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 лабораторнойустановки;

-исследование работы СТ.

 

1.1 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 и1 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 сигналапри 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^mсчётчик называется недвоичным, в частности, при K_C =10ⁿполучается 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 суммирующегоСТ в зависимости от числа импульсов, поступивших на вход СТ и соответствующих уровню логической 1 дляm = 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. Приэтом t_p > t_уст.

Максимальнаячастота входных импульсовf_max - это частота, при которойСТ 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 СТсуммирующие, 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 переносаСТ 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 Qили 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, можетбыть 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 заднимфронтом, приJ=K= 1 изменяется на противоположное (Qⁿ⁺¹ = ⁿ), при поступлении каждогосинхроимпульса и соответствует данным табл.2.

 

Таблица 1

Таблица состояний двоичного счетчика

 

Число импульсов, поступивших на вход	Q 3	Q 2	Q 1	Q 0

 

Таблица 2

Таблица состояний JK-триггера

 

J	K	Q n	Q n+1
			0 Q n+1= Q n
			1 Q n+1= Q n

 

 

 

Q3

Q2

Q1

Q0

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

l

l

Рис.1.1 Последовательный CT на JK-триггерах

S

l

L t1UKDXHTtVBSKC5JzEtJzMnPS7VVqkwtVrK34+UCAAAA//8DAFBLAwQUAAYACAAAACEALZChKsMA AADdAAAADwAAAGRycy9kb3ducmV2LnhtbERPTWuDQBC9F/oflgn01qy2WMRkE4JQmh6rLeQ4cSdq 4s6Kuxr777uBQG/zeJ+z3s6mExMNrrWsIF5GIIgrq1uuFXyX788pCOeRNXaWScEvOdhuHh/WmGl7 5S+aCl+LEMIuQwWN930mpasaMuiWticO3MkOBn2AQy31gNcQbjr5EkVv0mDLoaHBnvKGqksxGgXn EqOfz9Qn9X48fMSvx3zSc6HU02LerUB4mv2/+O7e6zA/SWO4fRNOkJs/AAAA//8DAFBLAQItABQA BgAIAAAAIQDw94q7/QAAAOIBAAATAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAABbQ29udGVudF9UeXBlc10ueG1s UEsBAi0AFAAGAAgAAAAhADHdX2HSAAAAjwEAAAsAAAAAAAAAAAAAAAAALgEAAF9yZWxzLy5yZWxz UEsBAi0AFAAGAAgAAAAhADMvBZ5BAAAAOQAAABAAAAAAAAAAAAAAAAAAKQIAAGRycy9zaGFwZXht bC54bWxQSwECLQAUAAYACAAAACEALZChKsMAAADdAAAADwAAAAAAAAAAAAAAAACYAgAAZHJzL2Rv d25yZXYueG1sUEsFBgAAAAAEAAQA9QAAAIgDAAAAAA== " fillcolor="white [3212]" strokecolor="black [3213]" strokeweight=".5pt"/> L t1UKDXHTtVBSKC5JzEtJzMnPS7VVqkwtVrK34+UCAAAA//8DAFBLAwQUAAYACAAAACEA9Cpml8UA AADdAAAADwAAAGRycy9kb3ducmV2LnhtbESPQWvCQBCF74X+h2UK3uquLYqkrlKEUj0aFTxOs2MS m50N2TWm/75zELzN8N68981iNfhG9dTFOrCFydiAIi6Cq7m0cNh/vc5BxYTssAlMFv4owmr5/LTA zIUb76jPU6kkhGOGFqqU2kzrWFTkMY5DSyzaOXQek6xdqV2HNwn3jX4zZqY91iwNFba0rqj4za/e wmWP5ridp2m5uZ6+J+8/694NubWjl+HzA1SiIT3M9+uNE/yZEX75RkbQy38AAAD//wMAUEsBAi0A FAAGAAgAAAAhAPD3irv9AAAA4gEAABMAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAFtDb250ZW50X1R5cGVzXS54 bWxQSwECLQAUAAYACAAAACEAMd1fYdIAAACPAQAACwAAAAAAAAAAAAAAAAAuAQAAX3JlbHMvLnJl bHNQSwECLQAUAAYACAAAACEAMy8FnkEAAAA5AAAAEAAAAAAAAAAAAAAAAAApAgAAZHJzL3NoYXBl eG1sLnhtbFBLAQItABQABgAIAAAAIQD0KmaXxQAAAN0AAAAPAAAAAAAAAAAAAAAAAJgCAABkcnMv ZG93bnJldi54bWxQSwUGAAAAAAQABAD1AAAAigMAAAAA " fillcolor="white [3212]" strokecolor="black [3213]" strokeweight=".5pt"/>

