методические указания для лабораторных работ / изучение счетчиков электрических импульсов

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет Балаковский институт техники, технологии и управления

ИЗУЧЕНИЕ СЧЕТЧИКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ

Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу “Информационно-измерительная техника и электроника”

для студентов специальностей 100200.62 (бакалавр) и 100400 (специалист)

всех форм обучения

Одобрено

редакционно-издательским советом

Балаковского института техники,

технологии и управления

Балаково 2008

Ц е л ь р а б о т ы: изучить схемы построения основных типов счетчиков импульсов, экспериментально проверить функционирование суммирующего, вычитающего, реверсивного и десятичного счетчиков.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Электронное устройство, выполняющее функцию счета числа элект-

рических импульсов напряжения, называется счетчиком. Счетчик состоит из цепочки последовательно соединенных триггеров Т-типа и характеризу-

ется емкостью, под которой понимают максимальное число импульсов N,

которое может сосчитать и запомнить счетчик. Емкость счетчика N напря-

мую связана с разрядностью n (иначе числом последовательно соединен-

ных в нем триггеров) соотношением:

N = 2n -1. (1)

Действие счетчика любого типа основано на свойстве Т-триггера из-

менять свое состояние на противоположное по срезу (заднему фронту) им-

пульса на счетном входе. Диаграмма переключений Т-триггера на рис. 1.

Рис. 1. Временная диаграмма и условное обозначение Т-триггера:

а - диаграмма напряжений входных импульсов; б - диаграмма напряжений выходных импульсов; в – условное обозначение Т-триггера

Известно большое разнообразие типов счетчика. Особенность счетчи-

ка, его функциональные возможности определяются способом соединения

триггеров внутри счетчика.

2

Суммирующий счетчик. В нем используется непосредственные свя-

зи между триггерами: прямой выход каждого предыдущего триггера счет-

чика соединен со входом последующего. Способ соединения иллюстриру-

ется на рис. 2 на примере четырехразрядного счетчика.

Рис. 2. Суммирующий счетчик с непосредственными связями

Работа счетчика поясняется временными диаграммами рис. 3.

Рис.3. Временные диаграммы суммирующего счетчика с непосредственными связями

Условимся, что в исходном состоянии счетчик обнулен, на выходах всех триггеров низкий уровень напряжения, соответствующий нулю (Q0 = Q1 = Q2 = Q3 = 0). На вход счетчика подана последовательность импуль-

сов С (на рис. 3 показано восемь импульсов последовательности).

3

По заднему фронту первого импульса первый триггер цепочки D0 пе-

реключается в единичное состояние (Q0 = 1), остальные триггеры остают-

ся в нулевом состоянии. По заднему фронту второго импульса первый триггер D0 переключается из единичного в нулевое состояние (Q0 = 0), на его выходе формируется ниспадающий фронт импульса (1-0), который по-

ступает на вход второго триггера D1 и переключает его в единичное со-

стояние (Q1 = 1). Состояние остальных триггеров не меняется.

По заднему фронту третьего импульса первый триггер D0 переключа-

ется в единичное состояние (Q0 = 1), переключению соответствует перед-

ний фронт (0-1) импульса на выходе, поэтому в остальных триггерах изме-

нения не происходит. По заднему фронту четвертого импульса триггер D0

переключается в нулевое состояние (Q0 = 0), ниспадающим задним фрон-

том D0 переключит D1в противоположное (нулевое) состояние. На выходе

D1 также формируется ниспадающий фронт, который поступает на вход третьего триггера D2 и переключает его из нулевого в единичное состоя-

ние. В итоге D0 = 1, D1 = 0, D2 = 1. Далее процесс продолжается по анало-

гии. Задний фронт (1- 0) импульса предыдущего триггера, вызывающий переключение последующего триггера, на временных диаграммах обозна-

чается зигзагообразной стрелкой.

Пошаговый анализ переключений триггеров на временных диаграм-

мах позволяет составить таблицу состояний триггеров счетчика. Уровни импульсов на выходах триггеров далее рассматриваются как разряды дво-

ичного числа: значение Q0 принимается за младший разряд, Q3 – за стар-

ший. Из таблицы и временных диаграмм следует, что с приходом каждого очередного импульса значение двоичного кода увеличивается на единицу,

то есть происходит суммирование числа импульсов. Значение десятичного эквивалента двоичного числа (столбец 7), накопленного в счетчике, в точ-

ности соответствует номеру импульса (столбец 1), общему их числу.

Шестнадцатый импульс переводит счетчик в исходное состояние, об -

4

Таблица 1

Состояние триггеров четырехразрядного счетчика

нуляет его. Число триггеров в счетчике 4, тогда 24 = 16. Число 16 есть мо-

дуль или основание счета. Максимальное число, которое способен нако-

пить счетчик, 11112 = 1510. Тогда модуль счета 15 + 1 или в общем случае

N + 1= 2n.

Увеличение емкости счетчика происходит простым наращиванием числа триггеров.

Вычитающий счетчик. Он отличается от суммирующего тем, что вход последующего триггера соединяется с инверсным (а не с прямым)

выходом предыдущего Q , состояние которого всегда противоположно со-

стоянию прямого выхода Q. Соединение триггеров в вычитающем счетчи-

ке показано на рис. 4. Информационными остаются прямые выходы триг-

геров Q3, Q2, Q1, Q0.

