Синтез и анализ последовательных схем (синтез счетчиков)
Министерство
науки и образования Украины
Национальный
аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского
«Харьковский
авиационный институт»
Кафедра
501
«Проектирование
радиоэлектронных систем летательных аппаратов»
Лабораторная
работа
«Синтез
и анализ последовательных схем (синтез счетчиков)»
Выполнил: студент 526
группы Момот О. А.
Проверил: к.т.н., доцент
Мазуренко А.В.
г.
Харьков
Введение
Цель работы: закрепить знания по
синтезу последовательных схем (счетчиков), построить логическую схему счетчика
в среде Max+Plus II с использованием редактора символов и смоделировать ее
работу с помощью эмулятора работы логических схем.
Теоретическая часть
Схема, выходные сигналы которой
зависят не только от текущих значений входных сигналов, но и от
последовательности значений входных сигналов в прошлом, называется
последовательной схемой или схемой с памятью.
Триггер - это устройство
последовательностного типа с двумя устойчивыми состояниями равновесия,
предназначенное для записи и хранения информации. Под действием входных
сигналов триггер может переключаться из одного устойчивого состояния в другое.
При этом напряжение на его выходе скачкообразно изменяется.
Классификация
Триггеры подразделяются на две
большие группы - динамические и статические. Названы они так по способу
представления выходной информации.
Динамический триггер представляет
собой управляемый генератор, одно из состояний которого (единичное)
характеризуется наличием на выходе непрерывной последовательности импульсов
определённой частоты, а другое (нулевое) - отсутствием выходных импульсов.
Смена состояний производится внешними импульсами (рис. 3). Динамические
триггеры в настоящее время используются редко.
К статическим триггерам относят
устройства, каждое состояние которых характеризуется неизменными уровнями
выходного напряжения (выходными потенциалами): высоким - близким к напряжению
питания и низким - около нуля. Статические триггеры по способу представления
выходной информации часто называют потенциальными.
Статические (потенциальные)
триггеры, в свою очередь, подразделяются на две неравные по практическому
значению группы - симметричные и несимметричные триггеры. Оба класса
реализуются на двухкаскадном двухинверторном усилителе с положительной обратной
связью, а названием своим они обязаны способам организации внутренних
электрических связей между элементами схемы.
Симметричные статические триггеры
составляют основную массу триггеров, используемых в современной
радиоэлектронной аппаратуре. Схемы симметричных триггеров в простейшей
реализации (2х2ИЛИНЕ) показаны на рис. 4.
Основной и наиболее общий
классификационный признак - функциональный - позволяет систематизировать
статические симметричные триггеры по способу организации логических связей
между входами и выходами триггера в определённые дискретные моменты времени до
и после появления входных сигналов. По этой классификации триггеры
характеризуются числом логических входов и их функциональным назначением (рис.
5).
Вторая классификационная схема,
независимая от функциональной, характеризует триггеры по способу ввода
информации и оценивает их по времени обновления выходной информации
относительно момента смены информации на входах (рис. 6).
Каждая из систем классификации
характеризует триггеры по разным показателям и поэтому дополняет одна другую. К
примеру, триггеры RS-типа могут быть в синхронном и асинхронном исполнении.
Асинхронный триггер изменяет своё
состояние непосредственно в момент появления соответствующего информационного
сигнала(ов), с некоторой задержкой равной сумме задержек на элементах, составляющих
данный триггер.
Синхронные триггеры реагируют на
информационные сигналы только при наличии соответствующего сигнала на так
называемом входе синхронизации С (от англ. clock). Этот вход также обозначают
термином «такт». Такие информационные сигналы называют синхронными. Синхронные
триггеры в свою очередь подразделяют на триггеры со статическим и с
динамическим управлением по входу синхронизации С.
Триггеры со статическим управлением
воспринимают информационные сигналы при подаче на вход С логической единицы
(прямой вход) или логического нуля (инверсный вход).
Триггеры с динамическим управлением
воспринимают информационные сигналы при изменении (перепаде) сигнала на входе С
от 0 к 1 (прямой динамический С-вход) или от 1 к 0 (инверсный динамический
С-вход). Также встречается название «триггер управляемый фронтом».
Одноступенчатые триггеры (latch,
защёлки) состоят из одной ступени представляющей собой элемент памяти и схему
управления, бывают, как правило, со статическим управлением. Одноступенчатые
триггеры с динамическим управлением применяются в первой ступени
двухступенчатых триггеров с динамическим управлением. Одноступенчатый триггер
на УГО обозначают одной буквой - Т.
