Orbis pictus 21. století

Tato prezentace byla vytvořena v rámci projektu Orbis pictus 21. století

Čítačeimpulsů OB21-OP-EL-CT-JANC-M-3-005

Čítačeimpulsů • Pro všechny elektronické čítače platí, že jsou schopny sečíst počet impulsů, které přicházejí na jejich vstupy, a tento počet uložit do paměti. • Přitom je pro vlastní čítání i pro jeho výsledek nepodstatné, jak je čítač technicky realizován, pokud platí, že vyhodnocované impulsy vyhovují požadavkům čítače nebo alespoň , že jsou těmto požadavkům vhodně přizpůsobeny. • Moderní elektronické čítače pracují velice rychle, s frekvencí impulsů řádově do desítek MHz.

Čítačeimpulsů • Elektronické čítače čítají určité jevy nebo události, které předem musíme převést na napěťové impulsy. • Při tomto čítání se s každým impulsem přičítá jednička ke stávajícímu stavu. Tak je o jedničku zvýšen stávající součet, který vyjadřuje počet dosud přišlých impulsů. • Nově vzniklý součet se zapíše do paměti a obvykle se též zobrazuje.

Čítačeimpulsů • Načítat impulsy můžeme v různých číselných soustavách nebo v libovolně zvoleném kódu. • Z praktického hlediska se nejvíce používají čítače dekadické a čítače dvojkové. • Z kódů je nejvíce používán kód binární a kód BCD.

Čítačeimpulsů • Čítač se skládá z kaskády systémů, kdy každý může zpracovávat příslušný počet znaků použitý v základě číselné soustavy s níž čítač pracuje • ( např. dvojkový čítač má na každý řád soustavy jeden klopný obvod vyjadřující buď jedničku nebo nulu, desítkový čítač má na jeden řád soustavy obvod vyjadřující číslice 0 až 9 – obvykle v BCD kódu), • případně kódu v němž čítač pracuje. Čítač potom respektuje pravidla číselné soustavy, ve které pracuje.

Čítačeimpulsů • Obecně lze říci, že jakmile čítač při čítání na příslušném řádu vyčerpá příslušný počet znaků, pak poslední impuls způsobí, že se: • Příslušné řádové místo vynuluje • Vznikne současně přenos do následujícího vyššího řádového místa, tj. číslo, které je tam zaznamenáno se o jedničku zvětší

Čítačeimpulsů Obr. 1 Dělení čítačů podle různých hledisek

Čítačeimpulsů • Podle způsobu taktování dělíme čítače na: • Asynchronní - u těchto čítačů je taktovací signál odvozen vždy z výstupu předchozího stupně (čistě asynchronní) nebo z některého z předchozích stupňů. Taktovací signál v sobě nese informaci o stavu předchozích stupňů a proto mají asynchronní čítače jednodušší zapojení ve srovnání se synchronními. Díky šíření signálu přes jednotlivé stupně zapojení vznikají v obvodu časová zpoždění, a tím i nežádoucí přechody stavů.

Čítačeimpulsů • Podle způsobu taktování dělíme čítače na: • Synchronní - u těchto čítačů jsou všechny taktovací vstupy klopných obvodů připojeny na společný taktovací signál. Proto všechny obvody reagují na stejnou hranu (náběžnou nebo sestupnou) taktovacího signálu. U těchto obvodů nevznikají na výstupech nežádoucí stavy. Co do zapojení jsou synchronní čítače složitější než obvody asynchronní, jsou však ve srovnání s asynchronními signály rychlejší.

Čítačeimpulsů • Podle použitého kódu jsou nejběžnější čítače binární, které počítají vstupní impulsy v binárním kódu (např. integrovaný obvod 7493, 74193). • Kromě binárních čítačů jsou významné i čítače desítkové, které čítají v BCD kódu ( příkladem může být integrovaný obvod 7490, 74190). • Čítače mohou být konstruovány také v Grayově kódu a v dalších speciálních kódech. • Existují i čítače s různě zkráceným čítacím cyklem.

Čítačeimpulsů • Určitý typ čítače se zpravidla označuje podle hledisek na obr. 1, jako např. synchronní vratný čítač v binárním kódu, asynchronní vzestupný čítač v kódu BCD apod. • Čítače jsou sekvenční logické obvody složené z klopných obvodů a logických členů. • Přivedeme-li na klopný obvod spouštěný hranou (D, JK eventuálně RS) sled taktovacích impulsů, je na jeho výstupu za určitých podmínek impulsní průběh s poloviční frekvencí oproti vstupnímu průběhu.

Čítačeimpulsů • Pro klopný obvod D musíme zavést zpětnou vazbu z výstupu Q´ na vstup D, takže po každé aktivní hraně se změní na výstupu úroveň na opačnou. • Stejného efektu dosáhneme, když spojíme vstupy J a K klopného obvodu JK a připojíme je k logické jedničce.

