Содержание

Введение………………………………………………………...…………..…..3

Принцип действия………………………………………………...…………...4

Классификация счётчиков………………………………………………..….8

Последовательные счётчики……………………………………….…….….10

Параллельные счётчики…………………………………………………..…16

Счетчики  с параллельным переносом……………………………...……...17

Разработка  принципиальной схемы…………………………...…………..18

Составление структурной схемы  счётчика……………………………….19

Составные элементы устройства…………………………………..….……22

Расчетная часть  ………………………………………………………….…..23

Вывод………………………………………………………………..…….……40

Техника безопасности…………………………………………………...……41

Список  литературы……………………………………………………….…..43 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

        С развитием электроники появился такой класс электронной техники, как цифровая. Эта техника предназначена для формирования, обработки и передачи электрических импульсных сигналов и перепадов напряжения и тока, а также для управления информацией и её хранения. Цифровые устройства занимают доминирующее место во многих областях науки и техники, что обусловлено существенно меньшим потреблением энергии от источника питания, более высокой точностью, меньшей критичностью к изменениям внешних условий, большей помехоустойчивостью. Цифровая техника включает в себя такие устройства как триггеры, регистры, счётчики, комбинационные устройства, программируемые логические интегральные схемы и др.

       В работе было разработана счетчик до 30, состоящий из двух частей, одна из которых десятичный счетчик. Реализация устройства производилась с помощью среды разработки Electronics Workbench версии 5.12. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     

     

     Принцип действия

    Цифровой  счетчик импульсов - это цифровой узел, который осуществляет счет поступающих на его вход импульсов. Результат счета формируется счетчиком в заданном коде и может храниться требуемое время. Счетчики строятся на триггерах, при этом количество импульсов, которое может подсчитать счетчик определяется из выражения N = 2ⁿ - 1, где n - число триггеров, а минус один, потому что в цифровой технике за начало отсчета принимается 0. Счетчики бывают суммирующие, когда счет идет на увеличение, и вычитающие - счет на уменьшение. Если счетчик может переключаться в процессе работы с суммирования на вычитание и наоборот, то он называется реверсивным.

    В качестве исходного состояния принят нулевой уровень на всех выходах триггеров (Q₁ - Q₃), т. е. цифровой код 000. При этом старшим разрядом является выход Q₃. Для перевода всех триггеров в нулевое состояние входы R триггеров объединены и на них подается необходимый уровень напряжения (т. е. импульс, обнуляющий триггеры). По сути это сброс. На вход С поступают тактовые импульсы, которые увеличивают цифровой код на единицу, т. е. после прихода первого импульса первый триггер переключается в состояние 1 (код 001), после прихода второго импульса второй триггер переключается в состояние 1, а первый - в состояние 0 (код 010), потом третий и т. д. В результате подобное устройство может досчитать до 7 (код 111), поскольку 2³ - 1 = 7.  
 

 

 

    Когда на всех выходах триггеров установились единицы, говорят, что счетчик переполнен. После прихода следующего (девятого) импульса счетчик обнулится и начнется все с начала.

      На графиках изменение состояний  триггеров происходит с некоторой  задержкой t_з. На третьем разряде задержка уже утроенная. Увеличивающаяся с увеличением числа разрядов задержка является недостатком счетчиков с последовательным переносом, что, несмотря на простоту, ограничивает их применение в устройствах с небольшим числом разрядов.

    Счетчиком  называют   устройство,  предназначенное   для  подсчёта  числа импульсов  поданных   на   вход.  Они,   как  и сдвигающие   регистры,   состоят  из цепочки  триггеров.  Разрядность  счетчика,  а  следовательно,  и число  триггеров  определяется    максимальным   числом,  до  которого он считает.   Количество  импульсов, которое может   подсчитать  счетчик   определяется   из  выражения   N = 2ⁿ - 1,  где n -  число триггеров, а минус один, потому что в цифровой технике за начало отсчета принимается 0. 

