Sz&a. Számlálók és alkalmazásaik

Grosz Imre: Élő Digitronika (Fejezetek a digitális elektronikából) Számlálók és alkalmazásaik Sz&a.1.2.4.N.

2002-04-15 2004-05-26

Sz&a. Számlálók és alkalmazásaik A számlálók az egyik leggyakrabban alkalmazott közepes integráltságú elemek. Lényeges alkotóelemei sok nagyintegráltságú áramkörnek is. Az alkalmazásuk kapcsán elmondottak megfelelő megfontolásokkal felhasználhatók egyéb szekvenciális áramkörök használatakor is. A számlálók két nagy típuscsaládba sorolhatók: - Szinkron számlálók. A billenés az összes tároló elemnél egyazon bemenet, az órajel hatására történik. Használatuk általános, e típus család elemeit tárgyaljuk részletesen. - Aszinkron számlálók az első bemenetre jutó órajel billenti az első tároló elemet, annak a billenése a következőt és így tovább. Egyszerű felépítésűek, de bizonyos - visszacsatolást is tartalmazó - felhasználásuk hibalehetőséget rejt. Mindkét számláló típus alapvetően a két általánosan használatos (Bináris, pontosabban hexadecimális és BCD) számrendszerben működésre kialakítva kapható.

Sz&a.1. Szinkron számlálók és használatuk. Sz&a.1.1 Szinkron számlálók felépítése Az egyirányú számlálásra alkalmas szinkron számláló általános felépítése:

Sz&a 1. ábra. Bővíthető (Engedélyező jeles) felfelé számláló bináris szinkron számláló blokkvázlata. Az általános blokkvázlat igaz a kapható 4, 8 bites, és természetesen a nagyobb bit számú változatokra is. A gyakorlatban számtalan megoldást dolgoztak ki, amik természetesen tartalmazhatnak az általános vázlatban feltüntetettnél több, illetve kevesebb jelet is. Például lehet a számláló mindkét irányban (fel/le) működő számláló is, ekkor természetesen irányjel is

Sz&a.1.2. 1/42


2002-04-15 2004-05-26

kell. Alapvető példáinkat a 74160-as 4 bites család 74.160, 161, 162, 163 (a számok közti pontot itt is a technológiai családot jelölő betű kombinációk helyett használjuk) előre számlálóira dolgoztuk ki, amik belső megvalósításukban - azonos külső funkció mellett gyártónként, illetve áramkör családonként erősen el is térhetnek egymástól. Az itt levont általánosítható megjegyzések bemutatására egyéb áramkör típusokból felépített kapcsolásokat is bemutatunk. A 74-es sorban a számlálókról az azonos felépítésűekre ökölszabályként elmondható, hogy a páros számra végződők tízes számrendszerben (BCD kód) a páratlan számúak bináris kódban, praktikusan 16-os számrendszerben (hexadecimális kód) működnek. A 74160-as család általános leírása: - Felfutó él vezérelt szinkron előre számlálók - Totem-poole kimenetek - Alacsony szinten aktív törlésvezérlő jel bemenet - Alacsony szinten aktív betöltés vezérlő jel - Adat beíró bemenetek (A, B, C, D egyes típusoknál: a, b, c, d) - Két darab (EP, ET), léptetést engedélyező bemenet, amelyekből az egyik (ET) az átvitel kimenet engedélyezésére is szolgál - Átvitel kimenet TC, egyes gyártóknál RCO jelzéssel - A 4 számláló, a számlálási módban és a törlőjel megoldásában különbözik. A betöltés mindegyiknél a szinkron engedélyező jel megléte alatt történik A család egyes elemeinek eltérő tulajdonságai: Típus: 74.160 .161 .162 .163

kód BCD BIN BCD BIN

törlőjel aszinkron aszinkron szinkron szinkron

A számlálók HC sorbeli felépítését (A Texas Instrument katalógusa alapján), és a működés idődiagramját a Sz&a.5. ábrán mutatjuk be. A BCD számlálóknál felhívnám a figyelmet, hogy a nem tízes számrendszerhez tartozó értékek (Ah, Bh, Ch, Dh, Eh, Fh) is betölthetők a számlálókba. Ilyen értékekről a léptetés esetén a számláló a konkrét kapcsolás megszabta lépési sorrend után tér vissza a BCD számokhoz. Sz&a.6. ábra. A lépés szám, és hogy mely értéknél tér vissza a BCD tartományba a technológiai sorok és a gyártók között eltér(het), ezért az ilyen értékek betöltése utáni léptetés alkalmazása kerülendő! Alkalmazásuk: Több számláló összekötése. Az órajel mindig közös, a törlő és a beíró bemenet vezérlése többnyire közös. A kisebb helyi érték átvitele engedélyezi a nagyobb helyi érték léptetését. Figyelem! Az átvitel bit LS sorozat esetén már egy számláló esetén, HC vagy HCT sorozatnál kettőnél több számláló összekapcsolása esetén a második fokozattól, funkcionális hazárddal (a működésből adódó meghatározhatatlan idejű jeltüskével) rendelkezik. Csak szinkron bemenet vezérlésére használható. Funkcionális hazárd. Szinkron hálózatok kimenetének dekódolásakor állhat elő. Oka a flipflopok kimenetén a 0→1 átmenet előbb következik be, mint az akár azonos tokban lévő flipflop 1→0 átmenete, e miatt az elvileg azonos idejű és egyértelmű jelváltások helyett egy hibás jelsorozat is beékelődik, és ennek dekódolása okozza a funkcionális hazárdot. (Lásd még a kódrendszereknél a hibás átmenet hatását). Kiküszöbölése járulékos késleltetések

Sz&a. 1.2. 2/42


2002-04-15 2004-05-26

beiktatásával történik. Fellépésének lehetősége az áteresztőkapus tárolóknál és a belőle felépített flip-flopoknál lényegesen kisebb, többek között ezért is használják a CMOS sorozatokban ezt a gyártásilag is egyszerűbb flip-flopot. Kód TC TC QD, QC, bin BCD QB, QA áris hatás 0000 0 0 dcba 0 0 1111 0 0 1111 0 0 1111 1 1001

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A* B* C* D* E* F*

0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1

ET

EP

LOAD CLEAR

x x 0 0 1

x x 0 1 0

x 0 1 1 1

0 1 1 1 1

1

1

0

1

1

0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Funkció Vezérlőjelek bemutatása: Törlés Betöltés Léptetés tiltás, TC kijárat tilt. 0 Léptetés tiltás TC kijárat tilt. 0 Léptetés tiltás, TC kijárat eng. (bináris esetén) Léptetés tiltás, TC kijárat eng. (BCD esetén) Számlálás: Léptetés eng. TC kijárat eng. Ha a kód max. TC (túlcsordulás) = 1

Sz&a 1. Táblázat. Szinkron előre számlálók (74.160-as család) lehetséges állapotai és a vezérlőjelek prioritási táblázata. * = Ezeket az értékeket a BCD számláló csak betöltésből veheti fel. Az átlépés módját a normál BCD kódra – ami több lépés is lehet - a katalógusok általában megadják. Pl. Sz&a.7. ábra. Ezen átmenetekben - a megvalósítás függvényében - eltérések is lehetségesek. A közepes és nagyobb integráltságú elemek kapcsolási rajzai funkcionális felépítésűek. Ez azt jelenti, hogy hűen tükrözik a működési feladatot és elősegítik a működés megértését, de nem biztos, hogy a tranzisztor szintű áramköri megvalósítással megegyeznek. A működéshez lényegesen hozzátartoznak a működést leíró idődiagramok, a katalógus szöveges leírása és a megjegyzések. FIGYELEM! Az apró betűs megjegyzések mindig fontosak. Köztük olyan

Sz&a.1.2. 3/42


2002-04-15 2004-05-26

információ is szerepelhet, amit illene VASTAG nagybetűkkel szedni, de különböző okokból a cégek ezt nem teszik. Sőt, olyan is előfordul, aki hallgat róla. Az apró betűs megjegyzések (NOTE) elolvasása ezért mindig fontos. Most nézzük meg részletesen egy a gyakran használatos 74.16X család katalógusban szokásos megadásait! 'HC163

'HC161

CTRDIV16

CTRDIV16 CLR

(1)

CT=0

(9)

ENP

(10) (7)

3CT=15

CLK

RCO

(1) (13)

(4)

B

(2) (12)

(5)

C

(4) (11)

(6)

D

(10)

(8)

QA QB QC QD

(15)

3CT=15

G3 G4

(7) (2)

(3)

(14)

1,5D

A

RCO

C5/2,3,4

CLK (14)

1,5D

ENT ENP

(3)

A

M1 M2

LOAD

(15)

G4 C5/2,3,4

(2)

SCT=0

(9)

M1 M2 G3

LOAD ENT

CLR

(1)

(1)

(4)

(13)

B

(2) (5)

(12)

C

(4) (6)

(11)

D

(8)

QA QB QC QD

Sz&a.2. ábra. 74HC161 aszinkron törlésű és 74HC163 szinkron törlésű bináris, engedélyezett szinkron előre számláló ANSI/IEEE STD 1984 szabvány és az IEC publikáció 617-12 oldalán megadott jelölés szerinti szimbóluma. CK LD TE LD

TG

TG

LD

TG

Q

TG

CK

D

CK TG

TG

CK CK

R

Sz&a.3. ábra. 74HC16X család egy tároló cellájának az áramköri felépítése. - A túlcsordulás kimenet elnevezésére két név is használatos. TC = Total Carry (Teljes átvitel) és az RCO Ripple carry out (felfelé számlálás túlcsordulás kimenet).

Sz&a. 1.2. 4/42


2002-04-15 2004-05-26

(9)

LOAD

(10)

(15)

ENT

RCO (7)

LD

ENP (2)

CLK (1)

CLR

CK CK

Csak 'HC161 esetén

R

LD

Csak 'HC163 esetén

M1 G2 (14)

1, 2T/1C3 A

(3)

QA

G4 3D 4R

M1 G2 (13)

1, 2T/1C3 (4)

B

QB

G4 3D 4R

M1 G2 (12)

1, 2T/1C3 (5)

C

QC

G4 3D 4R

M1 G2 (11)

1, 2T/1C3 (6)

D

QD

G4 3D 4R

Sz&a 4. ábra Szinkron, engedélyezett, betöltéssel és törléssel rendelkező 4 bites bináris számláló (74HC161, 163) logikai felépítése. A LD negált és a CK negált jelet, mivel az áteresztőkapus megvalósítás miatt minden cellánál szükséges, az egész tokra közösen állítják elő. Ezt a cellarészlet szimbolikus rajza nem tünteti fel.

