Лабораторна робота 6

«Лічильники та регістри»

6.1 Мета роботи - теоретичне вивчення принципу роботи лічильників та регістрів. Експериментальне дослідження лічильників та регістрів на їхній основі.

6.2 Основні теоретичні положення

6.2.1 Регістри та лічильники відносяться до розряду цифрових приладів і є одним з найбільш розповсюджених елементів обчислювальної техніки. Вони широко використовуються для побудови приладів введення, виведення і зберігання інформації, а також для виконання деяких арифметичних і логічних операцій.

Для побудови лічильників та регістрів використовуються синхронні тригери, переключення яких відбувається тільки за наявності синхронізаційного сигналу (синхроімпульсу) на вході С. Найбільш часто для побудови регістрів і лічильників використовується універсальний D-тригер, що має спеціальний інформаційний вхід D і динамічний вхід С (рисунок 6.1).

Рисунок 6.1 – Універсальний D-тригер

6.2.2 Пристрій, що називається лічильником, використовується для підрахунку числа сигналів (імпульсів), що надходять в довільній системі числення на його вхід. Двоїчні лічильники будуються на основі тригерів, працюючих в рахувальному режимі (T-тригер або рахувальннй тригер).

Рахувальний тригер може бути отриманий з універсального D-тригера шляхом сполучення його інверсійного виходу Q з входом D. Рахувальний тригер і діаграми сигналів, що пояснюють його роботу, показані на рисунку 6.2.

Рисунок 6.2 – Рахувальний тригер та діаграми його роботи

У рахувального тригера стан виходу змінюється на протилежний при надходженні на вхід С кожного чергового лічильного імпульсу.

Функціональна схема і умовна графічна позначка двоїчного лічильника з коефіцієнтом лічби 2³ показана на рисунку 6.3.

Рисунок 6.3 – Функціональна схема і умовна графічна позначка двоїчного лічильника

Кожний імпульс, що надходить на вхід лічильника, перекидає перший тригер до протилежного стану (рисунок 6.4). Сигнал з інверсійного виходу попереднього тригера є вхіднім сигналом для наступного і, таким чином, комбінація сигналів на виходах Q1, Q2, Q3 буде відповідати числу імпульсів, що надійшли на вхід лічильника, у вигляді двоїчного коду. Лічильник даного типу називається асинхронним лічильником.

Рисунок 6.4 – Діаграма роботи лічильника

Якщо на рахувальний вхід кожного наступного тригера лічильника подавати сигнал з прямого виходу попереднього тригера, то лічильник буде здійснювати операцію віднімання. Лічильники, що здатні виконувати функції додавання та віднімання, називаються реверсивними.

Для побудови лічильника з необхідним коефіцієнтом лічби К_Л, відмінним від величини 2ⁿ (n – число двоїчних розрядів лічильника), використовується примусове скидання лічильника до початкового стану при досягненні лічильником числа К_Л.

6.2.3 Пристрій, що називається регістром, служить в основному для зберігання чисел в двоїчному коді при виконанні над ними різноманітних арифметичних та логічних операцій. За допомогою регістрів виконуються такі дії над числами, як передача іх з одного пристрою до іншого, арифметичне та логічне зрушення в бік молодших або старших розрядів, перетворення коду з послідовного до паралельного і навпаки.

Функціональна схема та умовно-графічна позначка регістру зрушення показані на рисунку 6.5.

Рисунок 6.5 – Функціональна схема та умовно-графічна позначка регістру зрушення

Послідовний інформаційний код надходить на вхід D регістра. Імпульс команди зрушення С подається водночас на синхронізуючі входи всіх тригерів регістру і переводить кожний тригер в стан, в якому знаходився тригер попереднього розряду. Таким чином, кожний імпульс команди зрушення «проштовхує» число, що записується, на один розряд праворуч.

При введенні зворотного зв'язку до регістра зрушення останній перетворюється в замкнуте кільце, в якому під впливом тактових імпульсів циркулює введена до регістра інформація. Такі регістри називають кільцевими лічильниками. Кодова одиниця, введена до першого тригера, циркулює протягом всього часу існування тактових імпульсів, що подаються на входи С всіх тригерів лічильника. Тактовий імпульс, що надходить слідом, переводить тригер, що був в стані 1, в стан 0. Оскільки вихід Q цього тригера зв'язаний з входом D наступного тригера, то останній встановлюється в стан 1 і т.д. Кількість станів такого лічильника дорівнює числу тригерів.