 

 Рисунок 1 - Микросхема К155ИЕ5 (счетчик до 16) 

      Микросхема К155ИЕ5 рисунок 1 содержит счетный триггер (вход С1) и делитель на восемь (вход С2) образованный тремя соединенными последовательно триггерами. Триггеры срабатывают по срезу входного импульса (по переходу из 1 в 0). Если соединить последовательно все четыре триггера как на рисунке 1, т получится счетчик по модулю 2⁴=16.  

 

 

 Максимальное  хранимое число при полном заполнении его единицами равно N=2⁴-1=15=111 в двоичной системе. Такой счетчик работает с коэффициентом счета К (модулем), кратным целой степени 2, и в нем совершается циклический перебор К=2ⁿ устойчивых состояний. Счетчик имеет выходы принудительной установки в 0.

    Часто нужны счетчики с числом устойчивых состояний, отличным от 2ⁿ .Например, о электронных часах есть микросхемы с коэффициентом счета 6 (десятки минут). 10 (единицы минут). 7 (дни недели). 24 (часы).

    Для построения счётчика с модулем К≠2ⁿ можно использовать устройство из n триггеров для которого выполняется условие 2ⁿ >К. Очевидно, такой счётчик может иметь лишние устойчивые состояния (2ⁿ-К). Исключить эти ненужные состояния можно использованием обратных связей, по цепям которых счетчик переключается в нулевое состояние в том такте работы когда он досчитывает до числа К.

    Для счетчика с К=10 нужны четыре триггера (так как 2³ <10<2⁴) должен иметь десять устойчивых состояний N==0,1...,8,9. В том такте, когда он должен был перейти в одиннадцатое устойчивое состояние (N=10), его необходимо сбросить в исходное нулевое состояние. Для такого счётчика можно использовать микросхему К155ИЕ5 рисунок 2, введя цепи обратной связи с выходов счетчика, соответствующих числу 10 (т. е. 2 и 8) на входы установки счетчика в 0 (вход R). В самом начале 11-го состояния (число 10) на обоих входах элемента И микросхемы появляются логические 1, вырабатывающие сигнал сброс всех триггеров счетчика в нулевое состояние.

 

 Рисунок 2 - Микросхема К155ИЕ5 (счетчик до 10)

 

 

          Счетчик до 30 выполнен на 6 JK триггерах с сигналом сброса (4 JK триггера для счета до десяти и 2 JK триггера для счета до трех).

    Для счетчика до десяти нужны четыре триггера (так как 2³<10<2⁴), счетчик должен иметь десять устойчивых состояний N==0,1...,8,9, а для счетчика до трех нужны два триггера (так как 2¹<3<2²), счетчик должен иметь три устойчивых состояний N==0,1,2.

    Как только значение на выходе Q2 и Q4 триггера будет равно «1», произойдет сброс счетчика (это значение в десятичной системе равно 10 или 0101 в двоичной системе слева на право), а эта единица (сигнал сброса) передастся на второй счетчик.

    Как только значение на втором счетчике на выходе Q11 и Q22 триггера будет равно «1», произойдет сброс второго счетчика (это значение в десятичной системе равно 3 или 11 в двоичной системе счисления).

    Классификация счётчиков

 

    Счетчиками  называют устройства для подсчёта числа поступивших на их вход импульсов (команд), запоминания и хранения результата счёта и выдачи этого результата. Основным параметром счётчика является модуль счёта(емкость) Kс. Эта величина равна числу устойчивых состояний счётчика. После поступления импульсов Kс счётчик возвращается в исходное состояние. Для двоичных счётчиков Kс = 2 m, где m – число разрядов счётчика.

    Кроме Kс важными характеристиками счётчика являются максимальная частота счёта fmax и время установления tуст, которые характеризуют быстродействие счётчика.

    Tуст  – длительность переходного процесса  переключения счётчика в новое  состояние: tуст = mtтр, где m – число  разрядов, а tтр – время переключения  триггера.

    Fmax – максимальная частота входных  импульсов, при которой не происходит потери импульсов.

    По  типу функционирования:

    - Суммирующие;

    - Вычитающие;

    - Реверсивные.