TT

&J

L t1UKDXHTtVBSKC5JzEtJzMnPS7VVqkwtVrK34+UCAAAA//8DAFBLAwQUAAYACAAAACEAuD6Ub8MA AADdAAAADwAAAGRycy9kb3ducmV2LnhtbERPS2vCQBC+F/wPywi91Y1tLRpdgwRK7bFRweOYHZNo djZkN4/++26h0Nt8fM/ZJKOpRU+tqywrmM8iEMS51RUXCo6H96clCOeRNdaWScE3OUi2k4cNxtoO /EV95gsRQtjFqKD0vomldHlJBt3MNsSBu9rWoA+wLaRucQjhppbPUfQmDVYcGkpsKC0pv2edUXA7 YHT6XPpFse/OH/OXS9rrMVPqcTru1iA8jf5f/Ofe6zB/sXqF32/CCXL7AwAA//8DAFBLAQItABQA BgAIAAAAIQDw94q7/QAAAOIBAAATAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAABbQ29udGVudF9UeXBlc10ueG1s UEsBAi0AFAAGAAgAAAAhADHdX2HSAAAAjwEAAAsAAAAAAAAAAAAAAAAALgEAAF9yZWxzLy5yZWxz UEsBAi0AFAAGAAgAAAAhADMvBZ5BAAAAOQAAABAAAAAAAAAAAAAAAAAAKQIAAGRycy9zaGFwZXht bC54bWxQSwECLQAUAAYACAAAACEAuD6Ub8MAAADdAAAADwAAAAAAAAAAAAAAAACYAgAAZHJzL2Rv d25yZXYueG1sUEsFBgAAAAAEAAQA9QAAAIgDAAAAAA== " fillcolor="white [3212]" strokecolor="black [3213]" strokeweight=".5pt"/>

S

&K

Q3

&J

C

R

TT

Q2

TT

S

&J

C

C

&K

&K

R

R

Q0

Q1

S

TT

&J

C

&K

R

Tc

 

Работа такогоСТ иллюстрируется диаграммами на рис 1.2.

Рис.1.2 Временные диаграммы последовательного счетчика

τ

τ

τ

τ

τ

τ

R

Tc

 

Недостатком последовательных СТ является их относительно низкое быстродействие, так как для установления соответствующего числа на выходах триггеров требуется последовательное переключение всех триггеров. Так как переключение триггеров СТ происходит с задержкой, равной времени срабатывания триггера, то в многоразрядных последовательных СТ повышение частоты следования входных счетных импульсов может привести к тому, что n-й триггер не успеет переключиться до прихода следующего импульса. Поэтому период следования импульсов счета должен быть больше времени распространения (переноса) сигнала в цепи. Это значительно ограничивает быстродействие таких СТ.

1.3 ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ДВОИЧНЫЕ СЧЕТЧИКИ

Для увеличения быстродействия используется метод, который уменьшает время переноса. Это достигается тем, что входные тактовые импульсы одновременно подаются на С - входы триггеров всех разрядов. Чтобы на каждом такте не переключались все триггеры, требуют, чтобы право на срабатывание имел только тот триггер, для которого все предыдущие триггеры уже стоят в состоянии «1».

Это требование можно реализовать двояко. В первом варианте в цепях межразрядной связи ставят конъюнктор, входы которого подключили к выходам всех предыдущих триггеров, а выходной сигнал подаётся на JK- входы последующего триггера, давая разрешение на срабатывание (рис.1.3)

J

C

K

Qo

Q1

Qi-1

&

Ti

Qi

Q̅i

TT

 

 

Входные импульсы

Рис.1.3 Организация параллельного переноса

Входные импульсы

 

 

При втором подходе используют разветвлённую входную логику триггеров (3 пары JK-входов, объединённых операцией «И»), что и реализовано в исследуемом макете (рис.1.4). Счетчик с такой организацией переноса называют параллельным или синхронным.

S

J

C

K

R

TT

h AFtPosvbAAAACAEAAA8AAABkcnMvZG93bnJldi54bWxMj8FOwzAQRO9I/IO1SFwQdRyJKIQ4FSDx ASkgrm68xGnjdYjdNPw9ywlOq9GMZt/U29WPYsE5DoE0qE0GAqkLdqBew9vry20JIiZD1oyBUMM3 Rtg2lxe1qWw4U4vLLvWCSyhWRoNLaaqkjJ1Db+ImTEjsfYbZm8Ry7qWdzZnL/SjzLCukNwPxB2cm fHbYHXcnr+FDrffvaslk27U34Xg4OPJfT1pfX62PDyASrukvDL/4jA4NM+3DiWwUo4a8ULwlaSj5 sJ8XpQKx5+CdAtnU8v+A5gcAAP//AwBQSwECLQAUAAYACAAAACEAtoM4kv4AAADhAQAAEwAAAAAA AAAAAAAAAAAAAAAAW0NvbnRlbnRfVHlwZXNdLnhtbFBLAQItABQABgAIAAAAIQA4/SH/1gAAAJQB AAALAAAAAAAAAAAAAAAAAC8BAABfcmVscy8ucmVsc1BLAQItABQABgAIAAAAIQB1XpxQuAIAANwF AAAOAAAAAAAAAAAAAAAAAC4CAABkcnMvZTJvRG9jLnhtbFBLAQItABQABgAIAAAAIQBbT6LL2wAA AAgBAAAPAAAAAAAAAAAAAAAAABIFAABkcnMvZG93bnJldi54bWxQSwUGAAAAAAQABADzAAAAGgYA AAAA " fillcolor="black [3213]" strokecolor="black [3213]" strokeweight=".5pt">

