Реферат: Суммирующий счетчик

--PAGE_BREAK--2. Задание на схемотехническую часть работы


Спроектировать суммирующий счетчик со следующими параметрами:

Технологические параметры:

1. Технологический базис CMOS0.8MKM-2Metal, напряжение питания 5 В.

2. Пороговое напряжение n-канального транзистора Unпор= 0.8 В.

3. Пороговое напряжение р-канального транзистора Upпор= — 0.8 В.

4. Крутизна n-канального транзистора Kn=110 мкА/В2.

5. Крутизна р-канального транзистора К0р= 36 мкА/В2

6. Рабочая частота 100 МГц.

7. Нагрузочная емкость 0.3 пФ.

3. Теоретические сведения3.1 Триггеры. Общие сведения


Устройство, имеющее два устойчивых состояния, называют триггером. В триггере два выхода: один – прямой, а другой – инверсный. Потенциалы на них взаимно инвертированы: логическая единица на одном соответствует логическому нулю на другом. С приходом переключающих (запускающих) сигналов переход триггера из одного состояния в другое происходит лавинообразно, и потенциалы на выходах меняются на противоположные. В интервале между переключающими сигналами состояние триггера не меняется, т. е. он «запоминает» поступление сигналов, отражая это величиной потенциала на выходе, это дает возможность использовать его как элемент памяти.

При лавинообразных переключениях на выходе триггера формируются прямоугольные импульсы с прямоугольными фронтами. Это позволяет использовать триггер для формирования прямоугольных импульсов из напряжения другой формы (например, из синусоидального). При двух последовательных переключениях триггера на выходе формируется один импульс, т. е. триггер можно использовать в качестве делителя частоты переключающих сигналов с коэффициентом, равным двум.

Различают нетактируемые и тактируемые триггеры. Нетактируемый (асинхронный) триггер может менять свое состояние переключающими сигналами в любое время. Тактируемый (синхронный) триггер переключается синхронно с поступлением специального тактирующего импульса. Классификация триггеров приведена на рисунке 3.1.1.

Промышленность выпускает разнообразные типы триггеров в интегральном исполнении. Кроме того, их можно выполнить на цифровых интегральных микросхемах, операционных усилителях и транзисторах.


<img border=«0» width=«364» height=«217» src=«ref-1_1615606873-13001.coolpic» v:shapes="_x0000_i1025">

Рисунок 3.1.1. Классификация триггеров


3.2 Тактируемые триггеры


На входы логического элемента или устройства сигналы не всегда поступают одновременно, так как перед этим они могут проходить через разное число элементов с различной задержкой. Это явление описывается как состязание или гонки сигналов. В результате в течении некоторого времени на входах создается непредвиденная ситуация: новые значения одних сигналов сочетаются с предыдущими значениями других, что может привести к ложному срабатыванию элемента (устройства). Последствия гонок можно устранить временным стробированием, когда на элемент, кроме информационных сигналов подаются тактирующие (синхронизирующие) импульсы, к моменту прихода которых информационные сигналы заведомо успевают установиться на входах.

Тактируемый триггер, кроме информационных входов, имеет синхронизирующий (тактирующий, тактовый) вход С; сигналы на информационных входах воздействуют на такой триггер только с поступлением сигнала на синхронизирующий вход. Различают следующие виды тактируемых триггеров: RS-триггеры (рисунок 3.2.1), двухступенчатые RS-триггеры, D-триггеры и JK-триггеры


<img border=«0» width=«128» height=«91» src=«ref-1_1615619874-2489.coolpic» v:shapes="_x0000_i1026">

Рисунок3.2.1. ТактируемыйRS-триггер.


3.3 Счетные триггеры


Отличие счетного триггера от остальных состоит в том, что он переключается с поступлением каждого импульса на тактовый вход, называемый в таком триггере счетным.

