16. Регистры и счетчики (рис. 4.15 и 4.16)

Регистры предназначаются для хранения и преобразо­вания цифрового кода. Любой регистр состоит из отдельных оди­наковых блоков, каждый из которых содержит триггер того или иного типа для хранения одного разряда информации (т. е. 1 или 0) и комбинационное устройство, служащее для управления процессом записи, считывания и преобразования информации. Триггеры в регистре могут включаться параллельно и последова­тельно.

Функциональная схема последовательного регистра (регистра сдвига) на RS-триггерах приведена на рисунке 4.14. На входы RS-триггеров подаются тактовые импульсы (ТИ), под воздействи­ем которых все триггеры переключаются в состояние 0. Если триггер T_i переключается при этом из состояния 1 в состояние 0, то на его выходе Q_i образуется перепад напряжения (сигнал пе­реноса), который поступает с задержкой времени Δt на вход S последующего триггера T_i+1 в виде единичного сигнала. Триггер T_i+1 от сигнала ТИ установился в положение 0, а от пришед­шего с запозданием единичного сигнала Q_it от Т_i он триггера он установится в положение 1.

Рис. 4.14. Схема последовательного регистра на RS –триггерах

Таким образом, при подаче ТИ на входы R (на k-м такте) ин­формация, зафиксированная в регистре, сдвинется на k+1 такте на одну позицию.

Пусть, например, регистр находился в состоянии 0000 (Q₁ = O, Q₂= 0, Q₃ = 0, Q₄ = 0) и перед первым ТИ подан сигнал х =1, тогда состояние регистра станет 1000; при подаче ТИ (С¹ = 1) информация из Т1 переписывается в Т2 и состояние ре­гистра будет 0100 и т. д. Если же перед подачей второго ТИ по­дан сигнал х = 1, то единица записывается в триггер Т1, и в ре­гистре будет зафиксирован код 1100. При действии С²=1 в регистре окажется код 0110 и т. д. Если последовательный регистр замкнуть обратной связью (выход последнего триггера подать на вход первого), получим кольцевой счетчик. Пусть в регистре-счетчике (смотри рисунок 4.14, где обратная связь показана пунктиром) в исходном состоянии записана некоторая информация: например, 1100 (Q_i = l, Q₂ = l, Q₃ = Q₄ = 0). Эта информация сдвигается вправо на один разряд при поступлении каждого ТИ на вход С; после первого ТИ в регистре будет информация ОНО, после второго – 0011, после третьего – 1001, после четвертого – 1100 и так далее.

Среди разнообразия выполненных схем более экономичными по числу элементов являются распределители, построенные на ос­нове регистров с перекрестными связями (регистры Джонсона). Регистры этого типа требуют вдвое меньшего количества триг­геров по сравнению с другими схемами (на логических элемен­тах, кольцевых регистрах).

Схемы трехфазного регистра Джонсона и на D- и JK-триггерах и диаграммы, поясняющие их работу, приведены на рисунок 4.15.

При поступлении тактовых импульсов схема принимает после­довательно шесть устойчивых состояний (таблица 4.2).

а)

б)

в)

Рисунок 4.15. Регистр Джонсона на D – триггерах (А), JKтриггерах (б) и диаграмма (в), поясняющая его работу.

Таблица 4.2.

Выход триггера	Номер такта
	1	2	3	4	5	6
Q1	0	1	1	1	0	0
Q2	0	0	1	1	1	0
Q3	0	0	0	1	1	1

Поясним работу схемы рисунка 4.15, а. При подаче первого ТИ

Q₁ = Q₂ = Q₃ = 0, . Сигнал Q₃ = l поступает на вход Q₃)-триггера 71. После второго такта сигнал 1 входа Т1 проходит на вы­ход Q₁. После третьего такта остается значение , единич­ный сигнал вновь проходит на выход Q₁ и его значение Q₁ = l со входа D-триггера T2 проходит на выход Q₂, т. е. Q₂ принимает значение 1, и т. д. При появлении сигнала 1 на выходе Q₃ с ин­версного выхода Q₃ на вход T1 поступает 0, который после оче­редного ТИ появится на выходе Q₁.