Sz&a.1.2. 5/42


2002-04-15 2004-05-26

CLR

DATA INPUTS

LOAD A B C D

CLK ENP ENT

OUTPUTS

QA QB QC QD RCO 12

13

14

15

0

1

2

COUNT

SYNC CLEAR PRESET ASYNC CLEAR

INHIBIT

Sz&a.5. ábra Szinkron, engedélyezett, betöltéssel és törléssel rendelkező 4 bites bináris számlálók (74HC161, 163) működési idődiagramja. A betöltés ( LOAD ) vezérlés teljesülésére a katalógus a beírás (PRESET) kifejezést használja 'HC160

'HC162

CTRDIV10 CLR

(1) (9)

LOAD ENT ENP

(10) (7) (2)

CLK

CT=0

CLR

(9)

M1 M2 G3

LOAD

(15)

3CT=9

RCO

G4 C5/2,3,4

1,5D

B

(13) (2) (12)

(5)

C

(4) (11)

(6)

D

(8)

(10) (7) (2)

CLK

(1)

(4)

ENT ENP

(14)

(3)

A

CTRDIV10 (1)

QA QB QC QD

SCT=0 M1 M2 G3

(15)

3CT=9

G4 C5/2,3,4 (14)

(3)

A

1,5D

(1) (13)

(4)

B

(2) (12)

(5)

C

(4) (11)

(6)

D

RCO

(8)

QA QB QC QD

Sz&a.6. ábra. 74HC160 aszinkron törlésű és 74HC162 szinkrontörlésű decimális számláló logikai szimbóluma.

Sz&a. 1.2. 6/42


0

1

4

3

2

2002-04-15 2004-05-26

15

5

14

6

13

7

12

11

9

10

8

Sz&a.7. ábra. 74HC160 aszinkron törlésű és 74HC162 szinkron törlésű decimális számláló felvett állapotainak állapot gráfja. (9)

LOAD (10)

(15)

ENT

RCO (7)

LD

ENP (2)

CLK (1)

CLR

CK CK

Csak 'HC160 esetén

R

LD

Csak 'HC162 esetén

M1 G2 1, 2T/1C3 A

(3)

(14)

QA

G4 3D 4R

M1 G2 1, 2T/1C3 (4)

B

(13)

QB

G4 3D 4R

M1 G2 1, 2T/1C3 (5)

C

(12)

QC

G4 3D 4R

M1 G2 1, 2T/1C3 (6)

D

(11)

QD

G4 3D 4R

Sz&a.8. ábra. Szinkron, engedélyezett, betöltéssel és törléssel rendelkező 4 bites decimális számláló (74HC160, 162) logikai felépítése.

Sz&a.1.2. 7/42


2002-04-15 2004-05-26

CLR

DATA INPUTS

LOAD A B C D

CLK ENP ENT

OUTPUTS

QA QB QC QD RCO 7

SYNC CLEAR PRESET ASYNC CLEAR

8

9

0

1

COUNT

2

3

INHIBIT

Sz&a.9. ábra. Szinkron, engedélyezett, betöltéssel és törléssel rendelkező 4 bites decimális számlálók (74HC160, 162) katalógus alapján megrajzolt működési idődiagramja.

Sz&a.1.2. Szinkron számlálók alkalmazásai Sz&a.1.2.1. Szinkron számlálók számlálási hosszának növelése többfokozatú számláló kialakításával Gyakori igény a többfokozatú számláló kialakítása. Ennek megoldását az Sz&a.10. ábrán mutatjuk be. Az ábrán, és a későbbiekben is LSB a legkisebb, míg az MSB a legnagyobb bitet jelenti. - A kétféle, számlálót engedélyezőjel feladata részben eltér. Az ENP bemenetet vezérlőjel az összes számlálóra párhuzamosan van kötve. Amennyiben, az órajelet a Setup time idővel megelőzően, H szintű lesz a számláló - ha közben az ENT bemenetre kötött jel állandóan H léptethető. A léptetés tiltás ugyanilyen gyorsan jut érvényre. Az első ENT bemenetre kötött engedélyezőjel hatása soros kapukon keresztül terjed, ha a kisebb helyiértékű számlálók szélső, itt maximális állapotukban vannak. A soros jelterjedés miatt, a nagyobb helyiértékű számlálók engedélyezést előkészítő ideje, a számlálók számával arányosan nő. Ennek következtében jelentősen növekedhet az órajel minimálisan megengedhető ciklusideje. Vagyis csökkenthet a számlálóra megengedhető óraütem maximális frekvenciája. A részletes időszámvetést az “Időszámvetés digitális áramkörökben” című fejezetben mutatjuk be.

Sz&a. 1.2. 8/42


2002-04-15 2004-05-26

LSB CTR

CLEAR (L)

CLR

COUNT (H) / DISABLE (L)

LOAD ENT ENP

CLK

CT=0 M1

3CT=MAX G3 G4 C5/2,3,4

LOAD (L) A

COUNT (H) / DISABLE (L)

1,5D

B

(2)

C

CLOCK

(1)

(3)

D

(4)

RCO

QA QB QC QD

CTR

CLR

LOAD ENT ENP CLK

A

CT=0 M1

3CT=MAX G3 G4 C5/2,3,4

1,5D

B

(1) (2)

C

(3)

D

(4)

RCO

QA QB QC QD

CTR

CLR

LOAD ENT ENP CLK

A

CT=0 M1

3CT=MAX G3 G4 C5/2,3,4

1,5D

B

(1) (2)

C

(3)

D

(4)

RCO

QA QB QC QD

CTR

CLR

LOAD ENT ENP CLK

A B C D

CT=0 M1

3CT=MAX G3 G4 C5/2,3,4

1,5D

(1) (2) (3) (4)

RCO

QA QB QC QD

A további felhasználáshoz

Sz&a.10. ábra 4 fokozatú szinkron előre számláló kialakítása.

Sz&a.1.2. 9/42


2002-04-15 2004-05-26

A két fokozatnál hosszabb számlálók esetén a második fokozattól, a soros engedélyező jel terjedési késleltetése miatt funkcionális hazárd kialakulásával kell számolnunk. Ennek idődiagramját az Sz&a.11. ábrán mutatjuk be. 1

2

3

4

5

CLK

ENT1 QB1, Q C1, QD1

QA1

RCO1, ENT2

QB2, Q C2, QD2 QA2

RCO2

GLITCH (7-12ns)

Sz&a.11. ábra Funkcionális hazárd (tüske) kialakulása a többfokozatú szinkron számláló második fokozatának túlcsordulás kimenetén. (Az 1-es index a sorban első számlálóra utal.) A tüske a rajzon szabályos. A valóságos tüske mindig egy torz háromszöghöz hasonlít H szintje bizonytalan.

Sz&a.1.2.2. Szinkron számlálók lépésszámának rövidítése visszacsatolással - 1. Számlálási hossz rövidítése betöltéssel. Betöltött kezdőértékről indítjuk a számlálót és kihasználjuk a beépített maximális érték detektálását. Valósítsunk meg egy 11 állapotú számlálót. Ehhez kiindulásul 16 állapottal rendelkező bináris számlálót kell, hogy válasszunk. A BCD számláló, eleve kevesebb állapota miatt, itt nem jöhet szóba. A számláló lehetséges állapotait az Sz&a 1 táblázatban már bemutattuk. Látható, hogy mivel a dekódolt érték Fh, a 11 állapot eléréséhez az 5-ös állapotról kell indítani a számlálót (16 lehetséges - 11 megvalósítandó = 5-ös állapot) A megvalósított kapcsolás az Sz&a 12. ábrán látható.

ENG EP ET

ÓRA

CK CLR

QA QB QC QD Tc

74.161 vagy 163

a

b

c

d

LOAD

1 NRES Sz&a.12. ábra. 11 állapotú számláló megvalósítása 5. kezdőérték betöltésével.

Sz&a. 1.2. 10/42


2002-04-15 2004-05-26

Működése: A bekapcsoláskor megjelenő NRES jel hatására 5-ös számérték töltődik a számlálóba. A betöltés folyamatosan ismétlődik, az NRES fennállása alatti minden felfutó órajel élnél. A prioritási sorrend miatt, a közben megjelenő ENG jel, nem hatásos. Az NRES megszűnését követő órajel felfutó éltől, mivel ENG jel aktív, a számláló léptet. Az Fh érték elérésekor TC kimeneten megjelenik az 1-es. Ezt invertálva és egy ÉS kapun VAGY-olva (0ra VAGY-olás) rávezetjük az NLOAD bemenetre. Az Fh értéket záró órajel hatására beíródik a kezdő érték, és a számláló az 5 értéktől folytatja a működését. Az idődiagram végén bemutatjuk, hogy az ENG jel 0-ba vitelekor (tiltás) megáll a számláló léptetése. Az áramkör “kimenő jelének” pl. a TC jelet lehet használni. Figyelem! TC csak szinkron bemenet vezérlésére alkalmas jel. Ha órajelre van szükség, akkor a tároló megfelelő Flip-flop kimenetét kell használni. Erre jelen esetben a QD kijárat alkalmas. ÓRA NRES ENG QA QB QC QD TC NLOAD Sz&a.13. ábra. 5. kezdőérték betöltésével indított 11 állapotú számláló idődiagramja - 2. Számlálási hossz rövidítése törléssel. 0-ról indul a számláló, és a megfelelő számérték dekódolásával törlőjelet állítunk elő. A törlőjel (Clear) lehet szinkron és aszinkron, ennek megfelelően változik a kikódolandó érték. Szinkron esetben (74HC163) a törlés az órajel felfutó élére történik (mint a léptetés, vagy a betöltés) ezért teljes ciklusokkal számolunk. A 11 számossághoz a 10-es számértékű, Ah dekódolása szükséges. A megvalósított kapcsolást és az idődiagramját az Sz&a.14. ábrán mutatjuk be. Működése az idődiagram (Sz&a.16 ábra) alapján követhető. A lehetséges funkcionális hazárd a szinkronműködés miatt nem okoz problémát. Aszinkron törlésnél (74HC161) a törlést kiváltó állapot a törlés bekövetkezése miatt csak egy rövid - példányonként eltérő - ideig áll fent, és a kapcsolás a 0000 állapotban megy. A 0 állapot ideje így rövidebb, mert egy óraperiódus alatt tulajdonképpen 2 állapot valósul meg. A dekódolandó érték a 12-ik állapot, a 11-es számérték, vagyis Bh. A kapcsolás kialakításánál - mivel a flip-flop kimenetek gyorsabban váltanak L-ből H-ba, mint H-ból L-be - a 9-ből Ah-ba átlépéskor - mivel rövid időre előállna a Bh érték funkcionális hazárd keletkezhetne, ami az aszinkron működést bizonytalanná tevő hibát eredményezne. A hazárd a QB jel késleltetésével szüntethető meg.