Asynchronní čítače • Asynchronní čítačse obvykle realizují pomocí J-K klopných obvodů. • Na vstupech J, K je udržována hodnota 1. Čítané pulsy jsou přiváděny na hodinový vstup prvního klopného obvodu. • Klopné obvody načítají své vstupy J, K při náběžné hraně hodinového pulsu a odezvu přenesou na výstup při jeho sestupné hraně. • Pokaždé, když na jejich hodinový vstup přijde puls, klopné obvody se překlopí (změní hodnotu svého výstupu na opačnou, protože J = K=1).

Asynchronní čítače Obr.2 Asynchronní čítač

Asynchronní čítače • Hodnoty na výstupech Q0, Q1 a Q2 v závislosti na čítaných pulsech (CP) je možné zapsat do tabulky: • Poznámka: Symbol  značí sestupnou hranu příslušného hodinového pulsu. • Z tabulky je patrné, že vybraný obvod realizuje čítání modulo 8 (opakovaně od 0 do 7).

Asynchronní čítače • Na výstupech Q0, Q1 a Q2 dostáváme rovněž symetrické obdélníkové pulsy, ale jejich perioda je 2x (Q0), 4x (Q1) a 8x (Q2) větší než perioda původního čítaného pulsu (CP). • Obvod může tedy pracovat jako dělič základní frekvence f0 (frekvence původních pulsů CP) – lze odvodit f0/2 (Q0), f0/4 (Q1) a f0/8 (Q2).

Asynchronní čítače Obr. 2 Tříbitový asynchronní čítač realizovaný pomocí J-K klopných obvodů

Asynchronní čítače • Na obr. 2 je tříbitový asynchronní čítač realizovaný pomocí J-K klopných obvodů. • Čítané impulsy jsou přiváděny na hodinový vstup CP prvního klopného obvodu a výstup Q z příslušného bitu je přiveden na taktovací vstup CP následujícího klopného obvodu. • Z tohoto zapojení je zřejmé, že změna stavu z 1 do 0 předcházejícího obvodu teprve působí změnu stavu následujícího obvodu.

Asynchronní čítače • Impulsy se načítají postupně do jednotlivých bitů čítače. Na výstup každého klopného obvodu se dostane polovina impulsů přivedených na jeho vstup. • Čítač tak pracuje jako dvojkový, binární. Proto celý čítač pracuje jako čítač modulo 2n a doba odezvy na posledním stupni může být někdy moc velká.

Synchronní čítače • Aby se doba odezvy čítače na vstupní impuls snížila, byla opět poněkud modifikována topologie zapojení čítače tak, aby na klopné obvody byl přiveden vstupní impuls synchronně. • V tom případě je však třeba zabezpečit, aby měnily stav jen ty klopné obvody, u kterých je to požadováno. • Čítač se tak v době mezi impulsy “připravuje” na zpracování následného hodinového impulsu. • Příklad binárního synchronního čítače je na obrázku 3.

Synchronní čítače Obr.3 Synchronní čtyřbitový čítač realizovaný pomocí J-K klopných obvodů

Synchronní čítače • Použitím tohoto zapojení lze zhruba zdvojnásobit pracovní frekvenci čítače ve srovnání s asynchronním. • Využitím asynchronních vstupů klopných obvodů lze před započetím čítání nastavit počáteční stav čítače, tj. provést předvolbu. • Synchronní čítače mají jeden taktovací signál, připojený ke všem klopným obvodům.

Synchronní čítače • Všechny klopné obvody tak mění svůj stav najednou, s jedním zpožděním na všech výstupech, bez ohledu na počet stupňů čítače. • Synchronní čítače tak redukují časové zpoždění asynchronních čítačů a odstraňují problémy vzniku nežádoucích stavů. • K stupňový binární synchronní čítač - stejně jako asynchronní- má N stavů, kde N = 2K. K je počet stupňů čítače.

Synchronní čítače • Synchronní čítač bývá navržen podle následujícího „synchronizačního“ principu: • K-tý stupeň čítače překlápí s taktovacím pulsem, který nastane tehdy, jsou-li všechny nižší stupně v jedničce.

Synchronní čítače • Na obr.3 je znázorněn synchronní čtyřbitový čítač sestavený z JK klopných obvodů. • Čítač má 4 stupně a proto má 24 = 16 stavů, všechny stupně se taktují společným signálem. • První stupeň čítače překlápí s každou sestupnou hranou taktu. Proto musí být J=K=1 • Podle synchronizačního principu překlápí druhý stupeň pouze tehdy, je-li první stupeň v jedničce. Výstup Q1 prvního stupně je proto spojen se vstupy J a K druhého stupně

Synchronní čítače • Třetí stupeň překlápí jen tehdy, když jsou oba výstupy Q1 a Q2 v jedničce. Výstupy Q1 a Q2 jsou spojeny přes hradlo AND se vstupy J a K třetího stupně. • Stejným způsobem se zapojují budící vstupy případných následujících stupňů

Děkuji za pozornost Ing. Ladislav Jančařík

Literatura • Antošová M, Davídek V.: Číslicová technika, KOPP České Budějovice 2008 • Bernard J., Hugon J., LeCovec R.: Od logických obvodů k mikroprocesorům I, SNTL Praha 1982

Orbis pictus 21. století