Brevet FR2639490A1 — publié le 19900525

4t COMPTEUR D'IMPULSIONS D'HORLOGE A FREQUENCE ELEVEE La présente invention concerne un compteur d'impulsions d'horloge et plus particulièrement un tel compteur destiné à fonc- tionner à très haute fréquence. Ce compteur pourra par exemple être r&alisé à partir d'un circuit intégré à cellules prédiffusées ou précaractérisées. Classiquement, pour réaliser un compteur d'impulsions d'horloge, on associe un grand nombre de cellules de comptage de bits, elles-mêmes regroupées par blocs. La figure 1 représente de façon très schématique un tel assemblage dans lequel chaque bloc comprend quatre sorties de comptage OA, OB, OC et OD. Tous les blocs comprennent une entrée d'horloge CK recevant le même signal en impulsions à compter, CK, une entrée de remise à zéro R recevant le même signal de remise à zéro, R, et une entrée de transfert T recevant un même signal d'ordre de transfert, T. Chaque bloc transmet à l'entrée I du sui- vant un signal de retenue par une borne C quand tous ses bits sont à un. Chaque bloc comprend des bascules de comptage proprement di- tes et des bascules de mémorisation dans lesquelles le contenu de toutes les bascules de comptage est transféré au moment o un or- dre de transfert T est appliqué aux entrées T. Cet ordre T est re- synchronisé sur le signal d'horloge CK de façon à mémoriser une information stable de l'état des sorties de comptage OA, OB, OC, OD. Cette architecture classique présente l'inconvénient que, quand on veut compter des impulsions d'horloge se répétant à un rythme très rapide, tous les blocs, qui sont identiques, doi- vent 'tre réalisés aux limites de la technologie de fabrication. Il en résulte que toutes les bascules sont réalisées selon des rè- gles de dessin critiques et que la consommation du circuit peut être importante. En conséquence, le rendement de fabrication de tels compteurs, fabriqués par exemple à partir de réseaux de por- tes prédiffusés est faible. La présente invention vise à remédier à cet inconvénient en limitant le nombre de cellules à réalisation critique. Pour atteindre cet objet, la présente invention prévoit de diviser le compteur en un bloc de comptage des bits de rang inférieur à haute précision et en des blocs de comptage des bits de rang supérieur fonctionnant à une fréquence plus lente et donc moins critiques à réaliser. Plus particulièrement, la présente invention prévoit un mode d'application de signaux d'horloge et de signal de transfert aux cellules de rang supérieur à partir des signaux d'horloge et de transfert appliqués aux cellules de rang inf&rieur permettant d'éviter toute ambigSitt au moment de la lecture du compteur (moment d'application de l'ordre de transfert). Ainsi, la présente invention prévoit un compteur à n cellules de un bit recevant un signal d'horloge de fréquence f à compter et un ordre de transfert au moment o l'on souhaite lire le compteur, dans lequel les p cellules d'ordre inférieur sont adaptées à fonctionner à la fréquence f et les n-p cellules d'ordre supérieur à la fréquence f/2P. Les p cellules d'ordre in- férieur reçoivent directement le signal d'horloge à la fréquence f et, quand il y a lieu, un ordre de transfert synchronisé sur le signal d'horloge. Les n-p cellules d'ordre supérieur reçoivent, comme signal d'norloge à la fréquence f/2P, un signal retardé au moins de deux impulsions d'horloge et au plus de p impulsions d'horloge par rapport au signal de sortie de la cellule de poids le plus élevé parmi les p cellules d'ordre inférieur, et, comme signal de transfert, une impulsion retardée par rapport audit or- dre de transfert de façon à survenir seulement lors de l'impulsion d'horloge suivante ou en cours qui correspond à une mise à un de toutes les cellules des p premières cellules. Grace à cette organisation, la demanderesse a pu réali- ser un compteur à 24 bits dont seules trois cellules correspondant aux trois bits d'ordre inférieur fonctionnent à la fréquence d'horloge maximum, par exemple de l'ordre de 30 MHz, les autres cellules fonctionnant à un rythme huit fois moins rapide et n'étant donc pas critiques. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante d'un mode de réalisation particulier de la présente invention faite en relation avec les figures join- tes parmi lesquelles: la figure 1 représente sous forme de blocs la conception d'ensemble d'un compteur numérique selon l'art antérieur; la figure 2 représente sous forme de blocs la conception d'ensemble d'un compteur selon la présente invention; la figure 3 représente un exemple d'un bloc de comptage classique, utilisable pour les cellules de rang supérieur du comp- teur selon la présente invention; la figure 4 représente un circuit comprenant les cellu- les de rang inférieur d'un compteur selon la présente invention et des moyens pour fournir des signaux d'horloge et de transfert pour les blocs de comptage d'ordre supérieur; et la figure 5 représente des chronogrammes de signaux des- tinés à expliquer le fonctionnement du compteur selon la présente invention. Comme le représente la figure 2, u- particularité du compteur à n bits selon la présente invention est que le bloc de comptage B1 des p bits de rang inférieur est séparé des blocs de comptage B2, B3... Bk des n-p bits de rang supérieur. Alors que le bloc de comptage Bt reçoit les signaux d'horloge CKO à la fré- quence que l'on veut effectivement compter sur son entrée CK, les blocs B2, B3... Bk reçoivent des signaux d'horloge CK1 à une fré- quence divisée par 2P par rapport à la fréquence d'horloge CKO, p étant le nombre de cellules de comptage du bloc B1. Ainsi, il n'y a pas de transmission de retenue entre le bloc B1 et le bloc B2 mais seulement entre le bloc B2 et les blocs suivants. Une telle architecture présente des avantages en ce que les blocs B2, B3.. . Bk fonctionnant à fréquence plus lente que le bloc B1 peuvent être conçus de façon moins rigoureuse quant à leurs règles de dessin sur un circuit intégré et donc que le rendement d'ensemble sera simplifié puisque seul le bloc B1 doit être réa- lise aux limites de la technologie utilisée. En outre, du fait de la plus faible fréquence appliquée aux blocs B2, B3... Bk, la consommation de ces blocs, et donc la consommation d'ensemble du compteur est r&duite. Ce circuit présente toutefois des difficultés quant à la lecture du compteur au moment de la fourniture de l'ordre de transfert. En effet, dans un compteur à grand nombre de blocs, les temps de transmission de retenue d'un bloc à l'autre sont loin d'être négligeables devant la fréquence d'horloge et, par exemple sur un compteur de 24 bits et pour une fr&quence de comptage &le- vée, les temps de transmission peuvent 'tre de l'ordre de 2 à 3 impulsions d'horloge. Ainsi, comme cela a été exposé précédemment, la présente invention prévoit: - d'une part, de retarder le signal d'horloge CKI ap- pliqué aux blocs de rang supérieur par rapport au signal de sortie de la dernière cellule du bloc de rang inférieur, - d'autre part, une fois l'ordre de transfert général reçu, d'appliquer une impulsion de transfert (ou ordre de lecture) aux blocs d'ordre supérieur seulement au voisinage de l'instant o toutes les cellules du bloc de rang inférieur passent à 1. A cet instant le signal CK1 appliqué aux blocs de rang supérieur est inactif ce qui évite toute évolution des blocs B2 à Bk. Ces caractéristiques de la présente invention seront décrites plus en détail ci-après en relation avec un mode de réa- lisation plus particulier de celle-ci. La figure 3 représente un bloc de comptage comprenant quatre cellules correspondant à un bloc intermédiaire parmi les blocs B2, B3... Bk illustrés en figure 2, par exemple le bloc B3. Ce bloc de comptage comprend des bascules de type D 11, 12, 13, 14 comprenant chacune une entrée d'horloge CK, une entrée de remise a zéro R, une entrée de basculement D, et une sortie Q. L'entrée D de chaque bascule 11, 12, 13, 14 reçoit la sortie d'une porte OU Exclusif, respectivement 21, 22, 23, 24. La première entrée de chacune des portes OU Exclusif 21, 22, 23, 24 reçoit la sortie Q de la bascule 11, 12, 13, 14 correspondante. La deuxième entrée de chacune de ces portes OU Exclusif reçoit le signal de retenue C2 du bloc précédent, directement en ce qui concerne la première cel- lule (21) du bloc, et par l'intermédiaire de portes ET 32, 33, 34 en ce qui concerne les cellules suivantes. Les portes ET 32, 33, 34 combinent le signal C2 avec la sortie de la ou des cellules précédentes du même bloc. Toutes les sorties Q des bascules 11, 12, 13, 14 ainsi que le signal de retenue C2 du bloc précédent sont combinés dans une porte ET 40 pour fournir le signal de rete- nue C3 du bloc considéré. Enfin, les sorties Q des bascules de comptage 11, 12, 13, 14 sont respectivement fournies aux entrées D de bascules de