Цифровой счетчик импульсов

 

Счетчик импульсов – устройство, предназначенное для подсчета числа импульсов, поступивших на его вход.

Счетчики бывают:

– двоичные, десятичные и с произвольным коэффициентом счета;

– суммирующие, вычитающие и реверсивные (т.е. выполняющие сложение и вычитание);

– асинхронные и синхронные; в асинхронном режиме каждый предыдущий триггер вырабатывает для последующего тактовые импульсы, в синхронном режиме все триггеры получают тактовые импульсы с одновременно подключаемых тактовых входов;

– с непосредственными связями, переносом и комбинированными связями.

На рис. 116 показаны схема и условное обозначение двоичного четырехразрядного счетчика, состоящего из последовательно соединенных Т-триггеров.

С₁ – счетный вход, R - установка 0, выходы 1, 2, 4, 8 соответствуют обозначениям двоичных разрядов:

 

 

Рис. 116

 

На рис. 117 показаны осциллограммы уровней счетчика на входе и выходах.

Если в исходном состоянии все триггеры были в состоянии 0, то после окончания первого входного импульса триггер ТТ1 перейдет в состояние 1 (X₀=1).

 

Рис. 117

 

Состояние триггеров с приходом входных импульсов отражено в табл. 27. Общее число возможных состояний N определяется числом триггеров n (N=2ⁿ).

Комбинации состояний триггеров после прихода очередного импульса соответствуют двоичному числу, равному номеру импульса.

В работе исследуется быстродействующий счетчик К155ИЕ5, представляющий собой асинхронный двигатель частоты на JK-триггерах (рис. 118).

 

Таблица 27

№ входного импульса	Состояние триггера
Т4	Т3	Т2	Т1

 

Первый триггер, имеющий тактовый вход С1 и изолированный от других триггеров прямой выход 1, представляет собой счетчик – делитель на 2. Остальные триггеры образуют счетчик – делитель на 8. Счетные импульсы при этом должны подаваться на вход С2, а частота, деленная на 8, снимается с выхода 4. Счетчики работают самостоятельно, однако выбор их производится по входам R1 и R2, которые обеспечивают два режима работы. Это показано в таблице на рис. 35. Переключение триггеров происходит по отрицательному фронту входных тактовых импульсов. Путем внешнего соединения выхода 1 с входом С2 образуется двоичный счетчик – делитель на 16. Счетные импульсы при этом подаются на вход С1, а выходное напряжение с частотой, деленной на 16, снимается с выхода 4. В режиме счета состояния выходов триггеров изменяются в последовательности двоичного счета от 0 до 15.

 

 

Режим работы счетчика	Состояние устойчивого входа
R1	R2
Установка в 0
Счет		х
х

 

Рис. 118

 

Регистр

 

Регистром называется устройство для записи и хранения информации, представленной двоичным числом.

Каждому разряду двоичного числа соответствует двоичная ячейка – триггер. В простейшем регистре триггеры соединены последовательно (рис. 119). Выходы Q и предыдущего триггера передают исходные данные – двоичное число – на входы R и S последующего триггера. Все тактовые входы С триггеров соединены параллельно. При таком включении сигнал 1, записанный в первом триггере, перейдет во второй триггер после подачи одного тактового импульса. Затем после второго тактового импульса сигнал 1 попадет в третий триггер [1, с. 199].

 

 

Рис. 119

 

На рис. 120 показан регистр с параллельно включенными триггерами.

Запись сигналов в триггерах разрядов Т1…Т3 происходит при подаче сигнала 1 на шину «Ввод». На выходе схемы сигналы появятся при подаче сигнала 1 на шину «Вывод». На рис. 120 показаны уровни сигналов при записи двоичного числа 101. При считывании информация, записанная в регистре, сохраняется.

 

Рис. 120

На рис. 121 изображена микросхема регистра К155ИР1.

Микросхема К155ИР1 представляет собой четырехразрядный сдвиговый регистр. Он имеет вход S1 (вывод 1) для последовательного ввода данных, четыре параллельных входа D0…D3 (выводы 2-5), а также четыре выхода Q₀…Q₃ (выводы 10-13) от каждого триггера, два тактовых входа С1 и С2. Сигналы со всех пяти входов поступают на выходы синхронно с отрицательным фронтом импульса, поданным на тактовый вход.

Вход разрешения параллельной загрузки для выбора режима работы регистра. Если на вход дается напряжение высокого уровня, то разрешается работа тактового входа . В момент прихода на этот вход отрицательного фронта тактового импульса регистр загружается данными параллельных входов D0…D3. Если на вход подается напряжение низкого уровня, то разрешается работа тактового входа . Отрицательные фронты последовательности тактовых импульсов сдвигают данные с входа S1 на выход Q₀, затем на Q₁, Q₂, Q₃. Сдвиг данных по регистру влево получают, соединяя выход Q₃ с входом D2, Q₂ с D1, Q₁ с D0.

