3 курс Электроника ИУ [препод. Мирина, Михайлов. Много вариантов курсовых, лабы] / 3-лекции и лабы / лабы по электронике / elektron_chetchik-lab3

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Уфимский государственный авиационный технический университет

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ СЧЕТЧИКОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКЕ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к лабораторным работам по дисциплине

«Электроника и микропроцессорная техника»

Уфа 2008

1

Составитель: Т.В. Мирина

УДК

ББК

Изучение работы счетчиков, используемых в цифровой электронике: Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Электроника и МПТ» /Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т; Сост.: Т.В. Мирина. Уфа, 2008. – 27 с.

Рассмотрены назначение и принцип работы различных типов счетчиков (асинхронных, синхронных, и синхронных с асинхронным переносом), используемых в цифровых устройствах, а также основные схемы включения микросхемы двоичного счетчика К555ИЕ5, работающего в коде 8-4-2-1 и коде 2-4-2-1.

Предназначены для студентов 3 курса, обучающихся по направлениям подготовки дипломированных специалистов 200100 - «Приборостроение», специальности 200106 - «Информа- ционно-измерительная техника и технологии» и направлении подготовки дипломированных специалистов 200400 –«Биомедицинская техника», специальностей 200401 –«Биотехнические и медицинские аппараты и системы» и 200402 –«Инженерное дело в медикобиологической практике» очной и заочной форм обучения, а также могут быть полезны студентам других специальностей.

Ил.: 11. Библиогр.: 5 назв.

Рецензенты:

доцент кафедры ИИТ

©Уфимский государственный авиационный технический университет, 2008

2

СОДЕРЖАНИЕ

Лабораторная работа. ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ СЧЕТЧИКОВ,

ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКЕ

1.Цель работы…...………………………………….…………………4

2.Теоретическая часть………...…….………………………………..4

2.1.Общие сведения….……………………....……………………4

2.2.Асинхронные счетчики…….…………..…………………….7

2.3.Синхронные счетчики……………….….…………………...10

2.4.Синхронные счетчики с асинхронным переносом…….…..14

2.5Микросхема двоичного асинхронного счѐтчика К555ИЕ5………………………………………...…17

3.Задание………………………………………………………….….23

4.Требования к оформлению отчета……………………………….26

5.Контрольные вопросы…………………………………………….26 Список используемой литературы………………..……….………..27

3

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ СЧЕТЧИКОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ

ВЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКЕ

1.ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение назначения и принципа работы различных типов счетчиков, используемых в цифровых устройствах, а также изучение работы двоичного счетчика К555ИЕ5, работающего в коде 8-4-2-1- и коде 2-4-2-1, овладение навыками сбора простейших цифровых схем.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1. Общие сведения

Счетчиком – называют устройство, совокупность сигналов на выходе которого в определенном коде отображает число импульсов, поступивших на его вход.

Счетчики представляют собой цифровые микросхемы, имеющие внутреннюю память. Для создания счетчиков несколько триггеров Т–типа соединяют последовательно, так, чтобы выход предыдущего триггера был подключен к входу последующего. Каждый триггер может принимать только два состояния. Поэтому количество комбинаций выходных сигналов, снимаемых с выходов всех триггеров, а, соответственно, и максимальное количество подсчитанных импульсов

равно

четырехразрядный. Максимальное число, которое может подсчитать

Kсч , то происходит переполнение счетчика. При этом он возвращается

4

в нулевое состояние и цикл счета повторяется. Поэтому коэффициент счета характеризует число входных импульсов, необходимых для того, чтобы один цикл преобразования был выполнен и счетчик вернулся в исходное состояние.

В случаях, когда выходной сигнал снимается только с последнего триггера, его перепад c лог.1, на лог.0 или с лог.0, на лог.1 появляется после каждого цикла счета, определяемого коэффициентом счета Kсч .

Поэтому при подаче на вход непрерывной последовательности импульсов с частотой fвх на выходе счетчика будем иметь

последовательность, имеющую частоту

fвых fвх . Kсч

Такие счетчики выполняют функцию деления частоты, и

называются счетчиками–делителями.

Внутренняя память счетчиков - оперативная, то есть ее

содержимое сохраняется только до тех пор, пока включено питание схемы. С выключением питания память стирается, а при новом включении питания схемы содержимое памяти будет произвольным, случайным, зависящим только от конкретной микросхемы, то есть выходные сигналы счетчиков будут произвольными.

Таким образом, счетчики предназначены для счета входных импульсов. То есть с приходом каждого нового входного импульса двоичный код на выходе счетчика увеличивается (или уменьшается) на единицу. Срабатывать счетчик может как по отрицательному фронту входного (тактового) сигнала, так и по положительному фронту. Режим счета обеспечивается использованием внутренних триггеров, работающих в счетном режиме. Выходы счетчика как раз и представляют собой выходы этих триггеров. Каждый выход счетчика представляет собой разряд двоичного кода, причем разряд, переключающийся чаще других (по каждому входному импульсу), будет младшим, а разряд, переключающийся реже других - старшим.

