Расчетное задание № 8

Изучение цифровых счетчиков импульсов

8.1. Цель работы

8.1.1. Изучить схему и принцип действия цифровых счетчиков импульсов

8.1.2. Рассчитать количество триггеров схемы исходя из емкости счётчика соответствующей варианту задания.

8.1.3. Разработать схему счётчика исходя из варианта: а) с обратными связями; в) со схемой И. Схемы разработать в трёх вариантах: 1) структурную; 2) электрическую принципиальную счётчиках на ТТЛ; 3) электрическую принципиальную на счётчиках МОП.

8.1.4. Дать описание работы схем и обоснование выбора схемы счётчика на примере двух- трёх счётчиков.

8.2. Содержание расчетного задания

8.2.1. Выполнить расчёт и разработку схемы цифрового счетчика импульсов. Варианты исходных параметров для расчета приведены в таблице 8.1 и указываются преподавателем.

8.3. Методические указания

Счетчик – устройство, выполненное на основе цепочки триг­геров, осуществляющее счет импульсов и фиксирующее это число в коде. Счетчики применяются в различных областях цифровой тех­ники, в частности, в электроизмерительной аппаратуре, управляю­щих системах ЭВМ, датчиках технологических параметров и т.д. Наибольшее распространение получили двоичные и двоично­-десятичные счетчики.

По выполняемой функции счетчики делятся на суммирующие, вычитающие и реверсивные. В суммирующих счетчиках число увеличивается на одну единицу с приходом каждого нового счет­ного импульса. Вычитающие счетчики содержащееся в них число уменьшают на одну единицу под воздействием очередного счетно­го импульса. Реверсивные счетчики в зависимости от поданной ко­манды могут работать как в режиме суммирования, так и в режиме вычитания счетных импульсов.

Основу счетчиков составляют триггеры, как правило, D- или JK-типов, включаемые в счетном режиме (Т-триггеры). Каждый триггер образует соответствующий разряд счетчика. В дальнейшем символом Q ₀ будем обозначать младший, символом Q_n-1 – стар­ший разряд счетчика, где n – общее число разрядов. Максимальное количество импульсов суммируемых счётчиком с n разрядов определяется уравнением N=2 ⁿ.

Таблица 8.1

Ёмкость счётчика по вариантам

Алгебра логических схем отображает двоичное многоразрядное число в виде суммы величины чисел отдельных разрядов Q соответствующих его номеру. Уравнение N=2ⁿ можно для n=8 написать так:

N=2ⁿ=2⁰+2¹+2²+2³+2⁴+***+2⁸⁼1+2+4+8+16+***+256. (8.1.)

По принципу построения счетчики подразделяются на асин­хронные и синхронные. Асинхронные счетчики представляют собой последовательное включение триггеров, где каждый последующий триггер переключается под действием выходного сигнала предыду­щего триггера. В синхронных счетчиках счетный импульс одновре­менно подается на управляющие входы триггеров всех разрядов.

Рассмотрим асинхронный двоичный суммирующий счетчик на основе JK-триггеров, работающих по заднему фронту импульса на входе С (рис. 8.1, а). Вход С каждого последующего триггера подключается к прямому выходу триггера предыдущего разряда.

Для организации Т-режима в JK-триггерах на входы J и К пода­ется «1» (рис. 8.1, б). При этом источник счетных импульсов под­ключается к выходу С триггера младшего разряда. Для триггеров более старших разрядов источником счетных импульсов является информационный сигнал с выхода триггера предыдущего разряда.

.

Рис. 8.1. Асинхронный двоичный суммирующий счетчик а,

JK-триггер в Т-режиме б, временные диаграммы работы счётчика в.

Считаем, что в начальный момент времени счетчик находится в нулевом состоянии. Триггер младшего разряда изменяет свое состояние синхронно с задним фронтом каж­дого счетного импульса Хс, поступающего на его вход С (рис.8.1, в). Триггеры вто­рого и последующих разрядов счетчика реагируют на задний фронт выходных импульсов Q _0, Q ₁, Q ₂, Q ₃ с инверсных выходов предыдущих разрядов. В результа­те уровень сигнала Q ₀ изменяется с приходом каждого второго счет­ного импульса Х_с , сигнала Q ₁ с приходом каждого четвертого импульса Х_с , сигнала Q ₂ с приходом каждого восьмого импульса Х_с. При этом каждый импульс Х_с вызывает увеличение содержи­мого счетчика на одну единицу до тех пор, пока не произойдет пере­ход всех разрядов в состояние «1» (десятичное число 15)), то есть 15=2⁴.

8.2. Условное обозначение двоичного счётчика

Частота импульсов на выходе каждого последующего разряда в два раза меньше частоты выходного сигнала предыдущего разряда. На схемах двоичные счетчики однонаправленного действия (сум­мирующие или вычитающие) имеют условное графическое обозна­чение (рис. 8.2). Цифра 2 при символе СТ обозначает, что счет­чик работает в двоичном коде, R – вход установки счетчика в со­стояние 0; S – вход установки счетчика в со­стояние 1; С – счетный вход; Q ₀… Q ₃ – выходы соответствующего разряда счетчика, где Q ₀ – младший разряд.

Для получения счетчика, работающего в другом коде, например десятичном, применяют обратные связи. На рис. 8.3, а приведена функциональная схема десятичного (декадного) счетчика импульсов на четырех триггерах, а на рис. 8.3, б — его условное обозначение при интегральном исполнении.

Рис. 8.3. Схема (а) и условное обозначение (б) десятичного счетчика

С выхода триггера Т₄ сигналы обратной связи поступают на входы триггеров T ₂, Т ₃. Благодаря этому после поступления на вход счет­чика восьмого импульса на выходе триггера Т₄ появляется сигнал < ↓ >, который переводит триггеры Т₃, Т₂ из состояния «0» в состоя­ние «1» (табл. 8.3).

