2017.03.26.
AZ ELŐADÁS ÉS A TANANYAG Az előadások Arató Péter: Logikai rendszerek tervezése (171-189 old.) Tieze U., Schenk Ch: Analóg és digitális áramkörök (174-175 old.) Zsom Gyula: Digitális technika I és II Rőmer Mária: Digitális rendszerek áramkörei Gál Tibor: Digitális rendszerek I és II, Benesóczky Zoltán: Funkcionális elemek 2004 (28-46 old.) Benesóczky Zoltán: Digitális tervezés funkcionális elemekkel és mikroprocesszorral, 2008, (22-33 old.) Kovács Cs. Digitális elektronika 89-91 old.
DIGITÁLIS TECHNIKA II Dr. Lovassy Rita Dr. Pődör Bálint Óbudai Egyetem KVK Mikroelektronikai és Technológia Intézet 7. ELŐADÁS
1
SZINKRON SZÁMLÁLÓK TERVEZÉSE
c. könyvein, jegyzetein alapulnak.
2
FLIP-FLOPOK VEZÉRLÉSI TÁBLÁZATA
A szinkron számlálók tervezése a next-state módszer alapján történhet. A tervezés menete: 1. Állapotkódolás megválasztása illetve megadása. 2. Állapotgráf és állapotátmeneti táblázat (minden egyes ütemben a flip-flopok n+1 ütembeli állapotai a flip-flopok n ütembeli állapotai és a vezérlés (fel/le) függvényében) megszerkesztése. 3. Megvalósitó flip-flop típusának kiválasztása v. megadása, és a flip-flop vezérlési táblázatának felírása. 4. Az egyes flip-flopok vezérlőbemenetei logikai függvényeinek meghatározása és minimalizálás. 5. A visszacsatoló kombinációs hálózat realizálása.
Qn Qn+1 S R J K D ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ 0 0 0 x 0 x 0 0 1 1 0 1 x 1 1 0 0 1 x 1 0 1 1 x 0 x 0 1
T 0 1 1 0
3
3 BITES SZINKRON BINÁRIS ELŐRESZÁMLÁLÓ TERVEZÉSE • A számlálót alakítsuk ki T típusú master-slave flip-flop – al. Ekkor az egyes tárolók T bemeneteire kell csatlakoztatni az állapotvezérlő jeleket. • Ekkor az állapotváltozók kódolását abból a feltételből írjuk fel, hogy 1 szint engedélyezi a flip-flop billentését,
4
KÓDOLT ÁLLAPOTTÁBLÁZAT Qn 0 0 1 1
Qn+1 0 1 0 1
T 0 1 1 0
0 szint pedig nem. Átvitel (carry): akkor jelenik meg az 1-es szint, ha a számláló a legnagyobb tárolható számot tartalmazza (1111). Ezzel a jellel további fokozatok működtethetők.
1
2017.03.26.
Számláló szimbolikus jele
A számláló kapacitását további flip-flop -okkal növelni lehet. az i. flip-flop vezérlőfüggvényének általános alakja: Ti = Q0Q1 Q2. . . Qi-1
Ti = Q0Q1 Q2. . . Qi-1
két bemenetű ÉS kapuk állítják elő a vezérlőjeleket
• A függvény alapján megállapíthatjuk, hogy a kapacitásbővítéshez - az újabb flip-flop mellett - mindig 1-gyel több bemenetű ÉS kapu kell. • Ezt a megoldást nevezzük párhuzamos átvitelűnek.
Ezt az áramköri megoldást nevezzük soros átvitelűnek.
SZINKRON SZÁMLÁLÓ: MAXIMÁLIS FREKVENCIA tpd tdek tk
SZINKRON ÉS ASZINKRON: ÖSSZEHASONLÍTÁS A ripple counter (aszinkron) requires less circuitry than a synchronous counter. No logic gates are used at all in the example above. Although the asynchronous counter is easier to construct, it has some major disadvantages over the synchronous counter.
- terjedési késleltetés (propagation delay), - dekódolási idő, - ÉS kapu késleltetése 1 fmax = ————— tpd + tk + tdek
First of all, the asynchronous counter is slow. In a synchronous counter, all the flip-flops will change states simultaneously while for an asynchronous counter, the propagation delays of the flip-flops add together to produce the overall delay.
A szinkron számlálok, több fokozat esetén, lényegesen gyorsabbak mint az aszinkron számlálók.
11
12
2
2017.03.26.
SZINKRON ÉS ASZINKRON: ÖSSZEHASONLÍTÁS
MSI SN 74163 SZINKRON 4 BITES SZÁMLÁLÓ
Secondly, there are certain "risks" when using an asynchronous counter. In a complex system, many state changes occur on each clock edge and some ICs respond faster than others. If an external event is allowed to affect a system whenever it occurs (unsynchronised), there is a small chance that it will occur near a clock transition, after some IC's have responded, but before others have. This intermingling of transitions often causes erroneous operations. And the worse this is that these problems are difficult to foresee and test for because of the random time difference between the events.
-Párhuzamos adatbemenet -Párhuzamos adatkimenet -Soros átvitel kimenet -A carry kimeneten, RCO, megjelenő jelek az átviteli értékek (segítségével lehet egy másik számlálót az IChez kapcsolni, kaszkádosítani). - Ha az engedélyezés, a ENP és ENT bemenetek (számlálást vezérlik) 1-es szinten vannak, a számláló leszámolja a CLK bemenetre érkező jeleket. - A párhuzamos beírás engedélyezését a LOAD bemenet végzi.
