Цифровые счетчики импульсов

Введення

З розвитком  електроніки з'явився такий клас електронної техніки, як цифрова. Ця техніка призначена для формування, обробки і передачі електричних імпульсних сигналів і перепадів напруги і струму, а також для управління інформацією та її зберігання. Цифрові пристрої займають домінуюче місце в багатьох областях науки і техніки, що обумовлено істотно меншим споживанням енергії від джерела живлення, більш високою точністю, меншою критичністю до змін зовнішніх умов, більшою перешкодостійкістю. Цифрова техніка включає в себе такі пристрої як тригери, регістри, лічильники, комбінаційні пристрої, програмовані логічні інтегральні схеми та ін

Принцип дії

Цифровий  лічильник імпульсів - це цифровий вузол, який здійснює рахунок надходять  на його вхід імпульсів. Результат рахунку формується лічильником в заданому коді і може зберігатися необхідний час. Лічильники будуються на тригерах, при цьому кількість імпульсів, що може підрахувати лічильник визначається з виразу N = 2 ⁿ - 1, де n - число тригерів, а мінус один, тому що в цифровій техніці за початок відліку приймається 0. Лічильники бувають підсумовуючі, коли рахунок йде на збільшення, і відраховуються - рахунок на зменшення. Якщо лічильник може перемикатися в процесі роботи з підсумовування на віднімання і навпаки, то він називається реверсивним.

В якості вихідного стану прийнято нульовий рівень на всіх виходах тригерів (Q ₁ - Q _3), тобто цифровий код 000. При цьому старшим розрядом є вихід Q _3. Для переведення всіх тригерів в нульовий стан входи R тригерів об'єднані і на них подається необхідний рівень напруги (тобто імпульс, обнуляє тригери). По суті це скидання. На вхід С надходять тактові імпульси, які збільшують цифровий код на одиницю, тобто після приходу першого імпульсу перший тригер перемикається в стан 1 (код 001), після приходу другого імпульсу другий тригер перемикається в стан 1, а перший - у стан 0 (код 010), потім третій і т. д. У результаті подібний пристрій може дорахувати до 7 (код 111), оскільки 2 ³ - 1 = 7. Коли на всіх виходах тригерів встановилися одиниці, говорять, що лічильник переповнений. Після приходу наступного (дев'ятого) імпульсу лічильник обнулиться і почнеться все з початку. На графіках зміна станів тригерів відбувається з деякою затримкою t _з. На третьому розряді затримка вже потроєна. Збільшується з збільшенням числа розрядів затримка є недоліком лічильників з послідовним переносом, що, незважаючи на простоту, обмежує їх застосування в пристроях з невеликим числом розрядів.

Класифікація лічильників

Лічильниками  називають пристрої для підрахунку числа надійшли на їх вхід імпульсів (команд), запам'ятовування і зберігання результату рахунки і видачі цього  результату. Основним параметром лічильника є модуль рахунку (ємність) KС. Ця величина дорівнює числу стійких станів лічильника. Після надходження імпульсів kС лічильник повертається в початковий стан. Для двійкових лічильників kС = 2 m, де m - число розрядів лічильника.

Крім kС  важливими характеристиками лічильника є максимальна частота рахунку fmax і час встановлення tуст, які  характеризують швидкодію лічильника.

Tуст  - тривалість перехідного процесу  перемикання лічильника в новий  стан: tуст = mtтр, де m - число розрядів, а tтр - час перемикання тригера.

Fmax - максимальна  частота вхідних імпульсів, при  якій не відбувається втрати  імпульсів.

За типом  функціонування:

- Підсумовують;

- Віднімаючий;

- Реверсивні.

У суммирующем  лічильнику прихід кожного вхідного імпульсу збільшує результат рахунку  на одиницю, в віднімаючий - зменшує  на одиницю; у реверсивних лічильниках  може відбуватися як сумарний залік, так і віднімання.