l

Tc

R

Q0

Q1

Q3

Рис.1.4 Параллельный двоичный СТ на JK – триггерах

TT

S

J

C

K

R

Q4

TT

S

J

C

R

K

I AAAAIQCQYGAW3wAAAAkBAAAPAAAAZHJzL2Rvd25yZXYueG1sTI/BTsMwDIbvSLxDZCRuLG2hGypN Jxia4LALYxJXt8naisSpmmzr9vSYE9x+y59+fy6Xk7PiaMbQe1KQzhIQhhqve2oV7D7Xd48gQkTS aD0ZBWcTYFldX5VYaH+iD3PcxlZwCYUCFXQxDoWUoemMwzDzgyHe7f3oMPI4tlKPeOJyZ2WWJHPp sCe+0OFgVp1pvrcHpwDfLpvxvKnfFzbdDV+4vuxXL69K3d5Mz08gopniHwy/+qwOFTvV/kA6CKsg zx8yRjkkKQgG8nl6D6LmsMhAVqX8/0H1AwAA//8DAFBLAQItABQABgAIAAAAIQC2gziS/gAAAOEB AAATAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAABbQ29udGVudF9UeXBlc10ueG1sUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhADj9 If/WAAAAlAEAAAsAAAAAAAAAAAAAAAAALwEAAF9yZWxzLy5yZWxzUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhAOww vdi8AgAA3AUAAA4AAAAAAAAAAAAAAAAALgIAAGRycy9lMm9Eb2MueG1sUEsBAi0AFAAGAAgAAAAh AJBgYBbfAAAACQEAAA8AAAAAAAAAAAAAAAAAFgUAAGRycy9kb3ducmV2LnhtbFBLBQYAAAAABAAE APMAAAAiBgAAAAA= " fillcolor="white [3212]" strokecolor="black [3213]" strokeweight=".5pt">

l

l

TT

S

J

C

K

R

h AHTiTGneAAAACQEAAA8AAABkcnMvZG93bnJldi54bWxMj8tOwzAQRfdI/IM1SGwQdR4UQohTARIf kAJi68ZDnDYeh9hNw98zrGA3ozm6c261WdwgZpxC70lBukpAILXe9NQpeHt9uS5AhKjJ6METKvjG AJv6/KzSpfEnanDexk5wCIVSK7AxjqWUobXodFj5EYlvn35yOvI6ddJM+sThbpBZktxKp3viD1aP +GyxPWyPTsFHuty/p3Mim7a58of93pL7elLq8mJ5fAARcYl/MPzqszrU7LTzRzJBDAryfJ0yqiAr 7kAwkN9kGYgdD+sCZF3J/w3qHwAAAP//AwBQSwECLQAUAAYACAAAACEAtoM4kv4AAADhAQAAEwAA AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAW0NvbnRlbnRfVHlwZXNdLnhtbFBLAQItABQABgAIAAAAIQA4/SH/1gAA AJQBAAALAAAAAAAAAAAAAAAAAC8BAABfcmVscy8ucmVsc1BLAQItABQABgAIAAAAIQDzcUOpuAIA ANwFAAAOAAAAAAAAAAAAAAAAAC4CAABkcnMvZTJvRG9jLnhtbFBLAQItABQABgAIAAAAIQB04kxp 3gAAAAkBAAAPAAAAAAAAAAAAAAAAABIFAABkcnMvZG93bnJldi54bWxQSwUGAAAAAAQABADzAAAA HQYAAAAA " fillcolor="black [3213]" strokecolor="black [3213]" strokeweight=".5pt">

