Накапливающий двоичный счетчик

801045 СОЮЗ ОЗВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН 3 А 3 К 27/24 ГОСУД АРСПО ДЕЛ ЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРЗОБРЕТЕНИЙ И ОЧНРЫТИЙ НИЯ Е ИЗОБРЕ ЛЬСТВ ОМУ СВИ Н АВТ(21) 3450556/18"21 ц лью повышения быстродействия, .(22) 09.06.82 в него введены вторая линия задерж- (46)30.09.83. Бюл. В 36 . ки, .связанная с первой линией за- (72) В.В; Дмитриев и М.М. Седых . держки неуравновешенной электромаг-. (71), Горьковский ордена Трудового . нитной связью, второй пороговый Красного Знамени политехнический элемент ИЛИ, два усилителя и,аттеинститут им. А.А. Жданова . нюатор, вход которого соединен с (53) .621.374.32(.088.8) первым входом первого порогового .(56) 1. Патент СПЪ 9 3521036, элемента И и с выходом первой линии кл. 235-92, 1970задержки, выход второй линии задерж 2 Авторское свидетельство СССР ки соединен с инверсным входом пер- Р 395989, кл. Н 03 К 27/02, 1973 вого усилителя и с входом второго (прототип). усилителя, выход которого соединенс вторым входом первого порогового (54)(57) НАКАПЛИВИОЩИЙ ДВОИЧНЫЙ элемента И, выход которого, соединен СЧЕТЧИК, содержащий входную шину, с первым входом второго порогового блок синхронизации, первый пороговый элемента ИЛИ, выход которого соеди- Ф элемент ИЛИ, два .пороговых элемен- . нен с вторяк входом второго порогота И, элемент НЕ и первую линию за" вого элемента И, выход которого держки, вход которой соединен с соединен с входом второй линии завыходом первого порогового элемента держки, выход первого усилителя :ИЛИ, первый вход которого соединен соединен с вторыми входами первого . с выходом первого порогового эле-и второго пороговых элементов ИЛИ, мента И, выход элемента НЕ соединен выходы блока синхронизации и атте.с первьи входом второго порогового , нюатора соединены соответственно элемента И, входная шина соединена с третьим входом первого порогового (") с входом блока .синхронизации, о т- элемента или и с входом элемента . л и ч а ю щ и й с я тем, что, с . НЕ.СЛ е,импульсов, в которых импульсы непрерывно циркулируют в замкнутом шлейфе, содержащем линии задержки, иможет быть применено в вычислительной технике и радиоприемной аппаратуре с цифровой обработкой информации.1Известен двоично-десятичный счетчик импульсов, содержащий замкнутыйконтур циркуляции импульсов, образованный полусумматором, подключеннымвходом А и выходом Ь к линии задержки. Вход В и выход С полусумматора, соединенные с однобитовойлинией задержки и элементом ИЛИ,образуют цепь переноса импульса вследующий разряд 1 ).Недостатком данного устройстваявляется наличие цепи переноса импульса в следующий разряд, что ведет к снижению быстродействия.Известен накапливающий двоичныйсчетчик., содержаций линию задержки, три элемента И, элемент НЕ,триггер,. элемент ИЛИ, элемент задержки и блок синхронизации. Первыйэлемент И входами соединен с выходом линии задержки и .нулевым выходом триггера. Выход первого элемента И подключен к первому входуэлемента ИЛИ, выход которого соединен с входом линии задержки. Второй,элемент И входами соединен черезэлемент НЕ с выходом линии задержкии единичным выходом триггера, выходвторого элемента И соединен с вторым входом элемента ИЛИ и черезэлемент задержки с нулевым входомтриггера, Третий элемент И входомсоединен с выходом блока синхронизации, а выходом с единичным входомтриггера, входная шина соединенас входом блока синхронизации. Вданном устройстве сокращено количество элементарных логических элементов, тем самым уменьшено времяобработки импульса, т.