За структурної  організації:

- Послідовними;

- Паралельними;

- Послідовно-паралельними.

У послідовному лічильнику вхідний імпульс подається  тільки на вхід першого розряду, на входи кожного наступного розряду  подається вихідний імпульс попереднього йому розряду.

У паралельному лічильнику з приходом чергового  лічильного імпульсу перемикання тригерів при переході в новий стан відбувається одночасно.

Послідовно-паралельна схема включає в себе обидва попередні  варіанти.

По порядку  зміни станів:

- З природним  порядком рахунку;

- З довільним  порядком рахунку.

За модулем  рахунку:

- Виконавчі;

- Недвійкова.

Модуль  рахунку двійкового лічильника Kc = 2, а модуль рахунку Недвійкова лічильника Kc = 2m, де m - число розрядів лічильника.

Суммирующий послідовний  лічильник

Рис.1. Суммирующий послідовний 3х розрядний лічильник.

Тригери даного лічильника спрацьовують по задньому фронту лічильного імпульсу. Вхід старшого розряду лічильника пов'язаний з прямим виходом (Q) молодшого сусіднього розряду. Тимчасова діаграма роботи такого лічильника наведена на рис.2. У початковий момент часу стану всіх тригерів рівні лог.0, відповідно на їх прямих виходах лог.0. Це досягається за допомогою короткочасного лог.0, поданого на входи асинхронної установки тригерів в лог.0. Загальний стан лічильника можна охарактеризувати двійковим числом (000). Під час рахунку на входах асинхронної установки тригерів в лог.1 підтримується лог.1. Після приходу заднього фронту першого імпульсу 0-розряд перемикається в протилежний стан - лог.1. На вході 1-розряду з'являється передній фронт лічильного імпульсу. Стан лічильника (001). Після приходу на вхід лічильника заднього фронту другого імпульсу 0-розряд перемикається в протилежний стан - лог.0, на вході 1-розряду з'являється задній фронт рахункового імпульсу, який перемикає 1-розряд в лог.1. Загальний стан лічильника - (010). Наступний задній фронт на вході 0-розряду встановить його в лог.1 (011) і т.д. Таким чином, лічильник накопичує число вхідних імпульсів, що надходять на його вхід. При надходженні 8-ми імпульсів на його вхід лічильник повертається в початковий стан (000), значить коефіцієнт рахунку (КСЧ) даного лічильника дорівнює 8.

Рис. 2. Тимчасова діаграма послідовного підсумовуючого лічильника.

Віднімає послідовний  лічильник

Тригери даного лічильника спрацьовують по задньому фронту. Для реалізації операції віднімання лічильний вхід старшого розряду підключається до інверсного виходу сусіднього молодшого розряду. Попередньо тригери встановлюють у стан лог.1 (111). Роботу даного лічильника показує тимчасова діаграма на рис. 4.

Рис. 4 Послідовний віднімає лічильник

Рис. 4 Тимчасова діаграма послідовного віднімаючий лічильника

Реверсивний послідовний  лічильник

Для реалізації реверсивного лічильника необхідно  об'єднати функції підсумовуючого лічильника і функції віднімаючий лічильника. Схема даного лічильника наведена на рис. 5. Для управління режимом рахунки служать сигнали «сума» і «різницю». Для режиму підсумовування «сума» = лог.1, «0»-короткочасний лог.0; «різницю» = лог.0, «1»-короткочасний лог.0. При цьому елементи DD4.1 і DD4.3 дозволяють подачу на тактові входи тригерів DD1.2, DD2.1 через елементи DD5.1 ​​і DD5.2 сигналів з ​​прямих виходів тригерів DD1.1, DD1.2 відповідно. При цьому елементи DD4.2 і DD4.4 закриті, на їх виходах присутній лог.0, тому дія інверсних виходів ніяк не відбивається на рахункових входах тригерів DD1.2, DD2.1. Таким чином, реалізується операція підсумовування. Для реалізації операції віднімання на вхід «сума» подається лог.0, на вхід «різницю» лог.1. При цьому елементи DD4.2, DD4.4 дозволяють подачу на входи елементів DD5.1, DD5.2, а відповідно і на рахункові входи тригерів DD1.2, DD2.1 сигналів з ​​інверсних виходів тригерів DD1.1, DD1.2. При цьому елементи DD4.1, DD4.3 закриті і сигнали з прямих виходів тригерів DD1.1, DD1.2 ніяк не впливають на рахункові входи тригерів DD1.2, DD2.1. Таким чином, реалізується операція віднімання.