mémorisation 41, 42, 43, 44 qui sont chargées à l'instant o un signal de transfert T1 est fourni à leur entrée CK pour indiquer sur leur sortie Q l'état de la bascule de comptage correspondante. Ces bascules de mémorisation 41, 42, 43, 44 o-: été représentées comme ces bascules de type D mais peuvent être d'autres bascules à mémorisation, par exemple celles couramment désignées sous l'appellation d'origine anglo-saxonne latch. Le fonctionnement d'un tel circuit ne sera pas décrit en détail puisqu'il est connu de l'homme de l'art. On rappellera simplement que le signal de retenue de sortie C3 est fourni seule- ment quand toutes les bascules du bloc sont à un, immédiatement avant ou après que ces bascules soient remises à zéro. Le bloc de la figure 3 ne constitue qu'un exemple de réalisation d'un bloc de comptage. De nombreuses variantes ont été imaginées dans la technique pour en optimiser la réalisation et en accélérer éventuellement le fonctionnement. En effet, le temps de transmission à travers une porte n'est pas n6gligeable et l'on veillera à réaliser des combinaisons optimales pour minimiser le temps de transmission d'ensemble. Par exemple, les cellules ne seront pas nécessairement à quatre blocs, et les diverses portes pourront être réalis6es selon des sous-combinaisons si cela semble souhaitable. D'autre part, on rappellera que le bloc illustr6 en figure 3 6tait un bloc intermédiaire d'un compteur. S'il s'agissait du premier bloc, il ne recevrait pas de signal de retenue d'un bloc ant6rieur et la première cellule du bloc (cellule de plus faible poids) aurait par exemple son entrée D couplée à sa sortie Q par un simple inverseur. La figure 4 représente la réalisation d'un premier bloc de comptage, correspondant aux bits les moins significatifs d'un compteur selon la présente invention et un circuit destiné à four- nir les signaux d'horloge et de transfert des étages de rang plus élevé du compteur (tels celui de la figure 3). En figure 4, le bloc de comptage et de mémorisation est représenté à l'intérieur du cadre en pointillés désigné par la ré- f6rence 50. Il reçoit les entr6es CKO de l'horloge à compter, une entr6e R de remise à zéro et une entrée TO de transfert. Dans l'exemple représenté, le bloc 50 comprend trois bascules de comptage 51, 52, 53 analogues à celles des cellules de la figure 3 sauf que la bascule 51 correspondant au bit de plus faible poids a son entrée D directement reliée à sa sortie par l'intermédiaire d'un inverseur 61 tandis que les entrées D des ba- scules 52 et 53 sont reliées aux sorties de portes OU Exclusif 62 et 63. La première entrée de la porte OU Exclusif 62 reçoit la sortie Q2 de la bascule 52 et sa deuxième entrée la sortie Q1 de la bascule 51. La première entrée de la porte OU Exclusif 63 reçoit la sortie Q3 de cette bascule et sa deuxième entrée reçoit la sortie d'une porte ET 64 dont les première et deuxième entrées reçoivent respectivement les signaux Q1 et Q2. Les trois sorties Q1, Q2, Q3 sont reliées à trois entrées d'une porte ET 65 à sortie inversée (porte ET NON). En outre, les sorties Q1, Q2, Q3 sont re- liées aux entrées D de bascules de mémorisation 71, 72 et 73, res- pectivement, pour y transférer le contenu des bascules 51, 52, 53 à l'instant o est fournie une impulsion de transfert TO sur leur entrée d'horloge CK. Cette impulsion de transfert est synchronisé sur le signal d'horloge à compter. La figure 5 représente l'allure des signaux: - CKO d'impulsions d'horloge d'entrée, - Q1 de sortie de la bascule 51, - Q2 de sortie de la bascule 52, - Q3 de sortie de la bascule 53, - A de sortie de la porte ET 65. On notera que, comme on utilise une sortie inversée de la porte ET 65, le signal A est à bas niveau quand toutes les entrées de la porte ET, c'està-dire le contenu des trois bascules 51, 52, 53, sont à un. En outre, la présente invention prévoit comme cela a été exposé précédemment, de commander à un rythme plus faible les blocs de comptage de rang supérieur. Pour cela, la présente invention prévoit non seulement d'envoyer à ces blocs un signal d'horloge CK1 correspondant en fréquence au signal de sfrtie Q3 de la bas- cule 53, mais en outre de retarder ce signal CK1 pour éviter toute ambiguité dans le cas d'un transtert ayant lieu au voisinage du remplissage du premier bloc de comptage des bits de rang infé- rieur. Ce signal d'horloge CK1 retardé par rapport au signal d'horloge CK0 et à une