Стенд №7

Предполагаемый внешний вид:

Внешний вид установки:

Исследуемые схемы монтируются на печатных платах из фольгированного стеклотекстолита, которые укрепляются на алюминиевой (дюралюминиевой) основе размером 430 на 200 мм, закрытой сверху прозрачным пластиком.

Цветное изображение исследуемых схем, название работы, переключатели находится между металлической основой и защитным пластиком. Питание стендов осуществляется от имеющихся источников, встроенных в лабораторные столы.

Приложение 2.

Шаг 1

На первом шаге необходимо выбрать направление сдвига универсального регистра.

Шаг 2

Необходимо выбрать режим работы: автоматический или ручной. При автоматическом режиме работы вся система прогоняется по заранее установленным параметрам. При ручном режиме пользователь сам выбирает необходимые параметры и имеет больший контроль над системой.

Шаг 3 (Автоматический режим)

Выбран автоматический режим. В этом режиме просто необходимо нажать на «Пуск» и указать время задержки импульсов, на рисунке эти элементы управления указаны стрелками. Нажатие на кнопку «Сброс» приводит систему в начальное состояние, она доступна только в автоматическом режиме. Более подробно об элементах см. Шаг 4.

Шаг 4 (Ручной режим)

Для перехода в данный режим необходимо передвинуть переключатель на «Вручную». При этом будут доступны элементы управления на принципиальной схеме и условном обозначении. Первое что необходимо сделать, это подать напряжение (логическая 1) на вход «Х» или подать импульс на вход «С». В дальнейшем, подавая напряжение на вход «Х» или импульс мы изменяем состояние системы. В окне «Таблица переключений» можно наблюдать сделанные переключения, а рядом временную диаграмму работы системы. Подав напряжение (логическая 1) на вход «R», можно привести систему в исходное состояние, но для дальнейшей работы его необходимо выключить.

Исследование работы суммирующего и вычитающего счетчиков

Цель лабораторной работы:

1. Изучение структуры и исследование работы суммирующих и вычитающих счетчиков.

2. Изучение способов изменения коэффициента пересчета счетчиков.

3. Исследование работы счетчиков с коэффициентом пересчета, отличным от 2ⁿ.

Теоретическое введение.

Счетчик — это узел ЭВМ и других устройств цифровой техники. Он осуществляет счет поступающих на его вход импульсов. Большое разнообразие типов счетчиков вызвано их широким использованием как в вычислительной технике, так и в различных устройствах автоматики. Они применяются для образования последовательностей адресов команд, для счета числа, циклов выполнения операций, для запоминания кода в аналого - цифровых преобразователях и т. д. счетчик, как и сдвигающие регистры, состоят из цепочки последовательно включенных триггеров. Разрядность счетчика, а следовательно и число триггеров N определяется максимальным числом, до которого он должен считать. Это число называется коэффициентом (модулем) счета - Ксч. Если число входных импульсов Ксч, то через каждые Ксч импульсов счетчик возвращается в исходное состояние и начинает считать импульсы сначала. Простейшим одноразрядным счетчиком с Ксч =2 является Т - триггер, меняющий свое состояние на противоположное под действием каждого входного сигнала. В результате перепады напряжения на выходе триггера имеют вдвое меньшую частоту, чем на входе. По этим перепадам запускается следующий триггер, и на его выходе изменения состояния происходят уже в четыре раза реже, чем на входе первого триггера. Если соединить последовательно четыре счетных триггера, то получим, асинхронный четырехразрядный счетчик на Т-триггерах. Т - триггеры счетчика снабжены установочными входами R и S. При подаче уровня логической 1 на R, все триггеры переключатся в нулевое состояние. При подаче 1 на входы S, триггеры установятся в единичное состояние, переключение триггеров происходит при положительном перепаде напряжений на входах, т. е. при переходе сигнала из 0 в 1. В начальный момент времени все триггеры счетчика находились в нулевом состоянии (можно установить подав на вход R триггеров напряжение высокого уровня). После прихода первого импульса, на вход счетчиков Т первый триггер (DD1) переключится в единичное состояние - на его прямом выходе Q появится высокий уровень напряжения (рис 1 а). Второй импульс переключит триггер DD1 в нулевое состояние, а положительный перепад напряжения на его выходе Q1 отрицательный на Q1 устанавливает триггер DD2, в единичное состояние. Третий импульс опять переводит триггер DD1 в единичное состояние, при этом второй и третий триггеры остаются в предыдущем состоянии. И т. д. Пятнадцатый импульс переключит все триггеры в единичное состояние. (Ксч=2°+2+2+2=1+2+4+8=15, Ксч=2 - 1, где N - число разрядов счетчиков). Шестнадцатый импульс переводит триггер DD1 в нулевое состояние, положительный перепад напряжения с его выхода Q1 отрицательный на Q1 в нулевое состояние триггер DD2 и такой же перепад напряжений с выхода Q2 этого триггера - в нулевое состояние, триггер DD3 и т. д. После поступления на вход первого триггера 16 импульсов все триггеры возвращаются в исходное состояние.