е., увеличенобыстродействие счетчика 2 ),Однако наличие цепи переноса.импульса в следуюций разряд, образованной вторым элементом И, элементом задержки и триггером, ведетк снижению бйстродействия.счетчика.Цель изобретения - повышениебыстродействия.Поставленная цель достигаетсятем, что в накапливающий двоичныйсчетчик, содержащий входную шину,блок 1 синхронизации, первый пороговый элемент ИЛИ, два пороговых элемента И, элемент .НЕ и первую линиюзадержки, вход которой соединен свыходом первого порогового элементаИЛИ, первый вход которого соединенс выходом первого порогового эле 5 10 20 мента И, выход элемента НЕ соединен с первым входом второго порогового элемента И, входная. шива соединена с входом блока синхронизации,1 введены вторая линия задержки, связайная с первой линией задержки неуравновешенной электромагнитной связью, второй пороговый элемент ИЛИ, два усилителя и аттенюатор, вход которого соединен с первым входом первого порогового элемента И и с выходом первой линии задержки, выход второй линии задержки соединен с инверсным входом первого усилителя и с входом, второго усилителя, выход которого соединен с вторым входом первого порогового элемента И, выход которого соединен с первым входомвторого порогового элемента ИЛИ,выход которого соединен с вторымвходом второго порогового элементаИ, выход которого соединен с входомвторой линии задержки, выход первого усилителя соединен с вторымивходами. первого и второго пороговых элементов ИЛИ, выходы блока синхронизации и аттенюатора соединены соответственно с третьим входом первого порогового элемента ИЛИ и входомэлемента НЕ. На фиг, 1 представлена схема на 30 капливающего двоичного счетчика .на .фиг. 2 и 3 - эпюры сигналов вхарактерных точках устройства.Схема содержит связанные линии1 и 2 задержки, логический блок 3, 35 блок 4 синхронизации, усилители .5 и б, аттенюатор 7, элемент НЕ 8,пороговые элементы И 9 и 10, пороговые элементы ИЛИ 11 и 12, выходную шину 13 и входную шину 14.40 Выход элемента ИЛИ 11 соединенс выходной шиной 13 и с входом линии 1 задержки, выход которой соединен с входом аттенюатора 7 и спервым входом элемента И 10, выход .45 которого соединен с первыми входамиэлементов ИЛИ 11 и 12., выход последнего из которых соединен с первымвходом элемента И 9, второй входкоторого соединен с выходом элемента НЕ 8, Вход которого соединен с 50 выходом аттенюатора 7, выход элемента И 9 соединен с входом линии2 задержки, выход которой соединен синверсным входом усилителя.5 и свходом усилителя б, выход которого 55 соединен с вторым входом элементаИ 10, выход усилителя 5 соединен свторыми входами элементов ИЛИ 11и 12, входная шина 14 соединена свходом блок 4 синхронизации, выход 60 которого соединен с третьим входомэлемента ИЛИ 11.Логический блок 3 содержит усилители 5 и б, аттенюатор 7, элементНЕ 8, элементы И 9 и 10 и элементыИЛИ 11 и 12..На фиг. 2 обозначены эпюры 15-23 сигналов соответственно на выходе блока 4 синхронизации на входах связных линий 1 и 2 задержки, на выходах линий 1 и 2 задержку, на вы,ходе усилителя 5, выходе элемента И 10; на выходе элемента НЕ 8 и на выходе элемента ИЛИ 12.На фиг. 3 обозначены эпюры 24-27 сигналов соответственно на выходах .связанных линий 1 и 2 задержки,и на выходах линий 1,2 задержки.Накапливающий двоичный счетчик . работает следующим образом.