Рис. 4 Послідовний реверсивний 3-х розрядний лічильник

 

Для реалізації даних лічильників  також можна використовувати  тригери, що спрацьовують по передньому фронту рахункових імпульсів. Тоді при підсумовуванні на рахунковий вхід старшого розряду треба подавати сигнал з інверсного виходу сусіднього молодшого розряду, а при відніманні навпаки - з'єднувати лічильний вхід з прямим виходом.

Недолік послідовного лічильника - при  збільшенні розрядності пропорційно  збільшується час установки (tуст) даного лічильника. Перевагою є простота реалізації.

 

Рис. 3 - Реверсивний лічильник

Для рахункових імпульсів передбачені  два входи: "+1" - на збільшення, "-1" - на зменшення. Відповідний вхід (+1 або -1) підключається до входу С. Це можна зробити схемою АБО, якщо вліпити її перед першим тригером (вихід елемента до входу першого тригера, входи - до шин +1 і -1). Незрозуміла фігня між тригерами (DD2 і DD4) називається елементом І-АБО. Цей елемент складається з двох елементів І і одного елемента АБО, об'єднаних в одному корпусі. Спочатку вхідні сигнали на цьому елементі логічно перемножуються, потім результат логічно складається.

Число входів елемента І-АБО відповідає номеру розряду, тобто якщо третій розряд, то три входи, четвертий - чотири і  т. д. Логічна схема є двохпозиційним перемикачем, керованим прямим або  інверсним виходом попереднього тригера. При лот. 1 на прямому виході лічильник відраховує імпульси з шини "+1" (якщо вони, звичайно, надходить), при лот. 1 на інверсному виході - з шини "-1". Елементи І (DD6.1 і DD6.2) формують сигнали переносу. На виході> 7 сигнал формується при коді 111 (число 7) і наявності тактового імпульсу на шині +1, на виході <0 сигнал формується при коді 000 і наявності тактового імпульсу на шині -1.

Все це, звичайно, цікаво, але красивіше  виглядає в мікросхемних виконанні:

Рис. 4 чотирирозрядний двійковий лічильник

Ось типовий лічильник з передустановкою. СТ2 означає, що лічильник двійковий, якщо він десятковий, то ставиться СТ10, якщо двійково-десятковий - СТ2/10. Входи D0 - D3 називаються інформаційними входами і служать для запису в лічильник будь-якого двійкового стану. Цей стан відобразиться на його виходах і від нього буде проводиться початок відліку. Іншими словами, це входи попередньої установки або просто предустановки. Вхід V служить для дозволу запису коду по входах D0 - D3, або, як кажуть, дозволу предустановки. Цей вхід може позначатися і іншими літерами. Попередній запис в лічильник проводиться при подачі сигналу дозволу запису у момент приходу імпульсу на вхід С. Вхід З тактовий. Сюди запихають імпульси. Трикутник означає, що лічильник спрацьовує по спаду імпульсу. Якщо трикутник повернений на 180 градусів, тобто дупою до букви С, значить він спрацьовує по фронту імпульсу. Вхід R служить для обнулення лічильника, тобто при подачі імпульсу на цей вхід на всіх виходах лічильника встановлюються лот. 0. Вхід PI називається входом переносу. Вихід p називається виходом перенесення. На цьому виході формується сигнал при переповненні лічильника (коли на всіх виходах встановлюються лот. 1). Цей сигнал можна подати на вхід перенесення наступного лічильника. Тоді при переповненні першого лічильника другий буде переключатися в наступний стан. Виходи 1, 2, 4, 8 просто виходи. На них формується двійковий код, відповідний числу надійшли на вхід лічильника імпульсів. Якщо висновки з кружечками, що буває набагато частіше, значить вони інверсні, тобто замість лот. 1 подається лот. 0 і навпаки. Більш докладно робота лічильників спільно з іншими пристроями буде розглядатися в подальшому.