l

l

L t1UKDXHTtVBSKC5JzEtJzMnPS7VVqkwtVrK34+UCAAAA//8DAFBLAwQUAAYACAAAACEAvnmwbcIA AADdAAAADwAAAGRycy9kb3ducmV2LnhtbERPS4vCMBC+L/gfwgje1tR1fVCNIsKiHrcqeBybsa02 k9LE2v33ZkHwNh/fc+bL1pSiodoVlhUM+hEI4tTqgjMFh/3P5xSE88gaS8uk4I8cLBedjznG2j74 l5rEZyKEsItRQe59FUvp0pwMur6tiAN3sbVBH2CdSV3jI4SbUn5F0VgaLDg05FjROqf0ltyNguse o+Nu6kfZ9n7aDIbndaPbRKlet13NQHhq/Vv8cm91mD+cfMP/N+EEuXgCAAD//wMAUEsBAi0AFAAG AAgAAAAhAPD3irv9AAAA4gEAABMAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAFtDb250ZW50X1R5cGVzXS54bWxQ SwECLQAUAAYACAAAACEAMd1fYdIAAACPAQAACwAAAAAAAAAAAAAAAAAuAQAAX3JlbHMvLnJlbHNQ SwECLQAUAAYACAAAACEAMy8FnkEAAAA5AAAAEAAAAAAAAAAAAAAAAAApAgAAZHJzL3NoYXBleG1s LnhtbFBLAQItABQABgAIAAAAIQC+ebBtwgAAAN0AAAAPAAAAAAAAAAAAAAAAAJgCAABkcnMvZG93 bnJldi54bWxQSwUGAAAAAAQABAD1AAAAhwMAAAAA " fillcolor="white [3212]" strokecolor="black [3213]" strokeweight=".5pt"/> L t1UKDXHTtVBSKC5JzEtJzMnPS7VVqkwtVrK34+UCAAAA//8DAFBLAwQUAAYACAAAACEAxv6pTsUA AADdAAAADwAAAGRycy9kb3ducmV2LnhtbERPTUvDQBC9C/0PyxS82U2tVIndllIQemhRE3vobciO Sdrd2bC7JvHfu4LgbR7vc1ab0RrRkw+tYwXzWQaCuHK65VrBR/ly9wQiRGSNxjEp+KYAm/XkZoW5 dgO/U1/EWqQQDjkqaGLscilD1ZDFMHMdceI+nbcYE/S11B6HFG6NvM+ypbTYcmposKNdQ9W1+LIK quLot+fL1QyH/u0hmnJenl6NUrfTcfsMItIY/8V/7r1O8xePS/j9Jp0g1z8AAAD//wMAUEsBAi0A FAAGAAgAAAAhAPD3irv9AAAA4gEAABMAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAFtDb250ZW50X1R5cGVzXS54 bWxQSwECLQAUAAYACAAAACEAMd1fYdIAAACPAQAACwAAAAAAAAAAAAAAAAAuAQAAX3JlbHMvLnJl bHNQSwECLQAUAAYACAAAACEAMy8FnkEAAAA5AAAAEAAAAAAAAAAAAAAAAAApAgAAZHJzL3NoYXBl eG1sLnhtbFBLAQItABQABgAIAAAAIQDG/qlOxQAAAN0AAAAPAAAAAAAAAAAAAAAAAJgCAABkcnMv ZG93bnJldi54bWxQSwUGAAAAAAQABAD1AAAAigMAAAAA " fillcolor="black [3213]" strokecolor="black [3213]" strokeweight=".5pt"/> L t1UKDXHTtVBSKC5JzEtJzMnPS7VVqkwtVrK34+UCAAAA//8DAFBLAwQUAAYACAAAACEAqbIM1cUA AADdAAAADwAAAGRycy9kb3ducmV2LnhtbERPTUvDQBC9C/0PyxS82U2tWIndllIQemhRE3vobciO Sdrd2bC7JvHfu4LgbR7vc1ab0RrRkw+tYwXzWQaCuHK65VrBR/ly9wQiRGSNxjEp+KYAm/XkZoW5 dgO/U1/EWqQQDjkqaGLscilD1ZDFMHMdceI+nbcYE/S11B6HFG6NvM+yR2mx5dTQYEe7hqpr8WUV VMXRb8+XqxkO/dtDNOW8PL0apW6n4/YZRKQx/ov/3Hud5i+WS/j9Jp0g1z8AAAD//wMAUEsBAi0A FAAGAAgAAAAhAPD3irv9AAAA4gEAABMAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAFtDb250ZW50X1R5cGVzXS54 bWxQSwECLQAUAAYACAAAACEAMd1fYdIAAACPAQAACwAAAAAAAAAAAAAAAAAuAQAAX3JlbHMvLnJl bHNQSwECLQAUAAYACAAAACEAMy8FnkEAAAA5AAAAEAAAAAAAAAAAAAAAAAApAgAAZHJzL3NoYXBl eG1sLnhtbFBLAQItABQABgAIAAAAIQCpsgzVxQAAAN0AAAAPAAAAAAAAAAAAAAAAAJgCAABkcnMv ZG93bnJldi54bWxQSwUGAAAAAAQABAD1AAAAigMAAAAA " fillcolor="black [3213]" strokecolor="black [3213]" strokeweight=".5pt"/>

 

 

Параллельные СТ могут быть построены на основе RS-, JK- и D- триггеров, синхронизируемых фронтом. Чаще всего параллельные СТ реализуются на JK - триггерах, так как при использовании RS-триггеров увеличивается число связей между входами и выходами, а при использо­вании D-триггеров в разрядах СТ должны быть включены дополнительные логические элементы, вследствие чего увеличивается площадь кристалла, потребляемая мощность и уменьшается рабочая частота.

Схема параллельного СТ приведена на рис.1.4. Процесс управления с помощью Jи К входов происходит следующим образом. Как следует из табл.1 и табл.2 и диаграмм на рис.2, триггер T ₀должен переключаться при поступлении каждого тактового импульса (от заднего фронта этого импульса), т. е. для триггера T ₀должно выполняться условие J=K=1. Триггер T ₁при поступлении тактового импульса должен переключаться только тогда, когда Q ₀переходит из состояния «1» в «0». Это достигается подключением J иК – входов T ₁ к выходу Q ₀. В этом случае T ₁ сохраняет свое состояние до тех пор, пока Q ₀= 0, и изменяет свое состояние на противоположное при переходе Q ₀из состояния «1» в «0». Триггер T ₂, какследует из табл.1, должен переключаться при условии Q ₀= Q ₁=l. Для этого одна пара J, К - входов соединяется с Q ₀, а другая – с Q ₁.В этом случае T ₂сохраняет свое состояние до тех пор, пока не будет выполнено условие Q ₀= Q ₁=l, после чего при переходе T ₀ иT₁ из «1» в «0»(Q ₀ и Q ₁ из «1» в «0»), T ₂ изменяет свое состояние на противоположное. Аналогично у триггера T ₁ каждая пара J, К-входов подключается к выходам предыдущих триггеров. При использовании для синтеза схемы одинаковых триггеров с тремя J, К-входами на все незадействованные входы (в триггерах T ₀, T ₁, T ₂рис.1.4.) для обеспечения надежной работы подается логическая«1».

