Реверсивный счетчик
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Целью работы является:
- теоретическое изучение принципа работы счетчиков и регистров;
- экспериментальное исследование счетчика-регистра на интегральных микросхемах.
2. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Регистры и счетчики относятся к разряду цифровых устройств и являются одним из
наиболее распространенных элементов вычислительной техники. Они широко
используются для построения устройств ввода, вывода и хранения информации, а
также для выполнения некоторых арифметических и логических операций.
Для построения счетчиков и регистров используются синхронные триггеры,
переключение которых происходит только при наличии синхронизирующего сигнала
(синхроимпульса ) на входе С. Наиболее часто для построения регистров и
счетчиков используется универсальный Д - триггер, имеющий специальный
информационный вход Д, и динамический вход С (рис.1).
2.1. Устройство, называемое регистром, служит в основном для хранения чисел в
двоичном коде при выполнении над ними различных арифметических и логических
операций. С помощью регистров выполняютоя такие действия над числами, как
передача их из одного устройства в другое, арифметический и логический сдвиг в
сторону младших или старших разрядов, преобразование кода из последовательного в
параллельный и наоборот и т.д. Функциональная схема и условно - графическое
обозначение регистра параллельного типа, собранного на универсальных
Д-триггерах, приведена на рис.2 .
По сигналу на входе С информация, поступившая на входы DОёDЗ, записывается в
регистр и хранится в нем до тех пор, пока не произойдет запись другой
информации, либо не поступит сигнал на вход R, обнуляющий регистр.
Функциональная схема и условно-графическое обозначение регистра сдвига
представлены на рис.З.
Последовательный информационный код поступит на вход D регистра. Импульс команды
сдвига С подается одновременно на синхронизирующие входы всех триггеров регистра
и переводит каждый триггер в состояние, в котором находился триггер предыдущего
разряда. Таким образом, каждый импульс команды сдвига "продвигает" записываемое
число на один разряд вправо.
2.2. Устройство, называемое счетчиком, предназначено для подсчета числа
поступающих на вход сигналов ( импульсов ) в произвольной системе счисления.
Двоичные счетчики строятся на основе триггеров, работающих в счетном режиме ( Т
- триггер или счетный триггер).
Счетный триггер может быть получен из универсального D - триггера путем
соединения его инверсного выхода 0 со входом D.
Счетный триггер и эпюры сигналов, поясняющие его работу, представлены на рис.4.
У счетного триггера состояние выхода изменяется на противоположное при
поступлении на вход С каждого очередного счетного импульса.
Функциональная схема и условнографическое обозначение двоичного счетчика с
коэффициентом пересчета 23 представлена на рис.5.
Каждый поступающий на вход счетчика импульс перебрасывает первый триггер в
противоположное состояние (рис.6). Сигнал с инверсного выхода предыдущего
триггера является входным сигналом для последующего и, таким образом, комбинация
сигналов на выходах Q1, Q2, Q3 будет соответствовать числу поступивших на вход
счетчика импульсов, представленному в двоичном коде. Счетчик данного типа
называется асинхронным счетчиком.
Если на счетный вход каждого последующего триггера счетчика подавать сигнал с
прямого выхода предыдущего триггера, то счетчик будет производить операцию
вычитания. Счетчики, способные выполнять функции сложения и вычитания,
называются реверсивными.
Для построения счетчика с требуемым коэффициентом пересчета М, отличным от
величины 2N (N - число двоичных разрядов счетчика), используется принудительный
сброс счетчика в исходное состояние при достижении счетчиком числа М. Пример
такого счетчика с М=9 (М=10012) представлен на рис.7.
3. ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТА И СРЕДСТВ ИССЛЕДОВАНИЯ
3.1. Функциональная схема исследуемого устройства представлена на рис.8 .
Устройство включает двоично - десятичный счетчик ДД2, двоичный счетчик ДДЗ,
коммутатор входных сигналов ДД1 и логические элементы ДД4 и ДД5, выполняющие
функции элементов объединения.
Для подачи информационных и управляющих сигналов используется специальное
устройство, управляемое наборными кнопками с фиксацией SА1ёSА16. Нажатому
состоянию соответствует сигнал логической "1", отжатому состоянию - сигнал
логического "0". Кнопки SА1ёSА16 расположены в левой части лабораторного стенда
под надписью "Программатор кодов".
3.2. Функцию двоичного счетчика выполняет микросхема К155ИЕ7. Данная микросхема
представляет собой реверсивный четырехразрядный счетчик - регистр, в котором
кроме двух счетных входов ( суммирующего "+1" и вычитающего "-1" ) и входа
сброса Р имеется четыре информационных входа DОёDЗ и вход С , разрешающий запись
информации в счетчик. Кроме того, для наращивания разрядности счета в микросхеме
предусмотрены выходы "і15" и " < 0", на которых при достижении счетчиком
указанных чисел появляются сигналы логического "0". Выход "і15" в этом случае
следует соединять с входом "+1", выход "< 0" - с входом "-1" аналогичной
микросхемы.