Двухступенчатые триггеры (flip-flop,
шлёпающие) делятся на триггеры со статическим управлением и триггеры с
динамическим управлением. При одном уровне сигнала на входе С информация, в
соответствии с логикой работы триггера, записывается в первую ступень (вторая
ступень заблокирована для записи). При другом уровне этого сигнала происходит копирование
состояния первой ступени во вторую (первая ступень заблокирована для записи),
выходной сигнал появляется в этот момент времени с задержкой равной задержке
срабатывания ступени. Обычно двухступенчатые триггеры применяются в схемах, где
логические функции входов триггера зависят от его выходов, во избежание
временны́х гонок. Двухступенчатый
триггер на УГО обозначают двумя буквами - ТТ.
Триггеры со сложной логикой бывают
также одно- и двухступенчатые. В этих триггерах наряду с синхронными сигналами присутствуют
и асинхронные. Такой триггер изображён на рис. 1, верхний (S) и нижний (R)
входные сигналы являются асинхронными.
Триггерные схемы классифицируют
также по следующим признакам:
числу целочисленных устойчивых
состояний (основанию системы счисления) (обычно устойчивых состояний два, реже
- больше, см. двоичный триггер, троичный триггер, четверичный триггер[8], …,
десятичный триггер, …, n-ичный триггер, …);
числу уровней - два уровня (высокий,
низкий) в двухуровневых элементах, три уровня (положительный, ноль,
отрицательный) в трёхуровневых элементах[9], …, N-уровней в N-уровневых
элементах, …;
по способу реакции на помехи -
прозрачные и непрозрачные. Непрозрачные, в свою очередь, делятся на проницаемые
и непроницаемые.
по составу логических элементов
(триггеры на элементах И-НЕ, ИЛИ-НЕ и др.).
Счётчик числа импульсов -
устройство, на выходах которого получается двоичный (двоично-десятичный) код,
определяемый числом поступивших импульсов. Счётчики могут строиться на
двухступенчатых D-триггерах, T-триггерах и JK-триггерах.
Основной параметр счётчика - модуль
счёта - максимальное число единичных сигналов, которое может быть сосчитано
счётчиком. Счётчики обозначают через СТ (от англ. counter).
Классификация
Счётчики классифицируют:
на двоичных триггерах
на троичных триггерах[1]
на n-ичных триггерах
по модулю счёта:
двоично-десятичные (декада);
двоичные;
с произвольным постоянным модулем
счёта;
с переменным модулем счёта;
по направлению счёта:
суммирующие;
вычитающие;
реверсивные;
по способу формирования внутренних
связей:
с последовательным переносом;
с ускоренным переносом;
с параллельным ускоренным переносом;
со сквозным ускоренным переносом;
с комбинированным переносом;
кольцевые;
по способу переключения триггера:
асинхронные;
Счётчик Джонсона.
Алгоритм синтеза счетчиков не
кратным 2n
Могут быть получены из счетчиков
кратным степени 2n путем исключения некоторых двоичных комбинаций.
Определяется ближайшее к заданному
коэффициенту пересчета число М = 2n >= Kпер. зад.
Определяется число каскадов или
триггеров n = log2M счетчика кратным 2n.
Строится схема счетчика с
коэффициенту пересчета равным степени 2n.
На выходах счетчика записывается
двоичная комбинация требуемого коефициента пересчета. Второй вариант: на входах
предварительной установки триггеров записывается двоичный код числа S = M -
Kпер. зад.
Те выходы на которых записаны
единицы обьеденяются с инверсным значением выходов на которых записаны нули
двоичного кода схемой «и» выход который через схему «или» подключается к входам
«reset» всех триггеров. Второй вариант: с выхода переноса сигнал подается на те
входы предварительной установки триггеров на которых устанавливается «1».
синтез счетчик логический триггер
Задание
Построить схему суммирующего счетчика
с параллельным переносом с коэффициентом пересчета Kпер. зад. = 11 на основе JK
- триггеров.
Выполнение задания= 16; Kпер. зад. =
11;= 4;пер. зад. = Qi(2) = 1011(2) = 11(11)
Рисунок 1 Логическая
схема
Рисунок 2 Результат
моделирования (Временная диаграмма)