Sz&a.1.2. 11/42


2002-04-15 2004-05-26

A hazárdmentes megvalósítást az Sz&a.15. ábrán, a működés idődiagramját a törlőjel kinagyításával az Sz&a.16 ábrán mutatjuk be. Az ábrába berajzoltuk, a hazárdmentesítés nélkül kialakuló hazárdtüske lehetséges helyét is. Ez természetesen a 8.a. ábra szerinti megoldásnál nem lép fel. (Tulajdonképpen a hazárdtüske jelölését szaggatott vonallal kellett volna jelezni, ezt azonban az ábra léptéke nem tette lehetővé.)

74.20

ENG EP ÓRA

QA QB QC QD

ET CK CLR

Tc

74.163

a

b

c

d

LOAD 1

NRES

74.08

Sz&14. ábra. 11 órajel hosszúságú számlálás kialakítása szinkron törléssel Működésének idődiagramját lásd azSz&a.16. ábra első felén 74.20

ENG EP ÓRA

QA QB QC QD

ET CK CLR

Tc

74.161

a

b

c

d

LOAD 1 NDEKB

NRES

74.08

Sz&15. ábra. 11 órajel hosszúságú léptetés kialakítása aszinkron törléssel Működésének idődiagramját lásd azSz&a.16. ábra jobb oldali részén.

Sz&a. 1.2. 12/42


2002-04-15 2004-05-26 Kinagyítás

ÓRA

NRES QA QB QC QD NDEKA

NDEKB hazárd helye

CLR

Szinkron törlés A-nél

kikódolt érték

Aszinkron törlés B-nél

Sz&16. ábra. 11 hosszúságú léptetést szinkron és aszinkron törléssel megvalósító számlálók működéseinek idődiagramjai. Az aszinkron törlést kiváltó jel kinagyítása. az ábra jobboldalán látható. Az ábrán megadott értékek (A, B) természetesen hexadecimális számrendszerben értendők Látható az Sz&16. ábrából, hogy a törlő jel ideje példányonként változó, mert azt, az aktuálisan használt kapu és flip-flop billenési idők határozzák meg. NCLEAR jel semmilyen célra sem használható fel. Ha többfokozatú számlálót működtetnénk ezen a módon, NEM GARANTÁLT működéshez jutnánk, ugyanis előfordulhat, hogy legrosszabb esetben az adott sorozatban előforduló leglassúbb és leggyorsabb számláló kerül összeépítésre - a kapuzó áramkör gyors - a leggyorsabb tároló elem törlődése megszünteti a törlő jelet, aminek ideje még kevés a leglassúbb törléséhez. Ekkor egy teljesen bizonytalan működéshez jutunk. A hiba oka: megsértettük az aszinkron módú működés egyik alapvető feltételét: A bemenő jelnek (itt a törlőjel) nem szabad változnia, amíg az összes kimenet be nem állt. Építhető kapcsolás, mely eleget tesz ennek a feltételnek - erre példát az aszinkron számlálóknál mutatunk majd be - de a nagyobb IC felhasználás miatt többnyire nem éri meg. Az aszinkron törlés, bekapcsolási és rendszer jellegű alaphelyzetbe hozás céljait szolgálja - nem a visszacsatolásét - ott a kellő idejű jelek használatával kifogástalanul működik. Itt említem meg, hogy a szinkronműködésű és aszinkron töltésű (LOAD) számlálóknál - a változó beírandó értékek miatt - a visszacsatolással kapcsolatban elmondottak fokozottan igazak. Ilyen számlálók a 74-es sorozatban, pl. a 74.190, 74.191 Vezérlőjeles előre-hátraszámlálók, illetve a 74.192, 74.193 iránytól függően, külön órával léptetett előre-hátraszámlálók. Sz&a.1.2.3. Számlálók használata szinkron törlés és betöltés vegyes használatával. Az eddig elmondottak értelemszerű felhasználásával ugyanazon számlálónál megvalósítható a szinkrontörlés és a szinkron beírás. Ennek végig gondolását az olvasóra bízzuk. A végig gondoláshoz házi feladatként az alábbi példát ajánljuk a figyelmébe. Bekapcsoláskor induljon 0-ról majd az 1, 2, 3, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D és újra 0 értékeket járja be. Rajzolja meg a kapcsolást és a működés idődiagramját is!

Sz&a.1.2. 13/42


2002-04-15 2004-05-26

Sz&a.1.2.4. Többfokozatú számláló többszörös betöltéssel. Az alábbiakban egy példán keresztül bemutatjuk a számlálókból kialakítható megadott állapotokat bejáró vezérlő létrehozását. A végigjárandó állapot sorozat: Resetre→13h, 14h, 15h, 16h, 17h, 18h→27h-4Fh→51h-FFh és 17h-tól újra A megoldás menete: Először megkeressük azokat az értékeket, amelyekig folyamatos a számlálás. Az utolsó érték a dekódolandó, a következő a betöltendő. A dekódolandókat egy-egy megfelelő hálózattal (8 bites ÉS kapcsolat), dekódoljuk. A dekódolt jelek és a RESET jel VAGY-NEM kapcsolata adja a LOAD jelet. A dekódolásnál kihasználható és kihasználandó is a számlálók Carry (Túlcsordulás átvitel) kimenete. A betöltendő jelet a léptető regisztereknél tárgyalt módon állítjuk elő. Dekódolandó a 18h; 4Fh és az FFh. A dekódolásnál kihasználjuk a számlálókban lévő maximális érték dekódoló (Carry) logikát is. A dekódolásnál többnyire nem használható az egyszerűsítés azon esete, amikor csak az 1-es szintek alapján dekódolunk. Ha mégis használjuk, ügyelni kell, hogy a nem teljes dekódolásból adódó értékek biztosan ne forduljanak elő. Ezek csak az átlépett tartományban - amit biztosan nem vesz fel az áramkör szerepelhetnek. Példánkban a DEK4F és az DEKFF minden bitből, a DEK18 csak 5 bitből, de az átlépés miatt egyértelműen dekódolt érték. Betöltendő 13h; 27h; 51h és 17h. Táblázatosan az összerendelések Hexa RESET 18 4F FF

Dekódolandó Betöltendő Bináris Hexa Bináris QH QG QF QE QD QC QB QA H G F E D X X X X X X X X 13 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 27 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 1 51 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 17 0 0 0 1 0 H=0

C 0 1 0 1

B 1 1 0 1

A 1 1 1 1

G = DEK4F * RESET F = DEK18 * RESET E = RESET + DEK18 D=0 C = RESET + DEK4F B = RESET + DEK4F A=1 Sz&a.2. táblázat. Dekódolandó és betöltendő értékek táblázata, és a bemenetek logikai egyenleteinek felírása A felírást a szokásos helyi érték sorrendben végeztük el. A legkisebb helyi érték A = 20 a jobb oldali bit. A kapcsolási rajzon ez többnyire a baloldalon szerepel. A döntő a valós súlyozás,

Sz&a. 1.2. 14/42


2002-04-15 2004-05-26

amit az elnevezés betűsorrendje is követ. A minden betöltéskor állandó biteket, az értéküknek megfelelően - 0 vagy 1 - földre, pl. a D, H, illetve a magas szintre pl. A kötjük. A változó biteket a RESET-nél betöltendő értéktől függően írjuk fel. Ha a RESET esetén 0 a beírandó bit, akkor a 0 értéket kiválasztó dekódolt jelek VAGY kapcsolatának a negáltját kell megvalósítani. Ha a RESET-nél 1-es a beírandó bit, akkor pedig az 1-es értékeket kiválasztó dekódolt jelek VAGY kapcsolatát. Természetesen a szokásos átalakításokat használjuk, és kihasználjuk a beírandó bitek között fennálló negációs kapcsolatot is. A lényeges, hogy a Reset (itt kezdő érték beállító) funkciónak prioritása van a többi vezérlő jelhez képest, ugyanis amikor a RESET jelet használjuk, nem tekinthetjük ismertnek a számláló állapotát. Bekapcsoláskor a véletlenszerű beállás miatt, külső nyomógomb működtetésekor pedig az aktuális értékekkel való összeszinkronizálatlanság miatt. A kívánt funkció egy lehetséges megvalósítását az Sz&a.17. ábrán mutatjuk be. A számlálók helyes működéséhez a logikai feltételeken kívül szükségünk van a katalógusra is. A helyes működés kiszámításához szükséges időértékek helyeinek a megrajzolását az Sz&a.18. ábrán, az olvasó felrajzolási munkájára bízzuk. Az adott helyen használandó értékek, a technológiai sortól függnek, és a katalógusokban találhatók meg. A számítás elvégzésének módját az “Időszámvetés digitális rendszerekben” c. fejezetben mutatjuk be. NDEK18

NDEK4F

"1"

EP

QA QB QC QD

ET CLK CLR

A

B

EP Tc

74.163

C

D

LOAD

QA QB QC QD

ET CLK CLR

A

B

DEKFF Tc

74.163

C

D

LOAD

NRESET

RESET

Sz&a.17. ábra Kétfokozatú visszacsatolt szinkron számláló kialakítása Sz&a.18. ábra nincs. Megrajzolását - gyakorlásként - az olvasóra bízzuk(!)