    В суммирующем счётчике приход каждого  входного импульса увеличивает результат  счёта на единицу, в вычитающем –  уменьшает на единицу; в реверсивных  счётчиках может происходить как суммирование, так и вычитание.

    

    По  структурной организации:

    - последовательными; 

    - параллельными; 

    - последовательно-параллельными. 

    

    

    В последовательном счётчике входной  импульс подаётся только на вход первого  разряда, на входы каждого последующего разряда подаётся выходной импульс предшествующего ему разряда.

    В параллельном счётчике с приходом очередного счётного импульса переключение триггеров  при переходе в новое состояние  происходит одновременно.

    Последовательно-параллельная схема включает в себя оба предыдущих варианта.

    По  порядку изменения состояний:

    - с естественным порядком счёта;

    - с произвольным порядком счёта.

    По  модулю счёта:

    - двоичные;

    - недвоичные.

    Модуль  счёта двоичного счётчика Kc=2, а модуль счёта недвоичного счётчика Kc= 2m, где m – число разрядов счётчика.

  

 Последовательные счётчики

 

 

 Рис.1. Суммирующий последовательный 3х  разрядный счётчик.

    

    

    Триггеры  данного счетчика срабатывают по заднему фронту счетного импульса. Вход старшего разряда счетчика связан с прямым выходом (Q) младшего соседнего разряда. Временная диаграмма работы такого счетчика приведена на рис.2. В начальный момент времени состояния всех триггеров равны лог.0, соответственно на их прямых выходах лог.0. Это достигается посредством кратковременного лог.0, поданного на входы асинхронной установки триггеров в лог.0.

    Общее состояние счетчика можно охарактеризовать двоичным числом (000). Во время счёта  на входах асинхронной установки  триггеров в лог.1 поддерживается лог.1. После прихода заднего фронта первого импульса 0-разряд переключается в противоположное состояние – лог.1. На входе 1-разряда появляется передний фронт счетного импульса. Состояние счетчика (001). После прихода на вход счетчика заднего фронта второго импульса 0-разряд переключается в противоположное состояние – лог.0, на входе 1-разряда появляется задний фронт счетного импульса, который переключает 1-разряд в лог.1. Общее состояние счетчика – (010). Следующий задний фронт на входе 0-разряда установит его в лог.1 (011) и т.д. Таким образом, счетчик накапливает число входных импульсов, поступающих на его вход. При поступлении 8-ми импульсов на его вход счетчик возвращается в исходное состояние (000), значит коэффициент счета (КСЧ) данного счетчика равен 8.

 

 Рис.2. Временная диаграмма последовательного суммирующего счетчика.

 

 

 Триггеры  данного счетчика срабатывают по заднему фронту. Для реализации операции вычитания счетный вход старшего разряда подключается к инверсному выходу соседнего младшего разряда. Предварительно триггеры устанавливают в состояние лог.1 (111). Работу данного счетчика показывает временная диаграмма на рис. 4. 

 

 Рис. 1 Последовательный вычитающий счетчик 

 

 

 Рис. 4 Временная диаграмма последовательного вычитающего счетчика 

    Для реализации реверсивного счетчика необходимо объединить функции суммирующего счетчика и функции вычитающего счетчика. Схема данного счетчика приведена  на рис. 5. Для управления режимом  счета служат сигналы «сумма»  и «разность». Для режима суммирования «сумма»=лог.1, «0»-кратковременный лог.0; «разность»=лог.0, «1»-кратковременный лог.0. При этом элементы DD4.1 и DD4.3 разрешают подачу на тактовые входы триггеров DD1.2, DD2.1 через элементы DD5.1 и DD5.2 сигналов с прямых выходов триггеров DD1.1, DD1.2 соответственно. При этом элементы DD4.2 и DD4.4 закрыты, на их выходах присутствует лог.0, поэтому действие инверсных выходов никак не отражается на счетных входах триггеров DD1.2, DD2.1. Таким образом, реализуется операция суммирования. Для реализации операции вычитания на вход «сумма» подается лог.0, на вход «разность» лог.1. При этом элементы DD4.2, DD4.4 разрешают подачу на входы элементов DD5.1, DD5.2, а соответственно и на счетные входы триггеров DD1.2, DD2.1 сигналов с инверсных выходов триггеров DD1.1, DD1.2. При этом элементы DD4.1, DD4.3 закрыты и сигналы с прямых выходов триггеров DD1.1, DD1.2 никак не воздействуют на счетные входы триггеров DD1.2, DD2.1. Таким образом, реализуется операция вычитания. 
 

