Проектирование двоично-десятичного счетчика с предварительной установкой в соответствии с современными требованиями микросхемотехники

Счётчики широко используются в устройствах управления цифровых систем для подсчёта числа  выполненных операций, в связной  и контрольно-измерительной аппаратуре, для определения числа поступивших импульсов, для уменьшения частоты и других случаях[3].

Триггером называется устройство, имеющее два устойчивых состояния и способное под действием входных сигналов скачком переходить из одного устойчивого состояния в другое. Триггер – это простейший цифровой автомат с памятью и способностью хранить 1 бит (binary digit – двоичный разряд) информации. В основе любого триггера находится регенеративное кольцо из двух инверторов. Триггер имеет два выхода: прямой и инверсный . Состояние триггера определяется значением потенциала на прямом выходе. Если, например, на прямом выходе имеется потенциал, соответствующий логической 1, то триггер находится в единичном состоянии (при этом потенциал на инверсном выходе соответствует логическому 0). В противном случае триггер находится в нулевом состоянии. Число входов зависит от структуры и функций, выполняемых триггером. В настоящее время существует несколько разновидностей триггерных схем. Они появились как результат разработки новых цепей запуска.

По способу  записи информации триггеры делятся  на асинхронные (несинхронизируемые) и  синхронные (синхронизированные). У  асинхронных триггеров запись информации (переключение триггера) происходит под  действием информационных сигналов. Такие триггеры имеют только информационные входы. У синхронных триггеров запись информации происходит под действием  разрешающих сигналов синхронизации.

Синхронные триггеры бывают: со статическим управлением  записью, с динамическим управлением  записью и двухступенчатые.

Синхронные триггеры со статическим управлением записью  принимают информационные сигналы  все время, пока действует импульс  синхронизации. Следовательно, за время  действия импульса синхронизации переключение триггера может быть многократным. У таких триггеров вход С – статический.

Синхронные триггеры с динамическим управлением записью  принимают только те информационные сигналы, которые были на информационных входах к моменту прихода синхронизирующего  импульса. У таких триггеров вход С — динамический.

Синхронные двухступенчатые  триггеры состоят из двух ступеней. Запись информации в первую ступень  производится с появлением синхронизирующего  импульса, а во вторую ступень –  после окончания действия синхронизирующего  импульса. Следовательно, двухступенчатые  триггеры задерживают выходную информацию на время, равное длительности синхронизирующего  импульса. Такие триггеры называют еще триггерами с внутренней задержкой.

В составе различных  серий выпускаются микросхемы, содержащие RS-, D- и JK-триггеры. На базе синхронного RS-триггера, D- и JK-триггеров также возможно создание T-триггера. Приняты следующие обозначения входов триггеров:

S – раздельный вход установки триггера в единичное состояние по прямому выходу Q (Set – установка);

R – раздельный вход сброса триггера в нулевое состояние по прямому выходу Q (Reset – сброс).

Назначение входов J и K такое же, как и входов S и R (установка и сброс). Буквы J и K были выбраны в свое время авторами как соседние в алфавите (сравните S и R).

D – информационный вход (Data input). На него подается информация, предназначенная для записи в триггер;

T – счетный вход (Toggle – переключатель);

C — вход синхронизации (Clock input).

Триггеры могут синхронизироваться уровнем или фронтом синхроимпульсов. Триггеры синхронизируемые уровнем изменяют своё состояние только при достижении синхросигналом определённого уровня. Они также могут изменять своё состояние в течение длительности синхроимпульса (уровня синхросигнала) при поступлении соответствующих управляющих сигналов, т. е. могут переключаться несколько раз за время действия одного синхроимпульса. В течение паузы между синхроимпульсами состояние такого триггера сохраняется при любых изменениях управляющих сигналов. Триггеры, синхронизируемые фронтом, изменяют своё состояние при поступлении на вход синхронизации соответствующего фронта (положительного или отрицательного) синхроимпульса, а затем это состояние сохраняется при любых изменениях управляющих сигналов. За время действия одного синхроимпульса триггер, синхронизируемый фронтом, может переключиться только один раз. Кроме того, синхронные триггеры делятся на однотактные и многотактные. К многотактным относятся такие триггеры, для управления работой которых требуется серия из n-тактовых сигналов. Формирование нового состояния в них завершается с поступлением n-тактового сигнала.[2]

Схема простейшего триггера (рисунок 1.2, а) получается, если включить кольцом два элемента ИЛИ—НЕ. Такой триггер имеет два входа R и S, два выхода Q и Q и называется RS-триггером. Его обозначение на функциональных схемах показано на рисунок 1.2, б.