Sz&a.1.2. 15/42


2002-04-15 2004-05-26

Két fontos dologra felhívjuk a figyelmet: - A számításokhoz a bemeneti, minimálisan biztosítandó értékek, és a kimenetekről a maximális késleltetések veendők figyelembe. A helyes működéshez a legrosszabb esetre való (Worst case) méretezés a szükséges. - A katalógusokban megadott maximális órajel frekvenciák csak állandóan engedélyezett számláló esetén (ha egy számláló van használva) és visszacsatolás-mentes esetben érvényesek. Számláncban való használat vagy visszacsatolt esetben, pl. az Sz&a.17. ábra kapcsolása, a felső határfrekvencia jelentős (akár 10-25% alá) csökkenésével kell számolni. - Lásd még az időszámvetés digitális rendszerekben c. fejezet közepes integráltságú áramkörök c. alfejezetét. Sz&a.1.2.5. Adott kapcsolás idődiagramjának szerkesztése engedélyezett működésű szinkron számlánc esetén. Megvalósított áramkörök működésének tanulmányozásakor, illetve bemérésükkor fontos feladat a kapcsolási rajz és a bemenő jel időbeli viselkedésének ismerete alapján, a teljes kapcsolás időbeli működésének a lerajzolása. Ennek szerepe kettős. Egyrészt az idődiagram segít a kapcsolás működésének megértésében, másrészt egy mérés során a mért és a várt időbeli működés összevetéséből tudjuk eldönteni, hogy az áramkör helyesen működik-e. Ehhez a feladathoz nézzünk egy, két helyen visszacsatolt számlánc esetét, melyet mindegyik engedélyező bemenetén, eltérő időkben, időszakosan tiltunk. A vizsgálandó kapcsolást az Sz&a.19. ábrán, az idődiagramját az Sz&a.20. és az Sz&a.21. ábrán mutatjuk be.

NV

ENG0

EP

ENG1

ET

ÓRA

CK CLR

+5V

QA QB QC QD

a

74.162 INP.

b

c

Tc d

LOAD NRES

Sz&a.19. ábra Kétszeresen visszacsatolt szinkron számláló az idődiagram rajzolás bemutatásához.

Sz&a. 1.2. 16/42


2002-04-15 2004-05-26

ÓRA

NRES

ENG0 ENG1 QA QB QC QD

TC NV LOAD INP A,B

Sz&a.20. ábra Kétszeresen visszacsatolt szinkron számláló működési idődiagramja ÓRA NRES ENG0 ENG1 QA QB QC QD TC NV LOAD INP A,B

Sz&a.21. ábra Kétszeresen visszacsatolt szinkron számláló működési idődiagramja az Sz&a.20. ábrához képest módosított vezérlőjelek mellett.

Sz&a.1.2. 17/42


2002-04-15 2004-05-26

A felhasznált számláló BCD kódban dolgozik, vagyis TC kimenete a 9 számértéknél 1. A két bemutatott idődiagram csak a bemenőjelek időzítésében tér el, ezért részletesen csak az Sz&a.20. ábrát tárgyaljuk, az Sz&a.21. ábrán csak a különbségekre hívjuk fel a figyelmet. A tanulás során ezen ábrákon kívül, még sokfajta bemenőjel kombináció mellett célszerű a teljes idődiagram megszerkesztése. Figyelem! A helyes tanulási módszer az elemezve megszerkesztés, nem a megadott ábrák képi rögzítése. Az csak felesleges helyet köt le a tárolóban, és szükség esetén nem biztos, hogy jól használható! A vizsgálat kezdetén nem ismerjük a kimenetek és a belsőleg előállt vezérlőjelek értékét, ezt a tényt ferde vonalkázással jelöljük. Az NRES bemenőjel változásai az órajelhez szinkron, annak felfutó élét követően lépnek fel. A rajzon ezen felbontási finomság, az órajel léptéke miatt nem látható. Órajel és a vezérlőjel változása egy függőlegesben látszik. Ugyanez a helyzet egy oszcilloszkópos mérés esetén is. Ha az órajel ciklus ideje jóval nagyobb a jelkésleltetési időknél, a több órajel ciklus megjelenítését lehetővé tevő időalap választás mellett az órajel és a hatására bekövetkező változás már nem különíthető el a képernyőn, idejeik egy függőlegesbe esnek. Ez a természetes állapot nem szabad, hogy zavart okozzon. Szinkron vezérlő bemenet jelszintjének mindig az órajel függőlegesébe balról befutó jelszintet kell figyelembe venni. Az órajel hatásos élével látszólag egy időben, valójában késleltetési idővel később, bekövetkező változás csak a következő órajel hatásának előkészítésében játszik szerepet. Az NLOAD jel az NRES- ből kapun alakul ki, azt követi. Az NRES alatt az első órajel él hatására a számlálóba betöltődik a jelbemeneteken meghatározott kombináció, jelen esetben 3 értéke. Az NRES alatti második órajel él újra betöltést végez, ami természetesen az azonos érték miatt nem megkülönböztethető állapotot eredményez. Az ENG0, 0 szintje, mivel a betöltés alatt volt érvényes, a betöltés funkció elsődlegessége miatt nem hatásos. Az NRES 1be menését követő első órajel élnél mindkét engedélyező jel magas szintű, bekövetkezik az incrementálás (1-el való növelés) és kialakul a 4-s érték. A következő órajelre a számláló az 5-s értékre lép, ebből kialakul az NV visszacsatoló jel, majd belőle az NLOAD. Ekkor az “a, b” bemenetek magas, a “c” bemenet az NRES magas szintje miatt szintén magas szintű, így a számlálóba a 7-s érték íródik. A következő órajelre a számláló a 8-s, majd az ezt követőre a 9s értékre lép. Az ENG0 jel ekkor két óraütemre alacsonyba megy. Ez az engedélyező jel az Ep bemenetre van kötve, így leállítja a számláló léptetését. Tekintettel azonban, hogy az ET bemeneten lévő ENG1 jel ekkor magas, kialakul a TC kimeneten az 1-s szint. Negálás után az ÉS kapun VAGY-olódva kialakítja az NLOAD jelet. NRES ekkor 1-s szintű, az INP A, B pedig alacsony, tehát a 4 érték töltődik be. A betöltődés után az ENG0 jel, vagyis az Ep bemenet még alacsonyban van, tehát a következő órajelre a számláló nem léphet. Az ENG0 1 szintjét követően a számláló az 5 értékre lép. Ekkor az ENG1 jel lesz 0 értékű. Mivel az engedélyezés a külső dekódolásban nem szerepel, megtörténik a 7 betöltése, majd az előbbi esettel azonos módon egy óraütemig a számláló várakozik, vagyis megőrzi az állapotát. Ezután még a normál 8,ra, illetve 9-re lépést mutatjuk be. Az Sz&a.21. ábrán lévő engedélyezőjel kombinációnál csak a lényeges eltéréseket hangsúlyoznánk ki. Az NRES jel 1-be menését követően az ENG0 jel még 2 órajelnyi ideig 0. Így a betöltési 3-s érték eddig megőrződik. Az ENG1 jel most a számláló maximális értékre lépésekor megy egy órajel időre, 0-ra. Ennek következtében nem alakulhat ki a TC 1 értéke, és a számláló egy óraütemig várakozik. Az ENG1 jel 0 állapota és a maximális érték kialakulása egymáshoz képest csúszhat, így itt kialakulhat egy funkcionális hazárd, amit az idődiagramon bejelöltünk. Az ENG1 1-be menésekor alakul ki a TC jel, és ebből a betöltést végző NLOAD jel. Innen a számláló az előzőleg látott módon lép tovább.

Sz&a. 1.2. 18/42


2002-04-15 2004-05-26

Sz&a.1.2.6. Indított időzítés (monoflop) kialakítása szinkron számlánccal. A gyakorlatban időnként szükségünk van, adott jel megjelenésétől egy meghatározott ideig tartó kimenőjel, előállítására. Erre a célra használható az Sz&a.22. ábrán bemutatott áramkör, az úgynevezett szinkron monoflop. Működése az idődiagram alapján követhető. Sz&a.23. ábra. Az NKI, illetve a KI jelben funkcionális hazárd, csak akkor alakulhat ki, ha maga a számlánc ezzel a problémával rendelkezik. Tehát az elavuló bipoláris sorozatoknál. Az Sz&a.23. ábra ezt az esetet mutatja be. A korszerű CMOS sorozatoknál nem kell számolni ezzel a hibajelenséggel. KI

EP ÓRA

ET CK CLR

QA QB QC QD Tc

74.161 vagy 163

a

b

c

d

NKI

LOAD NSTART NRES

R18

Sz&a.22. ábra Szinkron monoflop kapcsolási rajza. CLK

NRES NSTART QA QB QC QD KI

Sz&a.23. ábra Szinkron monoflop működési idődiagramja. (Ha szükségét érzi, ceruzával húzza be az órajel hatásos – felfutó – éleit! )

Sz&a.1.2. 19/42


2002-04-15 2004-05-26

Sz&a.2. Aszinkron számlálók és használatuk Sz&a.2.1. Aszinkron számlálók felépítése A legegyszerűbb és legrégebben használatos számlálók aszinkron felépítésűek. Az előző fokozat (bit) kimenete szolgál a következő fokozat órajeleként. Alapjaiban frekvenciaosztási célokra, vagy egyszerű számlálási célra, (ahol a számlálás befejezése után, elegendő idő áll rendelkezésre a kijelzőbe való átírásra) szolgálnak. Néhány típus ÉS kapus törlő bemenettel rendelkezik. Egyeseknél, pl. a 74HC90 (BCD számláló), mód van külön bemenet vezérlésével a végérték beírására is. A kezdő érték beírását is lehetővé tevő típus (Load funkció) nem terjedt, el. A szokásos típusok BCD; duodecimális (12-es, egyes időmérőkhöz - kihalóban) és bináris számrendszerben működnek. Általános jellemzőjük volt, hogy az egy tokban lévő számláló két részből épült fel. Egy egybites billenőkörből és egy 3 bites számlálóból. Az egy bites rész billentési frekvenciájának a felső határa 2-szerese a 3 bites részének. Az újabb sorozatokban már az egy tokban 2 számlálót tartalmazó változatok az elterjedtek és csak a BCD számlálónál (HC390) van két részre választás. Részleteket lásd a katalógusban. A bináris változatot (74HC393) az Sz&a.24. ábrán, a decimális változatot az Sz&a.25. ábrán mutatjuk be. Az aszinkron számlálók kimeneteiből kidekódolt érték előállításánál a működés jellege miatt (a nagyobb helyiérték a kisebb stabil beállása – egyértelműen 0-ba billenése után áll be) nem keletkezhet funkcionális hazárd. Viszont hosszabb számláncoknál a terjedési idő halmozódása miatt előfordulhat, hogy a számlánc aktuális értéke nem meghatározható. A gyors, kisebb helyiértékű bitek akár a következő számértéknél (sőt előrébb) járnak, miközben a nagy helyiértékek még az előző órajelből hozzájuk jutó hatás feldolgozásával (saját billenésükkel) vannak elfoglalva. Természetesen, ha nagyon szükséges, a bemenő óra ciklusidejének a megnövelésével és az órajelnek, mint mintavevő jelnek a kikapuzott állapotokhoz való hozzá ÉS-elésével ez a probléma megszüntethető, de ezzel a használatos ciklus idő annyira megnőhet, hogy az ilyen kialakítással többnyire nem érdemes foglalkozni. Egyszóval az aszinkron számlálók alapvetően frekvenciaosztásra, illetve számérték leszámolására valók, akkor, ha a mérés befejezése után bőven van idő a kijelzőbe való átírásra. Különböző összetett aszinkron számlálókra a 74HC4000-s sorozatban találunk sok megvalósítást.