Использование данного метода дает увеличение быстродействия, но вызывает усложнение схемы СТ, связанное с необходимостью увеличения числа входов триггеров или применение конъюнкторов.Поэтому для получения больших значений K _C используются каскадные или групповые соединения СТ, при которых каждый каскад представляет собой параллельный СТ, а каскады соединя­ются последовательно. Такие СТ имеют более высокое быстродействие, чем последовательные, но требуют меньше дополнительных логических элементов, чем параллельные СТ.

1.4НЕДВОИЧНЫЕ СЧЁТЧИКИ

Счётчики с коэффициентом счёта, не равным целой степени числа 2, называются недвоичными или счётчиками с произвольным модулем.

Для построения такого счётчика берётся разрядность n (число триггеров)из соотношения

n= ùlog₂ K_C é,

где ⌉⌈- знак округления до ближайшего большего целого.

Иными словами, исходной структурой служит двоичный счётчик с коэффициентом счёта 2ⁿ, превышающим заданный и ближайший к нему. Такой двоичный счётчик имеет 2ⁿ- K_C =D лишних (неиспользуемых) состояний, подлежащих исключению. Способы исключения лишних состояний могут быть разными.

 

1.4.1 Метод занесения дополнения.

 

Триггеры соединяются последовательно и при установке на счётчике состояния 2^n-1 (старший разряд в состоянии «1»), в счётчик записывается сигнал дополнения по цепи обратной связи (ОС). Для обеспечения надёжной работы процесс записи D не должен совпадать во времени с входными сигналами. С этой целью импульс записи задерживается на время ₃, большее времени переходного процесса в счётчике, но меньшее периода следования входных сигналов. Последнее необходимо, чтобы успеть занести дополнение до прихода очередного входного импульса.

Структура цепи дополнения (цепи OC) определяется по двоичному коду D. Например, для K _C =10 надо взять n =4, тогда дополнение D=2⁴ - K _C=16 – 10= 6₍₁₀₎ = 0110₍₂₎, т.е. обратная связь должна быть подана с прямого выхода старшего разряда на входы предустановкиPS(preset)первого T ₁ и второго T ₂ триггеров (напомним, что нумерация разрядов начинается с «0»). Схематично структура такого счётчика показана на рис.1.5, где ЛЗ - линия задержки.

 

C

PS

PS

T

Л3

Рис.1.5 Структура счетчика с Kс=10,реализующего метод занесения дополнения

выход

T2

PS

C

T

T1

T3

T0

PS

C

T

вход

C

T

 

 

Надо отметить, что на 8-ом импульсе состояние счётчика изменяется более, чем на «1» от 1000 до 1110, т.е. это счётчик с произвольным порядком счёта и он может быть использован только для деления входной частоты в K_C раз, но не для прямой индикации числа импульсов.

Дополнение можно вносить и в начале счёта, т.е. исключать некоторое число первых состояний, что так же приводит к отсутствию естественного порядка счёта и регистрации в счётчике кода с избытком. Зато это позволяет построить программируемые делители с переменным K_C, путём установки различного кода на входах предустановки. Такой подход реализован в микросхеме программируемого делителя К561ИЕ14, где четырёхразрядный вход предустановки позволяет реализовать деление частоты в диапазоне от 1 до 16.

 

1.4.2 Метод принудительного обнуления

 

Число триггеров выбирается так же, как указано выше. Счётчик работает как обычный двоичный, но при достижении содержимым счётчика состояния, равного K_C в двоичном коде, срабатывает дешифратор, построенный на конъюнкторе, который вырабатывает сигнал сброса, идущий на все триггеры. Способ хорош тем что позволяет изменять коэффициент счёта K_C очень простым способом, не требующим изменений самой схемы счётчика. Используя вместо конъюнктора микросхему цифрового компаратора, можно легко реализовывать счётчик с программируемым K_C, подавая на соответствующие входы компаратора опорный код, соответствующей K_C. В счётчике сохраняется естественный порядок счёта, что позволяет осуществлять прямую индикацию числа импульсов.

На рисунке 1.6. показана структура счётчика с K_C =10, где за основу взят последовательный четырёхразрядный суммирующий счётчик CT ₂, аналогичный счётчику на рис.1.1, и реализован дешифратор на код 1010₂, собранный на конъюнкторе ЛЭ1. Выходной сигнал ЛЭ1 принудительно сбрасывает счётчик по входу «R».

Рис.1.6 Схема счетчика с принудительным обнулением (K c=10)

R

ЛЭ1

C

Kc=16

Q3

Q2

Q0

Q1

&

CT2

вход

 

1.4.3 Метод разложения K_C на сомножители

 

Недвоичный счётчик можно сделать и без дополнительных элементов. Для этого раскладывают K_C на сомножители, каждый из которых содержит целую степень числа 2 или целую степень числа 2 с добавлением единицы, например

K_C = 2^b(2 ^a +1).

Сомножитель 2^bлегко реализуется обычным двоичным счётчиком. Второй сомножитель (2 ^a+ 1) можно реализовать с помощью двоичного счётчика с коэффициентом счёта K_C = 2 ^a и дополнительного триггера, через который осуществляется обратная связь. Структура такого счётчика показана на рис. 1.7.

