МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный университет

аэрокосмического приборостроения»

(ГУАП)

______________________________________________________________

ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ СХЕМ

Методические указания к выполнению

лабораторных работ

Санкт-Петербург

2013

Составили: Дмитриев Ю.И., Неделин П.Н.

Рецензент: канд. техн. наук Никитин В.Г.

Указания содержат краткие сведения о принципах функционирования различных типов счетчиков и регистров, реализованных на интегральных триггерах, приводятся методики их построения с помощью интегральных элементов, входящих в состав универсального лабораторного стенда типа УМ-11. Дано описание стенда и приведены указания к исследованию синтезированных студентами схем.

На том же макете выполняются три лабораторных работы по исследованию комбинационных устройств – цифрового компаратора, мультиплексора и сумматора по модулю два.

Методическая разработка предназначена для студентов всех специальностей I факультета дневной, вечерней и заочной формы обучения.

Подготовлена к публикации кафедрой аэрокосмических систем ориентации, навигации и стабилизации по рекомендации методической комиссии I факультета.

Лабораторная работа № 1

1. Исследование счетчиков на интегральных элементах

Цель работы:

- изучение принципов построения и функционирования различных счетчиков (СТ);

- построение двоичных (последовательных и параллельных) и двоично-

десятичных СТ на JK-триггерах, входящих в состав лабораторной установки;

- исследование работы СТ.

1. Методические указания

По принципу логического функционирования все узлы и блоки цифровых устройств делятся на два класса: комбинационные и последовательностные. Комбинационные устройства - это класс устройств, выходные сигналы и логическое состояние которых в стационарном режиме на данном такте определяется лишь комбинацией входных сигналов, действующих на этом же такте.

Последовательностные устройства - это класс устройств, выходные сигналы и логическое состояние которых в стационарном режиме на данном такте зависят не только от входных сигналов на этом такте, но еще и от внутреннего состояния устройства на этом такте, т. е. от сигналов на элементах памяти, которые в свою очередь зависят от их состояния на предшествующем такте и от сигналов на данном такте.

В связи с этим комбинационные устройства часто называют логическими автоматами без памяти, а последовательностные - логиче­скими автоматами с памятью или конечными автоматами.

Логические функции и их аргументы принимают значения логиче­ских 0 или 1, для физического представления которых используются два способа: потенциальный и импульсный. При потенциальной форме для преобразования логических 0 и 1 используются два уровня напряжения: независимо от полярности напряжения питания более положительный уровень соответствует логической "1", более отрицательный - логическому "0". В пределах тактовых интервалов уровень напряжения сохраняется постоянным. На границах тактовых интервалов при смене значений кодов, напряжения изменяются от одного уровня до другого.

При импульсной форме логической "1" соответствует наличие импульса, логическому "0" - отсутствие импульса в тактовый момент.

Основными представителями логических устройств являются:

- счетчики;

- триггеры - простейшие автоматы памяти;

- регистры.

Счетчиком (СТ) называется цифровое устройство, осуществляющее счет числа появлений на его входе определенного логического уровня, обычно соответствующего уровню логической 1, который является входным сигналом. Под действием входного сигнала СТ циклически переходит из одного состояния в другое. В качестве входного сигнала при импульсном представлении логических переменных рассматривается наличие импульса, при потенциальном - наличие перепада напряжения определенного уровня.

Счетчик представляет собой устройство последовательностного типа, так как в нем новое состояние определяется предыдущим и значени­ем логической переменной на входе. Состояние СТ характеризуются двоичным кодом, зафиксированным на выходах триггеров.

Правила работы СТ и смена состояний, входящих в его состав триггеров при поступлении на вход «п» входных импульсов, где n=0, 1, 2, ..., ( K_C -1), обычно задаются в виде соответствующей таблицы или карты состояний.

Параметры счетчиков. Модуль счета K_C - это число импульсов после поступления которых СТ должен вернуться в исходное состояние. В двоичном счётчике K_C=2^m где m- число триггеров, используемых в СТ для регистрации двоичного числа. Если K_C ≠ 2^m счётчик называется недвоичным, в частности, при K_C = 10ⁿ получается десятичный счётчик.