 

 

 

Рисунок 1.2 – RS триггер на элементах ИЛИ-НЕ

 

 

Пока на обоих управляющих  входах R и S уровни сигналов не активны, в данном случае равны 0, триггер находится в каком-либо одном из двух устойчивых состояний. Если значение сигнала на выходе Q равно 1, то, как видно из схемы, этот единичный сигнал, поступая по цепи обратной связи на вход элемента 2, вызывает появление на выходе Q сигнала с нулевым уровнем. В свою очередь нулевой уровень выхода Q, поступая на вход элемента 1, поддерживает Q в состоянии 1. Иначе говоря, при входных сигналах R и S, равных 0, появившаяся по любой причине на выходе Q единица по цепи обратной связи будет сама себя поддерживать сколь угодно долго. Когда на прямом выходе Q сигнал равен 1, говорят, что триггер находится в состоянии 1 или что он установлен.

 

 

 

Рисунок 1.2 – Временная диаграмма RS-триггера

 

 

В силу симметрии схемы  она будет столь же устойчива  в своем противоположном —  нулевом состоянии, когда уровень на выходе Q равен 0, а уровень на инверсном выходе Q равен 1. В этом случае говорят, что триггер сброшен или погашен. Режим RS-триггера, когда оба управляющих сигнала R и S неактивны, называют режимом хранения.

На рисунке 1.3 показана временная диаграмма переходных процессов в схеме при подаче на нее управляющих сигналов. Исходное состояние триггера — нулевое, на его входы поступают по очереди сначала сигнал S, затем, после его окончания — сигнал R

Из диаграммы видно, что  после окончания входного сигнала  триггер способен сохранять свое новое состояние также сколь  угодно долго. Говорят, что триггер запоминает входной сигнал. Это специфическое и очень важное свойство триггера, отличающее его от всех рассмотренных ранее Схем, не имевших обратных связей: после исчезновения входного сигнала выходной сигнал в тех схемах также исчезал.

Характерно, что оба элемента триггера переключаются не одновременно, а последовательно, друг за другом. Как видно из временной диаграммы, существуют моменты времени, когда и на прямом Q, и на инверсном Q выходах триггера уровни одинаковы. В то же время алгоритмы работы управляемых триггерами схем и соответственно сами эти схемы строят исходя из установившихся значений сигналов на выходах триггера, когда оба они взаимно инверсные. Поэтому управляемая триггером схема, получив на вход непредусмотренную комбинацию сигналов, сформирует на своем выходе также нечто совершенно не предусмотренное алгоритмом ее работы. В дальнейшем будут рассмотрены меры, которые разработчик должен принять, чтобы возникающая при переключении триггера неверная комбинация его выходов не приводила к сбою.

По временной диаграмме  можно оценить время задержки распространения tзд.р триггера как отрезок времени, по прошествии которого на обоих выходах триггера устанавливаются правильные уровни: tзд.р=2τ. Можно оценить и минимально допустимую длительность R- и S-сигналов, ниже которой обратная связь триггера еще не успеет замкнуться и в результате выходы триггера вернутся в исходное состояние. Это значение лежит в пределах (2-3)τ. Для более точной оценки нужно знать допуски на пороги срабатывания и длительности фронтов элементов. Для триггеров, выпускаемых в виде схем средней интеграции, значения tзд.р и минимальной длительности входных сигналов указывают в паспорте.