fréquence 8 x (23) plus faible peut être fourni, comme cela est représenté, par une bascule de type D 80 dont l'entrée D reçoit la sortie Q3 de la bascule 53 et dont l'entrée d'horloge reçoit la sortie Q2 de la bascule 52 pour four- nir sur sa sortie inversée Q le signal CK1 recherché illustré en figure 5. Ainsi, le signal CK1 correspond au signal Q3 retardé de 3 x 2 impulsions de l'horloge CK0 (ou plus généralement de 3 x 2P2) D'autre part, à la sortie de la porte ET 65, est disposé le circuit de fourniture du signal de transfert T1 destiné aux blocs d'ordre supérieur. Ce circuit comprend une première bascule de type D 81 et une deuxième bascule de type D 82 recevant toutes deux sur leur entrée D la sortie de la porte ET 65 et sur leur en- trée d'horloge l'impulsion de transfert TO du système. La sortie Q de la deuxième bascule 82 est fournie à l'entrée D d'une troisième bascule 83 dont l'entrée d'horloge reçoit le signal Q3 inverse. La sortie inversée Q de la bascule 81 et la sortie directe de la ba- scule 83 sont reliées à deux entrées d'une porte OU 84 dont la sortie fournit le signal T1 recherché. En outre, il est prévu un système pour repositionner les bascules 81, 82, 83. A titre d'exemple, ce circuit de remise à zéro reçoit l'impulsion T1 et la refournit à une porte OU 85 après un retard de deux périodes de l'horloge CK0 au moyen de deux bascules 86 et 87 recevant sur leur entrée d'horloge ce signal CKO. La sortie de la porte OU 85 est envoyée aux entrées de remise à zéro (R) des bascules 82 et 83 et à une entrée de mise à un (S) de la bascule 81. La deuxième entrée de la porte OU 85 reçoit le signal R de remise à zéro de l'ensemble du compteur. Pour expliquer le fonctionnement du circuit de signal de transfert T1, on désigne par A' la sortie de la bascule 81, par A" la sortie de la bascule 82 et par A"' la sortie de la bascule 83. Les chronogrammes T0-1, A'-1, A"-l et A"'-1 représentent l'état du circuit de fourniture de l'impulsion de transfert T1 dans le cas o le signal de transfert TO, en ce cas T0-1, arrive avant que le signal A de sortie de la porte ET 65 ait commute à bas niveau, c'est-à-dire avant que le bloc de comptage comprenant les bascules 51, 52, 53 soit arrivé à son comptage maximum. Avant l'arrivée du signal T0-1, en raison des signaux de remise à zéro indiqués précédemment, les signaux A', A" et A"' sont à bas ni- veau. A l'instant de l'arrivée d'impulsion TO-1, les sorties di- rectes des bascules 81 et 82 passent à haut niveau, c'est-à-dire que le signal A'-1 qui correspond à la sortie inversée reste à bas niveau tandis que le signal A"-l passe à haut niveau. Ensuite, le signal A"'-1 passe à haut niveau dès que le signal Q2 effectue sa transition suivante de haut à bas niveau (cette bascule reçoit le signal Q2 inversé). Ensuite, le signal A"'-l reste à haut niveau pendant deux durées du signal d'horloge CK0 (2T) puis repasse à zéro sous l'action du circuit de remise à zéro 85, 86, 87. A la sortie de la porte OU 84, le signal Tl-l correspon- dra donc à ce signal A"'-1. De préférence, les bascules de mémo- risation associées aux bascules de comptage de rang supérieur seront telles qu'elles mémorisent les informations des bascules de comptage seulement à la fin de l'intervalle 2T illustré, c'est-à- dire à la fin de l'impulsion T1. Ainsi, le retard entre la prise de mesure et le dernier actionnement de ces bascules de comptage sera au minimum de quatre périodes T de la bascule CKO (deux pé- riodes T liées au fait que le signal CK1 est retardé de six pério- des par rapport au signal Q3 plus deux périodes associées à la durée de l'impulsion T1). Le cas o l'impulsion d'horloge arrive au moment o les trois bascules de rang inférieur 51, 52, 53 sont à leur comptage maximum est illustre par l'impulsion T0-2. Dans ce cas, il con- vient de lire les blocs des bascules de rang supérieur avant que la première impulsion de comptage CK1 leur soit fournie. Dans ce cas, comme le montrent les courbes A"-2 et A"'-2, les bascules 82 et 83 restent à bas niveau et la sortie A'-2 de la bascule 81 passe à haut niveau dès l'arrivée de l'impulsion TO et c'est ce signal A'-2, remis à zéro après deux périodes d'horloge T, qui est transmis à la sortie de la porte OU 84. Ainsi, du fait que l'on a prévu un retard de six pério- des d'horloge pour l'application du signal CK1 des blocs d'ordre supérieur, on est certain que la lecture de l'indication de