 

Рис.1.7 Структура счетчика с модулем Kc=2α +1

вход

l

J

C

K

Обратная связь

Выход1

выход2

T

Q

Q

l

J

C

K

Cп

CT2

Kc=2α

 

Когда счётчик СТ2 полностью заполниться, образуется сигнал переполненияC_n=1, который разрешает срабатывание дополнительного триггера. Сигнал с инверсного выхода =0 поступает на J-вход первого триггера счётчика и заставляет пропустить очередной входной импульс. От этого импульса триггер Т возвращается в исходное состояние ( =1) и снимает запрет на работу счётчика.

Рассмотрим пример реализации этого метода для случая последовательного двоично-десятичного счётчика, схема которого показана на рис.1.8.

 

S

&K

C

&J

R

l

l

Q2

S

&K

C

&J

R

l

l

TT

S

&K

C

&J

R

l

TT

T0

T1

T2

T3

Q3

Q0

Q1

TT

Q3

R

&K

C

&J

l

l

S

TT

вход

 

 

Сброс

Рис.1.8Декада последовательного двоично-десятичного счетчика

 

 

Модуль счёта, равный десяти можно представить в виде сомножителей K_C =10=2(2²+1). На схеме 1.8 триггер T ₀ реализует K_{C 1}=2, а триггеры T ₁, T ₂ и Т ₃ позволяют получить K_{С 2}= 5=(2²+1).

Такая счетная декада состоит из четырех триггеров, но при этом должна отличается от обычного четырехразрядного СТ тем, что на каждый десятый, а не шестнадцатый (см. табл.3 и сравни ее с табл.1) импульс счета она должна сбрасываться в нуль. При этом на выходе должен формироваться сигнал переноса для запуска счетной декады следующего, более старшего, десятичного разряда. Так как десятичная цифра представ­ляется в натуральной двоично-десятичной форме четырехзначным двоичный числом, разряды которого имеют значения2³, 2², 2¹, 2⁰, то это двоично-десятичное" представление обозначается как код 8-4-2-1. Состоя­ние счетной декады в коде 8-4-2-1 поясняется данными табл.3 и времен­ными диаграммами на рис.1.9.

Как следует из табл.3, состояние счетной декадыcоответствуют состояниям двоичного счетчика до цифры 9 включительно, после чего при поступлении десятого импульса состояние СТ соответствует коду 0 0 0 0. Для счета чисел до 10 используется одна счетная декада, для счета чисел до ста, тысячи и так далее используются соответственно две, три и более счетных декад.

 

Tc

Q0

Q1

Q2

Q3

τ

τ

τ

τ

τ

 

Рис.1.9Временные диаграммы двоично-десятичного счетчика

Рассмотрим особенности построения такой декады по сравнению с аналогичным двоичным СТ.Для того, чтобы T₁ не переключался в состояние «1» в момент формирования заднего фронта десятого импульса, несмотря на то, что Q ₀переходит в этот момент из состояния «1» в состояние «0», J-вход T₁подключается к ₃. В этом случае при Q ₃ = 1, ₃ = 0 и, следовательно, Q ₁ в соответствии с данными табл.2 сохраняется в состоянии логического «0», т.е. исключается перебросT₁ в «1».

При поступлении десятого импульса и формировании его заднего фронта условие Q ₂ =0 выполняется автоматически в соответствии с данными табл.2 и диаграммами Q ₁ и Q ₂ на рис.1.9.Особенностью данного СТ является то, что десятый импульс (его задний фронт) должен переклю­чать Т₃ из «1» в «0». Но, если бы тактовый вход T ₃ соединился с Q ₂, как в двоичном СТ, то выход Q ₃ не смог бы больше изменять свое состояние уже после прихода восьмого импульса счета, так как T ₁заблокирован обратной связью с выхода Q ₁, наJ-вход T ₁, что приводит к тому, что он сохраняет свое состояние «0», независимо от изменения уровня на входе С. Поэтому тактовый вход T ₃ подключается к выходу триггера, который не блокируется обратной связью, т. е. к Q ₀.Как следует из табл.З и рис.1.9, T ₃ переключается в состояние «1» (Q ₃=l) лишь тогда, когда перед очередным тактовым импульсом Q ₁= Q ₂=1. Для выполнения этого условия два J-входаT₃ подключается к Q ₁ и Q ₂. В этом случае при подаче восьмого импульса счета Q ₃=1, при подаче девятого состояние сохраняется, так как Q₁ = Q ₂ =0 (см. табл.2). При подаче десятого импульса T₃ переводится в состояние «0»задним фронтом Q ₀.

Таблица 3

Таблица состояний двухдекадногодвоично – десятичного счетчика

 

Число в счетчике, но­мер входного тактового им­пульса	Состояние триггеров
Вторая декада (старший разряд)	Первая декада (младший разряд)
	23	22	21	20	23	22	21	20
-	-	-	-	-	-	-	-	-

 

1.5 ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

 

В качестве лабораторной установки используется универсальный стенд типа УМ11, питание которого осуществляется от сети переменного тока частотой 50 Гц, и напряжением 220 В.

