МИКРОСХЕМЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

РЕГИСТРЫ И СЧЕТЧИКИ


Регистры и счетчики являются цифровыми узлами последова-тельностного типа: они строятся на основе триггеров и имеют ту особенность, что их состояние оказывается зависимым не только от сигналов, воздействующих на входы в данный момент времени, но также и от предыдущих состояний. Иными словами, регистры и счетчики относятся к цифровым автоматам с памятью. Эти узлы могут быть реализованы на интегральных триггерах, а также в виде микросхемы повышенного уровня интеграции [14, 34, 35, 36, 37].

Регистром называют цифровой узел, предназначенный для за­писи и хранения числа. Помимо хранения информации некоторые виды регистров могут преобразовывать информацию, например, из последовательной во времени формы представления в параллельную, сдвигать записанную информацию на один или несколько разрядов в сторону младшего разряда (вправо) или старшего разряда (вле­во), инвертировать код.

В соответствии с назначением различают регистры хранения и регистры сдвига.

Рис. 4.34. Регистр хранения:

а — функциональная схема; б — условное обозначение

По принципу хранения информации регистры делят на стати­ческие и динамические. Статические регистры строят на потенциаль­ных элементах памяти (триггерах), которые могут хранить запи­санную информацию сколь угодно долго (конечно, при наличии на­пряжения питания). Динамические регистры строят на элементах памяти такого типа, как конденсатор. Практически в таких реги­страх используется входная емкость МДП-транзистора. Подобный элемент памяти может хранить информацию лишь в течение неко­торого промежутка времени. Поэтому в динамических регистрах записанная информация находится в постоянном движении.

В книге рассмотрены только статические регистры.

Важнейшие характеристики регистров — разрядность и быстро­действие. Разрядность определяется количеством триггеров для хранения числа. Быстродействие характеризуется максимальной так­товой, частотой, с которой может производиться запись, чтение и сдвиг информации.


Основу регистра хранения составляют одноступенчатые асин­хронные RS-триггеры. Каждый триггер служит для хранения одного разряда числа А={ак ... a2ai}, так что количество триггеров в ре­гистре равно N (рис. 4.34).

Перед записью информации положительным импульсом по ши­не «Уст. О» все триггеры устанавливаются в нулевое состояние. Число А подводится к триггерам через схемы совпадения, управ­ляемые сигналом С3 «Запись». При сигнале С3=1 информация по­падает на входы триггеров и записывается в регистр. При сигнале Сз=0 обеспечивается режим хранения записанной информации.



Информация из регистра может выводиться в прямом и обрат­ном коде через схемы совпадения, управляемые сигналами CC4i и ССч2- Для считывания информации в требуемом коде на соответст­вующую шину необходимо подать единичный сигнал. Таким обра­зом, для записи, хранения и считывания одного разряда слова необ­ходим элемент памяти и логические элементы на входе и выходе. Эту элементарную часть схемы регистра будем называть разрядом регистра.

Регистр с такими же свойствами, но с однофазной записью информации, получается при использовании в- качестве элемента памяти одноступенчатого D-триггера или D-триггера с динамиче­ским управлением. Достоинство регистров на D-триггерах состоит в существенном уменьшении числа соединений в узле. Прзи исполь­зовании D-триггеров с динамическим управлением повышается устойчивость регистра к помехам, поскольку воздействие помех воз­можно в течение меньшего интервала времени, чем у регистров на триггерах со статическим управлением (см. § 4.3).

Регистры сдвига предназначены для преобразования информа­ции путем ее сдвига под воздействием тактовых импульсов. Такие регистры представляют совокупность последовательно соединенных триггеров, как правило, двухступенчатой структуры. Число тригге­ров определяется разрядностью записываемого слова. По направ­лению сдвига информации различают регистры прямого сдвига (вправо, т. е.


в сторону младшего разряда), обратного сдвига (вле­во, т. е. в сторону старшего разряда) и реверсивные, допускающие сдвиг в обоих направлениях.