Паралельний лічильник, що підсумовує

Принцип дії даного лічильника полягає в  тому, що вхідний сигнал, що містить  рахункові імпульси, подається одночасно  на всі розряди даного лічильника. А установкою лічильника в стан лог.0 або лог.1 управляє схема управління. Схема даного лічильника показана на рис.6

Рис. 4 суммирующий лічильник паралельної дії

Розряди лічильника - тригери DD1, DD2, DD3.

Схема управління - елемент DD4.

Гідність  даного лічильника - малий час установки, яке не залежить від розрядності  лічильника.

Недолік - складність схеми при підвищенні розрядності лічильника.

Лічильники з паралельним  переносом

Для підвищення швидкодії застосовують спосіб одночасного формування сигналу  переносу для всіх розрядів. Досягається це введенням елементів І, через які тактові імпульси надходять відразу на входи всіх розрядів лічильника.

Рис. 2 - Лічильник з паралельним переносом і графіки, що пояснюють його роботу

З першим тригером все зрозуміло. На вхід другого тригера тактовий імпульс пройде тільки тоді, коли на виході першого тригера буде лот. 1 (особливість схеми І), а на вхід третього - коли на виходах перших двох буде лот. 1 і т. д. Затримка спрацьовування на третьому тригері така ж, як і на першому. Такий лічильник називається лічильником з паралельним переносом. Як видно зі схеми, зі збільшенням числа розрядів збільшується число лот. елементів І, причому чим вище розряд, тим більше входів у елемента. Це є недоліком таких лічильників.

Етапи розробки принципової схеми

Формувач імпульсів

Формувач  імпульсів - пристрій, необхідний для  усунення брязкоту контактів, що виникає  при замиканні механічних контактів, який може призвести до неправильної роботи схеми.

На малюнку 9 наведені схеми формувачів імпульсів  від механічних контактів.

Рис. 9 Формувачі імпульсів від механічних контактів.

Блок індикації

Для відображення результату рахунку необхідно використовувати  світлодіоди. Щоб здійснити такий висновок інформації можна скористатися найпростішою схемою. Схема блоку індикації на світлодіодах наведена на рисунку 10.

Рис. 10 Блок індикації на світлодіодах.

Розробка КСУ (комбінаційної схеми  управління)

Для реалізації даного лічильника із серії ТТЛШ мікросхем  К555 я вибрав:

дві мікросхеми К555ТВ9 (2 JK-тригера з установкою)

одну  мікросхему К555ЛА4 (3 елементи 3И-НЕ)

дві мікросхеми К555ЛА3 (4 елементи 2І-НЕ)

одну  мікросхему К555ЛН1 (6 інверторів)

Дані  мікросхеми забезпечують мінімальну кількість  корпусів на друкованій платі.

Складання структурної  схеми лічильника

Структурна  схема - сукупність блоків лічильника, виконують якусь функцію і  забезпечують нормальну роботу лічильника. На малюнку 7 показано структурна схема лічильника.

Рис. 7 Структурна схема лічильника

Блок  управління виконує функцію подачі сигналу і керування тригерами.

Блок  рахунку призначений для зміни  стану лічильника і збереження цього  стану.