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

OB21-OP-EL-CT-JANC-M-3-005 Čítače impulsů OB21-OP-EL-CT-JANC-M-3-005

Čítače impulsů 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.

Čítače impulsů 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.

Čítače impulsů 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.

Čítače impulsů 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.

Čítače impulsů 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

Obr. 1 Dělení čítačů podle různých hledisek Čítače impulsů Obr. 1 Dělení čítačů podle různých hledisek

Čítače impulsů 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.

Čítače impulsů 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.

Čítače impulsů 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.

Čítače impulsů 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.

Čítače impulsů 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 čítač se 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., Le Covec R.: Od logických obvodů k mikroprocesorům I, SNTL Praha 1982