 

 Рис. 5 Последовательный реверсивный 3-х разрядный счетчик

 

 Для реализации данных счетчиков также  можно использовать триггеры, срабатывающие  по переднему фронту счетных импульсов. Тогда при суммировании на счетный вход старшего разряда надо подавать сигнал с инверсного выхода соседнего младшего разряда, а при вычитании наоборот – соединять счетный вход с прямым выходом.

 Недостаток  последовательного счетчика – при  увеличении разрядности пропорционально  увеличивается время установки (tуст) данного счетчика. Достоинством является простота реализации.

 

 Рис. 6 - Реверсивный счетчик

    Для счетных импульсов предусмотрены  два входа: "+1" - на увеличение, "-1" - на уменьшение. Соответствующий  вход (+1 или -1) подключается ко входу С. Это можно сделать схемой ИЛИ, если влепить ее перед первым триггером (выход элемента ко входу первого триггера, входы - к шинам +1 и -1). Непонятная фигня между триггерами (DD2 и DD4) называется элементом И-ИЛИ. Этот элемент составлен из двух элементов И и одного элемента ИЛИ, объединенных в одном корпусе.

    Сначала входные сигналы на этом элементе логически перемножаются, потом результат логически складывается.

    

    Число входов элемента И-ИЛИ соответствует  номеру разряда, т. е. если третий разряд, то три входа, четвертый - четыре и  т. д. Логическая схема является двухпозиционным переключателем, управляемым прямым или инверсным выходом предыдущего триггера. При лог. 1 на прямом выходе счетчик отсчитывает импульсы с шины "+1" (если они, конечно, поступает), при лог. 1 на инверсном выходе - с шины "-1". Элементы И (DD6.1 и DD6.2) формируют сигналы переноса. На выходе >7 сигнал формируется при коде 111 (число 7) и наличии тактового импульса на шине +1, на выходе <0 сигнал формируется при коде 000 и наличии тактового импульса на шине -1.Все это, конечно, интересно, но красивей смотрится в микросхемном исполнении:

    

 

    Рис. 4 Четырехразрядный двоичный счетчик

    Вот типичный счетчик с предустановкой. СТ2 означает, что счетчик двоичный, если он десятичный, то ставится СТ10, если двоично-десятичный - СТ2/10. Входы D0 - D3 называются информационными входами и служат для записи в счетчик какого-либо двоичного состояния. Это состояние отобразится на его выходах и от него будет производится начало отсчета. Другими словами, это входы предварительной установки или просто предустановки. Вход V служит для разрешения записи кода по входам D0 - D3, или, как говорят, разрешения предустановки.  
 

    

    

    Этот  вход может обозначаться и другими  буквами. Предварительная запись в  счетчик производится при подаче сигнала  разрешения записи в момент прихода импульса на вход С. Вход С тактовый. Сюда запихивают импульсы. Треугольник означает, что счетчик срабатывает по спаду импульса. Если треугольник повернут на 180 градусов, т. е. задницей к букве С, значит он срабатывает по фронту импульса. Вход R служит для обнуления счетчика, т. е. при подаче импульса на этот вход на всех выходах счетчика устанавливаются лог. 0. Вход PI называется входом переноса. Выход p называется выходом переноса. На этом выходе формируется сигнал при переполнении счетчика (когда на всех выходах устанавливаются лог. 1). Этот сигнал можно подать на вход переноса следующего счетчика. Тогда при переполнении первого счетчика второй будет переключаться в следующее состояние. Выходы 1, 2, 4, 8 просто выходы. На них формируется двоичный код, соответствующий числу поступивших на вход счетчика импульсов. Если выводы с кружочками, что бывает намного чаще, значит они инверсные, т. е. вместо лог. 1 подается лог. 0 и наоборот. Более подробно работа счетчиков совместно с другими устройствами будет рассматриваться в дальнейшем.

