Юрий Ревич - Занимательная микроэлектроника

Самый простой счетчик можно получить, если соединить последовательно ряд счетных триггеров, как показано на рис. 9.10, а . Схема обладает одной особенностью, в которой легко разобраться, если построить диаграмму работы этого счетчика, начиная с состояния, в котором все триггеры находятся в состоянии низкого уровня на выходе («0000»). В самом деле, при подаче первого же импульса триггеры перейдут в состояние со всеми единицами («1111»)! Если строить диаграмму дальше, то мы увидим, что последовательные состояния будут такими: «1110», «1101» и т. д. В этом легко узнать последовательный ряд чисел 15, 14, 13, т. е. счетчик получился вычитающим, а не суммирующим.

А как можно получить суммирующий счетчик? Очень просто — надо ко входу каждого следующего триггера подсоединить не прямой выход предыдущего, а инверсный. Если при этом тактовые импульсы подавать также через инвертор (рис. 9.10, б ), тогда счетчик будет срабатывать по заднему (отрицательному) фронту входного импульса, а не по переднему (разумеется, можно просто выбрать триггеры с инверсным тактовым входом). В этом случае будет все в порядке — входные импульсы будут суммироваться (см. диаграмму) и мы получим ряд последовательных состояний: «0000», «0001», «00010». «0011» и т. д.

Рис. 9.10. Схемы счетчиков на D-триггерах :

а— вычитающего; б— суммирующего

Заметки на полях

Удивительная все же штука — электроника! Сначала мы получили полную аналогию между абстрактной математической теорией — булевой алгеброй, — и состояниями переключателей на реле, теперь вот— между не менее абстрактным арифметическим счетом и последовательными состояниями счетчика на триггерах. Чем этот счетчик отличается от дикаря, раскладывающего на земле палочки? Ничем, кроме того, что он «раскладывает» не палочки, а уровни напряжений, причем выгодно отличается от первобытного сознания тем, что еще и владеет позиционной системой счисления. Начинаешь понимать, почему ученые в середине прошлого века были так обольщены возможностями электронных схем, что даже заговорили о «машинном разуме». Но это уже другая тема…

У счетчиков, построенных по такой простейшей схеме, есть один крупный недостаток: переключение триггеров происходит асинхронно, сигнал от входа должен пройти всю цепочку, пока на выходе также изменится уровень. Эти, казалось бы, незначительные задержки могут, однако, привести к значительным неприятностям, типа возникновения лишних «иголок» при дешифрировании состояний выхода. А при больших частотах входных импульсов, на пределе возможностей конкретных логических элементов, фронты сигналов на выходах вообще могут приобрести совершенно хаотическое расположение относительно входного сигнала, так, что дешифрировать состояние счетчика будет невозможно. Поэтому практически все счетчики в интегральном исполнении делают по иным, синхронным, схемам, когда входной тактовый сигнал подается одновременно на все разряды, и фронты выстраиваются строго «по линеечке», независимо от задержек в том или ином триггере. Так устроены, например, два четырехразрядных счетчика, образующие микросхему 561ИЕ10.

Наиболее универсальные счетчики позволяют записывать информацию параллельно, как в регистрах. Тогда счетчик может начинать отсчет не с нулевого значения, а с некоего заданного числа. Таковы, например, счетчики 561ИЕ11 и 561ИЕ14. Подробно разбирать мы такие схемы не будем, т. к. самостоятельно их строить не придется, но для понимания того, как устроены счетчики-таймеры в микроконтроллерах, эта информация пригодится.

На практике счетчики используют не только по прямому назначению — для подсчета импульсов, — но и в качестве управляемых делителей частоты. На этом основано их применение в электронных часах. Обычный часовой кварц по технологическим причинам удобно делать на частоту 32 768 Гц. Пропустив частоту с генератора, построенного на таком кварце, через 16-разрядный счетчик-делитель (например, 561НЕ16), мы получим на выходе колебания с периодом ровно в 1 с, которые удобны для дальнейшего формирования минут и часов. На практике из-за сложности суточного счета времени и особенно календарных дат, от дискретных счетчиков для таких целей давно отказались, и часы делают на специализированных микросхемах RTC (Real Time Clock— «часы реального времени») и микроконтроллерах, и тем, и другим мы еще будем заниматься. Но в основе работы таких интегральных часов все равно лежат счетчики-делители частоты — аппаратные или программные.

Все природные явления носят непрерывный, аналоговый характер. По крайней мере, для нас все протекает так, как если бы явления природы были полностью непрерывными и характеризовались бы рядом действительных чисел, отстоящих друг от друга на бесконечно малые отрезки по числовой оси. Если же копнуть поглубже, то окажется, что все не так просто. Начнем с атомномолекулярной структуры вещества и всей огромной совокупности явлений, которые являются следствием этого феномена. Открытие этой структуры в свое время немало потрясло ученых. Но если даже не вдаваться в атомные материи, то и на макроуровне тоже все не так однозначно, например, наш глаз по сути представляет собой светочувствительную матрицу, в которой около 125 миллионов светочувствительных палочек и около 6 миллионов цветочувствительных колбочек.

На практике, однако, эти рассуждения имеют мало значения, т. к. разрешение глаза на порядок превышает возможности искусственно созданной матрицы, да и сама дискретность там иной природы. Для большинства практических применений и звуковые и световые колебания можно считать имеющими чисто аналоговую, непрерывную природу. Но вот обрабатывать их, и особенно хранить, оказалось куда удобнее в цифровом виде.

Встает задача преобразования аналоговой величины в дискретную. Естественно, когда мы хотим, чтобы преобразованная информация опять предстала перед нами в форме, воспринимаемой нашими органами чувств, то мы вынуждены делать и обратное преобразование — цифроаналоговое. Правда, такое требуется не всегда: во многих случаях информацию можно оставить в цифровом виде, так ее и отобразив— в виде совокупности цифр на семисегментном индикаторе, к примеру.

Заметки на полях

Интересно, что такой способ отображения, хотя и значительно более корректный, чем аналоговый (мы не теряем информации), но не всегда может оказаться более правильным. Если вы вглядитесь в пульт управления каким-нибудь сложным устройством — не обязательно атомной электростанцией, достаточно торпеды обычного автомобиля, — вы увидите, что большинство показывающих приборов там — стрелочные. Хотя, как вы понимаете, нет никаких проблем в современном автомобиле демонстрировать скорость, уровень топлива или температуру двигателя непосредственно в цифрах, но этого не делают сознательно, потому что в очень многих случаях человека не интересует точное значение того или иного параметра. Его интересует только отклонение от некоторого значения, или превышение некоторого порога, или тенденция изменения величины, но не сама эта величина, и не сам порог. Информация о том, что температура двигателя составляет 80 °C, для водителя совершенно лишняя, ему важно знать, что если вот эта стрелочка не достигла вот этой красненькой черточки — значит, все в порядке. Но бывают и другие случаи, например, отсчет пробега того же автомобиля имеет смысл, только будучи представленным именно в цифровом виде, поэтому еще на заре автомобилестроения пришлось придумывать разные — тогда еще, конечно, механические — счетчики, отображающие число пройденных километров. Все это следует учитывать при проектировании различных показывающих устройств, и при необходимости приходится даже идти на усложнение схемы, причем, что обидно, нередко с заведомой потерей информации или даже с ее искажением. Типичный пример из этой области — датчик количества топлива в том же автомобиле, который проектировщики традиционно заставляют врать, занижая показания, иначе слишком много водителей оказывалось бы на дороге с сухими баками в полукилометре от ближайшей заправочной станции.