Счетный триггер можно реализовать на базе JK-триггера. Логическая единица на одном из входов элемента И не определяет потенциал на его выходе, поэтому сочетание J= K= 1 не влияет на выходную характеристику первой ступени триггера. Она получает информацию только с выходов триггера, которая устанавливает ее в положение, когда с приходом счетного импульса начнется очередное переключение – JK-триггер работает в счетном режиме. Реализация счетного режима на JK-триггере приведена на рисунке 3.3.1, а.
<img border=«0» width=«329» height=«222» src=«ref-1_1615622363-9236.coolpic» v:shapes="_x0000_i1027">

Рисунок 3.3.1. Реализация счетного триггера на а) JK-триггере, б) D-триггере




Счетный триггер можно реализовать и на D-триггере (рисунок 3.3.1, б). Если после каждого переключения обеспечить автоматическую смену уровня потенциала на D-входе, то с каждым импульсом на C-входе триггер будет менять свое состояние. Указанная смена потенциала будет осуществляться, если D-вход соединить с выходом ØQ. Вторая перекрестная связь (аналогичная связи в JK-триггере) обеспечивается за счет соединения D-входа с R-входом запоминающей ячейки триггера через инвертор.


    продолжение
--PAGE_BREAK--3.4 Счетчики. Общие сведения


Счетчики выполняют на запоминающих элементах – триггерах. Он фиксирует число импульсов, поступивших на его вход. В интервалах между ними счетчик хранит информацию об их числе. Совокупность единиц и нулей на выходах nтриггеров (выходах счетчика) представляет собой n-разрядное двоичное число, однозначно определяющее количество прошедших на входе импульсов. Поэтому триггеры счетчика называют его разрядами.

Суммирующий счетчик увеличивает свое содержимое на единицу с поступлением каждого входного (счетного) импульса. Вычитающий счетчик аналогично уменьшает свое содержимое на единицу.

Комбинацией суммирующего и вычитающего счетчиков является реверсивный счетчик. У него может быть два входа, на один из которых поступают импульсы, увеличивающие его содержимое (суммирующие импульсы), на другой – вычитающие. Реверсивный счетчик может иметь один вход для суммирующих и вычитающих импульсов, а переключение с одного режима на другой осуществляется в нем сигналом на специальном входе.

В счетчик может предварительно заноситься число, для чего он имеет специальные входы. Классификация счетчиков и делителей частоты приведена на рисунке 3.4.1.

<img border=«0» width=«376» height=«168» src=«ref-1_1615631599-12466.coolpic» v:shapes="_x0000_i1028">

Рисунок 3.4.1. Классификация счетчиков и делителей частоты
Каждый разряд счетчика может находиться в двух состояниях. Число устойчивых состояний, которое может принимать данный счетчик, называют его емкостью, модулем счета или коэффициентом пересчета.

Одним из основных параметров счетчика является его быстродействие. Оно оценивается минимальным интервалом между двумя соседними импульсами, с поступлением каждого из которых счетчик способен изменить свое содержимое. Счетчик является атрибутом многих цифровых устройств различного назначения. Его можно использовать по прямому назначению – для счета поступающих на его вход импульсов и для деления их частоты следования.

Триггеры счетчика соединяются между собой таким образом, чтобы каждому числу поступивших импульсов соответствовали единичные состояния определенных триггеров. Счетчик, у которого при поступлении входного импульса переключающий перепад передается от предыдущего триггера к последующему, называется счетчиком с последовательным переносом, а когда переключающий перепад на все разряды поступает одновременно (или почти одновременно) – счетчиком с параллельным переносом. Счетчики могут выполняться только на счетных триггерах. О состоянии разряда счетчика судят по потенциалу на прямом выходе триггера.

В большинстве случаев счетчики строятся таким образом, чтобы записываемое в них число было выражено в натуральном двоичном коде. В таком коде «вес» 1 на прямом выходе младшего разряда равен 1, а в каждом последующем разряде вдвое больше, чем в предыдущем.


3.5 Счетчики с последовательным переносом


Первый разряд счетчика, будучи счетным триггером, переключается каждым входным импульсом. Каждый последующий разряд счетчика получает переключающий перепад (1/0 или 0/1) от предыдущего разряда – переключающий перепад распространяется вдоль цепочки триггеров счетчика последовательно.