Рис 1. Суммирующий четырёхразрядный двоичный счетчик.

а) принципиальная схема;

б) условное графическое обозначение;

в) таблица истинности (таблица 1);

г) временные диаграммы работы.

Таблица 1.

Номер импульса N	Q1	Q2	Q3	Q4
0	0	0	0	0
1	1	0	0	0
2	0	1	0	0
3	1	1	0	0
4	0	0	1	0
5	1	0	1	0
6	0	1	1	0
7	1	1	1	0
8	0	0	0	1
9	1	0	0	1
10	0	1	0	1
11	1	1	0	1
12	0	0	1	1
13	1	0	1	1
14	0	1	1	1
15	1	1	1
16	0	0	0	0

Изучая графики, нетрудно заметить, что каждый старший разряд счетчика отличается от младшего удвоенным числом импульса счета. Так период импульса на выходе первого триггера в 2 раза больше периода входных импульсов, на выходе второго триггера в 4 раза, на выходе третьего - в 8 раз з, на выходе четвертого триггера в 16 раз. Говоря языком цифровой техники, такой счетчик работает в весовом коде 1-2-4-8. Здесь под термином вес имеется ввиду объём информации, принятой счетчиком и счетчиком после установки его в нулевое состояние.

Кроме рассмотренного суммирующего счетчика, имеется и вычитающие счетчики, у которых выходной код уменьшается на 1 с приходом каждого счетного импульса. Такой счетчик получится, если

переключить входы триггеров с инверсных выходов на прямые (см рис 2, а) то каждый входной импульс будет вычитать из записанного в счетчик числа единицу (рис 2,6). Если на входы S триггеров подать уровень логической единицы, то все триггеры установятся в единичное состояние Q1=1, Q2=7,Q3=7, Q4=1.

Тогда фронт первого импульса (перепада напряжений от 0 к 1) переключает триггер DD1 в нулевое состояние Q1=0. Второй импульс переключит триггер DD1 в единичное состояние, а триггер DD2 - в нулевое. По фронту третьего импульса триггеры DD1 и DD2 окажутся в нулевом состоянии, а триггеры DD3 и DD4 всё еще будут в единичном, четвертый импульс переключит первые два триггера в единичное состояния, третий - в нулевое, четвертый останется в единичном состоянии. Четырнадцатый импульс переключит триггер DD1 в единичное состояние, DD2 - в нулевое, DD3 и DD4 - в нулевое состоянии; Пятнадцатый импульс переключит все триггеры в нулевое состояние. По фронту шестнадцатого импульса все триггеры установятся в единичное состояние и начнется новый цикл работы счетчика

Рис 2. Вычитающий четырехразрядный счетчик.

а) принципиальная схема;

б) таблица истинности (таблица 2);

в) временные диаграммы работы.

Таблица 2.