6.3 Попереднє завдання

6.3.1 Вивчити принцип дії, параметри та характеристики лічильників і регістрів.

6.3.2 Накреслити електричні схеми електронних пристроїв, що досліджуються.

6.3.3 Накреслити таблиці для експериментальних даних.

6.4 Завдання для експериментальних досліджень

6.4.1 Дослідити двоїчний послідовний лічильник, що виконує функцію додавання. Лічильник побудований на T-тигерах та має коефіцієнт лічби К_Л =2ⁿ, де n - число тригерів.

6.4.1.1 Зібрати схему лічильника на трьох T-тригерах, використовуючи D-тригери стенда та накладну панель. Для цього слід з'єднати провідниками вхід D та інверсний вихід кожного тригера. Після цього під'єднати вхід С другого тригера (DD5) до інверсійного виходу першого тригера (DD2), а вхід С третього тригера (DD7) до інверсійного виходу другого тригера. Накреслити схему лічильника.

Натиснути кнопку «СБP», встановивши вхідний стан лічильника «000» (Q3, Q2, Q1). Натискаючи кнопку «ПУСК» та підраховуючи вхідні (тактові) імпульси від першого до восьмого, фіксувати по індикаторах стан виходів Q3, Q2, Q1. Записати до таблиці 6.1 стани лічильника і накреслити тимчасові діаграми його роботи по тактах.

Таблиця 6.1 – Стани виходів лічильника по тактах

№ такту	Q3	Q2	Q1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9

6.4.1.2 Натиснувши кнопку «ABT», підключити до входу лічильника генератор імпульсів і зняти осцилограми імпульсів на вході лічильника і на прямих виходах тригерів, використовуючи комутатор стенда. Для цього слід підключити гнізда «Y1(1)» до гнізда «Вх. С» та «YЗ (II)» почергово до виходів тригерів Q1, Q2, Q3. Для установлення на екрані тимчасових діаграм використовувати ручки управління осцилографа.

6.4.2 Дослідити двоїчний послідовний лічильник, що виконує функцію віднімання.

6.4.2.1 Зібрати схему трирозрядного послідовного віднімаючого лічильника на T-тригерах. Для цього слід використати сполучення входу D та інверсного виходу кожного D-тригера по пункту 6.4.1.1 і підключити вхід С другого тригера (DD5) до прямого виходу Q1 першого тригера (DD2), а вхід С третього тригера (DD7) - до прямого виходу Q2 другого тригера. Накреслити схему лічильника.

Натиснути кнопку «СБР», встановивши лічильник в початковий стан. Натискаючи кнопку «ПУСК» та рахуючи вхідні імпульси від першого до восьмого, фіксувати по індикаторах стан виходів Q3, Q2, Q1. Скласти таблицю станів лічильника, подібну до таблиці 6.1, та накреслити діаграми його роботи, згідно з п. 6.4.1.2.

6.4.3 Дослідити недвоїчний послідовний лічильник, для якого К_Л ≠2ⁿ, де n - число тригерів.

6.4.3.1 Розглянемо, наприклад, трирозрядний лічильник з коефіцієнтом лічби К_Л=5. Використаємо схему додавального лічильника на Т-тригерах, наведену в п. 6.4.1.1. Один із способів реалізації недвоїчного лічильника полягає в використанні входів R скидання тригерів, тобто лічба починається з нуля і закінчується числом (К_Л -1). Наприклад, при К_Л=5, стани виходів Q3, Q2, Q1, змінюються послідовно 000-001-010-011-100. При появі кодової комбінації 101 здійснюється примусове скидання тригерів лічильника до нуля і далі лічба повторюється.

6.4.3.2 Зібрати додавальний лічильник згідно з п. 6.4.1.1 та підключити входи елемента «3І-НІ» (DD6) до відповідних кодовій комбінації заданого коефіцієнта лічби К_Л, виходів тригерів. В разі К_Л=5 до входів елемента «3І-НІ» слід підключити прямі виходи Q1 і Q3 та інверсний . Вихід елемента «3І-НІ» підключити до гнізда «R» скидання тригерів до нуля. Накреслити схему недвоїчного лічильника з заданим коефіцієнтом лічби.