Рис. 4.35. Регистр сдвига:

a — функциональная схема; б — условное обозкачение

Наиболее широко распространены регистры сдвига на D-триг-герах со статическим (рис. 4.35) или с динамическим управлением. Такие регистры имеют один информационный вход, вход для так­товых импульсов (импульсов сдвига) и установочный вход. Выходы в регистре могут быть с каждого разряда для считывания информации одновременно со всех разрядов, т. е. параллельным кодом. Также может быть один выход с последнего относительно входа разряда для считывания информации последовательно во времени, т, е. последовательным кодом.

Вход регистра для импульсов сдвига получается объединением С-входов всех триггеров, а установочный вход — R-входов.

Перед записью информации регистр устанавливается в нулевое состояние подачей положительного импульса по шине «Уст О». За­писываемая информация должна быть представлена последователь­ным кодом. Запись осуществляется поразрядно со стороны стар­шего (рис. 4.35) или младшего разряда (направление сдвига ука­зывается стрелкой на условном обозначении регистра) путем про­движения кодовой комбинации с каждым тактовым импульсом от разряда к разряду. Следовательно, для записи N-разрядного слова Необходимы N импульсов сдвига.

Считывание информации последовательным кодом осуществля­ется, как и запись, поразрядным сдвигом записанной кодовой ком­бинации к выходу с каждым тактовым импульсом. Следовательно, для считывания N-разрядного слова необходимы N импульсов сдви­га. Считывание информации параллельным кодом происходит в паузе между последним импульсом сдвига одного цикла записи и первым импульсом сдвига другого цикла записи, т. е. в интервале времени, когда на С-входах триггеров нулевой уровень и они на­ходятся в режиме хранения

Таким образом, с помощью регистра сдвига можно осущест­влять преобразование информации из последовательной формы пред­ставления в параллельную.


Очевидно, если предусмотрена запись информации параллельным кодом, то можно преобразовать инфор­мацию из параллельной формы представления в последовательную. Регистры сдвига могут быть построены И на триггерах одно­ступенчатой структуры. В этом случае в каждом разряде регистра нужно использовать два RS-триггера, которые управляются двумя сдвинутыми во времени тактовыми импульсами. Наличие двух триг­геров в одном разряде позволяет поразрядно продвигать инфор­мацию в регистре от входа к выходу. Если бы в регистре были применены одноступенчатые триггеры по одному на разряд, то правило работы регистра сдвига было бы нарушено: при первом же импульсе сдвига информация, записавшись в первый разряд, пере­шла бы во второй, затем в третий и т. д.



Рис. 4.36. Разряд ревер­сивного регистра

Реверсивные регистры сдвига объединяют в себе свойства регист­ров прямого и обратного сдвига. Строятся они по тем же схемотех­ническим принципам, что и рас­смотренные регистры, но с исполь­зованием дополнительных логиче­ских элементов в межразрядных связях. Указанная особенность ре­версивного регистра показана ча примере i-гo разряда (рис. 4.36), состоящего из D-триггера с дина­мическим управлением и логической схемы, на входы которой поааны: Qi-i — сигнал с выхода младшего разряда, Qi+i — сигнал с выхода старшего разряда, V — сигнал, управляющий направлением сдвига: V=l — вправо, V=0 — влево.

Цифровым счетчиком импульсов называют последовательност-ный цифровой узел, который осуществляет счет поступающих на его вход импульсов. Результат счета формируется счетчиком в за­данном коде и может храниться требуемое время.

Счетчики строят на T-триггерах и TV-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 jV-разрядным кодом мо­ жет 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 Kсч, равный 2N. Через каждые 2-v импульсов он будет возвращать­ся в начальное состояние и снова считать импульсы. Эта операция часто называется пересчетом, а счетчики, ее осуществляющие, пере­счетными устройствами, либо делителями, либо счетчиками-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, и JK-триггеры, двухступенча­той структуры или с динамическим управлением.


 Таблица 4.10

Номер состояния

 Q3

 Q2

 Q1
0

 0

 0

 0
1

 0

 0

 1
2

 0

 1

 0
3

 0

 1

 1
4

 1

 0

 0
5

 1

 0

 1
6

 1

 1

 0
7

 1

 1

 1
0

 0

 0

 0
Таблица 4.11

Номер состояния

 Qs

 Qt

 Q.
7

 1

 1

 1
6

 1

 1

 0
5

 1

 0

 1
4

 1

 0

 0
3

 1

 ]

 t
2

 0

 1

 0
1

 0

 0

 1
0

 0

 0

 0
7

 1

 1

 1

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-последовательным) переносом.

