Синхронные счетчики на регистрах сдвига

В рассмотренных схемах делителей частоты быстродействие всей схемы определяется временем распространения сигнала от входа до выхода самого старшего разряда. При этом получается, что чем больше требуемый коэффициент деления, тем больше двоичных разрядов счетчика требуется для реализации этого делителя и тем большее время требуется для распространения сигнала от входа синхронизации счетчика, до его выхода, и тем меньше будет предельная частота сигнала, подаваемого на вход этого делителя.

Можно обойти эту неприятную особенность недвоичных счетчиков. Нужно, чтобы счетчик подготавливал свое новое состояние в промежутках между тактовыми импульсами и по приходу нового импульса только записывал его.

Первая схема счетчика, построенного по данному принципу, которую мы рассмотрим — это схема кольцевого счетчика. Такой счетчик можно построить на основе сдвигового регистра. Схема кольцевого счетчика приведена на рис. 8.47.

Рис. 8.47. Схема кольцевого счетчика

Рассмотрим работу этой схемы. Пусть первоначально в счетчике записано число 00₂. После первого тактового импульса состояние счетчика станет равным 10₂, после второго — 11₂. Временные диаграммы работы этой схемы приведены на рис. 8.48.

Рис. 8.48. Временные диаграммы кольцевого синхронного счетчика

В результате анализа временных диаграмм можно определить, что коэффициент деления схемы кольцевого счетчика будет равен:

К_д = 2 × n.

В качестве преимущества схемы кольцевого счетчика можно отметить то, что ее быстродействие зависит только от времени задержки одного триггера. Это означает, что на кольцевых счетчиках можно реализовывать самые быстродействующие делители частоты.

То, что коэффициент деления пропорционален не степени количества триггеров, а только их сумме является недостатком данной схемы. Это означает, что при увеличении коэффициента деления, сложность схемы неоправданно возрастает по сравнению со схемой двоичного счетчика.

Еще одним недостатком схемы кольцевого счетчика является то, что при количестве триггеров большем трех, в результате воздействия помехи в регистр может быть записано число, содержащее несколько единиц. В результате коэффициент деления схемы изменится, а это является недопустимым. Временные диаграммы сигналов на входе и выходах 3‑разрядного кольцевого счетчика при правильной и ошибочной работе приведены на рис. 8.49.

Рис. 8.49. Временные диаграммы сигналов 3‑разрядного кольцевого синхронного счетчика при правильной (а) и ошибочной (б) работе

Для того чтобы избежать неправильной работы счетчика в этот счетчик можно ввести схему контроля правильной работы. В простейшем случае это может быть обычный логический элемент "2И‑НЕ". Этот элемент будет контролировать состояние счетчика, соответствующее единицам во всех его разрядах. Схема 2‑разрядного счетчика со схемой проверки правильности его работы приведена на рис. 8.50. В этой схеме триггеры счетчика при поступлении импульсов на тактовый вход последовательно заполняются единицами. Как только все триггеры будут заполнены единицами, на выходе логического элемента "2И‑НЕ" появится уровень логического нуля. При поступлении следующего тактового импульса этот ноль будет записан в первый триггер счетчика. В дальнейшем работа счетчика повторяется.

Рис. 8.50. Схема 2‑разрядного счетчика с проверкой правильности его работы

Временные диаграммы сигналов на выходах этого счетчика приведены на рис. 8.51.

Рис.8.51. Временные диаграммы кольцевого синхронного счетчика

В результате анализа временных диаграмм, приведенных на рис. 8.51, можно определить, что коэффициент деления схемы кольцевого счетчика будет равен:

К_д = n + 1.

Как видно временных диаграмм, приведенных на рис. 8.51, в качестве выходного сигнала можно использовать сигнал с выхода любого триггера регистра или с выхода схемы "И‑НЕ". Частота сигналов будет абсолютно идентична. Они отличаются только начальной фазой колебания. Это означает, что схему кольцевого счетчика с проверкой правильности его работы можно использовать в качестве многофазного генератора.

Еще одной особенностью рассмотренной схемы счетчика является то, что состояния счетчика описываются линейным кодом. Это означает, что при индикации состояний счетчика при помощи десятичного индикатора, в схеме не потребуется дополнительный дешифратор.