Для перевода регистра в параллельный режим на вход подают напряжение высокого уровня. Напряжение на входе можно изменять только в том случае, если на обоих тактовых входах уровни низкие. Когда на входе напряжение низкого уровня, перемена сигнала на входе от низкого уровня к высокому не изменяет состояние выходов.

Микросхема К155ИР1 имеет ток потребления 64 мА. Максимальная тактовая частота 25 мГц. Режимы работы регистра ИР1 следует выбирать по табл. 28.

 

 

Рис. 121

 

 

Таблица 28

ВХОД

ВЫХОД

Послед.

Параллельные

S1

D0

D1

D2

D3

В

В

х

х

х

х

х

х

QA0

QB0

QC0

QD0

В

х

х

a

b

c

d

a

b

c

d

В

х

х

Qb

Qc

Qd

d

QBn

QCn

QDn

d

Н

Н

В

х

x

x

x

x

QA0

QB0

QC0

QD0

Н

х

В

x

x

x

x

В

QAn

QBn

QDn

Н

х

Н

x

x

x

x

H

QAn

QBn

QDn

Н

Н

х

x

x

x

x

QA0

QB0

QC0

QD0

Н

Н

х

x

x

x

x

QA0

QB0

QC0

QD0

Н

В

х

x

x

x

x

QA0

QB0

QC0

QD0

В

Н

х

x

x

x

x

QA0

QB0

QC0

QD0

В

В

х

x

x

x

x

QA0

QB0

QC0

QD0

 

 

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

 

В лабораторной установке «Исследование логических элементов» собраны цепи, содержащие интегральные микросхемы ТТЛ: К155ЛН1 (инвертор), К155ЛИ3 (элемент И), К155ЛЛ1 (элемент ИЛИ), К155ЛА3 (элемент И-НЕ), К155ЛЕ1 (элемент ИЛИ-НЕ), К155ТМ2 (D-триггер), К155ИЕ5 (счетчик), К155ИР1 (регистр) (рис.122).

Микросхемы серии К155 питаются от источника постоянного напряжения В. Потребляемая мощность одной микросхемы 10 мВт. Среднее время задержки распространения импульса сигнала t_зд.р. (рис. 123) равно 13 нс. Среднее значение потребляемого тока 1,5...2,0 мА. Допустимые напряжения на входе и выходе схемы, соответствующие логическим уровням 0 и 1, следующие:

.

 

Рис. 122

 

Единичный уровень сигнала на входе и выходе элемента отображается свечением светоизлучающего диода.

 

 

Рис. 123

 

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

 

1 Ознакомиться с расположением схем логических элементов на панели лабораторной установки (рис. 124).

2 Подключить установку к сети переменного напряжения 220 В частотой 50 Гц.

3 Переключателем «Вкл.» включить блок питания установки, дающий постоянное напряжение 5 В для микросхем.

4 Исследование логического элемента НЕ-инвертора (рис. 124а) на микросхеме К155ЛН1.

В исходном режиме (ключ SA1 «Выкл.», кнопка К_Н на входе Х1 не нажата) на вход инвертора напряжение не подается, что подтверждается отсутствием свечения светодиода, подключенного к входу элемента. Это соответствует отсутствию сигнала на входе:

.

На выходе Y инвертора создается напряжение – светится светодиод, подключенный к выходу элемента. Это соответствует сигналу 1:

.

Подать на вход инвертора сигнал 1, нажав кнопку на входе Х1:

.

Убедиться, что на выходе инвертора сигнал отсутствует.

Заполнить табл. 29.

 

Таблица 29

Элемент НЕ
Вход	Выход
Х1	Y

 

5 Исследование элемента И (рис. 124б), выполненного на микросхеме К155ЛН1.

К входам Х1 и Х2 элемента И подключить сигналы 1 и 0 в соответствии с табл. 30. При этом ключ SA2 находится в положении «Выкл.». Сигнал 1 подается на вход элемента нажатием кнопки на входе.

Полученные сигналы на выходе записать в табл. 30 (столбец Y).

 

Таблица 30

Элемент И
Вход	Выход
Х1	Х2	Y

6 Исследование элементов ИЛИ, И-НЕ ( ), ИЛИ-НЕ ( ).

 

Исследовать элементы ИЛИ (рис. 124д), (рис. 124г), (рис. 124в), выполненные на микросхемах К155ЛЛ1, К155ЛА3, К155ЛЕ1. Аналогично пп. 4, 5 подать сигналы на входы элементов в соответствии с табл. 31, 32, 33 и записать результаты эксперимента в столбцах Y.