Номер импульса N	Q1	Q2	Q3	Q4
0	1	1	1	1
1	0	1	1	1
2	1	0	1	1
3	0	0	1	1
4	1	1	0	1
5	0	1	0	1
6	1	0	0	1
7	0	0	0	1
8	1	1	1	0
9	0	1	1	0
10	1	0	1	0
11	0	0	1	0
12	1	1	0	0
13	0	1	0	0
14	1	0	0	0
15	0	0	0	0
16	1	1	1	1

Если в состав счетчика ввести мультиплексор, переключений тактовые входы триггеров к прямым или инверсным выходам предыдущих триггеров, мы получим реверсивный счетчик с изменяемым направлением счета. Рассмотренные выше счетчики являются асинхронными счетчиками.

Асинхронные счетчики имеют недостатки; они лучше работают на пониженных частотах, при достаточно больших периодах следования импульсов (Т). Это необходимо для того, чтобы T>tздр, где tздр - время задержки распространения импульса в каждом триггере. Асинхронные последовательные счетчики имеются и в ТТЛ, и в КМДП сериях; четырехразрядный счетчик К 155 ИЕ 5, пятиразрядный К 176 ИЕ 2, 16 - разрядный К176 ИЕ 1, 14 - разрядный К 561 ИЕ 5, 15 - разрядный делитель частоты для электронных часов К 176 ИЕ.

Синхронный (параллельный) двоичный счетчик обладает более высоким быстродействием за счет того, что тактовые импульсы одновременно поступают на входы всех триггеров счетчика. Рассмотрим работу синхронного трехразрядного двоичного счетчика, схема которого изображена на рис За, временные диаграммы — на рис 36. На диаграммах счетные входы и прямые выходы трех разрядов счетчика обозначены соответственно Т1, Т2, ТЗ и Q1, Q2, Q3. Перед началом работы единичным сигналом на входе R устанавливается нулевое состояние на всех выходах. На замкнутые между собой входы Т и Ро поступают счетные импульсы. Фронтом первого импульса триггер D1 устанавливается в единичное состояние, подготовит элемент D5 (U) для передачи второго импульса на счетный вход D2.

Рис 3. Синхронный (параллельный) двоичный счетчик.

а) принципиальная схема;

б) временные диаграммы работы.

Второй импульс переключит триггер D1 в нулевое состояние, а триггер D2 в единичное состояние. Третий импульс переключит триггер D1 в единичное состояние, а триггер D2 будет находиться в режиме хранения информации. Так как на его вход Т с выхода элемента D6 будет поступать 0. Прохождение всех следующих импульсов легко прослеживается по временной диаграмме с учетом логических функций, выполняемых элементами D4, D5 и D6; Т1=ТРо=Т; Т2-Т Q1; ТЗ=Т Q1 Q2

Диаграммы рисунка 3 изображают выходные сигналы с учетом их задержки в каждом триггере. Истинная информация на выходах триггера устанавливается через некоторое время tзд.р., прошедшие после фронта тактового импульса, tзд.р - задержка распространения импульса в каждом триггере. Диаграмма показывает, что при одинаковых задержках в триггерах смена информации во всех разрядах счетчика происходит одновременно. При дальнейшем увеличении развязности параллельного счетчика появляется необходимость в элементах И с большим числом входов. Поэтому обычно в интегральном исполнении выпускается четырехразрядные счетчики, условно - графическое обозначение на (рис 4а).

Рис 4 принципиальная схема n-разрядного двоичного счетчика

Для создания счетчиков с большей разрядностью производят соединение нескольких микросхем., подавая сигнал с выхода переноса Р на вход разрешения приема переноса РО. На временной диаграмме видно, что сигнал переноса Р позволяет сформировать тактовый импульс Т1' для первого триггера следующего счетчика без какой -либо дополнительной задержки.

Кольцевой счетчик можно получить из регистра сдвига (см. лаб. работу № 7). если выход последнего триггера соединить с D-входом первого. Схема такого счетчика приведена на рис 5.

Рис 5. Кольцевой n-разрядный счетчик, принципиальная схема

а) принципиальная схема; б) временные диаграммы.

Перед началом счета, импульсом начальной установки, в нулевой разряд счетчика (Q0) записывается логическая 1, в остальные разряды - логический 0. С началом счета каждый из приходящих счетных импульсов Т переписывает 1 в следующий триггер, и число поступивших импульсов определяется по номеру выхода, на котором имеется код 1.

