Вернуться на страницу <Методические разработки>
Содержание

Творческий проект по предмету
"Информационные и электронные технологии"

Ученики 11 "В" и "Г" классов
Вавилкин Дмитрий и Корнилов Дмитрий

Счётчики импульсов

Счётчики импульсов - неотъемлемые узлы микропроцессоров, микрокалькуляторов, электронных часов, таймеров частотометров и многих других устройств цифровой техники. Основу их составляют триггеры со счётным входом. По логике действия и функциональному назначению счётчики импульсов подразделяют на цифровые счётчики и счётчики-делители.
Простейшим одноразрядным счётчиком импульсов является JK-триггер или D-триггер, работающий в счётном режиме. Он считает входные импульсы по модулю 2--каждый импульс переключает триггер в противоположное состояние. Один триггер считает до одного, два последовательно соединённых триггера считают до трёх, n триггеров--до 2^n --1 импульсов. Результат счёта формируется в заданном коде, который может храниться в памяти счётчика или быть считанным другим устройством цифровой техники -- дешифратором.
На рисунке 1 приведена схема трёхразрядного двоичного счётчика импульсов.

 Если в начальный момент все триггеры счётчика находились в нулевом состоянии (можно установить кнопочным выключателем "Уст.0", подавая на R входы триггеров напряжение низкого уровня), то спаду первого импульса триггер DD1 переключится в единичное состояние -- на его прямом выходе появится высокий уровень напряжения. Второй импульс переключит триггер DD1 в нулевое состояние, а триггер DD2 -- в единичное. По спаду третьего импульса триггеры DD1 и DD2 окажутся в единичном состоянии, а триггер DD3 всё ещё будет в нулевом. Четвёртый импульс переключит первые два триггера в нулевое состояние, а третий -- в единичное. Восьмой импульс переключит все триггеры в нулевое состояние, начнётся следующий цикл работы счётчика импульсов.
Счётчики-делители, (обычно используется название "делители") считают входные импульсы до некоторого задаваемого коэффициентом счёта состояния, а затем формируют сигнал сброса триггеров в нулевое состояние, вновь начинают счёт входных им пульсов до задаваемого коэффициента счёта и т.д. Коэффициент деления счётчика, состоящего из n-триггеров типа Т, составляет 2^n; здесь n--число двоичных разрядов счётчика. Коэффициент деления счётчика может быть либо постоянным, либо переключаемым. Основой любой из счётной схем служит линейка из нескольких триггеров. Разные варианты счётных схем (синхронные и асинхронные; однонаправленные, только с увеличением счёта, и двунаправленные, счёт в которых может увеличиваться или уменьшаться ) различаются схемой управления этими триггерами. Между триггерами добавляются логические связи, назначение которых -- запретить прохождение в цикле счёта лишним импульсам. К примеру, четырёхтриггерный счётчик может делить исходную частоту на 16, так как 2^4=16. Получим минимальный выходной код 0000, а максимальный 1111. Чтобы построить счётчик-делитель на 10, трёх триггеров недостаточно (10>2^3), поэтому десятичный счётчик содержит в своей основе четыре триггера, но имеет обратные связи, останавливающие счёт при коде 9=1001.
В синхронном счётчике все триггеры получают тактовый импульс одновременно, поскольку тактовые входы их соединяются параллельно. Поэтому триггеры переключаются практически одновременно. В счётчике пульсаций каждый триггер вносит в процесс счёта определённую задержку, поэтому младшие разряды результирующего кода появляются на выходах триггеров не одновременно, т.е. не синхронно с соответствующим тактовым импульсом. Например, для четырёхразрядного счётчика пульсаций выходной параллельный код 1111 появится на выходах триггеров уже после того, как поступит шестнадцатый тактовый импульс, кроме того, эти четыре единицы сформируются не одновременно.
Синхронная схема значительно сложнее асинхронной. На её выходах данные от каждого разряда появляются одновременно и строго синхронно с последним входным импульсом. В синхронный счётчик разрешается синхронная (с тактовым импульсом) параллельная (в каждый триггер) загрузка начальных данных. Триггерная линейка синхронного счётчика снабжается специальным шифратором, который называется схемой ускоренного переноса (СУП).
Внутренние логические элементы управления, которыми часто снабжаются счётчики, позволяют сделать процесс счёта реверсивным. Согласно команде, подаваемой на вход управления счётом "Больше/меньше", можно либо увеличивать либо уменьшать на единицу содержимое счётчика при каждом очередном тактовом импульсе. У некоторых счётчиков тактовые входы на увеличение и на уменьшение отдельные.
Сброс данных счётчика, чтобы на всех выходах установился нулевой код, у одних схем асинхронный R, у других синхронный SR, происходит одновременно с приходом тактового импульса. Имеются счётчики с переменным коэффициентом деления. Устанавливаемый коэффициент деления зависит от кода, набранного на входах управления.

