 1/(tзд.р.сч. + tуст). Максимальная частота деления Fmax.деления = Fmax.счета.

2.2. Синхронный  способ загрузки параллельного  кода

Устройства (в том числе регистры), в которых для записи входного параллельного кода Di  используется сигнал разрешения записи L, а тактовый сигнал C не используется, называются устройствами с асинхронной   параллельной записью кода.

Устройства (в том числе  регистры), в которых для записи входного параллельного кода  Di необходим, во-первых, сигнал разрешения записи L и, во-вторых, перепад синхросигнала на тактовом входе C - называются устройствами с синхронной параллельной записью кода.

2.3 Синхронный (параллельный) счетчик

Характерной чертой асинхронного счетчика является то, что импульсы счета поступают на тактовый вход только первого триггера, а каждый из последующих триггеров управляется  выходным сигналом предыдущего. Это  приводит к тому, что сигнал на вход последнего триггера приходит лишь тогда, когда все предыдущие триггеры переключились. Изменение каждого из выходных сигналов от z0 до zn происходит с задержкой, равной времени срабатывания триггера. В  многоразрядных последовательных счетчиках  высокая частота следования импульсов  счета может привести к тому, что n-й триггер не успеет переключиться  до прихода следующего импульса счета. Поэтому период следования импульсов  счета при использовании выходных кодов в процессе вычислений должен быть больше времени распространения  сигнала в цепи.

От этих недостатков свободны синхронные (параллельные) счетчики. В  отличие от асинхронных счетчиков  тактовые импульсы в синхронных счетчиках  одновременно подаются на С всех разрядов. Чтобы в каждом такте не переключались  все триггеры, для управления процессом  переключения используются логические J-и К-входы, как показано на рисунке 3.

В триггер F0 переключается  при поступлении каждого тактового  импульса. Для этого в триггере F0 должно выполняться условие J = К = 1. Триггер F1 при поступлении тактового  сигнала переключается только тогда, когда z0 = 1. Это достигается подключением J- и К-входов триггера F1 к выходу z0. Тогда этот триггер сохраняет  свое состояние до тех пор, пока z0 = 0, и изменяет его лишь при подаче следующего тактового импульса, когда z0 = 1

Рисунок 3. Синхронный (параллельный) счетчик.

Следует, что триггер F2 может переключиться при условии  z0 = z1 = 1. Для этого одна пара J- и К-входов соединена с z0, а другая – с z1. Соответственно у триггера F2 каждая пара J- и К-входов подключается к выходам предыдущих триггеров.

При использовании одинаковых триггеров с тремя J- и тремя  К-входами в триггерах F0 ¸ F2 некоторые J- и К-входы не используются. На эти  входы нужно подать логическую «1», чтобы обеспечить надежную работу схемы. При использовании триггеров  с одной парой J- и К-входов также  можно осуществить наращивание  разрядов, применяя в цепях межразрядных связей дополнительные схемы совпадения, на которые поступает информация с выходов предыдущих разрядов.

Очевидно, что наращивание  на произвольную длину невозможно из-за отсутствия многовходовых схем И. Поэтому  чаще всего используются группы из четырех триггеров (рисунок 3.3). Соединение групп производится через выход  переноса СЕ и вход разрешения E, которым  блокируется вся группа.

Выход переноса формируется  тогда, когда код группы равен 1111, и все младшие группы также  обеспечивают перенос. Для этого  в каждой группе должно выполняться  условие СE = Z0Z1Z2Z3E.

Таким образом, можно соединять  любое число групп счетчиков  без использования сложной логики, что иллюстрируется  на рисунке 4

Рисунок 4. Синхронный счетчик с логикой формирования переноса

Рисунок 5. Каскадирование синхронных счетных ступней

2.4. Счетчик с  изменяемым направлением счета  (реверсивный счетчик)

Синхронный двоичный счетчик  с помощью дополнительных ключей легко перестроить для работы в обратном направлении. При этом J- и К-входы подключаются вместо прямых выходов Q к инверсным выходам Q. Так как переключение касается только J- и K-входов, а не С-входов, состояние  счетчика не изменяется при изменении  направления счета. Это большое  преимущество по сравнению с асинхронными счетчиками. Поэтому в качестве реверсивных  счетчиков используются главным  образом синхронные устройства. Для  переключения можно применять логические управляемые ключи. По этому принципу построена схема, представленная на рисунке 3.5. При ее проектировании использовались триггеры, в которых новое состояние на выходах формируется при переходе тактового сигнала из «1» в «0».

До тех пор пока на управляющем  переключением входе V сохраняется  «1», нижние логические элементы И закрыты. Схема работает как синхронный суммирующий  двоичный счетчик, подобный показанному  на рисунке 3.3. При V = 0 верхние логические элементы И блокируются, и JK-пары подключаются к выходам Q. В этом случае схема  работает в режиме вычитающего счетчика. Так как перемена направления  счета вызывает изменение подключения J- и К-входов, то схема срабатывает  лишь тогда, когда тактовый сигнал равен  нулю.

Сигнал переноса в следующую  старшую группу может формироваться  в двух случаях, а именно, когда  в счетчике хранится код 1111 и V = 1 (в  режиме суммирования) или когда в  счетчике записан код 0000 и V= 0 (режим  вычитания). Для сигнала переноса СЕ можно записать

Этот сигнал поступает, как показано на рисунке 3.4, на вход разрешения Е следующей группы разрядов счетчика. Перенос всегда интерпретируется правильно, так как направление счета, естественно, изменяется одновременно для всех групп.

Если высокая скорость не требуется, отдельные группы счетчика объединяются последовательно, и при  этом сигнал переноса служит тактовым сигналом для следующей старшей  группы. При этом существует, однако, опасность, что из-за различия во времени  задержки на короткое время возникает  ложное значение СЕ = 1. Этот импульс  помехи поступает на старшую группу. Он может быть блокирован введением  коньюнктора СФ = СEФ поскольку  выбраны JК-триггеры, срабатывающие  по отрицательному фронту тактового импульса, то устойчивое состояние счетчика надежно обеспечивается, когда тактовый сигнал равен 1.

Рисунок 6. Двоичный счетчик с изменяемым направлением счета

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованных источников

  1. К. А. Нешумова, «Электронные вычислительные машины и системы».
  2. И. М. Мышляева, «Цифровая схемотехника».
  3. И.И. Бобров «Импульсные и цифровые устройства».
  4. В Л. Шило «Популярные цифровые микросхемы».
  5. Справочник «Интегральные микросхемы».
  6. Ю. В. Панов, Т. С. Леготкина, Методические рекомендации «Синтез    счетчиков сигналов»

Интернет источники:

http://www.khaer.com.ua/downloads/ke/rus/tema2/2.3.htm

http://www.bsuir.by/m/12_100229_1_67079.pdf

 

 


Синхронный счетчик с параллельным переносом