Установка предназначена для изучения методов построения цифровых устройств на логических элементах и триггерах, выполненных на микросхемах серии 155.

Лицевая панель стенда представляет собой наборное поле, которое предназначено для построения электрической схемы исследуемого цифрового устройства. На наборном поле нанесено условное графическое обозначение логических и триггерных элементов и вспомогательных устройств стенда: генератора синхроимпульсов, генератора одиночных импульсов, элементов задержки,тумблерного регистра, ламповых индикаторов. Входы и выходы логических элементов и триггеров, элементов задержки, генераторов, осциллографа, выходы тумблерного регистра и входы ламповых индикаторов выведены на лицевую панель в виде специальных гнезд. Схемы исследуемых устройств строятся путем коммутации соответствующих гнезд с помощью специальных соедини­тельных проводов, которые входят в комплект стенда.

Стенд содержит 43 элемента. Триггерные элементы представлены микросхемами К155ТК2 (два D-триггера) и KI55TKI (четыре JK- триггера). Триггер типа JK имеет информационные входы J и К, счетный вход С, установочный вход R, прямой Q и инверсный выходы. Уровень логического «0» на входе Rустанавливает триггер в нулевое состояние. Когда на входе R имеется уровень логической «1», то информация, поступившая на входы J и К, передается на выход триггера в момент действия тактового импульса на входе С. Уровень логической «1» соответствует потенциалу(+2.4...+4.5) В, уровень логического «0»- (0...0.4) В.При синтезе схем регистров на D- и JK-триггерах необходимо учитывать следующее.

Триггер D может работать в двух режимах: синхронном, когда управление производится по входам D (информационный вход) и С (тактовый вход), и асинхронном (управление по RS-входам). В рассмот­ренных схемах используется синхронный режим работы: для его реализа­ции «нужно подать «1» (уровень +5 В) на вход R и S триггера. Гнезда с напряжением +5 В, маркированные значком «+», имеются на наборном поле макета. При синхронном режиме работа триггера разрешена при С=1, причем переключение происходит по переднему фронту сигнала синхро­низации. По асинхронным входам D-триггер функционирует как RS- триггер на вентилях «И-НЕ», причем сигнал «О» на любом из входов R или S блокирует действие синхронного входа D.

Триггер типа JK также может работать в синхронном и асинхронном режимах. Условие для асинхронного режима такое же, как для D-триггера, а именно R=S=1. Триггер имеет двухступенчатую структуру, здесь информация по переднему фронту синхроимпульса С поступает в первую степень, а по заднему - появляется на выходах триггера.

JK-триггеры, размещенные в установке УМИ, снабжены развитой входной логикой (J, &), суть которой состоит в том, что J = J ₁ J ₂ J ₃ иK=K₁ K₂ K₃. Это означает, что при использовании одного входа на остальные Jдолжна быть подана «1», т. е. +5В, от соответствующего гнезда на панели макета, или они могут оставаться открытыми и тогда на них автоматически подается «1».

Генератор одиночных импульсов синхронизируется по входу от генератора синхроимпульсов и позволяет получать одиночные импульсы положительной и отрицательной полярности при нажатии кнопки «Пуск».

Тумблерный регистр (восьмиразрядный) предназначен для задания логических уровней «1» и «0». На наборном поле стенда регистр представ­лен восемью тумблерами и входными гнездами, сгруппированными парами.

Ламповые индикаторы содержат восемь элементов индикации, которые загораются от сигнала, соответствующего логической «1». Индикаторы могут быть подключены к выходу любого элемента наборно­го поля с помощью коммутационных проводов.

Тумблер «Сеть» с лампочкой индикации предназначен для включе­ния и индикации питания стенда.

Гнезда для подключения осциллографа позволяют подключить его к выходу любого элемента.

 

1.6. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

1.6.1. Исследование принципов построения и функционирования последовательных счетчиков на JK – триггерах

 

1. Ha основе материала, изложенного в разделе 1.2-1.4, изучить принципы построения и функционирования последователь­ных СТ с К_с = 2^m и К_с = 2^m+1

2. Произвести построение схемы последовательного четырехразряд­ного двоичного суммирующего СТ в соответствии со схемой на рис.1.1.

3. Исследовать функционирование СТ, для чего:

- произвести установку триггеров СТ в «0» подачей на установочные входы Rлогического «0» с любого выхода тумблерного регистра переключением тумблеров из «1» в «0» и обратно;

- соединить выход генератора синхроимпульсов СИ1 или СИ2 с входом синхронизации («СИНХР») генератора одиночных импульсов;

- соединить генератор одиночных импульсов с входом С исследуемого СТ;

- подключить к выходам JK-триггеров СТ ламповые индикаторы;

- подать на вход С СТ счетные импульсы от генератора одиночных импульсов, формируя их последовательным нажатием и отпусканием кнопки «ПУСК»;

- определить с помощью ламповых индикаторов логические уровни на выходах Q₀, Q₁, Q₂ и Q₃ при подаче заданногочисла импульсов, зафиксировав ’полученные результаты в виде таблицы истинности;

- определить уровни логического «0» или «1» с помощью осциллографа, подключенного к выходу Q₃, предварительно откалибровав его.

4.Определить модуль счета К_с и емкость N счетчика, подавая на вход счетчика импульсы. Сверить полученные данные с их расчетными значениями.