Sz&a. 1.2. 20/42


1CLR 1A

(2) (1)

CTRDIV16 0 CT=0

+

(3) (4) (5)

CT

(6)

3

2CLR 2A

(12) (13)

CT=0 +

(11)

0

(10)

CT

(9) (8)

3

CLR CLK

R

1QA 1QB 1QC 1QD 2QA 2QB 2QC 2QD

QA

T

R

QB

T

R

QC

T

R T

2002-04-15 2004-05-26

QD

OUTPUT

COUNT

QD

QC

QB

QA

0

L

L

L

L

1

L

L

L

H

2

L

L

H

L

3

L

L

H

H

4

L

H

L

L

5

L

H

L

H

6

L

H

H

L

7

L

H

H

H

8

H

L

L

L

9

H

L

L

H

10

H

L

H

L

11

H

L

H

H

12

H

H

L

L

13

H

H

L

H

14

H

H

H

L

15

H

H

H

H

Sz&a.24. ábra 4 bites bináris aszinkron számláló (74393) jelképi jelölése, logikai rajza és a működés igazságtáblája.

Sz&a.1.2. 21/42


1CLR

1CKA

1CKB

(2)

(11)

(4)

CTR

CT=0

+

(3)

DIV2

DIV5

+

2CLR

1QA

(15)

CTR

CT=0

+

(5) 0

CT

1QB (6) 1QC (7)

2

2CKB

(12)

1QD

CLR

DIV5

+

(13)

DIV2

2QA (11) 0

CT

(10) (9)

2

R

CKA

CKB

2CKA

(14)

2002-04-15 2004-05-26

2QB 2QC 2QD

QA

T

CLK

R

QB

T

R

QC

T

R

QD

T

Sz&a.25. ábra Decimális aszinkron számláló (74HC390) funkcionális szimbóluma, és egy áramkörének logikai rajza

Sz&a. 1.2. 22/42


count 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

QD L L L L L L L L H H

Output QC QB L L L L H H H H L L

L L H H L L H H L L

QA

count

L H L H L H L H L H

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

QA L L L L L H H H H H

2002-04-15 2004-05-26

Output QD QC L L L L H L L L L H

L L H H L L L H H L

QB L H L H L L H L H L

Sz&a.3. táblázat. Az aszinkron decimális számláló lehetséges kétfajta bekötésének működési táblázata

Sz&a.2.2. Előosztó (Pre-Scaller) áramkörök Az aszinkron számlálók különleges fajtája az úgynevezett Pre-Scaller (előosztó) mely a 16-od (256-od) vagy 10-edére (100-ára) leosztott jelet adja csak ki a kimenetén. Mivel a közbülső állapotok kivezetése nem szükséges, ezek a számlálók a leggyorsabbak. Az ECL sorozatban létezik már több 10 GHz bemenő frekvenciáról működő típus is. Jellegzetes felhasználásuk frekvencia mérők bemeneti fokozata. A téma iránt érdeklődőknek ajánlom még, a frekvencia szintézer előosztók tanulmányozását is.

Sz&a.2.3. Visszacsatolt aszinkron számlálókkal megvalósított kapcsolások és kritikai elemzésük A régebbi kiadású folyóiratok és könyvek nagyon sok kapcsolást közöltek az aszinkron számlálókból, törlés felhasználásával kialakított rövidebb számlálási hosszak megvalósítására. Ezen kapcsolások zöme, azonban az aszinkron működési feltétel megsértése miatt, nem ad minden példánynál megbízható (garantált) működést. A mindig jelenlévő zavarjelek egy ilyen bizonytalan kapcsolásnál a működést könnyen kedvezőtlen irányba befolyásolhatják. A kapcsolás a működését korrekté tevő elemek beiktatásával kiegészíthető, és garantált működésűvé tehető, de ekkor már tokban számolva több alkatrészt igényel, mint a gond nélkül felhasználható szinkron számláló. A fogyasztási különbség a CMOS verzióknál elenyésző, így a visszacsatolt aszinkron számláló alkalmazása KERÜLENDÔ. Visszacsatolást nem kívánó esetben viszont egyes helyeken alkalmazása előnyös is lehet. A visszacsatolt aszinkron számlálóra egy egyszerű példát mutatunk be az Sz&a.26. ábrán. A feladat 12-s osztás előállítása bináris aszinkron számláló felhasználásával. Fontos: A bekötésnek megfelelően most QB a legkisebb, és QA a legnagyobb helyiérték. Látható, hogy a visszacsatolandó állapot a 12-es, a szinkron számlálóknál megszokott 11 helyett, ugyanis az aszinkron törlés miatt egy órajel cikluson belül két értéket, a kidekódolandó értéket és a törlésből adódó 0 értéket veszi fel a számláló. A törlőjel ideje nem azonosan meghatározott minden működő példány esetére. Ezt az Sz&a.30. ábrán, illetve a

Sz&a.1.2. 23/42


QB QC QD

2002-04-15 2004-05-26

QA

KODC

QB QC QD aszinkron (7493)

CLK

QA

T R

R

TORL

OR

RES

Sz&a.26. ábra Visszacsatolt aszinkron számláló direkt visszacsatolás kinagyításán az Sz&a.31. ábrán (27 oldal) mutatjuk be. Látható, hogy a törlőjel még nem is érte el a maximális szintjét, amikor a hatására kialakuló törlés következtében megszűnnek az őt létrehozó jelek. Először is az utoljára kialakult bit, hiszen ennek még nem is volt ideje teljesen stabil H szintet kialakítania, mikor már elindult a törlése. A korábban kialakult jelek egy stabilan beállt értékről indulnak az L szint felé. A két nem teljesen azonos állapotban lévő flip-flop törlési időszükséglete nem teljesen azonos, és kedvezőtlen esetben előfordulhat, hogy a stabil állapotban volt flip-flop nem törlődik a rendelkezésre álló rövid törlőjel alatt, hanem visszabillen eredeti magas szintjére, illetve megmarad egy közepes szinten, egy Metastabil állapotban. Ez súlyos működési bizonytalansághoz vezethet. A nagyon rövid idejű törlőjel még azonos tokban lévő flip-flopok esetén is – ahol pedig az egyes elemek sebessége a lehető legnagyobb mértékben egyforma – a különböző működési állapotban lévő biteknél eltérő hatást válthat ki. Az utoljára beálló bit – példánkban ez a QD – még tulajdonképpen nincs stabil 1-s állapotban, amikor megérkezik a törlőjel. A nem teljesen kialakult bit törlése gyorsan lezajlik, miközben a régóta stabil állapotból indult QA bit törlése még csak folyamatban van. Amennyiben a törlőjel túlságosan gyorsan megszűnik (ideje nem éri el az elem működéséhez előirt minimális értéket) a QA bit nem tud törlődni, és a számláló a 0 helyett a 8h értékre kerül. Nézzük a garantált működés kialakításának a lehetőségeit. Sz&a.2.3.1. Visszacsatolt aszinkron számláló garantált törlési idejének kialakítása késleltető elem használatával. A probléma a fundamentál módú működés megsértéséből és ennek következtében a nem garantált hosszúságú törlőjelből adódik. A Sz&a.31. ábrán időben kinagyítottuk a törlőjel kialakulását. Látható, hogy a kialakulás utáni hossza a felhasznált kapu elemek késleltetési tulajdonságaitól függ, és példányonként nagymértékben változik. Az egyik lehetőség, hogy garantált, a minimálisan megkívántnál hosszabb törlési időt hozunk létre. Időzítésre legegyszerűbben RC elem használható. A megoldás logikai rajzát az Sz&a.27. és az Sz&a.28. ábrákon mutatjuk be. A kapcsolás működése: a kialakuló kikódolt érték (KODC jel) a VAGY kapun (OR jel) keresztül az inverterre jut, negálódik és a diódán keresztül gyorsan alacsonyba viszi, a kondenzátor feszültségét. A Schmitt-triggeres inverter ezt érzékeli és az inverter

Sz&a. 1.2. 24/42


2002-04-15 2004-05-26

kijáratán megjelenő TORL jel törli a számlálót. Tulajdonképpen már eddig is javítottunk a működésen, mert a két inverter és a kondenzátor kisülési ideje miatt több idő telik el a QD QB QC QD

QA

KODC

QB QC QD aszinkron (7493)

CLK

QA R

TORL

T R

OR

t

RES

Sz&a.27. ábra Visszacsatolt aszinkron számláló korrekt törlésének kialakítása késleltetés felhasználásával

Sz&a.28. ábra visszacsatolt aszinkron számláló késleltető elemének kialakítása stabilizálódásához, mint az eredeti kapcsolás esetén. (Amennyiben ezen idő alatt a QD teljesen stabil lesz, teljesült a fundamentál módú működés feltétele. Az előző bemenőjel változására bekövetkező kimenet változás befejeződött, mielőtt elkezdődne a következő bemenőjel változás.) A TORL jelre bekövetkező 0-ba billenések hatására megszűnik a KOD jel. A késleltető (∆t) tag első inverterének kimenete magasba megy, és mivel most a dióda záróirányba van előfeszítve, az ellenálláson keresztül töltődő kondenzátoron a Schmitt-trigger érzékeli a magas szintet, ami kRC idő múlva következik be, a kijáratán megszűnik a TORL jel, a számláló az óra bemenetéről léptethető. A garantáltan biztosított időt az RC tag méretezésével lehet beállítani. A k tényező az érzékelési küszöbtől függ. A teljes törlési idő természetesen ennél mindig hosszabb lesz. A tényleges értéke az alkatrészek ismeretében is csak két szélső értékével határozható meg.