Предпоследний (n-1) импульс переведет в единичное состояние последний триггер, an- импульс переписывает единичное состояние на выход нулевого триггера, и счет начинается сначала. Таким образом, можно построить кольцевой счетчик с произвольным коэффициентом счета Ксч, изменяя лишь число триггеров N цепочке, так как, Ксч=N. Временные диаграммы и принципиальная схема такого счетчика приведены на рис 5. В К 561 серии имеются подобные счетчики на основе сдвигающегося регистра с представлением выходной информации в коде " один из N " счетчик К 561 ИЕ 8 имеет коэффициент счета равным 10, а К 561 ИЕ 9 - равным 8. Главная область применения кольцевых счетчиков - распределители импульсов, создающие необходимую временную последовательность управляющих сигналов.

В остальных случаях в основном используются счетчики на счетных триггерах, так как, они позволяют получить необходимый коэффициент счета при значительно меньшем числе триггеров. счетчик с произвольным коэффициентом счета.

Часто нужны счетчики с числом устойчивых состояний, отличных от 2. Например, в электронных часах есть микросхемы с коэффициентами счета 6 (десятки минут), 10 (единицы минут), 7 (дни недели), 24 (часы). Для построения счетчика с Ксч^2 можно использовать устройство из N - триггеров, для которого выполняется условие 2^N > Кеч. Очевидно, такой счетчик имеет лишние устойчивые состояния (2^N - Кcч). Исключить эти ненужные состояния можно использованием обратных связей, по цепям которых счетчик переключается в нулевое состояние в том такте работы, в котором он дочитывает до числа Кcч. Для счетчика с Ксч-10 нужны четыре триггера (так как 2 <10< 2⁴). счетчик должен иметь десять устойчивых состояний (0,...,9), В том такте, когда он должен был, бы перейти в одиннадцатое устойчивое состояние (число 10), его необходимо установить в исходное нулевое состояние. Для такого счетчика можно использовать любой четырехразрядный счетчик (рис 6а) с цепями обратной связи с выходов, соответствующих числу 10 (то есть 2 и 8), на входы установки счетчика в 0 (вход R).

В самом начале одиннадцатого состояния (числа 10) на обоих входах элемента И микросхемы появляются логические 1. вырабатывающие сигнал сброса всех триггеров счетчика в нулевое состояние. Рассмотренный счетчик еще называют декадным счетчиком импульсов, так как он представляет любую десятичную цифру ее двоичным кодом.

Рис 6. Декадный счетчик.

Примером такого счетчика является микросхема К 155 ИЕ 1.

а) принципиальная схема;

б) временные диаграммы работы.

В состав широко распространенной микросхемы К 155 ИЕ 2 (рис 7) входят триггер со счетным входом (вход Т1) и делитель на 5 (вход Т2) при соединении выхода счетного триггера с входом Т2 образуется двоично-десятичный счетчик. Диаграмма его работы аналогична приведенной на рис 6 б) счет происходит по срезу импульса, счетчик имеет входы установки в 0 (R0 с логикой И) и входы установки в 9 (R9 с логикой И) Ксч=10.

Рис 7. Условно графическое изображение К155ИЕ2

Счетчик с предварительной установкой может устанавливаться в начальное состояние, равное любому числу от 0 до Ксч - 1. Эта операция осуществляется параллельной записью в счетчик кода необходимого числа, счет (сложение или вычитание) будет начинаться уже не с нуля, а с установленного числа триггеров. Такой режим работы счетчика необходим, например, в управляющем устройстве ЭВМ преобразовании последовательности адресов команд с заданного начального адреса.

Счетчики с предварительной установкой обычно являются универсальными и могут работать в режимах сложения, вычитания и, установки (сброса) нуля. Это микросхемы К 155, ИЕ 6, К 155 ИЕ 7, К 561 ИЕ 11, К561 ИЕ 14, К 155 ИЕ 9. Условно - графическое изображение К 155 ИЕ 7.

Счетчик К 1555 ИЕ7 - двоичный, так как в условно-графическом обозначении есть символ СТ2.