 

Таблица 31 Таблица 32 Таблица 33

Элемент ИЛИ		Элемент И – НЕ		Элемент ИЛИ – НЕ
Вход	Выход	Вход	Выход	Вход	Выход
Х1	Х2	Y	Х1	Х2	Y	Х1	Х2	Y

 

7 Исследование логического элемента с тремя состояниями – повторителя (рис. 124е).

 

Повторитель работает по логической схеме (табл. 34), характеризуемой тремя состояниями на выходе элемента.

Таблица 34

Элемент – повторитель
Вход	Выход
Х1	Х2	Y
		1 – зеленый свет светодиода соответствует сигналу 1.
		0 – красный свет соответствует сигналу 0.
		– отсутствует зеленое и красное свечение светодиодов.

 

Из табл. 34 следует, что в двух режимах – 1 и 2-я строки – сигнал на выходе элемента повторяет сигнал на входе Х1 независимо от уровня сигнала на входе Х2.

При входном сигнале сигнал переводит элемент в третье состояние, когда на выходе отсутствует какой-либо сигнал – 0 или 1 – (3-я строка).

 

8 Исследование логических элементов в динамическом режиме.

 

Элемент НЕ (рис. 124а).

Подключить к входу Х инвертора последовательность импульсов напряжения, т.е. последовательность сигналов 1, 0. Для этого ключ SA1 поставить в положение «Вкл.».

Снять осциллограммы напряжений на входе и выходе элемента, подключив вход осциллографа к гнездам на входе и выходе элемента.

 

Элемент И (рис. 124б).

 

Подключить к входу Х1 элемента последовательность импульсов напряжения. С этой целью ключ данной схемы поставить в положение «Вкл.».

Убедиться, что осциллограмма напряжения на входе Х1 элемента аналогична осциллограмме напряжения на входе инвертора.

В условиях подключения последовательности импульсов напряжения к входу Х1 получить осциллограммы напряжений на выходе Y элемента при двух уровнях напряжения на входе Х2:

1 (кнопку на входе Х₂ не нажимать);

2 (кнопку на входе Х₂ нажать).

Зарисовать полученные осциллограммы – :

 

 

Аналогично исследовать элементы ИЛИ (рис. 124д), И-НЕ (рис. 124г), ИЛИ-НЕ (рис. 124в).

 

9 Исследование D-триггера (рис. 124з).

 

Исследуемый D-триггер (микросхема К155ТМ2) имеет следующие входы и выходы:

– С – тактовый вход, на который подаются тактовые (синхронизирующие) импульсы;

– и – асинхронные инверсные входы; при поступлении сигнала (0) на асинхронные входы работа триггера не зависит от импульса на тактовом входе С; для инверсных входов активным уровнем, вызывающим работу схемы, является низкий уровень напряжения сигнала – 0;

– D – информационный вход; сигнал со входа D подается на выходы Y и по положительному перепаду импульса (от Н к В) на тактовом входе С;

– Q – прямой выход;

– – инверсный выход.

 

Исследование триггера в асинхронном режиме:

 

Подать на входы и сигналы, указанные в 1…3 строках табл. 17. Учесть, что в исходном режиме на входы и подаются сигналы 1 (светятся индикаторы на входах и ). Полученные сигналы на выходах Q и записать в 1…3 строках табл. 35. УКАЗАНИЕ: В начале опыта произвести сброс информации (нажать и отпустить кнопку на входе R).

 

Исследование триггера в режиме загрузки со входа D (табл.35, строки 4,5):

 

С помощью кнопки R произвести сброс.

На входах и действуют напряжения, соответствующие сигналу 1. На вход D подать сигнал 1 – нажать кнопку на входе D и не отпускать ее до подачи тактового импульса. Тактовый импульс подается путем кратковременного нажатия кнопки на входе С. Записать сигналы на выходах Q и . Так реализуется строка 4 табл. 35.

На вход D подать сигнал 0 – не нажимать кнопку на входе D. Подать тактовый импульс. Записать сигналы на выходах в строке 5 табл. 35.

УКАЗАНИЕ: Чтобы триггер переключался правильно, подача уровня сигнала на вход D должна опережать положительный фронт ( ) короткого тактового импульса на входе С.

 

Таблица 35

Режим работы D- триггера	Вход	Выход
		C	D	Q
Асинхронный режим	Загрузка 1 (установка)			х	х
Загрузка 0 (сброс)			х	х
Неопределенность			х	х
Загрузка с входа D	Загрузка 1 (установка)
Загрузка 0 (сброс)

 

10 Исследование счетчика импульсов (рис.124ж).