Sz&a.1.2. 25/42


2002-04-15 2004-05-26

Sz&a.2.3.2. Visszacsatolt Aszinkron számláló garantált törlési idejének kialakítása tároló elem használatával. -

A kapcsolás megbízható működése előállítható a törlő ágba elhelyezett tároló használatával is. Lásd a Sz&a.29. ábrát. Itt a tároló egy új állapotot, a törlés állapotot valósít meg, ezzel teljesül a fundamentál módú működés feltétele. A tároló visszabillentését az órajel magas szintje végzi, így a garantált működés az órajel időbeli méretezésével, minden megépített példányra biztosítható. Megjegyzés: Amennyiben az itt bemutatott aszinkron R-S tárolós megoldás helyett óra él vezérelt tárolót használunk, és a tároló visszabillentése a számláló működésével azonos élre történik, akkor két teljes óraciklusra 0 állapotban marad a számláló. Ellentétes élre működéskor, példánkban felfutó él vezérelt D tár alkalmazása esetén – aminek a törlésbe billentését az aszinkron bemenetén vezéreljük - az aszinkron tárolós megoldáshoz hasonló eredményt érünk el.

-

A törlési feltételt biztosító tároló visszabillenthető a számláló 0 állapotának kidekódolásával előállított törlő jellel is. Ennek megrajzolását és végiggondolását az olvasóra bízzuk. Felhívjuk a figyelmet, hogy előzetesen aprólékosan gondolja végig az aszinkron számláló egyes bitjeinek lépési sorozatát. Lásd a táblázatot! Bináris érték 0000 0001 0000 0010 0011 0010 0000 0100 0101 0100

Hexa érték

Állapot szám 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 Átmeneti 0 2 3 Átmeneti 2 Átmeneti 0 4 5 Átmeneti 4

QB QC QD

Bináris érték 0110 0111 0110 0100 0000 1000 1001 1000 1010 1011

Hexa érték 6 7 Átmeneti 6 Átmeneti 4 Átmeneti 0 8 9 Átmeneti 8 A B

Állapot szám 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Bináris érték 1010 1000 1100 1101 1100 1110 1111 1110 1100 1000 0000

Hexa érték Átmeneti A Átmeneti 8 C D Átmeneti C E F Átmeneti E Átmeneti C Átmeneti 8 0

Állapot szám 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 1

QA

KODC RES CLK QB QC QD aszinkron (7493)

CLK

QA R

T R

TORL

OR

X2

X1 RES

Sz&a.29. ábra Visszacsatolt aszinkron számláló visszacsatolásának korrekté tétele, a fundamentál módú működést biztosító tároló elem felhasználásával.

Sz&a. 1.2. 26/42


2002-04-15 2004-05-26

CLK

RES QB QC QD QA KODC OR(X2) INV (X1) RC (OR) TORL

Kinagyítás

Sz&a.30. ábra Visszacsatolt aszinkron számláló időbeli működése. A kinagyítás, vagyis a visszacsatolás részletes időbelisége, az egyes megoldásokra részletezve az Sz&a.31. ábrán látható Kinagyítások: Tároló elem használata

Késleltetõ tag használata

Direkt visszacsatolás CLK QB QC QD QA KODC

X2

OR

INV

X1

RC

OR

TORL

Bizonytalan

t

Mér

Sz&a.31. ábra Visszacsatolt aszinkron számláló visszacsatolásból kialakuló törlési idejének kinagyításai. A kinagyítások jól érzékeltetik az egyes megoldások közti eltéréseket. FONTOS MEGJEGYZÉS: Az összes számláló áramfelvétele meglehetősen dinamikus, így különösen a nagyobb sebességű sorozatokból felépítettek mellett, a tokonkénti tápfeszültség szűrő (a tápláló) kondenzátor használata feltétlen szükséges.

Sz&a.1.2. 27/42


2002-04-15 2004-05-26

Sz&a.3. Szinkron előre és hátra számlálók Sok feladatnál szükségünk lehet, hogy ugyanazon számlálónál - vezérlő jel(ek) függvényében - tudjunk (előre) felfelé, vagy (hátra) lefelé számlálást megvalósítani. A kétirányú számlálók alapvetően kétféle felépítéssel kaphatók: 1. Az eddig bemutatott, teljesen szinkron működésű számláló, irányjel alkalmazásával kétirányúvá történő kiterjesztésével. Pl. 74HC168 BCD, 74HC169 bináris előrehátraszámláló. A számlálók teljesen szinkronműködésűek, két engedélyező jellel, betöltéssel (Mindegyik L-ben hatásos) és irányjellel, mint bemenettel valamint L szint aktív TCO = Terminal Count Output-al rendelkeznek. Tulajdonképpen a 160-as számláló család kétirányú számlálásra alkalmassá tett tagjai. Számláncokban az irány jel közös kell, hogy legyen az összes összetartozó számláló bemenetén, egyebekben alkalmazása megegyezik az eddig bemutatottakkal. Hátra számlálás és visszacsatolás esetén az értékek helyes sorrendjére természetesen figyelni kell. Részletesen lásd a katalógusban. 2. Az előre hátra számlálók jellegzetes családja az úgynevezett Ripple-Counter. Ez egy olyan számláló család, ahol az irányfüggő szélső érték kimenet, az órajellel össze van kapuzva. Az így kialakított kimenőjel, egy hazárdmentes, korrekt felhasználást lehetővé tevő vezérlő, illetve egyes felhasználásokban “órajel” Ezért sok helyen előszeretettel használják ezeket a számláló típusokat. A forgalomban lévő típusok mind aszinkron betöltésűek. (Ha jól végig gondoljuk az alább bemutatott altípusokat, látni fogjuk, hogy egyes megoldásaiknál csak ez jöhet szóba.) Az aszinkron betöltés miatt, a helyes működés érdekében fokozottan ügyelni kell a betöltő jel és az órajel időben helyes kezelésére, Vagyis a kivárási idők (Recovery time) betartására. Sz&a.3.1. Szélsőértéknél órajellel kapuzott (Ripple-Carry) számlálók Ez a számláló család - belső felépítésében - számlálásra szinkron működésű, betöltésük aszinkron megoldású. Láncba kapcsolásuk, mint szinkron, mint aszinkron módón megoldható Két fő típusuk van használatban: 1. Irányjel szabja meg a számlálási (léptetési) irányt és egyetlen óra bemenet van. Ez esetben a TC (Terminal Count Output, vagy Max/Min) engedélyező jelet nem tartalmazó szélsőérték kimenet értelmezése az irány jeltől függ. Az irányjel váltása az óra élhez (szinthez) képest megadott módon kell, hogy megtörténjen, ellenkező esetben akár ellenirányú léptetés is történhet. A bejövő alacsonyszintű óra és TC, valamint az engedélyező jel ÉSNEM kapcsolata szolgáltat egy a további felhasználásban órajelnek, vagy engedélyező jelnek használható kimenetet. A számlálók láncba, közös irányjel mellett, szinkron, és aszinkron módon is köthetők. 2. Irányjel nincs. Helyette, és a közös óra helyett, két irányfüggő - fel (Up) és le (Down) órabemenet és két, a megfelelő órával kapuzott felül (Carry), illetve alul (Borrow) csordulás kimenete van. A két órajel, meghatározott feltételekkel - az engedélyezés magas szintnél történik - egymás engedélyező jeleként is működik. A számlálók láncba, külső kiegészítő kapukkal szinkron, vagy kiegészítés nélkül csak aszinkron módon köthetők. Néhány példa: 74HC190, 74HC191 4 bites előre/hátra számláló irányfüggő szélsőérték jelző kimenettel, és a szélsőértéknél engedélyező jellel kikapuzott óra kimenettel, aszinkron párhuzamos beírással. A számláló logikai felépítését és vezérlését az Sz&a.32. ábrán mutatjuk be. (Ennél a típusnál is,

Sz&a. 1.2. 28/42


2002-04-15 2004-05-26

mint sok más integrált áramkörnél a tényleges megvalósítás eltérhet a megadott rajztól, ezért a helye működés érdekében, a működésre megadott megkötések feltétlen betartandók! Ezenkívül, a különböző technológiai sorba tartozó áramkörök, alkalmasint belső megvalósításukban eltérőek lehetnek.) A számlálóba beépített, a

szélsőértékkel és az engedélyező jellel kapuzott, órajel kimenet felhasználása, több fajta összekapcsolási módot tesz lehetővé (Egyúttal jó példa az órajel kapuzás kifogástalan megoldására). P0

CP U/D

RC

TC

CE

P1

P2

P3

PL

J CLOCK K

J CLOCK K

J CLOCK K

J CLOCK K

PRESET CLEAR

PRESET CLEAR

PRESET CLEAR

PRESET CLEAR

Q

Q

Q

Q

Q

Q0

Q

Q1

Q

Q2

Q

Q3

Sz&a.32. ábra. Órajel kimenetet adó (Ripple Carry) Bináris szinkron előre hátra számláló (74HC191) logikai felépítése. A rövidítések jelentése: U/D

CE CP PL TC RC

Iránykijelölő jel felfelé (L szint) = UP Lefelé (H szint) = DOWN Számlálás engedélyezése (L szint) Órajel bemenet (felfutó él) Aszinkron párhuzamos beírást vezérlő jel (L szint) Számláló végállás kimenete (H szint) Tovaterjedő órakimenet (L szint)

UP/DOWN Count Enable Clock Pulse Paralel Load Terminal Count Output Ripple Clock

Sz&a.1.2. 29/42


2002-04-15 2004-05-26

Üzemmódok táblázata: Bemenetek PL

CE

H H L H

L L X H

Üzemmód

U

D

L H X X

CP ↑ ↑ X X

Felfele számlálás Lefele számlálás Aszinkron betöltés Nincs változás (hold)

RC Kimenet igazságtáblázata Bemenetek TC* CP CE L H H X X X L X

Kimenet

RC H H

* TC = belsőleg előállított jel

Direction control

ENABLE CLOCK

U/D CE CP

RC

U/D CE CP

RC

U/D CE CP

RC

Sz&a.33. ábra. Többfokozatú számláló kialakítása sorba kötött (aszinkron) órával. Direction control

ENABLE

U/D CE CP

RC

U/D CE CP

RC

U/D CE CP

RC

CLOCK

Sz&a.34. Többfokozatú számláló kialakítása közös órajel és soros átvitel terjedés használatával.