3.3. Функцию двоично-десятичного счетчика ДД2 выполняет микросхема К155ИЕ6. У
заданной микросхемы коэффициент пересчета М=10 и сигнал переноса в старшие
разряды на выходе “і9” вырабатывается при превышении счетчиком числа 9.
Рис.8
3.4. При исследовании одного из счетчиков, другой должен находиться в исходном
состоянии, что достигается подачей на вход R данного счетчика уровня логической
"1" с помощью кнопок SА10 или SA11.
3.5. Запись информации в счетчики производится в параллельном коде путем подачи
на входы ДОёДЗ логических сигналов "0" и "1" с помощь кнопок SА1ёSА4 и подачи
сигнала логического "0" на вход С с помощью кнопки SА9 (для этого кнопку SА9
надо отжать и снова нажать ).
З.6. Счетные импульсы должны поступать на исследуемую схему с клеммы "непр.имп,"
( " ~_~_~ “ ) в виде непрерывной импульсной последовательности и с клеммы "пачка
имп." ( "_~_~_" ) в виде пачки импульсов с числом импульсов в пачке от 1 до 15.
Управление режимом работы входов "+1" и "-1" счетчиков производится о помощью
кнопок SA13ёSА16, которые обеспечивают выполнение следующих функций:
SА13 ("непр,+") - разрешение прохождения непрерывной импульсной
последовательности на входы "+1" счетчиков;
SА14 ("пачка +") - разрешение прохождения пачки импульсов на входы "+1"
счетчиков;
SА15 (“непр.-") - разрешение прохождения непрерывной последовательности
импульсов на входы "-1" счетчиков;
SА16 ("пачка -") - разрешение прохождения пачки импульсов на входы
"- 1" счетчиков,
Примечание. Не допускается одновременное нажатие двух и более кнопок SА13ёS А16.
3.7. Для задания числа импульсов в пачке и посылки необходимой пачки в
исследуемый узел используются четыре кнопки с фиксацией "20" ё "23 " и две
кнопки без фиксации "Пуск" и “Устан.О", расположенные на панели лабораторного
стенда под надписью "Программатор СИ".
При этом должна соблюдаться следующая последовательность операций:
3.7.1. Набрать заданное число импульсов в пачке в двоичном коде с помощью кнопок
“20” ё "23". Нажатой кнопке соответствует логическая "1" (при этом загорается
соответствующий индикатор).
3.7.2. Нажать кнопку "устан.О".
3.1.3. В режиме наблюдения одновременно двух сигналов на экране мультиметра
величина и взаимное расположение этих сигналов регулируется ручками "~ " и “Ї“
соответственно в поле надписи "Коммутатор" отдельно для каждого канала ( "Вх1"
для КПИ 10 и "Вх2" для КПИ 9 ).
3.2. Исследование элемента ДД3 в статическом и динамическом режиме.
3.2.1. Логические сигналы "0" и "1" навходе триггеров задаются с помощью кнопок
с фиксацией SА1ёSА6, расположенных на передней панели блока К32 под надписью
"Программатор кодов". Отжатое состояние кнопки соответствует заданию логического
"0", а нажатое - заданию логической "1". Нажатое состояние кнопки сопровождается
загоранием соответствующего светодиода зеленого цвета, расположенного вблизи
данной кнопки "Программатора кодов".
3.2.2. Для подачи положительного импульса ( "_~_" ) на вход С триггера
необходимо кратковременно перевести соответствующую кнопку из отжатого состояния
в нажатое и обратно.
3.2.3. Для индикации логических сигналов на выходе триггера, работающего в
статическом режиме ( верхняя часть элемента ДДЗ ), служит левое цифровое табло
блока К32. При этом кнопка " IO _2 ", расположенная непосредственно под табло,
должна находиться в нажатом состоянии.
3.2.4 . Нижняя часть элемента ДДЗ представляет собой триггер, работающий в
счетном режиме. На его счетный вход С поступает непрерывная последовательность
импульсов. Одновременно такая же последовательность импульсов поступает в КПИ1.
Выходные сигналы триггера ( прямой и инверсный ) поступают в КП2 и КПИЗ
соответственно.
3.2.5. Лабораторный стенд позволяет наблюдать на экране мультиметра одновременно
два сигнала с любых двух КПИ из восьми ( двухканальный режим наблюдения ). Выбор
двух определенных КПИ производится следующим образом:
3.2.5.1. Нажать кнопку " ВСВ _ ВНК " под надписью "КВУ", при этом у левых
индикаторов обоих цифровых табло начинает светиться знак запятой.