До поступления на входную шину 14 счетчика счетных импульсов по свя ванным линиям 1 и 2 не распространяется ни один импульс. При этом на входы усилителей 5 и б и аттенюатора 7 подаются потенциалы, соответствующие логическому нулю. Следовательно, на вход элемента НЕ 8 также поступает логический "0", а на его выходе будет логическая "1", которая подается на вход элемента И 9. На другой вход элемента И 9 ,с выхода усилителя б через элемент И 10 и элемент ИЛИ 12 поступает логический "0". На выходе элемента И 9 также будет логическая "1". С выхода усилителя 5 и с выхода элемента И 10 на вход элемента 11 ИЛИ подается логический О. А поскольку счетные импульсы с блока 4 синхронизации не поступают, то на всех входах элемента ИЛИ 11 будет логический "0" и, следовательно, на его выходе также будет логический "0". Таким образом, на входы связанных линий 1 и 2 импульсы не подаются и нулевое состояние счетчика является устойчивым. 40Пусть в момент(фиг. 2, эпюра 15) с блока 4 синхронизации навход элемента ИЛИ 11 подается счетный импульс, тогда на входе линии 1 задержки (фиг. 2, эпюра 1 б) через 45 время , определяемое суммарной задержкой в .логическом блоке 3 появляется импульс положительной полярности амплитуды А . На выходе линии 2 задержки (фиг. 2, эпюра 17) потенциал остается равным нулю. При таком несимметричном возбуждении импульс, поданный на вход линии 1 задержки, при прохождении по связанным линиям распадается на две пары импульсов. Это обусловлено неуравновешенностью электромагнитной связи между линиями, в результате чего синфазные и противофазные импульсы распространяются в линиях с разной скоростью: синфазные со 60 скоростьюЧб, ,противофазные со скоростью Ч, . Электрическая и магнитная составляющие .связи между линиями 1 и 2, имеюцими длинувыбраны таким образом, что раз-. 65 ница между временем задержки Г= ),/Ч , синфазных и временем задержкй Т 2= ЬЧ ,противофазных импульсов в связанных линиях равнадТ: Т -т =Т,где Тп в . период следования кодовыхимпульсов,Таким образом, на выходах связанных линий 1 и 2 (фиг. 2, эпюры18 и 19 )через время Т: т + а послеподачи счетного импульса 1 появят-.ся импульсы положительной полярности с амплитудой А/2 (считаем, чтопотери в линиях отсутствуют ),меньшей напряжения Опор срабатыванияпороговых элементов 10-12. Поэтомуна выход элемента И 10 импульс непройдет и на входах элементов 11и 12 ИЛИ останутся логические "0"(фиг. 2, эпюра 21). Положительныйимпульс с выхода линии 2 задержки,пройдя через инвертируюций усилитель 5, станет отрицательным, т.е.будет ниже Опор логических элементов ИЛИ 11 и 12. Если при этом вмомент 1 О + Т с блока 4 синхронизации не поступает следуюций счетныйимпульс, то на всех входах элементов ИЛИ 11 и 12 будут логический О.С выхода элемента ИЛИ 12 логический. 0 поступает на вход элементаИ 9, следовательно на выходе такжеостанется логический О.Таким образом, импульсы положительной полярности с амплитудойА/2, поступаюцие в момент времени1 О + Т на входы логич еского блок а 3,через него не пройдут,.Далее. через время Ьт.: Т (фиг.2,эпюры 18 и 19) после появления синфазной пары импульсов на выходесвязанных линий 1 и 2 появится противофазная пара импульсов с амплитудами (А/2) на выходе линии 1и (-А/2) на выходе линии 2. Положительный импульс поступает на входаттенюатора 7, в котором его амплитуда еще уменьшается, в результатена входе элемента НЕ 8 будет логический "0", поэтому на выходе элемен.