Sz&a. 1.2. 30/42


2002-04-15 2004-05-26

Direction control ENABLE U/D CE CP

U/D CE CP

TC

U/D CE CP

TC

TC

CLOCK

Sz&a.35. Többfokozatú számláló kialakítása közös órajel és párhuzamos átvitel terjedés használatával. (Példa a teljesen párhuzamos átvitelre) A 3 különböző kapcsolás értékelése: Az Sz&a.33. ábra a számlálási sorban első számlálója a felhasznált típusra megengedett maximális sebességgel működhet. A következő, a típustól függően már ritkábban (10, 16 óra ütemenként) kell, hogy billenjen - ennek megfelelően akár lassúbb típusú is lehet - és így tovább. Az egyes számlálók billenési idői, az órajel kapuzása miatt, fokozatról fokozatra LOAD

DATA INPUTS

A B C D

CLK D/U CTEN QA QB QC QD MAX/MIN RCO 13

14

15

0

COUNT UP

1

2

2 INHIBIT

2

1

0

15

14

13

COUNT DOWN

LOAD

Sz&a.36. ábra 74HC191 számláló működésének idődiagramja

Sz&a.1.2. 31/42


2002-04-15 2004-05-26

csúsznak. Az önmagában szinkron számláló - az összekötési mód miatt -, így a fokozatok között aszinkron számlálóvá válik. A számlánc kimenete, az utolsó fokozat RC jele, egy flipflop órajeleként használható. Ez a kapcsolás olyan felhasználásban célszerű, ahol egy számlálási ciklus alatt a Q kimenetek pillanatnyi állapotára nincs szükségünk. Tulajdonképpen beállított érték leszámolását, gyakran időmérő számlálást végez. Példaként lásd a Kettős integráló típusú Analóg-Digitális átalakító felépítését. Amennyiben a számlálás megállítása után szükséges a számláló értékének ismerete - ekkor természetesen nem végértékig működött a számláló - úgy a számláló leállítását követően elegendő időt kell hagyni - a felhasználás céljára történő kiolvasás előtt - az utolsó (legnagyobb helyiértékű) számlánc stabilizálódására. - Az Sz&a.34. ábra szinkron számlálóját a fokozatok számának növekedésével a sorosan terjedő átvitel miatt egyre kisebb frekvenciájú órajel (Növekvő periódus idő) mellett tudjuk használni, (mint, más soros átvitelű szinkron számlálót) viszont az összes bit egy időben billen. A legnagyobb helyi értékű kimenet órajelként, és szinkron, vezérlő jelként is használható. Az Sz&a.35. ábrán lévő kapcsolás, a párhuzamos átvitel miatt, a fokozatok számától függetlenül azonos, de az egyetlen számlálóhoz (és az Sz&a.35. ábra megoldásához) képest csökkent sebességű működésre képes. Például F sorozat esetén ez az 1 számlálónál megengedhető frekvencia harmada. Természetesen az összes kimeneti bit egy időben billen. A számlánc TC (Max/Min) kimenete a 160-as családéhoz hasonlóan csak szinkron hálózatokhoz, vezérlőjelként használható, órajelnek nem. Sz&a.3.2. Irányfüggő órával vezérelt számláncok (74HC192; 74HC193) A számláló felépítésének a blokkvázlatát a Sz&a.37. ábrán, a működés idődiagramját a Sz&a.38. ábrán mutatjuk be. Két órajellel léptetet előre/hátra számláló jeleinek táblázata:

Jel név Funkció UP

Felfelé számláló óra bemenet (felfutó él)

Count Up Clock

Input

DOWN

Lefelé számláló óra bemenet (felfutó él)

Count Down Clock

Input

CLR

Aszinkron törlés (H szint)

Asyncronus Master Reset

Input

A–D

Párhuzamos adat bemenet

Parallel Data Inputs

Input

QA – QD

Flip-flop kimenet

Flip-Flop Outputs

Output

LOAD

Aszinkron párhuzamos beíró jel (L szint)

Asyncronus Paralel Load

Input

CO

Előre számlálás végérték kimenet (L szint)

Terminal Count Up (Carry)

Output

BO

Hátra számláló végérték kimenet (L szint)

Terminal Count Down (Borrow) Output

Sz&a. 1.2. 32/42


2002-04-15 2004-05-26

Két órajellel léptetett, kétirányú számláló vezérlési (üzemmód) táblázata CLR H L L L L

LOAD X L H H H

UP X X H ↑ H

DOWN X X H H ↑

Üzemmód Törlés (Aszinkron) Beírás (Aszinkron) Nincs változás Előre számlálás Hátra számlálás (12)

CO (13)

BO

(14) CLR (5) UP DOWN

LOAD

(4)

S

(11) R

A

(15)

(3)

S C1

QA

1D R

B

(1) (2)

S C1

QB

1D R

(10)

(6)

S

C

C1

QC

1D R

D

(9) (7)

S C1

QD

1D R

Sz&a.37. ábra Két órabemenetes Előre/hátra számláló (74HC193) felépítése és vezérlése

Sz&a.1.2. 33/42


2002-04-15 2004-05-26

CLR LOAD

DATA

A B C D UP DOWN

OUTPUTS

QA QB QC QD CO BO SEQUENCE ILLUSTRATED

0

13

14

15

0

1

COUNT UP CLEAR

2

1

0

15

14

13

COUNT DOWN

PRESET

Sz&a.38. ábra Két órajellel vezérelt előre/hátra számláló (74HC193) működését bemutató idődiagram Sz&a.3.2.1. Két órabemenetű számláló láncba kapcsolása. A két kimenő túlcsordulás jelet a láncban következő számláló megfelelő órabemenetére kötve a feladatunkban megkívánt hosszúságú számlálót tudjuk kialakítani. A kapcsolás vázlatát az Sz&a.39. ábrán mutatjuk be. A két órajel bemenetű számlálónál az órajel bemenetek magas (H) szintjei a másik irány engedélyező jeleként is szerepelnek. Ennek megfelelően, ha valamely bemenet alacsony (L) szintű, és közben a másik bemeneten órajel (egy alacsony szintből felfutó él) alakul ki, az nem léptetheti a számlálót. Az engedélyező jelként használatos bemenet magas szintbe váltása, és a szükséges előkészítési idő kivárása után, az óra él aktivizálható.

Sz&a. 1.2. 34/42


ELÕRE HÁTRA

UP DOWN

CARRY BORROW

2002-04-15 2004-05-26

UP

CO

DOWN

BO

Sz&a.39. ábra Két órajeles számláló láncba kötésének kialakítása

Sz&a.3.3. Ripple-Carry számláló kimenőjelének visszacsatolása az aszinkron bemenetre A Ripple-Carry számlálók az aszinkron LOAD vezérlés miatt, alapvetően külsőleg beírt alapállapotból való számlálásra készülnek, de (sajnos2) gyakran lehet találkozni visszacsatolt üzemmódban való használatukkal is. Az órával kapuzott kimenetű számlálóknál - mivel a kimenet hazárdmentes - gyakran találkozni a kimenet betöltő jelként való közvetlen felhasználásának az ötletével. Ez azonban hibás működéshez vezet. A jelenség ugyanaz, akármelyik kijáratát használjuk. a 74.193-as számlálónak, vagy a 79.191-nél az RC kimenet használata esetén. A hiba oka: A vázolt megoldás esetén a betöltő jel kialakítása nem képvisel önálló állapotot, és ezzel megsérti az aszinkron működés feltételét - a bemenőjel nem változhat a kimenet teljes beállásáig (stabilizálódásáig). Itt pedig a kimenetben bekövetkező változás - a betöltés hatására megszűnik a kimeneti jel - megszünteti a bemeneti vezérlő NLOAD jelet. A helyzet különösen akkor veszélyes, ha a sorba kötött számlálók sebessége jelentősen eltér (Ez azonos technológiájú sornál a gyártási szórás miatt is könnyedén előfordul), és a sor végén lévő a gyorsabb. Ennek betöltése azonnal megszünteti a túlcsordulási, most beíró jelet akkor, amikor annak hossza még nem volt elég a többi számláló biztonságos beírásához. Ilyen megoldás mellett az alapesetben kifogástalan kimenőjel, most természetesen egyéb célra sem használható megbízhatóan. Az aszinkron áramköröknél bemutatott megoldások felhasználásával a visszacsatolásunkat megbízhatóvá tehetjük, néhány megjegyzésünket azonban figyelembe kell venni: - Az eddig, az órajel alacsony szintjének idejével megegyező hosszúságú kimenőjelünk hossza lecsökken. Ha a visszacsatoláson kívül más célra is fel kívánjuk használni, a minimálisan megfelelő jelhosszról külön is kell gondoskodni (Minimum a tervezéskor az itt fellépő igényt figyelembe venni) - Impulzus hosszabbító kapcsolás esetén az impulzusnak garantáltan be kell fejeződnie a következő órajel él előtt. (mert különben egy ütemmel meghosszabbodik a visszacsatolt lánc lépésszáma) - Tárolós megoldás esetén mindenképpen egy óraütemmel meghosszabbodik a számláló állapotainak száma. - Ajánlható megoldás: A Ripple Carry kimenet felfutó élével írjuk be a visszacsatoló Flipflopot, és a Flip-flop kimenetét az órajel alacsony szintjével ÉS kapcsolatba hozva alakítjuk ki a törlő jelét. Ebben a megoldásban egy óraütem hosszú a visszacsatoláskor betöltött állapot ideje Az előzőekben leírt megoldások és a működés részletes idődiagramjának a felrajzolását az olvasóra bízzuk. Végrehajtása erősen ajánlható, nehogy a visszakérdezéskor meglepetések érjék. 2

A szerző megjegyzése

Sz&a.1.2. 35/42


2002-04-15 2004-05-26

Sz&a.3.4. Órajel engedélyezés kifogástalan megoldásai Számláncokkal megoldandó feladatoknál gyakori igény, hogy az alap órajelből megadott darabszámú órajelet tartalmazó úgynevezett “impulzus sorozatot” állítsunk elő. Az órajel kapuzása, a működést megzavaró hazárd tüskék kialakulásának lehetősége miatt odafigyelést igénylő feladat. A kapuzásnál az alapelv, hogy az engedélyező Flip-flop váltása az órajel alapállapota mellett következzen be. Ennek megvalósítására két példát mutatunk be. Az Sz&a.40. ábrán a kimenő órajel alapszintje L, és a bejövő órajel ezen szintje alatt változtatjuk az engedélyező jelet. Az Sz&a.41. ábrán a kimenőjel alapszintje H és ennek megfelelően a bemenő órajel H szintje alatt változik az engedélyező jel. Az idődiagramok felrajzolását és az egyéb lehetséges megoldások végiggondolását az olvasóra bízzuk.