13
SHIFT REGISZTER (SHR) MINT SZÁMLÁLÓ
MODULO FOGALMA
GYŰRŰS SZÁMLÁLÓ A gyűrűs számlálónál a visszacsatoló kombinációs hálózat egy darab drót. Kódolás:
• A számláló áramkörök mindegyike periodikus működésű, a pillanatnyi állapotukat bizonyos számú léptetés után ismét felveszik. • Azt az órajel számot, ami után a pillanatnyi állapot ismétlődik a számláló modulo értékének nevezzük. A modulo érték azt mutatja meg, hogy hány különféle állapotot tud felvenni a számláló.
Qa
Qb
Qc
Qd
1 0 0 0
0 1 0 0
0 0 1 0
0 0 0 1
3 bites számláló 23 állapotot vehet fel, így a számláló modulusa 8 4 bites számlálónál ez az érték 24 = 16.
N bites SHR eseten a modulusa: N 16
ÁLVÉLETLENSZÁM GENERÁTOR
JOHNSON SZÁMLÁLÓ
=1
A visszacsatoló hálózat egyetlen inverter. Így 0 kezdeti érték mellet a számláló először feltölti magát egyesekkel, majd nullákkal. Kódolás: Qa, Qb, Qc, Qd: 0000, 1000, 1100, 1110, 1111, 0111, 0011, 0001
A 0
B 0
C 0
D 1
Szekvencia: (1) 0001, (8) 1000, (4) 0100, (2) 0010, (9) 1001, (12) 1100, (6) 0110, (11) 1011, (5) 0101, (10) 1010, (13) 1101, (14) 1110, (15) 1111, (7) 0111, (3) 0011.
Modulusa N bites SHR eseten: 2N 17
Modulusa N bites SHR és maximális ciklushosszú visszacsatolás eseten: 2N-1
3
2017.03.26.
SZÁMLÁLÓ MODULUSÁNAK CSÖKKENTÉSE
MODULUS CSÖKKENTÉSI ELJÁRÁSOK
Csökkenteni szeretnénk a számláló állapotainak számát. Ez a módszer frekvenciaosztásra használható A leosztandó frekvenciát a számláló órajel bemenetére vezetik. Cl: törlés Ld: betöltés Cy: carry Max/min: felle számláló végállapotai
A leosztott frekvenciájú jel a legnagyobb helyi értéken áll elő
SZÁMLÁLÓ MODULUSÁNAK NÖVELÉSE
SZÁMLÁLÓK KASZKÁDOSÍTÁSA (MODULUS NÖVELÉS) • Aszinkron kaszkádosítás
• Aszinkron számlálók kaszkádosításánál az egyik számláló legmagasabb helyi értékű kimenetét rávezetjük a másik bemenetére.
az egyik számláló legmagasabb helyi értékű kimenetét rávezetjük a másik bemenetére
• Szinkron számlálók - ha kaszkádosíthatók - külön kaszkádosító bemenettel és kimenettel rendelkeznek.
RCO: ripple clock
A kaszkádosított számlálók modulusai összeszorzódnak.
TTL SZINKRON, BINÁRIS UP-DOWN , PRESET SZÁMLÁLÓ KASZKÁDOSÍTÁSA (74193)
SZINKRON SZÁMLÁLÓ KASZKÁDOSÍTÁSA
átvitel, CO (Carry Output) Szinkron kaszkádosítás carry-vel
áthozat, BO (Borrow Output)
külön kaszkádosító bemenettel és kimenettel rendelkeznek
Szinkron kaszkádosítás RCO-val 24
4
2017.03.26.
3-BITES GRAY KÓDÚ SZINKRON SZÁMLÁLÓ C
SZINKRON BINÁRIS SZÁMLÁLÓK TERVEZÉS - ISMÉTLÉS
1
2
4
3
5
6
8
7
B A
26
FLIP-FLOPOK VEZÉRLÉSI TÁBLÁZATA Qn Qn+1 S R J K D ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ 0 0 0 x 0 x 0 0 1 1 0 1 x 1 1 0 0 1 x 1 0 1 1 x 0 x 0 1
ÁLLAPOT TÁBLÁZAT
T 0 1 1 0
n
A B C
n+1
A B C
JAKA JBKB JCKC
a b c d e f g h
0 0 0 0 0 1
b c
0 0 1 0 1 0
0/X
0/X
1/X
1 0 0
a
0 0 0
X/1
0/X
0/X
27
FLIP-FLOP VEZÉRLÉSI EGYENLETEI
28
OPTIMIZING THE FEEDBACK CIRCUIT
_ JA = B C
_ _ KA = B C
_ JB = A C
KB = A C
__ JC = A B + A B _ _ KC = A B + A B
The JA, KA, JB, and KB control functions are implemented by four AND gates in one package. The JC and KC control function can be implemented in various ways. The simplest one would be using two antivalency (XOR) gates and one inverter. However in a twolevel system the simplest solution is the use of six NAND gates. Circuit complexity: Gate count: 10 Pin count: 20
29
30
5
2017.03.26.
3-BIT GRAY CODE UP-COUNTER: CIRCUIT LAYOUT
31
32
6