б) он реверсивный, так как есть импульсные тактовые входы для счета на увеличение Cv (вывод 5) и уменьшение Сд (вывод 4). Состояние счетчика меняется по положительным перепадам тактовых импульсов от узкого уровня к высокому на каждом из тактовых входов. Если для счета используется один из этих входов, на другом тактовом входе следует зафиксировать напряжение высокого логического уровня.

в) с пред установкой, так как есть вход разрешения параллельной загрузки РЕ (вывод 11) и входы параллельной записи D0-D3 (выводы 15, 1, 10 и 9). Если на вход РЕ подать напряжение низкого уровня, то код, зафиксированный ранее на входах D0-D3 загружается в счетчик и появляется на его выходах Q0-Q3 (выводы 3, 2, 6, 7).

г) с отдельным входом установки всех разрядов счетчика в 0 – вход R (вывод 14).

д) для упрощения построения счетчиков с числом разрядов, превышающим четыре, микросхема имеет выводы окончания счета на увеличение (сигнал перепада) ТСи, вывод 12 и на уменьшение (сигнал заема) Тсд, вывод 13. Режим работы счетчика описывает таблица 3.

Таблица 3

Делители частоты.

Как видно из диаграмм работы счетчиков они могут выполнять функции делителей частоты, то есть устройств, формирующих из импульсной последовательности с частотой fвх импульсную последовательность на выходе последнего триггера с частотой fвых, в Кеч раз меньшую входной. При таком использовании счетчиков нет необходимости знать, какое число в нём записано в настоящий момент; поэтому делители могут не иметь всех промежуточных выходов. Это значительно упрощает их схему и конструкции. Примером таких делителей может служить микросхема К 155 ИЕ 1 -делитель на 10 с одним выходом, Освободившиеся выводы можно использовать для ввода сигналов, управляющих коэффициентом деления. Примером таких микросхем являются: К 155 ИЕ 8-16 -ти разрядный двоичный делитель частоты с переменным коэффициентом деления К=64 \ n, где n = 1,,,, 63;

Таблица 1
№ импульса	Разряды				Число в десятичном виде
	Q4	Q3	Q2	Q1
0
1
2
•
•
16

К 561 ИЕ 15 - программируемый делитель с коэффициентом деления 3,…16659.

Методика исследования.

Работа суммирующего и вычитающего счетчиков.

«А» виртуальная реализация лабораторной работы

Прежде чем приступить к выполнению виртуальной лабораторной работы необходимо инсталлировать программное обеспечение CircuiMaker2000. Программа находится на настоящем диске в папке CM2000. Для инсталляции запустите файл SetupCM2000.exe, выберите стандартный тип установки и следуйте указаниям инсталлятора. Пароль для инсталляции находится в файле Password.txt в той же папке. После установки установите пакет обновлений файл CM2000SP1.exe. Инструкция по работе с программой CircuiMaker2000 находится в Приложении №2. В ряде случаев имеются отличия виртуальной лабораторной работы от ее стендовой реализации. Критерием правильности является верное выполнение таблицы истинности.

«Б» стендовая реализация лабораторной работы

Порядок выполнения работы.

1. Включить стенд, светодиод "POWER" горит, внешний вид см. в Приложение№1.

2. Установить счетчики в исходное состояние (нулевое), нажатием кнопки S3.

3. Нажатием переключателя S1, выбрать для работы нужный счетчик (1-суммирующий, 2-вычитающий).

4. Начертить в тетради таблицу 1-таблицу истинности счетчика.

5. Кнопками S5-S8 (для суммирующего счетчика), либо S9-S13 для вычитающего) набрать любое число в двоичном виде.

6.. Кнопкой S4 (суммирующий счетчик ) или S9 (вычитающий) записать это число в счетчик.

7. Записать показания индикаторов в таблицу 1 (светодиод горит Q=1, светодиод не горит Q=0). S под нулевым импульсом.

8. Последовательным нажатием кнопки S2 подайте несколько импульсов на вход счетчика. Пронаблюдайте за показаниями на выходах счетчика. Запишите результаты исследований в таблицу 1.

9. Выключите стенд.