та НЕ 8 остается логическая "1"(фиг. 2 , эпюра 22). Отрицательныйимпульс амплитуды (А/2/) с выходалинии 2 поступает на инвертирующийусилитель 5, имеющий коэффициентусиления )К- т 2. На выходе усилителя 5 появится положительный импульс амплитуды А большей Оо(фиг. 2, эпюра 20), который поступает на входы элементов или 11 и 12.При этом на выходах элементовИЛИ 11 и 12 появляется логическая"1" (фиг. 2, эпюры 1 б и 23), котораяс выхода элемента ИЛИ 12 поступаетна вход элемента И 9, на другомвходе которой также присутствуетлогическая 1. Следовательно, на выходе элемента И 9 появится логическая 1 (фиг. 2, эйюра 17). Таким Образом, логический блок 3 преобразует протйвофазную пары импульсов с амплитудами ( А/2) и (-А/2) в синфазную пару с амплитудами 1 и 2 (фиг. 2, эпюры 16 и 17 ) в момент0Т+ Т+ г и распространяется вдоль связанных линий 1 и 2. со скоростью Чб, тр и появляется на выходах линий 1 и 2 в момент 10.+Тп+2 Т(фиг. 2, эпюры 18 и 19 ). Импульс с выхода линии 1 задержки поступает на вход аттенюатора 7, после прохождения которого амплитуда импульса оказывается меньше О,р и, следовательно, на вход элемента НЕ 8 подается логический О, а на его выходе будет логическая 1. Импульс с выхода линии 2 задержки проходит через неинвертирующий усилитель б с коэффициентом усиления Кб Ъ 2, На вход И 10 поступает импульс с выхода линии 1 задержки, имеющий амплитуду А, следовательно, на выходе элемента И 10 появится логическая "1", которая поступает на входы элементов ИЛИ, 11 и 12 ( фиг, 2, эпюры 20 и 21 ), поэтому на их выходах также будет логическая "1".Таким образом,. на оба входа элемента И 9 поступает логическая "1",Логический блок 3 синфазную пару импульсов с амплитудой А пропускает без изменения и, следовательно, такая пара может циркулировать по . цепи, образованной логическим блоком 3 и связанными линиями 1 и 2неограниченно долго, до тех пор, пока не будет подан .новып четный им- пульс. Стабильность амплитуды циркулирующих импульсов обеспечивается логическими элементами 9 и 11, на выходах которых при превышении входного порогового уровня формируется сигнал постоянной амплитуды.Логические элементы 9 и 11 выполняются со стробированием от блока 4 синхронизации (по аналогии с прототипом цепи стробирования не показаны ). После стробирования импульсы поступают соответственно на входы связанных линий 1 и 2 одновременно и равными по амплитуде и длительности (при условии идентичности параметров логических элементов). Эа счет ограничения полосы пропусканиясвязанных линий 1 и 2 в области высоких частотпроисходит растягивание проходящих через них импульс 9 в, вследствие чего исключается возможностьнесовпадения импульсов стробирования с импульсами, циркулирующими по петле запаздывающей обратной связи. Условия устойчивой циркуляции всчетчике идеально синфазных.импульсов совпадают с условиями устойчивой циркуляции импульсов в обычномрециркуляторе с синхронизацией.5Если в некоторый момент времени 1 О+ и Т (фиг. 2, эпюра 15) с блока 4"синхронизации поступает новыйсчетный импульс, то он, как и пер О вый импульс, в процессе первой цир-,куляции распадется на две пары импульсов. Синфазная пара, появляющаяся на выходах линий 1 и 2 задержкив момент С, +(и+1) Т (фиг. 2, зпюры18 и 19), не проходит через логический блок 3, и в этот момент может быть подан следующий счетныйимпульс. Противофазная пара;оставшаяся от одиночного импульса, поя вится на выходах связанных линий 1и 2 задержки в момент 1 д (в 1)Т+Тп,т.е. одновременно с появлением однофазной пары импульсов с амплитудой А, циркулирующих в счетчикепосле подачи импульса младшего разряда. Таким образом, в момент,т,0+(и+1)Т Т на входе логического блока 3 (фиг. 2, эпюры 18 и 19)поступает сигнал, представляющийсобой суперпозицию двух пар иипульЗ 0 сов: синфазной с амплитудами А ипротивофазной с амплитудами (А/2)и (-А/2). При этом на вход усилителя б поступает импульс с амплитудой А -А/2=А/2. На выходе усилителя 35 6 будет импульс амплитуды 4 боль/шей О П 0 р . На вход аттенюатора 7и элемента И 10 поступает импульсамплитуды А+А/2=1,5 А. Таким образом,на входах элемента И 10 будут логи ческие "1", следовательно, на еевыходе (Лиг. 2, эпюра 21) и на выхо-,дах элементов ЙЛИ 11 и 12 появится логическая 1 (фиг. 2, эпюры 16и 23 ), которая проходит на вход 45 линии 1 задержки и на вход элемента И 9. КоэФфициент ослабления аттенюатора 7 выбирается таким, чтобыимпульс с амплитудой 1,5 А, пройдяаттенюатор 7, имел амплитуду, большую 0 д 0 Р. Тогда на выходе элемента НЕ 8 появится логический "0",который подается на вход элементаИ 9 (фиг. 2, эпюры 19), на выходекоторой будет также логический "0"(фиг. 2, эпюра 17), Таким образом, 55 при приступлении на вход логическогоблока 3 одновременно двух пар импульсов на вход связанных линий1 и 2 задержки (фиг. 2, эпюры 16и 17 ) поступает одиночный импульс, 60 который далее преобразуется подобно первому счетному импульсу. Врезультате в счетчике останется циркулировать одна пара импульсов самплитудой А и временным положением1 ф КТ.+2 Т", что соответствуетчислу "два" число поступивших с момента 40 счетных импульсов) в последовательном двоичном коде, укоторого младший разряд занимаетвременное положение о+ К Т, следующий С, + КТ +2 Ти т.д. Таким образом, данная схема накапливающегодвоичного счетчика осуществляет перенос логической "1" в следующийразряд, Если этот разряд свободен,то процесс переноса заканчивается,если же в,этом разряде уже находится логическая "1", то она стираетсяи за следующий период циркуляциипереносится в более .старший разряд.Этот. процесс повторяется до тех пор,пока логическая 1 не займет свободный разряд,На .стабильность работы счетчикасущественно влияет разброс параметров элементов логического блока 3уровней логической "1", логического фО" и времен задержки .включениялогических схем ), который приводитк неидентичности импульсов синфазной пары на входах связанных линий1 и 2.Для того, чтобы определить допустимую величину разброса, рассмотримпрохождение двух последовательныхпар синфазных импульсов через связанные линии задержки.Если на входы линий 1 и 2 в момент. 1 и 12 поступают две парынеидеально синфазных импульсов1 иг. 3, эпюры 24 и 25 ), то черезвремя Т на выходах линий 2 и 1появятся две синфазные пары импуль-"сов равной амплитуды А = А+=(4 .++Я )/2 и со сдвигом на Т относительно них две противофазные парыс амплитудами 42-4=(Я,;4 )2(фиг. 3,эпюры 26 и 27), Появление противоФазной пары на выходах линий обусловлено только неидентичностью импульсов на входах линий 1 и 2, т.е.в конечном счете, разбросом параметров элементов логического блока, 3.В момент времени Ф произойдет .наложение синфазной и противофазнойпар, в результате чего Форма иамплитуда импульсов второй синфазной пары снова станут неодинаковыми(фиг. 3, эпюры 26 и 27)Кроме разброса параметров элементов логического блока различиев амплитудах синфаэной пары на выходах линий 1 и 2 могут быть вызваны неравенством волновых сопротивлений связанных линий. Частичноони могут быть скомпенсированы подбором коэффициентов усиления усилителей 5 и б и коэффициента затухания аттенюатора 7. Кроме того, отклонения волновых .сопротивленййот номинального значения обычно не- ьвелики, поэтому влияние сопротивлений связанных линий на стабильность работы схемы можно не учитывать. Однако кроме разброса волновых сопротивлений погрешность в изготовлениисвязанных линий вызывает отклонениевремен задержки импульсов от тре 5 буемой величины Т 1 . Если это:отклонение не превйшает ВТ= (0,24- :О, 5С с, где 1 - длительностьимпульсов синхройизации (строб-импульсов 1, счетчик продолжает устой чиво работать. Если счетчик обла-.дает емкостью восемь бит, для него;в петле циркуляции должно;умещать-ся девять импульсов, относительнаяпогрешность времени задержки лТ)Т 1 15 не должна пРевышать (0,2-0,5)ис/ЭТящей,5-2,5% .(,считаем, что Т, = 2+ис ),Допустимые величины относительных погрешностей параметров элементов логического блока 3 (сРк- коэффициента затухания аттенюатора 7,д - пороговых напряжений логичесОких элементов, дк - коэффициента.усиления инвертирующего усилителя5) и амплитуд. импульсов на его вхо де дА определяются из следующихтребований: - максимальная амплиту- .да А(1+ОА) импульсов (фиг, 3, эпюра 26, момент времени) послепрохождения аттенюатора 7 с максимально допустимым коэффициентом Зо затухания К(1+ д ) не должнаКпревышать. значения порогового напряжения Опо (1- д" ) . элемента НЕ 835А) т(, Ф"фР( чсминимальная амплитуда 1,5 А (1- д"4суммарного импульса на выходе линии1 после прохождения аттенюатора 7 с 40 минимально допустимым коэффициентомзатухания К (1- сГ ). должна оставатькчся больше Йаксимального значения:поРогового напРЯжейиЯ ОпоР (1+8 )элемента НЕ 8; минимальйая амплитуда 4 (.1-д"А ) импульса (фиг. 3, эпю ра 27, момент времени 1) должнапревышать максимальное значение порогового напряжения 0 (1+8)элемента И 104(1-О)ъОпфр (1+с"О)амплитуда А д 4 паразитного отрицательного выброса на выходе связанных линий (фиг. 3, эпюра 27 ), моментвременипосле прохождения инвертирующего усилителя 5 с максимально допустимьм коэффициентом усиления Ю(1+ д"к 5) не должна превышать минимального значения порогового напряжения:. О 1-сГ) элемента ИЗБ 11Ас К 1+сР (0 (1-б ),Следовательно, самым жестким тре;бованием является второе условие.Для .его 1 выполненияпри равенстве от носительных. погрешностей д =3: дд; и номинальных значенийфн Ц,ор = 0,75 А; К = 2; К. = 0,6 необходимо, чтобы разброс перечисленных параметров логического блока 3. 5 не превышал 6. Это необходимо учитывать при выборе элементной базы для изготовления счетчика.Таким образом, частота следования импульсов в пачке, т,е. минимальное 10 расстояние Тп между импульсами соседних разрядов определяется собственным быстродействием логических схем. У прототипа же эта величина ограничивается суммарным запаздыванием импульса в цепи переноса, вкгпчающей в себя не менее трех последовательно соединенных логическихсхем. Поэтому частота следованияимпульсов в схеме прототипа существенно ниже предельного быстродействия используемых логических схем.Поскольку в предлагаемом счетчикеминимальный период подачи счетныхимпульсов Т=(1+И)Т , где Иколичество разрядов числа, то уменьшение величины Тп, позволяет уменьшить период Т при сохранении количества разрядов М . Таким образом,предлагаемая схема счетчика позволяет обойтись без цепи переноса ивследствии этого повысить быстродействие.1045403 фи Составитель Раьчук Техред В.Далекор ед ректор Л.Бо И.Ко 74 Зака исное тна Фили 6 1 Е р Й 0Ти ВНИИПИ Го по дела 113035, М