Рассмотрим микросхему К155ИЕ4. 

 Микросхема К155ИЕ4 -- четырёхзначный двоичный счётчик-делитель на 2, на 6 и на 12. Счётчик ИЕ4 состоит из двух независимых делителей. Если тактовая последовательность с частотой f подана на вход С0 (вывод 14 ), на выходе Q0 ( вывод 12 ) получим меандр с частотой f/2.  

Где, при частоте тока источника 50Hz , на выходе Q0 должно быть 25Hz, и осциллограф покажет:

Где синий меандр - частота тока на синем проводе ( проводе источника), а красный меандр - частота тока на выходе Q0.
Последовательность с частотой f на тактовом входе С1 (вывод 1) запускает делитель на 6, и меандр с частотой f.6 появляется на выходе Q3 (вывод 8). При этом на выводах 11 и 9 имеются сигналы с частотой f/3 (выходы Q1 и Q2). На выводы R1и R2 подаются команды сброса.
Чтобы построить счётчик с модулем деления 12, требуется соединить делители на 2 и на 6, замкнув выводы 12 и 1. На вход С0 даётся входная частота f, на выходе Q3 получается последовательность симметричных прямоугольных импульсов с частотой f/12. Тактовые запускающие перепады для счётчика К155ИЕ4 - отрицательные, от высокого уровня к низкому. Режим работы счётчика ИЕ4 можно выбрать по следующей таблице:

Последовательность смены выходных уровней при счёте от 0 до 11 показана ниже:

Сдвиговые регистры состоят из соединенных между собой триггеров. Триггеры обладают всеми функциями необходимыми для регистра: их можно установить в исходное состояние, предустановить, переключить или управлять уровнями 1 или 0. На рис.2 изображён основной сдвиговый регистр, состоящий из четырёх триггеров. Он называется четырёхразрядным сдвиговым регистром, так как состоит из четырёх двоичных элементов хранения информации. 

Важной особенностью сдвигового регистра является то, что он может перемещать данные вправо и влево по отношению к исходному положению разрядов. Это эквивалентно умножению и делению записанного числа на определённый множитель. Данные сдвигаются на один разряд при подаче каждого тактового импульса. Тактовые импульсы полностью управляют работой сдвигового регистра.

На рис.3 изображён типичный 4-х разрядный сдвиговый регистр, состоящий из JK-триггеров. Последовательные данные и их дополнения подаются на JK входы триггера А. Остальные триггеры соединены каскадно, то есть выходы одного подсоединены к выходам следующего. Переключатели всех триггеров соединены вместе, и по этой линии подаются тактовые импульсы. Поскольку все триггеры переключаются одновременно - цепь является синхронной. Кроме того, входы очистки каждого триггера соединены вместе и образуют линию сброса. Данные, поданные на вход, сдвигаются триггерами на один разряд по каждому тактовому импульсу. Например, если на вход сдвигового регистра подано двоичное число 1011, и подан сдвиговый импульс, то число, записанное в сдвиговом регистре, выдвигается на один разряд и теряется, тогда как новое число вдвигается на один разряд. На рис.4 показана последовательность совершаемых действий при записи числа в сдвиговый регистр. 

Одним из наиболее частых применений сдвигового регистра является преобразование Данных из последовательной формы в параллельную, и наоборот. На рис.5 показано как данные в параллельном коде могут быть загружены в сдвиговый регистр. Для работы с данными в параллельном коде входные данные переустанавливаются в сдвиговом регистре. Когда данные находятся в сдвиговом регистре, они могут быть последовательно выдвинуты, как было описано ранее.

Для преобразования данных из последовательной формы в параллельную, они сначала помещаются в сдвиговый регистр с помощью тактовых импульсов. Когда данные находятся в сдвиговом регистре, выходы отдельных триггеров контролируются одновременно, и данные направляются по назначению. Сдвиговые регистры могут выполнять арифметические операции, такие как умножение или деление. Сдвиг двоичного числа, хранящегося в сдвиговом регистре, вправо, даёт такой же эффект, что и деление этого числа на некоторую степень 2. Сдвиг двоичного числа, хранящегося в сдвиговом регистре, влево, даёт такой же эффект, что и умножение этого числа на некоторую степень 2. Сдвиговые регистры предоставляют простой и недорогой способ выполнения умножения и деления чисел.
Сдвиговые регистры часто используются для временного хранения данных. Сдвиговые регистры, используемые для хранения данных, способны хранить одно или более двоичных слов. Для сдвиговых регистров, применяемых для этих целей, существуют три требования: во-первых, он должен быть в состоянии принимать и хранить данные, во-вторых, быть способен находить и читать эти данные по команде и, в-третьих, когда данные прочитаны, они не должны быть потеряны.

