Лабораторна робота 5 Дослідження лічильників імпульсів
В лабораторній роботі виконуються такі досліди:
Дослідження чотирьохрозрядного десяткового асинхронного лічильника імпульсів,
мікросхема серії 155ИЕ2 (7490);
Дослідження чотирьохрозрядного лічильника імпульсів, дільника на 2, на 6 та на 12, мікросхема серії 155ИЕ4 (7492);
Дослідження чотирьохрозрядного двійково-десяткового реверсивного лічильника імпульсів, мікросхема серії 155ИЕ6 (74192).
Мета роботи:
Ознайомлення з принципами побудови лічильників імпульсів та їх експериментальне дослідження в пакеті Electronics Workbench v5.12.
План виконання лабораторної роботи
Вивчити розділ «5.1 Теоретичні відомості».
Відповісти на контрольні питання розділу «5.4 Контрольні питання».
Ознайомитись з віртуальними приладами, які використовуються в лабораторній роботі (розділ «5.2 Опис контрольно-вимірювальних приладів»).
Виконати лабораторну роботу згідно розділу «5.3 Завдання лабораторної роботи».
Оформити звіт по лабораторній роботі.
5.1 Теоретичні відомості
Широке поширення в цифровій техніці одержали двійково-десяткові системи числення, у яких десяткові числа записуються як чотирьохрозрядні двійкові числа – двійкові тетради.
Серед двійково-десяткових кодів (ДДК) найпростішим є код «8-4-2-1», отриманий шляхом запису десяткових цифр у двійковій позиційній системі числення.
Переклад чисел з десяткової системи числення в двійково-десяткову зводиться до заміни десяткових цифр двійковими тетрадами відповідно до таблиці 5.1.
Таблиця 5.1.
-
Десяткові цифри
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
ДДК
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
Для перетворення числового імпульсу в двійково-десятковий використовуються двійково-десяткові лічильники – лічильники, стан яких відповідає цифрам ДДК.
Отже, двійково-десяткові лічильники повинні мати десять станів, що відповідають цифрам від 0 до 9.
У порівнянні з двійковими лічильниками в двійково-десяткових лічильниках потрібно виключити ряд станів, що є надлишковими. Це досягається шляхом застосування зворотних зв'язків.
Розглянемо основні способи створення таких зв'язків.
Один зі способів полягає в тому, що після скидання лічильника в стан «0», вихідний сигнал, що знімається з останнього тригера, записує в лічильник число, з якого починається відлік у наступному циклі.
Наприклад, для побудови лічильника з числом станів рівним 5, необхідно в трьохрозрядному лічильнику виключити три надлишкові стани. По цьому вихідний сигнал повинний записувати в лічильник комбінацію 011, тобто число 3. Останній стан лічильника, що відповідає кодовій комбінації 000, є хитливим, тому що при переході в цей стан утвориться сигнал, що записує комбінацію 011.
Функціональна схема лічильника, що має п’ять стійких станів, приведена на рисунку 5.1.
Рис. 5.1 – Функціональна схема лічильника імпульсів, що має п’ять стійких станів
У даній схемі для запису в лічильник комбінації 011 та зв'язку між тригерами використовуються елементи «АБО».
При
переході лічильника з стану 000 на прямому
виході тригера
утвориться перепад напруги , що переведе
тригери
та
у стан «1», у результаті чого в лічильнику
буде записана комбінація 011.
Запис необхідної кодової комбінації може здійснюватись також подачею сигналу з виходу тригера на установочні входи відповідних тригерів лічильника.
Часові діаграми роботи лічильника приведені на рисунку 5.2.
Рис. 5.2 – Часові діаграми роботи лічильника імпульсів
Елемент затримки необхідний для того, щоб сигнал з виходу лічильника надходив на входи тригерів тільки тоді, коли в них закінчиться процес установлення після скидання в нуль.
Сигнал запису початкової кодової комбінації може зніматися не тільки з останнього тригера. У цьому випадку для визначення числа станів доцільно представити лічильники у виді послідовного з'єднання декількох елементарних лічильників, та скористатися міркуваннями, наведеними в попередньому прикладі.
Визначимо кількість станів лічильника, зображеного на рисунку 5.3.
Рис. 5.3 – Схема лічильника імпульсів з зворотним зв’язком
Кількість
станів
при відсутності зворотного зв'язку
дорівнює:
. (5.1)
Зворотним
зв'язком охоплений лічильник з числом
розрядів
.
Кількість
станів цього лічильника дорівнює
.
Тому кількість станів усього лічильника
дорівнює:
.
(5.2)
Після перетворення виразу (5.2), одержимо:
. (5.3)
Звідси
випливає, що кількість станів лічильника
зменшується на
.
На рисунку 5.4 зображена схема лічильника, у якому є дві петлі зворотного зв'язку.
Рис. 5.4 – Схема лічильника імпульсів з двома петлями зворотного зв’язку
Для визначення кількості станів лічильника спочатку припустимо, що відсутній зворотний зв'язок 1. У цьому випадку кількість станів лічильника дорівнює:
. (5.4)
При наявності зворотного зв'язку 1 кількість станів зменшиться на одиницю, тому що сигнал, що знімається з останнього тригера, записується у перший розряд лічильника. Тому вираз (5.4) перепишеться наступним чином:
. (5.5)
Варіюючи ланцюги зворотного зв'язку можна одержати необхідну кількість станів.
В усіх розглянутих лічильниках з зворотними зв'язками відлік починається з нуля. Тому перед початком роботи лічильник повинний скидатися на нуль, а в ньому повинна встановлюватися початкова кодова комбінація. У наступних циклах початкова кодова комбінація встановлюється автоматично за допомогою зворотних зв'язків.