 

Исследуемый счетчик импульсов (микросхема К155ИЕ5) представляет собой двоичный четырехразрядный счетчик. Он имеет:

– счетный вход С для подачи импульсов напряжения;

– вход сброса R;

– четыре входа Y1, Y2, Y3, Y4, соответствующих четырем разрядам двоичного счетчика:

.

При исследовании работы счетчика сначала установить нулевые уровни сигналов на всех выходах. Для этого следует нажать кнопку на входе R.

Затем подать на счетный вход С первый импульс напряжения (1). Для этого надо нажать кнопку К_Н1 и через несколько секунд отпустить ее. Записать уровни сигналов (1, 0) на выходах счетчика в табл. 36.

Подать на вход С второй импульс и вновь записать в таблицу состояния выходов счетчика и так далее, включая 15-й импульс.

Проверить работу счетчика в динамическом режиме. Для этого подключить источник прямоугольных импульсов напряжения к входу С (тумблер SA6 в положении «Вкл.»). Подключая осциллограф к выходам Y1, Y2, Y3, Y4, зарисовать форму выходных сигналов. Попытаться объяснить характер их изменения.

 

Таблица 36

Обозначение двоичного числа на выходе регистра	Уровни напряжения на выходах Y1, Y2, Y3, Y4 регистра после n–го импульса на входе (n = 0, 1, 2, … , 15)
n = 0	n = 1	n = 2	n = 3 …	n = 15
Y1 ÷ 20
Y2 ÷ 21
Y3 ÷ 22
Y4 ÷ 23
Двоичное число на выходе регистра после n-го импульса на входе
Десятичное число на выходе регистра после n-го импульса на входе

 

11 Исследование регистра (рис. 124и).

 

Исследуется четырехразрядный регистр, выполненный на микросхеме К155ИР1. Регистр работает в режиме параллельной загрузки сигналов. На

схеме (рис. 124и) входы и выходы имеют следующие обозначения:

– Х1, Х2, Х3, Х4 – входы для подачи сигналов разрядов двоичного числа при параллельной загрузке; Х1 – разряд 2⁰, Х2 – 2¹, Х3 – 2², Х4 – 2³;

– Х5 – вход разрешения параллельной загрузки ( );

– Х6 – тактовый вход;

– Y1, Y2, Y3, Y4 – входы, соответствующие разрядам двоичного числа, Y1 – низший разряд 2⁰.

 

Установить на выходах Y1…Y4 нулевые уровни сигналов, т.е. реализовать «сброс». С этой целью подать на вход Х6 сигнал 1 – нажать кнопку на входе Х6.

Режим параллельной загрузки регистра реализуется при подаче на вход Х5 сигнала 1 – в исходном состоянии регистра светится индикатор на входе Х5.

Ввод двоичного числа с параллельных входов разрядов Х1... Х4 осуществляется следующим образом:

 

– подать сигнал 1 на те входы Х1...Х4, которым соответствуют значения 1 разрядов двоичного числа. Для этого следует нажать (и не отпускать) кнопки на указанных входах Х1...Х4;

 

– при одновременном действии сигнала 1 на всех указанных входах Х1...Х4 подать короткий тактовый импульс на вход Х6. Для этого при нажатых кнопках на входах Х1...Х4 кратковременно нажать и отпустить кнопку на входе Х6. После чего отпустить кнопки на входах Х1...Х4;

 

– по окончании ввода числа в регистр светятся индикаторы на тех выходах разрядов Y1…Y4, на входы которых (Х1...Х4) подавался сигнал 1;

 

– комбинация выходных сигналов Y1…Y4 не изменяется после отпускания всех кнопок.

 

Ввести в регистр двоичное число 0111. С этой целью на входы регистра подать сигналы, указанные в таблице. Нажать кнопки Х1, Х2, Х3 и не отпускать их до окончания тактового импульса, который подается нажатием кнопки Х6. Наблюдаемые уровни сигналов на выходах Y1…Y4 занести в табл. 37.

 

Таблица 37

Вход	Выход
Х1	Х2	Х3	Х4	Y1	Y2	Y3	Y4

 

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1 Какую функцию выполняет инвертор, и какого его условное обозначение как элемента схемы? Укажите буквенное обозначение.

2 Нарисуйте схему инвертора и объясните работу схемы.

3 Какие функции выполняют логические элементы И, , ИЛИ, и каковы их условные обозначения в схемах? Укажите буквенные обозначения перечисленных элементов.

4 Нарисуйте схему элемента И и объясните работу схемы.

5 Нарисуйте схему элемента и объясните работу схемы.

6 Нарисуйте схему RS-триггера на логических элементах .

7 Объясните работу D-триггера.

8 Каков принцип действия двоичного счетчика?

9 Какова схема сдвигающего регистра с последовательным вводом информации? Объясните, как работает схема.

10 Какова схема регистра с одновременным вводом информации? Объясните, как работает схема.