Схема суммирующего счетчика с последовательным переносом приведена на рисунке 3.5.1, а. С поступлением каждого входного импульса число в счетчике увеличивается на единицу. Если в данном разряде присутствует единица, то под воздействием перепада, поступающего от предшествующего, он обнуляется, и единица переносится в следующий разряд. Если же в данном разряде ноль, то в него вписывается единица.
<img border=«0» width=«346» height=«137» src=«ref-1_1615644065-7629.coolpic» v:shapes="_x0000_i1029">

Рисунок 3.5.1. Суммирующий счетчик с последовательным переносом а) схема, б) условное изображение.
На рисунке 3.5.2, б представлено условное изображение 4-разрядного счетчика. На счетный С вход поступают импульсы. Логическая единица на входе К сбрасывает все разряды счетчика в ноль. По входам предварительной установки D– D3в счетчик может быть записано число, его значение должно сопровождаться логической единицей на входе разрешения V. Число, занесенное в счетчик, фиксируется на его выходах двоичным кодом с «весами» разрядов 1-2-4-8. На выходе P+появляется логическая единица с поступлением на вход 16-го импульса, т. е. вслед за тем, как предыдущими 15-ю импульсами все разряды счетчика были установлены в единицу.

Суммирующий счетчик функционирует по правилам сложения двоичных чисел. Это легко проследить по временной диаграмме, изображенной на рисунке 3.5.2, где крестиками отмечены переключающие перепады 1/0.
<img border=«0» width=«244» height=«253» src=«ref-1_1615651694-8071.coolpic» v:shapes="_x0000_i1030">

Рисунок 3.5.2. Временная диаграмма работы суммирующего счетчика.
Из временных диаграмм можно сделать следующие выводы:

— с наибольшей частотой переключается входной триггер счетчика;

— частота импульсов на выходе каждого триггера вдвое меньше, частоты импульсов на его входе, а nразрядов счетчика делят частоту входных импульсов в 2nраз, таким образом, счетчик является делителем числа входных импульсов с коэффициентом деления (пересчета), равным емкости счетчика Ксч;

— при поступлении на вход суммирующего счетчика 2nимпульсов он переполняется: все триггеры устанавливаются в 0 (счетчик обнуляется);

— максимальное число, которое может содержать счетчик, на единицу меньше его емкости N= Ксч – 1 = 2n– 1;

— в момент, предшествующий переключению очередного разряда, все предыдущие разряды счетчика находятся в состоянии 1.

Если в счетчике использованы триггеры, переключающиеся перепадом 0/1, то вход последующего триггера нужно соединить с инверсным выходом предыдущего, на котором формируется этот перепад, когда по основному выходу триггер переключается из 1 в 0. [1]

    продолжение
--PAGE_BREAK--4. Логическое моделирование4.1 Моделирование TV-триггера
триггер суммирующий счетчик

По заданию, необходимо использовать динамический TV-триггер, в качестве базисного. Для этого, модифицируем схему стандартного динамического JK триггера, превратив его в T-триггер, и добавив ему асинхронные входа R и V (сброс и принудительное хранение). В итоге, собранный триггер будет выглядеть следующим образом:
<img border=«0» width=«243» height=«103» src=«ref-1_1615659765-5750.coolpic» v:shapes="_x0000_i1031">

Рисунок 4.1.1. Динамический TV-триггер.
Проведем логическое моделирование TV-триггера в Orcad:
<img border=«0» width=«290» height=«105» src=«ref-1_1615665515-5191.coolpic» v:shapes="_x0000_i1032">

Рисунок 4.1.2. Схема TV-триггера в Orcad.
Результат логического моделирования:
<img border=«0» width=«399» height=«85» src=«ref-1_1615670706-10440.coolpic» v:shapes="_x0000_i1033">

Рисунок 4.2.3. Диаграмма переключения TV-триггера.


Таблица 4.1.1. Таблица истинности TV-триггера.


4.2 Моделирование суммирующего счетчика


Проведем логическое моделирование в Orcad:
<img border=«0» width=«227» height=«174» src=«ref-1_1615681146-9968.coolpic» v:shapes="_x0000_i1034">

Рисунок 4.2.1. Схема суммирующего счетчика в Orcad.
Результат логического моделирования:
<img border=«0» width=«452» height=«95» src=«ref-1_1615691114-12934.coolpic» v:shapes="_x0000_i1035">

Рисунок 4.2.2. Диаграмма переключения суммирующего счетчика.

Таблица 4.2.1. Таблица истинности суммирующего счетчика

    продолжение
--PAGE_BREAK--