    Параллельные счётчики

    Принцип действия данного счетчика заключается  в том, что входной сигнал, содержащий счетные импульсы, подается одновременно на все разряды данного счетчика. А установкой счетчика в состояние лог.0 или лог.1 управляет схема управления. Схема данного счетчика показана на рис.6

 

 Рис. 2 Суммирующий счетчик параллельного действия 

   Разряды счетчика – триггеры DD1, DD2, DD3.

   Схема управления – элемент DD4.

   Достоинство данного счетчика – малое время  установки, не зависящее от разрядности счетчика.

   Недостаток  – сложность схемы при повышении  разрядности счетчика.

   Счетчики  с параллельным переносом

   Для повышения быстродействия применяют  способ одновременного формирования сигнала  переноса для всех разрядов. Достигается это введением элементов И, через которые тактовые импульсы поступают сразу на входы всех разрядов счетчика.

 

 
 

     

 Рис. 2 - Счетчик с параллельным переносом  и графики, поясняющие его работу

    С первым триггером все понятно. На вход второго триггера тактовый импульс пройдет только тогда, когда на выходе первого триггера будет лог. 1 (особенность схемы И), а на вход третьего - когда на выходах первых двух будет лог. 1 и т. д. Задержка срабатывания на третьем триггере такая же, как и на первом. Такой счетчик называется счетчиком с параллельным переносом. Как видно из схемы, с увеличением числа разрядов увеличивается число лог. элементов И, причем чем выше разряд, тем больше входов у элемента. Это является недостатком таких счетчиков.

    Разработка  принципиальной схемы

    Формирователь импульсов

    Формирователь импульсов – устройство, необходимое  для устранения дребезга контактов, возникающего при замыкании механических контактов, который может привести к неправильной работе схемы.

    На  рисунке 9 приведены схемы формирователей импульсов от механических контактов.

 

 

 

Рис. 9 Формирователи импульсов от механических контактов. 

 Блок  индикации

    Для отображения результата счёта необходимо использовать светодиоды. Чтобы осуществить такой вывод информации можно воспользоваться простейшей схемой. Схема блока индикации на светодиодах приведена на рисунке 10.

   

 рисунке 10. Схема  блока индикации на светодиодах

 Составление структурной схемы  счётчика

    Структурная схема – совокупность блоков счётчика, выполняющих какую-либо функцию и обеспечивающих нормальную работу счётчика. На рисунке 7 показана структурная схема счётчика.

    

    Рис. 7 Структурная схема счётчика

    Блок управления выполняет функцию подачи сигнала и управления триггерами.

    Блок  счёта предназначен для изменения  состояния счетчика и сохранения этого состояния.

    Блок  индикации выводит информацию для  зрительного восприятия.

 Составление функциональной схемы счётчика (Electronics Workbench )

 

 Таблица истинности, для счетчика до 3:

 

   
 

 Таблица истинности, для счетчика до 10: 

 

 

 Электрическая схема устройства, выполненная на микросхемах(Electronics Workbench )

 

 

 Рисунок 4 – Электрическая схема устройства, выполненная на микросхемах

 

 

 7490 (Decade Counter) – десятичный счетчик, русский аналог микросхемы К155ИЕ6. Считает до 10, для того чтобы изменить его счет (если необходим коэффициент счета К<10), добавим элемент “И”.

 
 
 

 Составные элементы устройства (Electronics Workbench ) 

    Генератор импульсов

    Генератор импульсов–предназначен для создание импульсов различной формы. Эти  импульсы мы и будем считать. Обозначение:

    Пробник

    Пробник предназначен для определения логического  уровня сигнала. Обозначение:

    Источник  питания «+Vcc»«+Vcc» является упрощенной моделью батареи, выдает напряжение 5V. Обозначение:

    Логический  элемент «И» Двоичное число на выходе элемента «И» является результатом логического умножения чисел на его входах. Обозначение: