СЧЕТЧИК ИМПУЛЬСОВ Российский патент 2006 года по МПК H03K23/00 

Изобретение относится к области цифровой вычислительной техники и автоматики.

Известен счетчик импульсов (далее - объект), построений на основе триггеров со счетным входом (см. И.Н.Букреев, Б.М.Мансуров и В.И.Горячев. Микроэлектронные схемы цифровых устройств, 1973, "Сов. Радио", стр.137, рис.5.1). Недостатком этого объекта являются счетный триггер, который включает в себя элементы временной задержки счетных импульсов, что снижает быстродействие его работы и усложняет технологию изготовления триггера и повышает требования к формированию параметров счетных импульсов (крутизна фронта, длительность и другие параметры).

Известен также объект, выполненый на основе только трех логических элементов (ЛЭ) И, ИЛИ, НЕ, который устраняет недостатки приведенного выше устройства (см. там же, стр.135-150, рис.5.7). В названном объекте триггеры собраны на основе (ЛЭ) И-НЕ или ИЛИ-НЕ (RS-триггеры). Этот объект является ближашим прототипом к предлагаемому объекту.

Предложеный за прототип объект содержит основной и вспомогательный регистры на основе RS-триггеров, логические элементы И, ИЛИ, НЕ и шину счетных импульсов, подключенную к первым входам первого и второго элементов И самого младшего разряда объекта.

Его недостатками являются: относительно низкое быстродействие, определяемое суммарным временем распространения максимального сквозного переноса и переключением двух RS-триггеров, значительным объемом оборудования, определяемым суммарным числом входов логических элементов (Цена Квайна), сравнительно высоким потреблением электроэнергии и выполнением только одной операции счета импульсов.

Целью изобретения является устранение недостатков известных объектов, а именно: повышение быстродействия работы, расширение перечня выполняемых операций, снижение оборудования и потребления объектом электропитания.

Для этого каждый двоичный разряд содержит один RS-триггер, три элемента И, три элемента НЕ и один элемент ИЛИ, шину счетных импульсов, при этом выходы первого и второго элементов И соединены с входами первого и второго элементов НЕ, выходы которых соединены с "нулевым" и "единичным" входами RS-триггера, "единичный" выход которого подключен к первому входу первого элемента ИЛИ, а его выход подключен к первому входу третьего элемента И, второй вход его соединен с "единичным" входом RS-триггера, а третий вход третьего элемента И связан с шиной потенциального переноса из первого младшего разряда, выход третьего элемента И является шиной потенциального переноса, поступающей в первый старший разряд, и соединен с входом третьего элемента НЕ и с первым входом первого элемента И данного разряда, второй вход этого элемента И связан с шиной счетных импульсов, выход третьего элемента НЕ подключен к первому входу второго элемента И, второй вход второго элемента И связан с выходом первого элемента И первого младшего разряда.

Отличительная часть формулы изобретения состоит в введении в каждый разряд объекта второго элемента ИЛИ и второй шины управления выполнением дополнительной операции, при этом шина управления подключена к первому входу второго элемента ИЛИ, а к его второму входу подключена шина потенциального переноса из первого младшего разряда, выход второго элемента ИЛИ соединен с третьим входом третьего элемента И.

Отличительная часть формулы изобретения состоит в введении в каждый разряд объекта третьего элемента ИЛИ и третьей шины управления выполнением второй дополнительной операцией, при этом шина подключена к первому входу третьего элемента ИЛИ, к второму входу этого элемента подсоединен выход первого элемента И первого младшего разряда, выход элемента ИЛИ подключен к второму входу второго элемента И данного разряда, а также в введении в каждый разряд объекта шины приема кода с подключением ее к третьему входу третьего элемента ИЛИ.

Предлагаемый объект позволяет повысить быстродействие работы, снизить число логических элементов, расширить перечень выполняемых операций и снизить потребление электроэнергии.

Быстродействие выполнения операции счета импульсов достигается за счет исключения из цикла работы времени на переключение второго RS-триггера, который в предложенном объекте отсутствует. Если в прототипе суммарное время счета одного импульса равняется

Здесь n - число двоичных разрядов объекта,

τ - временная задержка одного элемента И (одного элемента ИЛИ),

tтр - время задержки переключения одного триггера RS,

tи - длительность счетного импульса,

tп - длительность паузы между импульсами.

Полагаем, что 2nτ=tи, tп=tи, tтр=tи

В предлагаемом объекте время счета одного импульса определяется таким соотношением

Сравнивая соотношения (1) и (2), видно, что время счета одного импульса сократилось приблизительно на 30%. Есть и еще одно преимущество объекта, которое состоит в том, что результат счета импульсов, зафиксированный в RS-триггерах после прихода каждого счетного импульса, появляется через время, равное tи, т.е. по истечении времени переключения одного триггера. В прототипе это время равно 3tи. (Заметим, что эта временная задержка прохождения информации при счете отдельного импульса аналогична т.н. "люфту" в механических счетчиках).

Указанные преимущества объекта достигаются тем, что сигнал потенциального переноса формируется во время паузы между счетными импульсами, а шина счетных импульсов подключена к первым входам первых элементов И всех двоичных разрядов.

Снижение суммарного числа входов логических элементов, т.е. снижение оборудования устройства, приблизительно на 15% определяется исключением из состава оборудования второго триггерного регистра.

Расширение перечня выполняемых операций (сдвиг единичных кодов, инвертирование кодов, вычитание импульсов, прием единиц во все разряды счетчика) достигается за счет введения в состав оборудования объекта двух элементов ИЛИ и двух шин управления выполнением этих операций. Операция сдвига кода отдельных единиц (101001...) позволяет использовать объект как распределитель импульсов, т.е. последовательное переключение триггеров и выдача соответствующих потенциалов для управления другими электронными устройствами, блоками, схемами. Эта операция выполняется за счет включения в состав оборудования объекта вторго элемента ИЛИ и второй шины управления. Операция инвертирования кодов в регистре позволяет выработать управляющий потенциал с помощью схемы сквозного переноса при поступлении в счетчик любого заданного числа. Эта операция выполняется за счет использования третьего элемента ИЛИ и третьей шины управления. Операция приема единиц во все разряды одновременно позволяет сформировать управляющий сигнал при поступлении первого счетного (или первого командного) импульса. При этом используется третий элемент, третья шина управления.

Потребление электроэнергии достигается за счет исключения одного триггера RS. В прототипе в каждом двоичном разряде потребляемый ток равен 2I (I - ток открытого элемента НЕ). В предлагаемом объекте в зависимости от наличия и отсуствия сигнала переноса потенциальный ток может быть равен 2I или I. Среднее значение 1.5I, таким образом, имеет место снижение потребляемого тока приблизительно на 25%.

Для пояснения работы описываемого объекта на чертеже приведена функциональная схема его двух двоичных разрядов.

На чертеже приняты следующие обозначения:

1, 2, 3 - элементы И;

4, 5, 6 - элементы НЕ;

7, 8, 9 - элементы ИЛИ;

10 - RS-триггеры;

11 - шина счетных импульсов;

12 - шина импульсного переноса из младшего разряда в первый старший;

13 - шина потенциального сквозного переноса из младшего разряда в старший;

14 - шина потенциального управления операциями сдвига единицы и инвертирования;

15 - шина импульсного управления инвертированием;

16 - шина выходов триггеров.

17 - числовая шина приема кода.

Предложенный объект осуществляется следующим образом.

В каждом разряде счетчика первые входы И1 подключены к шине 11, вторые входы связаны с входом НЕ6 и выходом И3, выход упомянутого элемента И соединен с входами НЕ4, ИЛИ7, i-того разряда и с входом ИЛИ9 i+1-го разряда, выход НЕ4 подключен к "нулевому" входу триггера 10. Первый вход И2 соединен с выходом НЕ6. Второй вход И2 соединен с выходом ИЛИ9, первый, второй и третий входы которого подключены к шинам 15, 17 и 12. Выход И2 соединен с входом НЕ5, выход которого подключен к "единичному" входу триггера 10 и к второму входу И3. Второй вход ИЛИ7 подключен к единичному выходу триггера 10, а выход этого элемента соединен с первым входом И3. Первый вход ИЛИ8 соединен с шиной 14, второй его вход связан с шиной 13, а его выход подключен к третьему входу И3. Выход И3 соединен с входом НЕ6 i-того разряда и ИЛИ8 i+1-го разряда. Рассмотрим принцип работы объекта при выполнении всего перечня выполняемых операций.

Операция "сложение импульсов". В исходном положении все триггеры хранят код "0", на шину 13 подается потенциал команды счет. В первом разряде объекта шины 11 и 12 объединены. Первый счетный импульс по цепи ИЛИ9, И2, НЕ5 поступает на "1" вход Тр10 и на второй вход И3. Тем самым на время длительности счетного импульса запрещается прохождение сигналов через И3 на шину 13 и вход НЕ6. После переключения Тр10 в единицу его потенциал через ИЛИ7 поступает на первый вход И3, но не проходит в старший разряд. В триггере 10 хранится код "1". После истечения времени, равного длительности счетного импульса (tи), на 1, 2 и 3 входах И3 появляется потенциал, соответствующие коду "1", т.е. в старший разряд поступает сигнал переноса, который также поступает на входы И1, НЕ6 первого разряда.

Второй счетный импульс по цепи шина 11, И1, НЕ4 поступает на "0" вход Тр10 первого разряда и устанавливает его в "0" и по цепи ИЛИ9, И2, НЕ5 поступает на "1" вход Тр10 второго разряда и устанавливает его в "единицу". Так как НЕ5 "запретил" прохождение переноса в третий разряд, то сигнал переноса даже после переключения Тр10 в "1" не пройдет в указанный разряд. После окончания счетного импульса И3 будет подготовлен к прохождению сигнала переноса, поступившего на шину 13.

Третий счетный импульс устанавливает Тр10 первого разряда в "1" и, после его окончания, в период паузы между импульсами, потенциал переноса по цепи И3 первого разряда, ИЛИ8, И3 второго разряда поступит на шину 13 третьего разряда. Далее счет импульсов производится аналогично рассмотренному.

Операция "сдвига кодов отдельных 1". (Здесь речь пойдет о разрядах с "единицами", в ближайших старших и младших разрядах которых всегда "нули", т.е. 101001010......10). Допустим, в исходном положении в первый разряд счетчика занесен код "1", например по шине 12, 15 или 17. Во всех остальных разрядах Тр10 находится в положении "0". Признаком выполнения операции сдвиг кодов отдельных "1" является потенциал, поступивший на шину 14. В тех разрядах, в которых хранится код "1" потенциал шины 14 по цепи И8, И3 поступает на вход И1 и НЕ6. Импульс сдвига, поступивший на шину 11, по цепи элементов И1, НЕ4 поступит на "нулевой" вход Тр10 и установит его в "0". Одновременно этот импульс по цепи ИЛИ7, И3 будет "поддерживать" потенциал на втором входе И1 и поступит в первый старший разряд, где через ИЛИ9, И2, НЕ5 установит Тр10 в "единицу". Таким образом, код "1" будет сдвинут на один разряд влево. (Для выполнения этой операции потребовалось ввести в состав оборудования один элемент ИЛИ на два входа, т.о., оборудование измеряемое числом входов, возросло на 2).

Операция "инвертирование". Положим, в двух разрядах счетчика хранится код "10". Потенциал признака операции подается на шину 14. Исполнительный импульс инвертирования кода подается одновременно на шины 11 и 15. В первом разряде в Тр10 хранится код "0", т.е. на втором входе И1 будет низкий потенциал, на втором входе И2 - высокий. Исполнительный импульс по цепи И9, И2, НЕ5 поступит на "единичный" вход Тр10 и установит его в "1".

Во втором разряде в Тр10 хранится код "1", т.е. на выходе И3 будет высокий потенциал, разрешающий прохождение импульса с шины 11 по цепи И1, НЕ4 на "нулевой" вход Тр10, исполнительный импульс установит его в "0".

Таким образом, в Тр10 первого и второго разрядов будет установлен код "01", т.е. теперь в триггерах будет хранится инверсный код. (Для выполнения этой операции потребовалось ввести в состав оборудования один элемент ИЛИ на два входа, т.о., оборудование выросло на две единицы). Операция "вычитание импульсов", т.е. счет на вычитание. Эта операция предусматривает выполнение первого инвертирования, счет импульсов и второе инвертирование. Рассмотрим пример 9-5=4; 1001-0101=0100.

первое инвертирование......10110;

счет пяти импульсов......11011;

второе инвертирование......00100.

Операция выполнена. (Для выполнения этой операции не требуется дополнительного оборудования!).

Операция "счет от "0" до "X", где Х=2ⁿ; n - число двоичных разрядов счетчика. Эта операция широко распостранена в устройстве цифровой автоматики. Она заключается в следующем: число, на которое надо разрешить счет в параллельном двоичном коде, вводится в триггеры 10, предварительно установленные в "0", по шинам 17. (Эту ЭО можно выполнить и путем счета), далее выполняется операция "инвертирование", далее ведется счет импульсов до появления переноса в последнем старшем разряде.

Расмотрим пример. Выработать управляющий потенциал через интервал времени, например, равный 9 импульсам (событиям). В триггеры 10, предварительно установленные в "0", принимается код 01001, выполняется операция "инвертирование", 10110, ведется счет импульсов до появления потенциала переноса в последнем старшем разряде. (Для выполнения этой операции требуется дополнительно только один вход, т.е. суммарное число входов логических элементов увеличивается на 1). Таким образом, предложенный объект при экономии аппаратурных затрат на 15% повышает быстродействие его работы в 1.5 раза; расширяет перечень выполняемых операций в пять раз, снижает потребление электроэнергии приблизительно на 25%.

Изобретение относится к области цифровой вычислительной техники и может быть использовано в устройствах цифровой автоматики и управления различными технологическими процессами. Техническим результатом является повышение быстродействия, снижение количества оборудования и потребления электроэнергии в статическом режиме, выполнение дополнительных логических операций (сдвиг кодов единиц влево, вычитание импульсов, инвертирование кодов, прием единиц во все разряды счетчика). Указанный результат достигается за счет того, что в каждом двоичном разряде счетчик содержит RS-триггер, три элемента И, три элемента НЕ, три элемента ИЛИ и три шины управления. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Суммирующий счетчик, выполненный на основе RS-триггеров и элементов И, ИЛИ, НЕ, отличающийся тем, что каждый двоичный разряд счетчика содержит один RS-триггер, первый, второй и третий элементы И, первый, второй и третий элементы НЕ, первый, второй и третий элементы ИЛИ, шину счетных импульсов, при этом в каждом разряде выходы первого и второго элементов И соединены с входами первого и второго элементов НЕ, выходы которых соединены с «нулевыми» и «единичными» входами RS-триггера, «единичный выход» которого подключен к первому входу первого элемента ИЛИ, второй вход которого связан с выходом первого элемента И, а выход первого элемента ИЛИ подключен к первому входу третьего элемента И, второй вход которого соединен с «единичным» входом RS-триггера, третий вход третьего элемента И соединен с выходом второго элемента ИЛИ, к первому входу которого подключена шина управления операциями сдвига единицы и инвертирования, а к второму входу - шина потенциального переноса из младшего разряда, выход третьего элемента И соединен с шиной потенциального переноса в следующий старший разряд счетчика, с входом третьего элемента НЕ и с первым входом первого элемента И, второй вход которого связан с шиной счетных импульсов, выход третьего элемента НЕ подключен к первому входу второго элемента И, второй вход которого подключен к выходу третьего элемента ИЛИ, к первому входу которого подключена шина импульсного управления инвертированием, а к второму входу подсоединен выход первого элемента И предыдущего младшего разряда, причем в режиме счета в первом младшем разряде счетчика импульсная шина переноса объединена с шиной счетных импульсов.2. Суммирующий счетчик по п.1, отличающийся тем, что в его каждом двоичном разряде третий вход третьего элемента ИЛИ подключен к числовой шине.