Девятый импульс переводит триггер Т4 в состояние «1», и все триггеры оказываются в состоянии «1». Десятый импульс перево­дит все триггеры в состояние «0», и счет начинается снова. Исполь­зуя обратные связи, можно построить счетчик, работающий в систе­ме счисления с любым основанием.

Это свойство обратных связей необходимо использовать для разработки схемы с ёмкостью счётчика указанной в задании.

Рассмотренные счетчики выполняют операцию суммирования числа импульсов, поступивших на вход, поэтому их называют сум­мирующими.

Таблица 8.3

Таблица переходов десятичного счетчика

Счетчики, выполняющие операции сложения и вычитания, назы­вают реверсивными. Обычно они имеют два входа: сложения и вы­читания.

Описанные счетчики относятся к последовательным (асинхрон­ным), у которых импульсы поступают только на вход триггера пер­вого разряда, а каждый последующий триггер управляется вы­ходным сигналом предыдущего. Для повышения быстродействия применяют параллельные (синхронные) счетчики, в которых вход­ной сигнал воздействует параллельно на входы синхронизации всех разрядов счетчика, построенного на jk-триггерах. Использова­нием D-входов добиваются необходимой последовательности пере­ключения триггеров.

Для выполнения задания необходимо взять счётчик с числом триггеров обеспечивающим суммирование указанных в задании чисел. Количество триггеров или разрядов можно сосчитать по формуле N=2 ⁿ, где n это число разрядов то есть триггеров.

Для разработки схемы счётчика, работающей по принципу суммирования чисел разрядов заданного числа, необходимо ввести в схему логический элемент И с числом входов n, которые подключаются к выходам триггеров Q ₁- Q _n.Если для разработки схемы такой схемы взять за основу схему рисунка 8.1, а, то суммируя сигналы с выходов триггеров Т: Q 0, Q 1, Q 3, Q 4 с помощью логической схемы И, имеющей четыри входа на её выходе Q, получим сигнал, когда на всех входах будет логическая 1. Как рассматривалось ранее в этой схеме N=15. Если в задании число меньше 32, то нужен счётчик из пяти триггеров, а если задано число меньше 64, то в счётчике должно быть 6 триггеров и т. Д..

Счетчики, выпускаемые промышленностью, выполняют в виде интегральных микросхем, например К176ИЕ1 (шестиразрядный двоичный счетчик), К176ИЕ2 (пяти­разрядный счетчик), К155ИЕ4 (счетчик-делитель на 12). Микросхемы К176ИЕ8и К561ИЕ8 (рис. 8.4)—десятичные счетчики-делители.

Микросхемы К176ИЕ8 и К561ИЕ8 имеют 10 дешифрированных выходов Q 0... Q 9. Если на входе разрешения счета СE микросхемы К561ИЕ8 присутствует низкий уровень, счетчик выполняет свои операции синхронно с положительным перепа­дом на тактовом входе С. При высоком уровне на входе СE действие тактового входа запрещается и счет останавливается. При высоком уровне на входе сбро­са R счетчик очищается до нулевого отсчета. На рис. 8.4 показана схема применения счетчика К561ИЕ8 с уко­роченным циклом. Здесь от выхода N (где 2< N< 9) импульс подается на сброс RS-триггера (используются ключи DD2.3 и DD2.4 дополни­тельной микросхемы K561JIE5). Если N -6, то счетчик ИЕ8 будет ра­ботать как делитель на шесть, что необходимо для устройств отсчета секунд и минут для часов. Выходной сигнал с частотой fвых = fвх/N, появляющийся на выходе переноса, используется для запуска следующего каскада. Дополнительный RS-триггер, на DD3 и DD4 в схеме (рис. 8.4) запускается при совпадении тактового импульса fвх и импульса нулевого отсчета скорости счета (входы 1и2 DD2.1). При этом сигнал с выхода 11 DD2.4, приходя на вход 15[R] микросхемы К561ИЕ8 (DD1), переводит её в состояние счёта с N=6. При этом в выходных сигналах отсутствуют пики по­мех. Сигнал выходного переноса завершает цикл счета при шестом тактовом импульсе. Положительные фронты импульсов fвыхиспользуются как тактовая последовательность для последующего счетчика ИЕ8.

Рис. 8.4. Работа счетчика К561ИЕ8 с укороченным циклом

Цифровые счетчики импульсов применяют для счета числа им­пульсов либо для деления числа импульсов. Счет числа импульсов, поступающих на вход с высокой частотой, необходим в вычисли­тельной технике, автоматике, информационно-измерительной тех­нике (цифровые измерительные приборы), ядерной физике (счет­чики элементарных частиц).

Выпускаемые промышленностью счётчики имеют максимальный коэффициент деления (КД) 64. В задании во всех вариантах КД больше, поэтому потребуется несколько счётчиков включенных последовательно. При этом заданный КД получают умножением коэффициентов деления счётчиков с подходящими значениями КД. Эти параметры счётчиков можно подобрать просмотрев параметры счётчиков ТТЛ приведённых в справочниках [4, 8] или учебниках[11-12].

. Например: задан КД=120. Это число можно получить из двух чисел 10 и12, или трёх: 10. 3, и 4.

Схема структурная и схема электрическая принципиальная. разработанные в соответствии с заданием. должны быть выполнены в соответствии с требованиями ГОСТ. Условные обозначения элементов схем даны в справочниках [4, 8] или учебниках[11-12].

В работе, в дополнение к схемам необходимо привести необходимые расчёты, описание работы разработанных схем, описание параметров счётчиков и принципа их работы.