Из таблицы 4.2 и рисунка 4.15 видно, что длительность импульса на выходе каждого триггера равна π, причем этот вывод справедлив для любого числа разрядов регистра Джонсона. Сигналы с прямых и инверсных выходов трехразрядного регистра Джонсона образуют систему сдвинутых на 60° импульсов управления длительностью 180°, которые пригодны для отпирания вентилей трехфазного мостового инвертора. Для получения распределенных по каналам импульсов длительностью m π/p (где р — число триггеров регистра Джонсона, m = 1,2,3...) необходимо применение де­шифратора. На рисунке 4.13 был показан один из возможных дешифраторов. Выбор дешифратора в каждом конкретном случае определяется структурой распределителя и системой импульсов, которую необходимо выделить. Так, для получения шестиканальной системы импульсов длительностью 60° с помощью регистра Джонсона дешифратор должен выполнить следующие логичес­кие функции:

Однако, если проанализировать таблицу 4.2, можно заметить, что два возможных состояния 010 и 101 отсутствуют в работе приведенных схем. Число возможных состояний схемы 2^Р, где р — количество триггеров. При включении схемы или в резуль­тате случайного сбоя регистр может перейти в одно из так называемых избыточных состояний, поэтому в схему включают коррекцию (исключение) избыточных состояний.

Наряду с регистрами достаточно широкое применение при по­строении распределителей находят счетчики различных типов.

Счетчиком называют конечный автомат с одним инфор­мационным входом, циклически переходящий из одного состоя­ния в другое под действием входных сигналов (импульсов, пере­падов напряжения). Простейшим счетчиком является 7-триггер. При соединении нескольких триггеров, например m, получают счетчики с коэффициентом пересчета К_сч = 2^m определяющим число импульсов, которое нужно подать, чтобы счетчик вернулся в исходное состояние. Состояние счетчика определяется двоичным кодом Q, зафиксированным на триггерах счетчика (О₁, Q₂, … Q_m). Начальное состояние счетчика определяется кодом Q⁰ ( ), подаче на вход n входных импульсов счетчик переходит в состояние Qⁿ( ). Правила работы счетчика, т. е. порядок изменения числа Q при подаче каждого очередного входного сигнала Qⁿ = f(n), n - 0,1, 2, ... К_сч - 1. обычно задаются в виде таблицы или графа переключений счет­чика. В счетчиках с естественным порядком счета каждый вход­ной переключающий сигнал приводит к изменению числа Q, за­фиксированного в счетчике, на единицу. Например, в счетчике из трех триггеров по мере поступления сигналов будут фикси­роваться числа 000, 001, 010, 011, 100, 101, ПО, 111; затем цикл повторится, здесь К_сч = 2³ = 8.

а)

б)

Рисунок 4.16. Схема счетчика, синтезированного на Г-триггерах (а) и D -триггерах (б)

Схема такого счетчика, синтезированного на стандартных Т- и D -триггерах, приведена на рисунке 4.16, а, б. Правила функцио­нирования счетчика заданы в таблице переключений 4.3. Первый триггер Т-триггер — переключается от каждого входного сигнала; этот триггер вырабатывает сигнал для второго (как и каждый предыдущий для последующего) в момент перехода его из состояния 1 в состояние 0. При этом сигнал переключения 1 возникает на инверсном выходе предыдущего триггера и поступает на вход последующего триггера, вызывая его переключение, т. е. изменение его состояния на противоположное. Эти переходы показаны в таблице 4.3 стрелками. При подаче К_сч=8 входных сигналов счетчик возвращается в исходное состояние (Q = 000) и на выходе счетчика Q₃ образуется выходной сигнал (импульс, перепад напряжения).

Таблица 4.3.

Q3	Q2	Q1	n
0 0 0 0 1 1 1 1 0	0 0 1 1 0 0 1 1 0	0 1 0 1 0 1 0 1 0	0 1 2 3 4 5 6 7 8

Счетчики, которые в процессе счета принимают состояния, не соответствующие их эквивалентному представлению в двоичном коде, называются счетчиками с принудительным насчетом. На рисунке 4.17 приведены два варианта счетчика на 6 с принудительным насчетом: а — с порядком счета 000, 001, 010, 011, 100, 11i и б — с порядком счета 000, 010, 011, 100, 101, 111. В счетчиках с принудительным насчетом исключение избыточных состояний осуществляется за счет принудительной установки отдельных разрядов в состояние 1.

а) б)

Рис. 4.17. Схемы счетчиков с принудительным насчетом