Kapuzott CLK1 Q

Q

K

J CLK

TILT

ENG

Sz&a.40.a. ábra Órajel kapuzása L alapszint esetén

Kapuzott CLK2 Q

Q

K

J CLK

TILT

ENG

Sz&a.41. ábra Órajel kapuzása H alapszint esetén

Sz&a. 1.2. 36/42

Grosz Imre: Élő Digitronika (Fejezetek a digitális elektronikából) Számlálók és alkalmazásaik Sz&a.1.2.4.N. CET CEP CS

SR PE

OE

CP

U/D

2002-04-15 2004-05-26 MR

E

Q0

CLR J

1 of 8

Q

TO OTHER STAGES

CLK K

Q

A0 CLK

CLK

CLK

CLK

CLK

CLK

CLK

U D A1

CL R E

Q1

A2

CL R E

Q2

A3

CL R E

Q3

A4

CL R E

Q4

A5

CL R E

Q5

A6

CL R E

Q6

A7

CL R E

Q7

U D

U D

U D

U D

U D

U D

TC

Sz&a.42. ábra 8 bites közösített be-kimenetű kétirányú engedélyezett szinkron számláló 74F579

Sz&a.1.2. 37/42


2002-04-15 2004-05-26

Sz&a.3.5. Sokbites számlálók A 8 bites megoldások csak kétirányú számlálásra alkalmas kivitelben kaphatók. Lábszám okokból a legtöbb típus közösített be és engedélyezett tri-state kimenettel rendelkezik. Ennek megfelelően alkalmasak sínrendszerben való használatra is, de az eddig bemutatott kapcsolások egy részének megvalósítása problémás. A nagyintegráltságú eszközök között elterjedt típusok a kifejezetten számlálásra, illetve számlálós alapú időzítésre tervezett típusok. Jellegzetes képviselőik általában 16 ritkábban 8 bitesek. Kezdő, illetve összehasonlító érték tárolására szolgáló betölthető regiszterrel vannak összeépítve. Működési üzemmódjuk programozható. Beállítható, a számlálási irány, a végértéknél való újra töltés, vagy leállítás, illetve a végértéknél való jelkiadás. Egyes típusoknál választható a használatos - Hexadecimális, vagy decimális - számrendszer is. A 8 bites, szinkron terjedő engedélyező jeles kétirányú számláló egy lehetséges megoldását az Sz&a.42. ábrán mutatjuk be. A számláló lábszám okokból közösített be-kimenetű, ennek megfelelően, van egy kimenet engedélyező jele is. Érdekessége, hogy nem csak szinkron, hanem aszinkron törlő bemenettel is rendelkezik. A kétféle törlési lehetőség előnyösen kihasználható, a számláló visszacsatolt alkalmazása során. Az aszinkron törlő MR bemenetre a bekapcsoláskor és kezelői beavatkozáskor előálló rendszertörlő jelet, míg a szinkrontörlő SR bemenetre a visszacsatolásból, vagy egyéb szinkron-vezérlésből származó nullázó jelet köthetjük.

Sz&a.4. Összefoglalás: Digitális berendezésekben gyakran használnak különböző célra számlálókat. Frekvenciaosztásra a nagyon egyszerű aszinkron számlálókat, adott ütemszám előállításához betölthető engedélyezhető szinkron számlálókat, vezérlési feladatokhoz betölthető és szinkron módon visszacsatolható számlálókat. A PLL áramkörök (frekvencia szintézerek) fontos eleme a visszacsatolt ágban szereplő számláló. A számlálók különböző típusai eltérő megoldásokat tesznek lehetővé, illetve kívánnak meg. Ebben a fejezetben ezeket, és a működésük órához kötött idődiagramjainak a szerkesztését foglaltuk össze. Az órajel kialakítás idejének a számítására, az időszámvetés digitális berendezésekben c. fejezetben még visszatérünk.

Sz&a. 1.2. 38/42


2002-04-15 2004-05-26

Sz&a.5. Ellenőrző kérdések A mintaként megadott pontszámok tájékoztatásul szolgálnak 1p = 1perc munka alapon

1. Ismertesse egy szinkron számláló vezérlő, engedélyező bemeneteinek a funkciójait! 2. 3. 4. 5.

6.

4 p. Ismertesse egy szinkron számláló vezérlő, engedélyező bemeneteinek a prioritási sorát! 4 p. Mutassa be a terjedő túlcsordulásos szinkron számlálók sorba kötésének a módját! 3 p. Mutassa be a Ripply carry típusú szinkron számlálók sorba kötésének a módjait! 5 p. Milyen gondot okozhat egy aszinkron számláló, kapun keresztül, direkt a törlő bemenetre történő visszacsatolása? Mutassa be a jelenség kiküszöbölését csak kapu áramkörök felhasználásával egy 6-os osztónak alkalmazott aszinkron számláló esetén! 3 p. Milyen egyéb megoldások használhatók még az 5 pontnál? 3 p.

Sz&a.6. Feladatok Számlálók témakörből Sz&a.6.1. Számlálók felhasználásával megoldandó feladatok: A feladatokat általában 12-15 perc alatt kell megoldani 1. Egy a 74HC16x családból felépített számláló a következő állapotokat járja végig: Resetre: 17h, 28h-ról 33h-ra, A8h-ról B6h-ra, FFh-ről 16h-ra, majd innen folyamatosan az előző sor. Valósítsa meg a számlálót a szükséges kapuáramkörök felhasználásával! Ne feledkezzen meg a számlálók típusának megadásáról sem! 2. Tervezze meg és rajzolja le HC163 számlálók felhasználásával az alábbi állapotokat bejáró számlálót! Resetre: 025h, 127h-ról 323h-ra, 624h-ról AF2h-ra, BFFh-ról D00h-ra, FFFh-ról 127h-ra, és így tovább. 3. Tervezze meg és rajzolja le HC163 számlálók felhasználásával az alábbi állapotokat bejáró számlálót! Resetre: 017h, 128h-ról 316h-ra, 542h-ról AF1h-ra, CFFh-ról E00h-ra, FFFh-ról 128h-ra, és így tovább.

Sz&a.1.2. 39/42


2002-04-15 2004-05-26

4. Szinkron bináris számláló felhasználásával alakítsa ki a következő állapotokat bejáró vezérlőt! RES → 3, 4, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F, 6, .... 5. Egy szinkron 74HC163-ból megvalósított kapcsolás a RESET jeltől kezdődően az alábbi állapotokat járja végig: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, A, B, C, D, E, és újra 0, 1, stb. Valósítsa meg a megadott állapotokat realizáló kapcsolást! - Invertert most ne használjon! 6. Az előző feladatokban leírt számlálási feladatokat valósítsa meg aszinkron betöltésű 74HC191-es számláló felhasználásával is! A korrekt működéshez milyen kiegészítő áramkörre van ekkor szükség? Rajzolja le! Sz&a.6.2. Időviszonyok vizsgálata számlálóknál. 12-15 perc a megoldási idő. A 2. és az 5. feladat csak az “Időszámvetés digitális rendszerekben” c. fejezet tanulmányozása után oldható meg. 1. Rajzolja le az Sz&a.43. ábrán látható kapcsolás idődiagramját a megadott helyre !

CLK +5V

CLR CPU CPD

CLR Q CP CD BD

7474

LOAD A

QA

B

QB

C

QC

D

QD

74192 NRES

Sz&a.43. ábra

CLK NRES QA QB QC QD QE

Sz&a. 1.2. 40/42

D

PR

Q

QE


2002-04-15 2004-05-26

2. Számítsa ki az Sz&a.43. ábrán látható kapcsolásban a megengedhető órajel minimális időadatait! 7427 1 2 13

12 74LS27

1413121115

74F163

Q QQ QR A B C DC L OE EC OC N NL A L A BCD P TK DR 3 4 5 6

1 2 U? 74LS162

7411

+5V U?A 74LS27

7 102 9 1

Ep

12

1 2 13

12

Et

13

Res

74LS27

1

CLK

U?A 74LS04 U?A

74HC32

7408

2

3 2

3

1

27404

1 74LS08

Sz&a.44. ábra

CLK Res Ep Et Qa Qb Qc Qd Load

3. Rajzolja le az Sz&a.44. ábrán látható kapcsolás idődiagramját a megadott helyre ! 4. A bemenő jelek (Res, Ep Et) változtatásával hozzon létre új feladatokat, és azokat is oldja meg!

5. Számítsa ki az Sz&a.44. ábrán látható kapcsolás működtetéséhez megengedhető órajel időadatait!

Sz&a.1.2. 41/42


2002-04-15 2004-05-26

Sz&a.7. Felhasznált irodalom 1. Németh Kálmán: Számítógépek áramkörei III. “Integrált áramkörök és rendszerek” KKVMF jegyzet Műszaki könyvkiadó 1986 2. Szerkesztette Zsom Gyula: Digitális áramkörök I-II KKMF jegyzet 3. Dr. Gál Tibor: Digitális rendszerek I.-II. 2. Változatlan kiadás BME Villamosmérnöki kari jegyzet Tankönyvkiadó Budapest 1991 4. Mikroelektronikai berendezés-orientált áramkörök tervezése Szerkesztette: Dr. Tarnay Kálmán Budapest 1984 5. High-Speed CMOS Logic Data Book Texas Instruments 1987 6. FAST Data Book Fairchild 1985

Sz&a. 1.2. 42/42

Sz&a. Számlálók és alkalmazásaik

Recommend Documents