Счетчик может работать на увеличение выходного кода по каждому входному импульсу - это основной режим, имеющийся во всех счетчиках. Этот режим называется режимом прямого счета. Счетчик может также

5

работать на уменьшение выходного кода по каждому входному импульсу - это режим обратного или инверсного счета, предусмотренный в счетчиках, называемых реверсивными. Инверсный счет бывает довольно удобен в схемах, где необходимо отсчитывать заданное количество входных импульсов.

Большинство счетчиков работают в обычном двоичном коде, то есть считают от 0 до 2n 1 , где n - число разрядов выходного кода счетчика. Например, 4-разрядный счетчик в режиме прямого счета будет считать от

0 (код 0000) до 15 (код 1111), а 8-разрядный - от 0 (код 0000 0000) до 255 (код 1111 1111). После максимального значения кода счетчик по следующему входному импульсу переключается опять в 0, то есть работает по кругу. Если же счет - инверсный, то счетчик считает до нуля, а дальше переходит к максимальному коду 111... 1.

Имеются также двоично-десятичные счетчики, предельный код на выходе которых не превышает максимального двоично-десятичного числа, возможного при данном количестве разрядов. Например, 4-разрядный двоично-десятичный счетчик в режиме прямого счета будет считать от 0 (код 0000) до 9 (код 1001), а затем снова от 0 до 9. А 8-разрядный двоично-десятичный счетчик будет считать от 0 (код 0000 0000) до 99 (код 1001 1001). При инверсном счете двоичнодесятичные счетчики считают до нуля, а со следующим входным импульсом переходят к максимально возможному двоично-десятичному числу (то есть 9 - для 4-разрядного счетчика, 99 - для 8-разрядного счетчика). Двоично-десятичные счетчики удобны, например, при организации десятичной индикации их выходного кода. Применяются они гораздо реже обычных двоичных счетчиков.

Счетчики подразделяются:

по коэффициенту счета: на двоичные, двоично-десятичные (декадные), с произвольным постоянным коэффициентом счета, с переменным коэффициентом счета.

по способу организации внутренних связей между триггерами на счетчики: с последовательным переносом, с параллельным переносом, с комбинированным переносом, и кольцевые.

в зависимости от выполняемой функции: на суммирующие,

вычитающие и реверсивные счетчики.

6

по быстродействию: асинхронные счетчики (или последовательные), синхронные счетчики (или параллельные), синхронные счетчики с асинхронным переносом (или параллельные счетчики с последовательным переносом)

(синхронно-асинхронные счетчики).

Меткой счетчика на схемах служат буквы СТ, указываемые в основном поле. После них иногда проставляют число, характеризующее коэффициент счета, например, 2 или 10.

2.2 Асинхронные счетчики

Асинхронные счетчики строятся из простой цепочки JK-триггеров, каждый из которых работает в счетном режиме. Выходной сигнал каждого триггера служит входным сигналом для следующего триггера. Поэтому все разряды (выходы) асинхронного счетчика переключаются последовательно (отсюда название - последовательные счетчики или счетчики с последовательным переносом информации), один за другим, начиная с младшего и кончая старшим. Каждый следующий разряд переключается с задержкой относительно предыдущего.

Чем больше разрядов имеет счетчик, тем большее время ему требуется на полное переключение всех разрядов. Задержка переключения каждого разряда примерно равна задержке триггера, а полная задержка установления кода на выходе счетчика равна задержке одного разряда, умноженной на число разрядов счетчика.

Необходимо учитывать, что при периоде входного сигнала, меньшем полной задержки установления кода счетчика, правильный код на выходе счетчика просто не успеет установиться, поэтому накладывают жесткие ограничения на период (частоту) входного сигнала, причем увеличение, к примеру, вдвое количества разрядов счетчика автоматически уменьшает вдвое предельно допустимую частоту входного сигнала.

Таким образом, если нам нужен выходной код асинхронного счетчика, то есть все его выходные сигналы (разряды) одновременно, то

должно выполняться следующее неравенство:

T N tз

7

где Т - период входного сигнала, N - число разрядов счетчика, tз - время

задержки одного разряда.

Еще необходимо учитывать, что за период входного сигнала должно успеть сработать устройство (узел), на которое поступает выходной код счетчика, иначе счетчик просто не нужен; поэтому вводят ограничение на частоту входного сигнала.

В состав стандартных серий цифровых микросхем асинхронных счетчиков входят: ИЕ2 (4-х разрядный двоично-десятичный счетчик), ИЕ5 (4-х разрядный двоичный счетчик) и ИЕ19 (8-ми разрядный двоичный счетчик (он же сдвоенный четырехразрядный счетчик). Условное обозначение этих счетчиков приведено на рис. 1.