Варто звернути увагу на те, що стану розглянутих лічильників не відповідає кількість поданих імпульсів, яка виражена в двійковій системі.
При використанні лічильника для розподілу кількості імпульсів (для перерахування) це не має значення.
Другий спосіб зменшення кількості станів лічильника полягає у виявленні деякої кодової комбінації та наступному скиданні лічильника в нульовий стан. Так як рахунок завжди починається з нуля, то поточний показ лічильника відповідає кількості поданих на нього імпульсів у двійковій системі числення.
Припустимо, що необхідно створити такий лічильник, що має п'ять стійких станів.
У цьому випадку повинна бути виявлена кодова комбінація 101, тобто число 5. Така кодова комбінація виявляється за допомогою схеми «І» (рисунок 5.5).
Рис. 5.5 – Функціональна схема лічильника імпульсів, що має п’ять стійких станів
При
виявленні зазначеної комбінації на
виході схеми «І» виникає перепад напруги,
що запускає генератор імпульсів скидання
(
).
Цей генератор формує імпульс з необхідними параметрами, і скидає лічильник в нульовий стан.
Після скидання рахунок наступних імпульсів починається з нуля.
Часові діаграми роботи лічильника наведені на рисунку 5.6.
Рис. 5.6 – Часові діаграми роботи лічильника імпульсів
До складу 155 серії входить мікросхема 155ИЕ2 (7490) – чотирьохрозрядний десятковий асинхронний лічильник імпульсів.
Функціональна схема мікросхеми 155ИЕ2 зображена на рисунку 5.7.
Рис. 5.7 – Функціональна схема мікросхеми 155ИЕ2
Таблиця 5.2 – Таблиця станів мікросхеми 155ИЕ2.
CKA |
QD |
QC |
QB |
QA |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
Перший тригер лічильника може працювати самостійно. Він виступає дільником вхідної частоти в два рази.
Тактовий
вхід цього дільника
,
а вихід
.
Інші
три тригери утворюють дільник на 5. П'ять
станів лічильника забезпечуються
завдяки тому, що входи
тригерів об'єднані, на вхід
другого тригера подається сигнал з
інверсного виходу четвертого тригера,
а вхід
четвертого тригера через схему «І»
з'єднаний з прямими виходами другого
та третього тригерів. На рисунку 5.7
зазначені зв'язки виділені товстими
лініями.
Тактовий
вхід тут
.
Для обох тактових входів перепад, що
запускає, негативний (тобто від високого
рівня до низького).
Лічильник
має два входи
асинхронного скидання, а також два
асинхронних входи
,
для попереднього запису в лічильник
двійкового коду 1001, що відповідає
десятковій цифрі 9.
Входи
асинхронного скидання
та
забороняють дію імпульсів по обох
тактових входах. Низький потенціал,
поданий на вхід
,
скидає дані по всіх тригерах одночасно.
Низьким потенціалом на входах забороняється проходження на лічильник тактових імпульсів, а також сигналів від входів .
Щоб одержати на виході лічильника ДДК «8-4-2-1», необхідно з'єднати вихід з входом .
Мікросхема 155ИЕ4 (7492) – чотирьохрозрядний лічильник імпульсів, дільник на 2, на 6 та на 12.
Функціональна схема мікросхеми 155ИЕ4 зображена на рисунку 5.8.
Рис. 5.8 – Функціональна схема мікросхеми 155ИЕ4
Таблиця 5.3 – Таблиця станів мікросхеми 155ИЕ4.
CKA |
QD |
QC |
QB |
QA |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
Якщо
тактова частота
подана на вхід
,
на виході
отримаємо меандр з частотою
.
Послідовність
з частотою
на тактовому вході
запускає дільник на 6 і меандр з частотою
з'являється на виході
.
При цьому на виходах
та
формуються сигнали з частотою
.
Скидання лічильника здійснюється подачею на обидва входи ( та ) високих рівнів. Щоб побудувати лічильник з коефіцієнтом ділення 12, потрібно з'єднати вихід з входом .
Тригери лічильника змінюють свій стан при переході сигналу на вході від високого рівня до низького.
Мікросхема 155ИЕ6 (74192) – чотирьохрозрядний двійково-десятковий реверсивний лічильник імпульсів.
Функціональна схема мікросхеми 155ИЕ6 зображена на рисунку 5.9.
Рис. 5.9 – Функціональна схема мікросхеми 155ИЕ6
Таблиця 5.4 – Таблиця станів мікросхеми 155ИЕ6: режим збільшення (а) та режим зменшення (б).
|
CKA |
QD |
QС |
QB |
QA |
||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
||||||||||
|
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
||||||||||
|
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
||||||||||
|
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
||||||||||
|
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
||||||||||
|
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
||||||||||
|
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
||||||||||
|
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
||||||||||
|
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
||||||||||
|
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
||||||||||
|
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
||||||||||
|
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
||||||||||
|
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
||||||||||
|
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
||||||||||
|
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
||||||||||
|
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
||||||||||
|
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
||||||||||
|
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
||||||||||
|
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
||||||||||
|
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
CKA |
QD |
QС |
QB |
QA |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
а) б)
Якщо
на вході
знаходиться високий рівень сигналу,
то верхні зв`язки замкнуті, а нижні –
розімкнені. Таким чином утворюється
суматорний лічильник імпульсів.
Якщо на вході знаходиться низький рівень сигналу, тоді утворюється віднімаючий лічильник імпульсів.
У
режимі підсумовування прихід імпульсу
на вхід
встановлює на вході
високий рівень, при цьому верхні логічні
елементи «І» готуються до роботи, а
тригер
приймає інформацію. Тобто перший імпульс
– це імпульс установки та лічби.
У
режимі віднімання необхідно подавати
імпульси на другий вхід
.