3.2.5.2. При отжатой кнопке"Вх1 _ Вх2" набрать с помощью кнопок " 20 ё 23 "
программатора "СИ " двоичный код первого выбранного КПИ и нажать кнопку "Пуск".
При этом на левом табло у знака запятой появится номер выбранного КПИ.
3.2.5.3. При нажатой кнопке "Вх1 _ Вх2" повторить указанную процедуру для
второго выбранного КПИ. Номер этого КПИ появится у знака запятой правого табло.
3.2.5.4. Нажать кнопку "Коммутатор" под надписью "Контроль V~"'. Теперь два
выбранных КПИ через каналы коммутатора лабораторного стенда соединены с
осциллографом мультиметра. Регулировка величины и расположения сигналов на
экране осуществляется раздельно ручками " ~ " и " Ї " под надписью
"Коммутатор". Слева расположены ручки регулировки первого канала коммутатора,
справа - второго канала коммутатора.
3.2.5.5. Для выхода из режима наблюдения сигналов на экране мультиметра
перевести кнопку "ВСВ _ БНК" под надписью "КВУ" в отжатое состояние.
3.3. Исследование элементов ДД4 (статический режим) и ДД5 (счетный режим ).
3.3.1. Логические сигналы "0" и "1" на S, R, J и К - входы универсальных
триггеров подаются с помощью кнопок SА7ёSА12 ( аналогично рассмотренному в
п.п.2.1. ).
3.3.2. Сигнал на вход С триггера поступает от встроенного генератора импульсов
лабораторного стенда, который вырабатывает серию импульсов положительной
полярности. Число импульсов может изменяться от 1 до 15 и устанавливается с
помощью кнопок с фиксацией " 20 ё 23 ", расположенных под надписью "Программатор
СИ". Кнопки без фиксации "Пуск" и "Устан.О" служат для задания режима работы
генератора. При этом должна соблюдаться следующая последовательность действий:
3.3.2.1. Набрать число импульсов в пачке в двоичном коде с помощью кнопок " 20 ё
23 ". Кнопки в нажатом состоянии соответствует двоичная единица ( при этом
загорается соответствующий светодиод ).
3.3.2.2. Нажать кнопку "Устан.О"и убедиться, что светодиод кнопки "Пуск"
погашен. Генератор импульсов готов к работе.
3.3.2.3. Нажать кнопку "Пуск". При этом генератор вырабатывает нужную пачку
импульсов. Для повторного включения генератора нажать кнопку "Устан.О", а затем
кнопку "Пуск" и т.д.
3.3.3. Контроль выходных сигналов триггеров ДД4 осуществляется с помощью левого
цифрового табло на блоке К32.
3.3.4. Счетные импульсы на триггер ДД5, работающий в счетном режиме, поступают
через элемент “И", собранный на микросхеме ДД1.
3.7.3. Нажать кнопку "Пуск". При этом в исследуемый узел поступает заданная
пачка импульсов.
3.7.4. Для повторной посылки пачки импульсов нажать кнопку "Устан.О" и затем -
кнопку "Пуск" и т.д.
3.8. Считывание показаний счетчика производится с помощью двух цифровых табло,
каждое из которых содержит четыре семисегментных индикатора. Оба табло
расположены в левом верхнем углу лабораторного стенда. На левом цифровом табло
индикация числа производится в двоичном коде, на правом - в десятичном коде (
для выбора того или иного кода кнопку "10 _ 2" необходимо установить в
соответствующее положение ).
3.9. Выходные сигналы двоичных разрядов и сигналы переносов счетчиков, а также
входные счетные импульсы сложения и вычитания, поступают параллельно на восемь
каналов передачи информации КПИ1ёКПИ8, что дает возможность их наблюдения на
экране мультиметра, входящего в состав лабораторного стенда.
Одновременно на экране мультиметра можно наблюдать сигналы двух каналов передачи
информации. При этом необходимо выполнить следующие операции:
3.9.1. Нажать кнопку "ВСВ _ ВНК" под надписью "КВУ",
3.9.2. При отжатой кнопке "Вх1 _ Вх2" набрать с помощью кнопок " 20 ё 23 ",
двоичный код первого выбранного КПИ и нажать кнопку "Пуск". При этом на левом
табло появится номер выбранного КПИ.
3.9.3. Повторить указанную процедуру при нажатой кнопке "Вх1 _ Вх2". Номер
второго выбранного КПИ должен появиться на правом табло.
3.9.4. Нажать кнопку "Коммутатор" под надписью "Контроль”. При этом выбранные
КПИ подсоединяются к соответствующему входу мультиметра. Размах и ориентация
сигналов на экране мультиметра регулируется потенциометрами " ~ " и " Ї " ,
расположенными под надписью "Коммутатор" отдельно для каждого канала.
3.9.5. Для выхода из режима наблюдения сигналов на экране мультиметра необходимо
отжать кнопку "ВСВ _ ВНК" под надписью "КВУ".