31.5 Синхронные счетчики с асинхронным переносом

Синхронные (или параллельные) счетчики характеризуются тем, что все их разряды в пределах одной микросхемы переключаются одновременно, параллельно. Это достигается существенным усложнением внутренней структуры микросхемы по сравнению с простыми асинхронными счетчиками. В результате полная задержка переключения синхронного счетчика примерно равна задержке одного триггера, то есть синхронные счетчики гораздо быстрее асинхронных, причем их быстродействие не падает с ростом количества разрядов выходного кода (конечно, до определенных пределов).

Управление работой синхронного счетчика гораздо сложнее, чем в случае асинхронного счетчика, а количество разрядов синхронных счетчиков обычно не превышает четырех. Поэтому синхронные счетчики не всегда могут успешно конкурировать с асинхронными, особенно при невысоких требованиях к быстродействию. Зато и возможностей у синхронных счетчиков, как правило, гораздо больше, чем у асинхронных, например, они обеспечивают параллельную запись информации в счетчик и инверсный режим счета.

Для объединения нескольких синхронных счетчиков с целью увеличения числа их разрядов (для каскадирования) используется специальный выходной сигнал переноса. В зависимости от принципов формирования этого сигнала и от принципов его использования синхронные (параллельные) счетчики делятся:

1) на счетчики с асинхронным (последовательным) переносом;

2) счетчики с синхронным (параллельным) переносом (или полностью синхронные счетчики).

Синхронные счетчики с асинхронным переносом занимают промежуточное положение по быстродействию между асинхронными счетчиками и полностью синхронными счетчиками. Управление их работой проще, чем у синхронных счетчиков, но сложнее, чем у асинхронных. Работают данные счетчики по положительному фронту входного сигнала (или, что то же самое, по заднему фронту отрицательного сигнала). Основная суть их работы сводится к следующему: все разряды одного счетчика переключаются одновременно, но при каскадировании каждый следующий счетчик (дающий более старшие разряды) переключается с задержкой относительно предыдущего счетчика (дающего более младшие разряды). То есть задержка переключения многоразрядного счетчика увеличивается в данном случае не с каждым новым разрядом (как у асинхронных счетчиков), а с каждой новой микросхемой (например, 4-разрядной).

Сигнал переноса у этих счетчиков при прямом счете вырабатывается тогда, когда все разряды равны единице (достигнут максимальный код) и когда приходит входной сигнал. Поэтому сигнал переноса, повторяющий входной сигнал, будет задержан относительно входного сигнала. И именно этот сигнал переноса используется в качестве входного для следующего счетчика при каскадировании. То есть входной сигнал второго счетчика задержан относительно входного сигнала первого счетчика, входной сигнал третьего счетчика задержан относительно входного сигнала второго счетчика и т.д.

Временная диаграмма 4-разрядного синхронного счетчика с асинхронным переносом показана на рисунке 31.7. Из рисунка видно, что разряды переключаются одновременно по положительному фронту входного сигнала (с некоторой задержкой), а отрицательный сигнал переноса также задержан относительно входного отрицательного импульса. Понятно, что переключение разрядов счетчика, работающего с этим сигналом переноса в качестве входного, будет происходить с дополнительной задержкой относительно переключения разрядов данного счетчика.

Рисунок 31.7 – Временная диаграмма работы синхронного

счетчика с асинхронным переносом

Рассмотрим синхронный счетчик с асинхронным переносом, показанный на рисунке 31.8.

Принцип работы синхронного счетчика с асинхронным переносом счетчика заключается в следующем. На входе каждого триггера (кроме самого первого) включен элемент И. Входной сигнал +1 поступает параллельно на все элементы И и там, где они открыты, вызывает одновременное переключение соответствующих триггеров. На вход каждого элемента И кроме входного сигнала поданы выходы всех триггеров младше данного разряда. Таким образом, при подаче сигнала +1 на вход Х изменяют свое состояние все те триггеры, перед которыми все более младшие триггеры находились в состоянии лог. 1.

Рисунок 31.8 – Внутренняя структурная схема синхронного

счетчика с асинхронным переносом

Импульс выходного переноса формируется элементом «И» переноса 3, который открывается, когда счетчик находится в состоянии все единицы, и пропускает на выход CR тот самый входной импульс, который сбрасывает весь счетчик в ноль.

В данной схеме все триггеры начинают переключаться почти одновременно в пределах разброса времени задержки входных конъюнкторов (элементов И) триггеров. В результате время работы всего счетчика заметно уменьшается и при этом не зависит от числа разрядов счетчика.

t_{ЗАДЕРЖКИ} = t_{ЗАДЕРЖКИ КОНЪЮНКТОРА} + t_{ЗАДЕРЖКИ Т-ТРИГГЕРА}

Недостаток: счетчик небезразличен к фронтам и длительности входных импульсов. От зауженных импульсов или от короткой паузы между ними часть триггеров может сработать, а часть нет, и код в счетчике может быть искажен как угодно.

Объединение синхронных счетчиков с асинхронным переносом для увеличения разрядности (каскадирование) очень просто: нужно выходы переноса младших счетчиков (дающих младшие разряды выходного кода) соединить со счетными входами старших счетчиков (дающих старшие разряды выходного кода). На рисунке 31.9 показана организация 12-разрядного счетчика на трех микросхемах синхронных счетчиков. Эти счетчики могут считать как на увеличение (прямой счет), так и на уменьшение (обратный счет). Возможны также сброс и параллельная запись в счетчики входного кода. Разряды каждого следующего счетчика будут переключаться одновременно, но с задержкой относительно переключения разрядов предыдущего счетчика.

Рисунок 31.9 – Объединение синхронных счетчиков

с асинхронным переносом для увеличения разрядности

Если нужно использовать все выходные разряды многоразрядного счетчика одновременно (как единый код), то необходимо выполнение следующего условия:

где T – период входного сигнала;

N – число объединенных микросхем счетчиков;

t_ЗП – время задержки переноса одного счетчика;

t_ЗС – время задержки счета (переключения выходного кода) одного счетчика.