5

Рис. 4. Схема соединения триггеров вычитающего счетчика

Для анализа работы счетчика по временным диаграммам условимся,

что триггеров три (триггер D3 - отсутствует) и счетчик хранит максималь-

ный код 111 (Q2 = 1, Q1 = 1, Q0 =1). Временные диаграммы приведены на рис. 5.

Рис. 5. Временные диаграммы вычитающего счетчика с непосредственными связями

Особенность временных диаграмм вычитающего счетчика в том, что

на них дополнительно показано состояние инверсных выходов Q0 и Q1 .

6

Задний фронт импульсов на этих выходах обеспечивает переключение триггеров последующих ступеней счетчика.

Первый импульс на входе С переключает прямой выход триггера D0

в нулевое состояние (Q0 = 0), а инверсный - в единичное (Q0 = 1). Перед-

ний фронт (0 -1) импульса инверсного выхода не изменяет состояния по-

следующих триггеров D1 и D2. В триггерах счетчика записывается код

110, выполнено уменьшение исходного кода на единицу.

Второй импульс на входе С переключает прямой выход триггера D0

в единичное состояние (Q0 =1), а инверсный – в нулевое (Q0 = 0). На ин-

версном выходе формируется ниспадающий фронт (1- 0) импульса, пере-

ключающий триггер D1 из единичного состояния в нулевое (Q1 = 0). В

счетчике записывается код 101.

Продолжая анализ состояний триггеров подобным образом, на осно-

ве временных диаграмм можно составить таблицу состояний триггеров вычитающего счетчика (табл. 2).

Таблица 2

Состояние триггеров трехразрядного вычитающего счетчика

По данным таблицы значение двоичного кода счетчика с каждым оче-

редным импульсом уменьшается на единицу, происходит вычитание еди-

7

ницы из содержимого (сравнить содержимое одноименных строк столбцов

1 и 6). Отсюда название счетчика – вычитающий.

Восьмой импульс переводит счетчик в исходное состояние. Модуль счета трехразрядного счетчика 23 = 8.

В практических схемах применяются более компактные условные обозначения счетчиков, не содержащие внутренних схем. На рис. 6 пока-

заны примеры условных обозначений счетчиков.

а)

б)

Рис. 6. Условные обозначения счетчиков: а – УГО суммирующих счетчиков;

б – УГО вычитающих счетчиков

Левое вертикальное поле прямоугольника УГО содержит обозначе-

ние входов, правое – обозначение выходов. Все УГО верхней строки экви-

валентны друг другу и соответствуют суммирующему счетчику (знак +1

или С), все УГО нижней строки соответствуют вычитающему счетчику

(знак -1 обязателен). Возрастающие цифры обозначения выходов соответ-

ствуют переходу от младших разрядов числа в счетчике к старшим (Q0 или

1 – младший разряд, Q3 или 4 – старший разряд). Среднее поле УГО со-

держит знак счетчика «СТ» с добавлением цифры, указывающей на модуль счета (СТ8, СТ16, СТ10). Символ СТ2 определяет счетчик как двоичный и применяется наиболее часто.

8

Рассмотренные счетчики с непосредственными связями обладают следующим недостатком. Каждый последующий триггер счетчика сраба-

тывает чуть позже предыдущего, то есть с задержкой. При большой раз-

рядности счетчика задержка может стать сравнимой с длительностью входного импульса, возникает вероятность сбоя счета. Для исключения сбоев внутренняя схема соединений усложняется (счетчики со сквозным,

параллельным и т. д. переносами), но принципиальная сторона работы со-

храняется прежней. Счетчики выпускаются в виде интегральных микро-

схем и маркируются на корпусе символом с сочетанием букв «ИЕ». При-

мером промышленных счетчиков, близких к рассмотренным, являются К155ИЕ2, К155ИЕ4, К155ИЕ5.

Реверсивные счетчики. Они могут работать в режиме суммирую-

щего или вычитающего с возможностью переключения. Принципиально переход соответствует переключению входа последующего триггера от прямого выхода предыдущего к его инверсному выходу. На рис. 7 положе-

ние «1» переключателя S1 соответствует режиму суммирования, а положе-

ние «2» - режиму вычитания.

управление реверсом

Рис. 7. Принцип действия реверсивного счетчика

Переключатель реверса S1 на схеме рис. 7 показан механическим. В

реальных схемах счетчиков он выполняется электронным на логических элементах. Достаточно просто управляемый электронный ключ реализует-

ся на логическом элементе «И» (рис. 8). Управление ключом основывается

9

Рис. 8. Логический элемент «И» в качестве управляемого ключа: а – элемент «И»;

б – эквивалентная функциональная схема элемента «И»; в – таблица истинности

Один из входов (Х1) принимается за управляющий, другой (Х2) – за информационный. При Х1 = 0 информация со входа Х2 на выход Y не проходит, значит Х1 = 0 является сигналом запрета передачи информации.

При Х1 = 1 информация на выходе (Y) повторяет информацию на входе

(Х2), то есть Х1 = 1 является сигналом разрешения передачи. Такое функ-

ционирование отражается эквивалентной схемой элемента (рис. 8в).

В реверсивном счетчике применяются два таких ключа, выходные сигналы которых объединяются и подаются на вход триггера последующе-

го каскада через элемент «ИЛИ» (рис. 9).

Рис. 9. Схема реверсивного счетчика с электронным переключателем-мультиплексором

Подача сигнала единичного уровня на вход «+1» переводит счетчик по входу «С» в режим суммирующего, а подача сигнала единичного уров -

ня на вход «-1» - в режим вычитающего. Одновременная подача двух уп -

равляющих сигналов является запрещенной.

10