Конструктивно цифровые счетчики могут быть выполнены в ви­де совокупности интегральных микросхем-триггеров, определенным образом соединенных, и в виде одной микросхемы повышенного уровня интеграции, содержащей сформированную на единой под­ложке схему многоразрядного счетчика.



Рассмотрим пример реализации трехразрядного суммирующего в коде 8 — 4 — 2 — 1 счетчика с последовательным переносом.

Порядок смены состояний счетчика задан табл. 4.10. В качест­ве исходного принято состояние, которое определяется нулевым уровнем на выходах всех триггеров, т. е. Qt=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 всякий-раз, когда данный триггер в счетчике пере­ходит из состояния;! 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.

Из таблицы 4.10 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 Г-триггерах. 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.



Рис. 4.37. Счетчик с последовательным переносом: а — функциональная схема; б — условное обозначение; в — времен­ные диаграммы

При соединении триггеров необходимо учитывать вид сигнала, которым Г-триггер переключается. Напомним, что триггеры с дина­мическим управлением опрокидываются при поступлении на прямой Г-вход перепада уровня от 0 к 1, а на инверсный T-вход от 1 к 0.


Триггеры двухступенчатой структуры с прямым T-входом изменяют свое состояние с окончанием входного импульса, т. е. после перепа­да уровня от 1 к 0. Если вход инверсный, то изменение состояния триггера происходит после перепада входного уровня от 0 к 1. 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 последую­щего разряда. Пример трехразрядного счетчика на Г-триггерах двухступенчатой структуры приведен на рис. 4.37. Для установки исходного состояния служит шина «Уст. О», которой объединены R-входы всех триггеров. Нулевое состояние триггеров устанавлива­ется подаваемым по этой шине положительным импульсом напря­жения между уровнями 0 и 1. Если R-входы инверсные, установоч­ный импульс должен быть отрицательным между уровнями 1 и 0. На левом поле условного графического обозначения счетчика  (рис. 4.37,6) показано, что его входом является Tгвход 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 О 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 Г-триггерах, полученных из D-триггеров с динамическим управлением, приведен на рис. 4.38.

Вычитающий счетчик с последовательным переносом имеет об­ратный порядок смены состояний: с приходом очередного счетного импульса содержащееся в счетчике число уменьшается на единицу (табл. 4.11).

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.



Рис. 4.38. Счетчик на D-триггерах с динамическим управ­лением:

а — функциональная схема; б — условное обозначение

Из временных диаграмм (рис. 4.37,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 реализа­ции схемы, область их применения ограничивается цифро­выми устройствами с небольшим числом разрядов и невысоким бы­стродействием.

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 ГУ-триггеры. На Г-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. 4.10. Из нее следует, что первый разряд, как и в счетчике с последовательным переносом, должен быть построен на Г-триггере.


Если применяется ТV-триггер, то на его V-вход следует подать 1 или соединить его с Г-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 jV-разрядного счетчика, получим, что каждый последующий триггер должен опрокинуться под воздев стием счетного импульса при наличии 1 на выходах всех предыду­щих триггеров. Следовательно, для формирования сигнала переноса в 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 ГК-триггерах приведен на рис. 4.39. Быстродействие этого счетчика выше, чем счетчика с последовательным переносом, поскольку оно равно бы­стродействию одного разряда.

Это является важным достоинством счетчиков с параллельным переносом, обеспечившим им широкое применение. Недостаток — необходимость 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 JK-триггеры с входной ло­гикой. Для преобразования JK-триггера в TV-триггер необходимо объединить входы J и K в один, это и будет К-вход. У триггера с тремя коньюнктивно связанными J-входами и тремя конъюнктивно связанными K-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 JK-триггеры позволяют получить до трех F-входов, на них может быть построен лишь че­тырехразрядный счетчик с параллельным переносом (рис. 4.40).





Рис. 4.39. Счетчик с параллельным переносом

Вычитающий счетчик с параллельным переносом строится так же, как и суммирующий, но сигналы переноса снимаются с инверс­ных, относительно используемых в суммирующем счетчике, выходов триггеров.