Емкость СТ, N- максимальное значение числа, до которого может вестись счет с помощью данного СТ; N = K_C -1 = 2^m - 1. Состояние триггеров всех разрядов двоичного суммирующего СТ в зависимости от числа импульсов, поступивших на вход СТ и соответствующих уровню логической 1 для m = 4, определяется данными таблицы состояний (табл.1).

Время установления, t_уст - это интервал времени между моментом поступления i-го входного счетного импульса и установлением в СТ кода числа.

Разрешающая способность СТ, t_p - это минимальное время между двумя входными импульсами, при котором СТ работает надежно. При этом t_p > t_уст.

Максимальная частота входных импульсов f_max - это частота, при которой СТ сохраняет работоспособность. Для увеличения надежности передачи информации с выхода первого триггера, где длительность импульсов минимальна, принято считать рабочей частотой такую, которая определяется соотношением:

f_p = f_max /1,5

Классификация счетчиков. По типу функционирования различают СТ суммирующие, вычитающие и реверсивные. Суммирующие СТ выполняют прямой счет, в этом случае при поступлении на вход очеред­ного импульса число на выходе СТ увеличивается на единицу. Вычитаю­щий СТ производит обратный счет, при котором при поступлении на вход очередного импульса число на выходе уменьшается на единицу. Реверсив­ный СТ может работать в режимах прямого и обратного счета.

Все указанные три типа счётчиков относятся к счётчикам с естественным порядком счёта. Существует ещё отдельный класс счётчиков (делителей частоты), у которых при подаче одного очередного импульса состояние изменяется более чем на единицу. Это счётчики с произвольным порядком счёта. Они используются для деления частоты входных сигналов в K_C раз. По организации цепей переноса СТ делятся на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные (иногда последовательные СТ называют асинхронными, а параллельные - синхронными).

1.2 ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ ДВОИЧНЫЕ СЧЁТЧИКИ

Последовательный СТ может быть реализован в виде цепочки триггеров, тактовый вход каждого из которых подключен к выходу Q или предыдущего триггера. В этом случае счетные импульсы подаются только на вход триггера первого разряда. Для каждого из последующих разрядов сигналы для переключения поступают с выхода предыдущих разрядов. В результате происходит последовательное переключение разрядов СТ.

Последовательный СТ с модулем счета K_C = 2^m обычно реализуется путем последовательного соединения Т-триггеров, каждый из которых работает с модулем счета K_C = 2. Триггер, работающий в счетном режиме, может быть получен также из JК-триггера. Для этого обеспечивается условие J = К = 1, при котором JK-триггер функционирует как Т-триггер при подаче счетного сигнала на вход синхронизации С. Состояния JK - триггера, синхронизируемого задним фронтом, при J = K = 1 изменяется на противоположное (Qⁿ⁺¹ = ⁿ), при поступлении каждого синхроимпульса и соответствует данным табл.2.

Таблица 1

Таблица состояний двоичного счетчика

Число импульсов, поступивших на вход	Q3	Q2	Q1	Q0
0	0	0	0	0
1	0	0	0	1
2	0	0	1	0
3	0	0	1	1
4	0	1	0	0
5	0	1	0	1
6	0	1	1	0
7	0	1	1	1
8	1	0	0	0
9	1	0	0	1
10	1	0	1	0
11	1	0	1	1
12	1	1	0	0
13	1	1	0	1
14	1	1	1	0
15	1	1	1	1
16	0	0	0	0

Таблица 2

Таблица состояний JK-триггера

J	K	Qn	Qn+1
0	0	0	0 Qn+1 = Qn 1
0	0	1
0	1	0	0
0	1	1	0
1	0	0	1
1	0	1	1
1	1	0	1 Qn+1 = Qn 0
1	1	1

Q₂

Q₁

Q₀

Для построения последовательного СТ на JK-триггерах с K_C=2^m необходимо осуществить их соединение в соответствии со схемой на рис.1.1.

l

l