ces blocs supérieurs ne tient pas compte du débordement du bloc de rang inférieur (51, 52, 53). En outre, les blocs supérieurs auront eu un temps suffisant pour se stabiliser (trois ou quatre périodes d'horloge T, comme cela a été indiqué ci-dessus). Enfin, si l'ordre de transfert arrive immédiatement après passage à 1 du bloc de comptage inférieur, comme l'illustre l'impulsion TO-3, on est exactement dans le même cas que dans ce- lui de l'ordre TO-1 et la lecture de l'indication des blocs d'ordre supérieur se fera à la transition haut/bas suivante du si- gnal de transfert T1-3, ce qui laisse un temps de stabilisation d'au moins quatre périodes d'horloge pour ces blocs. Bien entendu, la présente invention est susceptible de nombreuses variantes. En particulier, on pourra choisir d'autres modes de réalisation des blocs de comptage, aussi bien pour le bloc de rang inférieur que pour les blocs de rang supérieur, que ceux qui ont été illustrés ci-dessus. D'autre part, les divers perfectionnements généralement apportés aux blocs de comptage pourront être également combinés avec la présente invention; en particulier, dans les structures pratiques on prévoira des entrées de signaux de test et des partitions sélectionnées des diverses portes et bascules. De même il existe de nombreuses variantes pour réaliser les signaux CK1 et T1 nécessaires au bon fonctionnement des blocs de rang supérieur, un aspect fondamental de l'invention consistant à effectuer le transfert des blocs de rang supérieur avant d'activer le signal d'horloge CK1 de ceux-ci. REVENDICATIONS 1. Compteur à n cellules de un bit recevant un signal d'horloge de fréquence f à compter et un ordre de transfert au moment o l'on souhaite lire le compteur, dans lequel les p cellu- les d'ordre inférieur sont adaptées à fonctionner à la fréquence f et les n-p cellules d'ordre supérieur à la fréquence f/2P, carac- térisé en ce que: les p cellules d'ordre inférieur reçoivent directement le signal d'horloge (CKO) à la fréquence f et, quand il y a lieu, l'ordre de transfert (TO) synchronisé sur le signal d'horloge, les n-p cellules d'ordre supérieur reçoivent: - comme signal d'horloge à la fréquence f/2P, un signal (CK1) retardé au moins de 2 impulsions d'horloge à la fréquence f et au plus de (2P - 2) impulsions d'horloge à la fréquence f par rapport au signal de sortie de la cellule de poids le plus élevé parmi les p cellules d'ordre inférieur, et - comme signal de transfert, une impulsion (T1) retardée par rapport audit ordre de transfert de façon à survenir seulement lors de l'impulsion d'horloge suivante ou en cours qui correspond à une mise à un de toutes les p premières cellules. 2. Compteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal d'horloge retardé des n-p cellules d'ordre supérieur est retardé de sensiblement 3 x 2p-2 impulsions d'horloge. 3. Compteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le signal retardé est fourni par une bascule de type D (80) dont l'entrée D reçoit la sortie (Q3) de la cellule d'ordre p des p premières cellules et dont l'entrée d'horloge reçoit la sortie (Q2) de la cellule d'ordre p-1. 4. Compteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'impulsion de transfert (T1) des (n-p) cellules d'ordre supé- rieur est fournie par un circuit comprenant: - une porte ET NON (65) dont la sortie est connectée à l'entrée D de première (81) et seconde (82) bascules de type D dont l'entrée d'horloge reçoit ledit ordre de transfert (TO), - une troisième bascule de type D (83) recevant la sor- tie directe de la deuxième bascule et dont l'entrée d'horloge reçoit la sortie (Q2) de la p-ième cellule (53) parmi les p pre- mières (51, 52, 53), - une porte OU (84) dont la première entrée reçoit la sortie inversée de la première bascule de type D (81) et dont la deuxième entrée reçoit la sortie directe de la troisième bascule de type D (83), la sortie de cette porte OU fournissant ladite im- pulsion de transfert (T1) pour les n-p cellules d'ordre supérieur, et - un circuit de remise à zéro (85, 86, 87) pour remettre a zéro les deuxième et troisième bascules et pour mettre à un la première bascule peu après la fourniture de ladite impulsion de transfert (T1). 5. Compteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que p = 3 et n = 24. 6, Compteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la fréquence d'horloge (f) des p premières cellules est de 30 MHz.