На рис.6 изображены внешние цепи, позволяющие сдвиговому регистру читать и обслуживать данные, хранящиеся в нём. Когда на линии чтения/записи высокий уровень, она позволяет поместить в сдвиговый регистр новые данные. После того, как данные помещены в регистр, уровень на линии чтения/записи становится низким, открывается элемент 2, позволяющий данным перезаписаться во время их чтения.

Микросхема представляет собой четыре логических элемента 2И-НЕ. Корпус К155ЛА3 типа 201.14-1, масса не более 1г.
Корпус ИМС К155ЛА3 

Условное графическое обозначение 

1,2,4,5,9,10,12,13 - входы X1-X8;
3 - выход Y1;
6 - выход Y2;
7 - общий;
8 - выход Y3;
11 - выход Y4;
14 - напряжение питания;

Электрические параметры:
Номинальное напряжение питания 5 В +/- 5 %
Выходное напряжение низкого уровня не более 0,4 В
Выходное напряжение высокого уровня не менее 2,4 В
Напряжение на антизвонном диоде не менее -1,5 В
Входной ток низкого уровня не более -1,6 мА
Входной ток высокого уровня не более 0,04 мА
Входной пробивной ток не более 1 мА
Ток короткого замыкания -18...-55 мА
Ток потребления при низком уровне выходного напряжения не более 22 мА
Ток потребления при высоком уровне выходного напряжения не более 8 мА
Потребляемая статическая мощность на один логический элемент не более 19,7 мВт
Время задержки распространения при включении не более 15 нс
Время задержки распространения при выключении не более 22 нс
Зарубежные аналоги SN7400N, SN7400J

Проверка логики действия элементов 2И-НЕ.

I.Проверка на примере первого элемента (с выводами 1-3).
1.Один из входных выводов (например 2-й) соединяем с общей минусовой шиной (т.е.- с землёй) источника питания.1-й входной вывод соединяем с плюсовой шиной, через резистор сопротивлением 1…1,5кОм. 3-й выходной вывод подключим к вольтметру или к индикаторному светодиоду или к осциллографу.

Вольтметр показывает 3,5…5В -это соответствует высокому уровню напряжения. Индикаторный светодиод горит -это соответствует высокому уровню напряжения. Полоска показываемая осциллографом, поднимается. Также, можно получить высокий уровень напряжения, убрав 2-й входной вывод с минусовой шины (т.е.- с земли).
Вывод: при подаче напряжения высокого уровня на один из входов, на выходе элемента появляется напряжение низкого уровня.

II. Проверка на примере второго элемента (с выводами 4-6):

1.Один из входных выводов (например 5-й) соединяем через резистор, с сопротивлением 1…1,5кОм, с плюсовой шиной, а также соединим 4-й входной вывод с плюсовой шиной через резистор, с сопротивлением 1…1,5кОм. Таким образом на оба входных вывода подаётся высокий уровень напряжения.

Вольтметр показывает 0…0,4В -это соответствует низкому уровню напряжения. Индикаторный светодиод не горит -это соответствует низкому уровню напряжения.

2. Один из входных выводов (например 5-й) соединяем через резистор, с сопротивлением 1…1,5кОм, с плюсовой шиной источника питания с напряжением 0,4В(что соответствует низкому уровню напряжения), а также соединим 4-й входной вывод с источником питания, напряжение которого 0,4В (что соответствует низкому уровню напряжения) через резистор, с сопротивлением 1…1,5кОм. Таким образом на оба входных вывода подаётся низкий уровень напряжения.

Вольтметр показывает 3,5…5В -это соответствует высокому уровню напряжения. Индикаторный светодиод горит -это соответствует высокому уровню напряжения. Полоска показываемая осциллографом, поднимается.
Вывод: при подаче напряжения высокого уровня на оба входа, на выходе элемента появляется напряжение низкого уровня. При подаче напряжения низкого уровня на оба входа, на выходе элемента появляется напряжение высокого уровня.

Таким образом можно составить таблицу:

Где 0 соответствует низкому уровню напряжения, а 1 соответствует высокому уровню напряжения.

1. И. С. Потёмкин. "Функциональные узлы цифровой автоматики ".

2. В.Л. Шило справочник "Популярные цифровые микросхемы".

3. Р.Л. Токхайм "Основы цифровой электроники".

4. П. Хорвиц, У. Хилл "Искусство Схемотехники".

5. В. А. Скаржепа А.А. Новацкий, В.И. Сенько "Электроника и микросхемотехника".

6. Кряжев В. Новосельцев Р. Борщёв Д. "Виртуальное и физическое моделирование цифровых устройств компьютерного интерфейса в Electronics Workbench 5.12 Pro, MultiSIM 2001 Student и на разработанном лабораторном стенде АРМ учащихся"