Рис. 1. Асинхронные счетчики стандартных серий

У всех этих счетчиков управление работой очень простое - есть всего лишь входы сброса в нуль. У ИЕ2 есть еще входы для установки в 9. Все эти асинхронные счетчики работают по отрицательному фронту входного сигнала С (или, что то же самое, по заднему фронту положительного входного сигнала или по срезу). У всех трех счетчиков выделены две независимые части, что увеличивает возможности их применения. При объединении этих двух частей получается счетчик максимальной разрядности. Выходы счетчиков обозначают на схемах Q0 , Q1, Q2, Q3 (как номера разрядов выходного двоичного кода) или 1, 2, 4, 8, … (как веса каждого разряда двоичного кода).

8

Счетчик ИЕ2 (рис.1, а) имеет две части: один триггер (вход С1, выход Q0 ) и три триггера (вход С2, выход Q1, Q2, Q3 ). Таким образом, он состоит из одноразрядного счетчика и трехразрядного счетчика. Одиночный триггер работает в обычном счетном режиме, изменяя свое состояние по каждому отрицательному фронту сигнала С1, т.е. делит частоту входного сигнала на 2. Три оставшихся триггера включены таким образом, чтобы считать до 5, т.е. делить входную частоту сигнала С2 на 5. По достижении кода 4 (т.е. 100) на выходах Q1, Q2 , Q3 этот трехразрядный счетчик по следующему отрицательному фронту сигнала С2 сбрасывается в нуль. При объединении выхода Q0 микросхемы со входом С2 получается 4-х разрядный двоичнодесятичный счетчик, делящий частоту входного сигнала С1 на 10 и сбрасывающийся в нуль после достижения на выходах Q0 , Q1, Q2 , Q3 кода 9 (т.е. 1001) по отрицательному фронту сигнала С1.

Счетчик ИЕ2 имеет два входа асинхронного сброса в нуль R1 и R2 , объединенных по функции И, и два входа S1 и S 2 объединенных по функции И для предварительной загрузки в счетчик двоичного кода 1001, соответствующего десятичной цифре 9, причем установка в 9 блокирует установку в нуль. Наличие входов сброса и установки позволяет построить на базе этого счетчика делители частоты с разными коэффициентами деления.

Счетчик ИЕ5 (рис.1, б) состоит из двух частей: один триггер (одноразрядный счетчик) со входом С1 и выходом Q0 и три триггера (трехразрядный счетчик) со входом С2 и выходами Q1, Q2 , Q3 ). Оба счетчика двоичные, первый из них считает до двух, а второй до 8. При объединении выхода Q0 микросхемы со входом С2 получается 4-х разрядный двоичный счетчик, считающий до 16. Счет производится по отрицательному фронту входного сигнала С1 и С2. Сбрасывается счетчик в нуль по сигналам R1 и R2 , объединенным по функции И. При объединении счетчиков для увеличения разрядности (каскадировании) необходимо выход Q3 предыдущего счетчика (выдающего более младшие разряды) соединить со входом С1 следующего счетчика (выдающего более старшие разряды).

9

Счетчик ИЕ19 (рис.1, в) можно рассматривать как сдвоенный вариант счетчика ИЕ5. Он состоит из двух идентичных независимых друг от друга 4-х разрядных асинхронных счетчиков, каждый из которых имеет свой счетный вход С и свой вход сброса R. Считают оба счетчика входящих в микросхему по отрицательному фронту на своих входах С1 и С2. Сбрасываются они единичными сигналами на входах сброса R1 и R2 . Счетчики, входящие в микросхему ИЕ19, могут быть использованы как самостоятельно (два отдельных независимых друг от друга счетчика), так и для построения 8-ми разрядного асинхронного счетчика путем соединения выхода Q3 первого счетчика со счетным сходом С2 второго счетчика. В результате такого соединения будет получен счетчик, веса выходов которого будут соответствовать

1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128.

Недостатки асинхронных счетчиков: сниженное быстродействие из-за того, что триггеры срабатывают последовательно один за другим; возможность появления кратковременных ложных сигналов на выходах дешифраторов, подключенных к счетчику вследствие задержек с переключением отдельных триггеров.

Основное применение асинхронных счетчиков состоит в построении всевозможных делителей частоты, т.е. устройств, выдающих выходной сигнал с частотой в несколько раз меньшей, чем частота входного сигнала.

2.3. Синхронные счетчики

Синхронные счетчики являются параллельными счетчиками (или счетчиками с параллельным переносом информации). Эти счетчики характеризуются тем, что все их разряды в пределах одной микросхемы переключаются одновременно, параллельно. Это достигается существенным усложнением внутренней структуры микросхемы по сравнению с простыми асинхронными счетчиками. В результате полная задержка переключения синхронного счетчика примерно равна задержке одного триггера, то есть синхронные счетчики гораздо быстрее асинхронных, причем их быстродействие не падает с ростом количества

10