Реверсивный счетчик, объединяющий возможности суммирующе­го и вычитающего, строится таким образом, чтобы обеспечивалось управление направлением счета с помощью сигналов на сложение С0 и вычитание Св. Поэтому его схема содержит дополнительную комбинационную часть, выполняющую указанную функцию.



Рис. 4.40- Счетчик на JK-триггерах с входной логикой



Рис. 4.41. Реверсивный счетчик на ГУ-триггерах

Нередко счетчики с параллельным переносом, выпускаемые в виде микросхем, имеют помимо основных выходов — дополнитель­ные, как это показано, например, на рис. 4.41. На одном из выхо­дов, обозначенном «>15», сигнал 1 появляется при заполнении счетчика единицами, т. е. когда он перешел в состояние с номером 15. Следовательно, на этом выходе формируется сигнал переноса в сле­дующий счетчик. На другом выходе, обозначенном «<0», сигнал появляется при заполнении счетчика нулями и является сигналом займа в следующий счетчик в режиме вычитания.

Реверсивный счетчик можно построить и на Г-триггерах (рис. 4.42,а). Как и в рассмотренном ранее суммирующем счетчике, счетные импульсы поступают на T-вход триггера через логические элементы только в том случае, если они открыты единичными сиг­налами с выходов предыдущих разрядов.

В счетчике на рис. 4.42,а для счетных импульсов предусмотрены два входа. Если счетчик должен работать в режиме прямого счета, импульсы следует подавать на вход «+1», в режиме обратного счета — на вход « — 1». При использовании такого счетчика в ка­честве реверсивного с одним источником импульсов необходимо предусмотреть внешнее устройство коммутации счетных импульсов на суммирующий «+1» либо на вычитающий « — 1» входы. Вариант такой коммутирующей приставки к счетчику приведен на рис. 4.426.


При подаче положительного импульса на S-вход RS-триггера на его прямом выходе установится единичный уровень, который откроет элемент 1 для счетных импульсов С0. Счетчик будет работать в ре­жиме сложения. Если подать положительный импульс на R-вход триггера, откроется для счетных импульсов элемент 2 и счетчик будет работать в режиме вычитания.



Рис. 4.42. Реверсивный счет­чик на 7-триггерах:

а — функциональная схема; б — схе­ма, управляющая направлением счета



Рис. 4.43. Многоразрядный счетчик с комбинированным переносом

Комбинированный, т. е. параллельно-последовательный перенос применяется при построении многоразрядных счетчиков, которые должны иметь высокое быстродействие. Функциональная схема та­ких счетчиков состоит из группы триггеров, внутри каждой из кото­рых организуется параллельный перенос, а между группами — по­следовательный. В примере на рис. 4.43 счетчик состоит из четы­рехразрядных счетчиков с параллельным переносом. На выходе каждой группы триггеров включен элемент И, который формирует сигнал переноса в следующую группу при заполнении триггеров единицами.



Рис. 4.44. Восьмиразрядный реверсивный счетчик на мик­росхемах К155ИЕ7

Интегральные четырехразрядные счетчики с выходами переноса и займа объединяются с использованием этих выходов. Например, при объединении суммирующих счетчиков необходимо соединить выход «>15» одного со счетным входом другого. При объединении реверсивных счетчиков, имеющих выходы сигналов переноса «>15» и займа «<0», необходимо эти выходы соединить соответственно с суммирующим и вычитающим входами следующего счетчика. Пример восьмиразрядного реверсивного счетчика на двух микро­схемах К155ИЕ7 приведен на рис. 4.44. Возможности указанной ми­кросхемы допускают установку заданного исходного состояния счетчика путем записи в него по D-входам (Di-nD.;) нужной кодовой комбинации (а0 ... а?) при наличии разрешающего сигнала на входе Сзап. Кроме того, по шинам «Уст. О» и Уст. 1» счетчик можно заполнить нулями или единицами.Назначение коммутирующей при­ставки на входе рассмотрено ранее (см. рис. 4.42,6).

Результат счета снимается с выходов Q1-Q8. При необходи­мости счетчик можно использовать для деления числа (частоты повторения) импульсов на 16, если использовать выход «>15» пер­вой микросхемы, и на 256, если использовать аналогичный выход второй микросхемы.


Содержание раздела