Если на RS-триггер подать одновременно оба входных сигнала, то на обоих выходах Q и Q появятся нули. Если теперь одновременно снять единицы со входов R и S, то оба элемента начнут переключаться в единичное состояние, каждый стремясь при этом оставить своего партнера в нуле. Какой элемент одержит в этом поединке поеду, будет зависеть от их коэффициентов усиления, скоростей переходных процессов и ряда других неизвестных заранее факторов. Для разработчика схемы результирующее состояние триггера оказывается неопределенным, неуправляемым. Поэтому комбинация R=S=l считается запрещенной, и в обычных условиях ее не используют. В некоторых справочниках эту комбинацию даже называют неустойчивой, хотя пока она держится на входах, схема вполне устойчива. Комбинацию входов R=S=l допустимо применять, лишь когда обеспечено не одновременное, а строго поочередное снятие R- и S-сигналов.

Функционирование RS-триггера определяется таблицей 1.1, где обозначена также запрещённая комбинация S=R=1, которая приводит к неопределённости состояния триггера при последующем переходе в режим хранения.

 

 

Таблица 1 – Таблица состояний  RS-триггера

S	R	Qt+1
0	0	0
0	1	0
1	0	1
1	1	H

 

 

 

 

2 КОНКРЕТИЗАЦИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

 

 

Тема проекта: Двоично-десятичный счётчик с предварительной установкой

1. Тип счётчика – вычитающий
2. Внутренний код счётчика – 5-2-1-1
3. Код предварительной установки – 7-4-2-1
4. Элементная база – КМОП (элементный базис ИЛИ-НЕ)
5. Тип триггеров – RS

Из всевозможных вариантов  внутреннего кода счётчика и кода преобразователя выбираем следующие (таблица 2.1).

 

 

Таблица 2.1 - Варианты внутреннего кода счётчика и кода предварительной установки

n	X3	X2	X1	X0	n	A3	A2	A1	A0
0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
1	0	0	0	1	1	0	0	0	1
2	0	1	0	0	2	0	0	1	0
3	0	1	0	1	3	0	0	1	1
4	0	1	1	1	4	0	1	0	0
5	1	0	0	0	5	0	1	0	1
6	1	0	0	1	6	0	1	1	0
7	1	1	0	0	7	1	0	0	0
8	1	1	0	1	8	1	0	0	1
9	1	1	1	1	9	1	0	1	0
код	5	2	1	1	код	7	4	2	1

 

 

На рисунке 2.1 представлен четырехразрядный двоично-десятичный синхронный счетчик с предварительной установкой начала счета.

 

 

Рисунок 2.1 - Синхронный счетчик с предварительной установкой

Назначение выводов:

-W – вход разрешения предварительной установки;

-A₀ – A₃ – входы предварительной установки;

-C – вход счётных импульсов;

-Q₀– Q₃ – выходы счетчика.

Спроектируем счетчик, который  будет работать в соответствии со следующей таблицей состояния счетчика.

 

 

Таблица 2.2 - Таблица состояний счетчика:

Режим работы	Входы		Выход
	W	C	Qn
Параллельная загрузка	0		Xпред
Счет	1		Qt+1

 

 

Счетчик устанавливается  в предварительное состояние  при наличии на входе W напряжения низкого уровня. В этом случае разрешена подача сигналов на триггеры через входы предварительной установки A₀ – A₃.

Счет осуществляется при  наличии на входе W напряжения высокого уровня и положительного перепада синхросигнала.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 ВЫБОР И ОПИСАНИЕ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

 

 

Cчётчик будем строить на RS-триггерах на элементах ИЛИ-НЕ. Условное графическое обозначение RS – триггера с синхронизацией по фронту представлено на рисунке 3.1.

 

 

Рисунок 3.1 – УГО RS – триггера с синхронизацией по фронту

 

 

Структурная схема RS - триггера на элементах ИЛИ-НЕ приведена на рисунке 3.2.

 

Рисунок 3.2 - Структурная схема RS – триггера на элементах ИЛИ-НЕ

 

 

Таблица 3.1 – Таблица состояния RS – триггера на элементах ИЛИ-НЕ

Режим работы	Вход			Выход
	C	S	R
Загрузка 0		0	1	0	1
Загрузка 1		1	0	1	0
Хранение		1	1