Натиснути кнопку «СБР» встановивши вхідний стан лічильника 000. Натискаючи кнопку «ПУСК» та рахуючи вхідні (тактові) імпульси, фіксувати по індикаторах стани виходів Q3, Q2, Q1. Скласти таблицю станів лічильника, подібну до таблиці 6.1, та накреслити діаграми його роботи згідно з п. 6.4.1.2.

6.4.4 Дослідити регістр зрушення на D-тригерах для перетворення послідовного коду в паралельний.

6.4.4.1 Регістр зрушення на D-тригерах реалізується сполученням виходу Q попереднього розряду з входом D наступного. Вхід D першого розряду служить для приймання до регістра інформації у вигляді послідовного коду. Тактові імпульси з гнізда «Вх.С» подаються на всі входи С тригерів паралельно. Кожний тактовий імпульс встановлює наступний тригер в стан, в якому до цього знаходився попередній, здійснюючи тим самим зрушення інформації на розряд праворуч. Накреслити схему регістра на трьох D-тригерах і зібрати її на накладній панелі за допомогою провідників.

6.4.4.2 Записати до регістра зрушення число А=а₃а₂а₁. Вхідний паралельний код подається синхронно з тактовими імпульсами. Запис до регістра здійснюється, починаючи з його старшого розряду та вводиться до першого тригера після першого тактового імпульсу: Q1= а₃. При надходженні другого тактового імпульсу значення а₃, що надходить з виходу Q1, переписується в другий тригер, тобто встановлюється Q1=а₃, а до першого тригера надходить наступний розряд а₂ і т.д. Після третього тактового імпульса на виходах регістра встановлюється паралельний код Q3Q2Q1= а₁а₂а₃.

Наприклад, зробимо запис до регістра числа А=а₁а₂а₃=101(5).

Запис значень числа починається зі старшого розряду, що здійснюється подачею на вхід D першого тригера регістра логічних рівнів з гнізд «1» або «0».

Порядок запису до регістра по тактах:

- встановити регістр в початковий стан 000, натиснувши кнопку «CБР»;

- встановити на вході регістра (вхід DD2) а₁=1 і, натиснувши кнопку «ПУСК», зробити запис старшого розряду числа;

- встановити на вході регістра а₂=0 і, натиснувши кнопку «ПУСК», зробити запис другого розряду числа;

- встановити на вході регістра а₁=1 і, натиснувши кнопку «ПУСК», зробити запис молодшого розряду числа.

Зафіксувати стан регістра по індикаторах «Q3Q2Q1» після трьох тактів запису заданого числа.

6.4.5 Дослідити схему кільцевого лічильника на D-тригерах. Побудувати таблицю станів, подібну до таблиці 3.1, та тимчасові діаграми по тактах його роботи.

6.4.5.1 Кільцевий лічильник на трьох D-тригерах реалізується аналогічно регістру зрушення в п. 6.4.4.1 з введенням зворотного зв'язку. Тактові імпульси з гнізда «Вх.С» подаються на всі входи С тригерів паралельно. Вихід Q першого розряду (DD2) з'єднується з входом D другого розряду (DD5), вихід Q другого розряду з'єднується з входом D третього розряду (DD7), а вихід Q третього розряду з'єднується з входом D першого розряду.

Накреслити схему кільцевого лічильника на трьох D-тригерах та зібрати її на накладній панелі за допомогою провідників.

6.4.5.2 Перевірити функціонування кільцевого лічильника наступному порядку. Перед перевіркою слід до лічильника записати логічну одиницю. Натиснути кнопку «СБР», встановивши лічильник в стан 000. Після цього встановити молодший розряд лічильника в стан Q1=1, подавши на його установлювальний вхід (інверсний) рівень S=0 з нізда «0» єднальним провідником. Відключивши цей провідник, та в ручному режимі, натискаючи кнопку «ПУСК», зафіксувати роботу згідно з таблицею станів.

6.5 Контрольні питання

6.5.1 У чому полягає перевага двоїчної системи у порівнянні з іншими системами числення?

6.5.2 Який пристрій називається регістром та яке його призначення? Як працює двоїчний лічильник імпульсів?

6.5.4 Як визначається необхідне число тригерів в лічильнику та регістрі?

6.5.5 За допомогою чого забезпечується перевід лічильника з режиму додавання в режим віднімання?

6.5.6 Як здійснюється нарощування розрядності лічильника?