5. Разобрать схему СТ, аккуратно вынимая из гнезд коммутационные шнуры, держа их за основание.

6. Построить схему последовательного СТ с К_с = 2^m+1 (величина К_с задается преподавателем) в соответствии со структурой СТ приведенного на рис.1.7.

7. Исследовать функционирование построенного СТ в соответствии с п. п 3, 4. Выполнить требование пункта 5.

 

 

1.6.2 Исследование принципов построения и функционирования параллельных счетчиков на JK – триггерах

 

1. На основании материала, изложенного в разделе 1.3, изучить принципы построения и функционирования параллельных счетчиков.

2. Произвести построение схемы параллельного четырехразрядного двоичного СТ в соответствии со схемой на рис.1.4.

Исследовать функционирование построенного СТ в соответствии с требованиями п.п. 3, 4 и 5 раздела 1.6.1.

 

1.6.3Исследования принципов построения и функционирования двоично – десятичных счетчиков на JK – триггерах

 

1. На основании теоретического материала, изложенного в разделе1.4 изучить принципы построения и функционирования двоично-десятичных СТ.

2. Исследовать влияние на функционирование СТ обратной связи, для этого:

- собрать последовательный двоичный СТ показанный на рис.1.1;

- создать обратную связь, соединив выход Q ₃ с Jвходом T ₁;

- подать от генератора одиночных импульсов на вход исследуемого СТ импульсы и записать состояние триггеров (выходы Q ₀, Q ₁, Q ₂ и Q ₃) при подаче счетных импульсов (от 7-го до12-го);

- построить временные диаграммыи объяснить причины смены состояний триггеров при подаче счетных импульсов (от 7-го до 12-го).

3. Исследовать влияние на функционирование СТ связей между триггерами, для этого:

- соединить дополнительные входы J₁ и J₂T₃ с Q ₁ и Q ₂;

- подать на вход СТ счетные импульсы от генератора одиночных импульсов и записать состояние триггеров (выводы Q ₀, Q _1, Q ₂ и Q ₃) при подаче каждого импульса (от 7-го до 12-го);

- построить временные диаграммыи объяснить смены состояния триггеров при подаче счетных импульсов.

4. К связям между триггерами, организованным по. п.3, добавить связь входа Т₃ с выходом Q ₀, исключив связь Q ₂ с входом С (этим завершается построение двоично-десятичного СТ). Провести исследова­ниесобранного счетчика.

5.

1.6.4 Исследование принципов построения счётчика

с принудительным обнулением.

1. На основании материала, изложенного в подразд.1.4.2, изучить принцип построения счётчика с принудительным обнулением, а также варианты построения дешифраторов на код, соответствующий K_C.

2. Произвести построение схемы недвоичного счётчика с принудительным обнулением, имеющим K_C ≠ 2^m (задаётся преподавателем) по аналогии с рис.1.6.

3. Исследовать функционирование построенного СТс построением таблицы состояний.

 

1.7СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Отчет должен содержать по каждому исследуемому счётчику:

- схему исследуемого счетчика;

- таблицы состояний триггеров;

- временные диаграммы;

- расчеты К_с, N;

- выводы.

 

1.8ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ

 

 

При проведении исследования на лабораторной установке следует руководствоваться ГОСТ 12:3.019-80, в котором изложены общие требования безопасности.

Установка потребляет электрическую энергию, поэтому существует опасность поражения электрическим током, а при коротком замыкании в схемах - возможность возникновения пожара. Питающее напряжение схемы составляет 220 Впеременного тока частотой 50 Гц. При прикосно­вении к токонесущим проводам ток через человека может достигнуть 250 мА, что существенно превышает величину порогового неотпускающего тока (6...22 мА) и представляет смертельную опасность.

В целях уменьшения электрической и пожарной опасности в конструкции стендапредусмотрено следующее:

- для подсоединения стенда к сети использован кабель с резиновой наружной изоляцией;

- материал электрических выводов устойчив к коррозии и обеспечивает надлежащий электрический контакт;

- электрический монтаж выполнен скрытно проводом марки МГТФ с сопротивлением изоляции более 20000 МОм;

- в цепи питания стенда предусмотрены плавкие предохранители;

- стенд эксплуатируется в помещении, удовлетворяющем требованиям пожарной безопасности и санитарных норм. Освещенность рабочего места стола не менее 300 лк.

Студенты допускаются к проведению лабораторной работы только после проведения преподавателем инструктажа по вопросам безопасности и методики выполнения работы с обязательной отметкой в журнале по технике безопасности.

При выполнении исследований необходимо:

- поддерживать на рабочем месте чистоту и порядок, соблюдать осторожность и быть внимательными;

- немедленно отключать стенд при появлении запаха гари, дыма, а также при искрении оборудования, появлении необычного шума или вибрации;

- при возникновении пожара на лабораторном стенде следует применять для тушения углекислотные огнетушители или сухой песок.

 

Запрещается:

- приступать к работе без инструктажа по вопросам безопасности, разрешения преподавателя и регистрации в специальном журнале;

- самостоятельно включать силовые и осветительные рубильники;

- оставлять без наблюдения включенный лабораторный стенд;

- загромождать рабочий стенд посторонними предметами.