Исследование работы реверсивных счетчиков

          ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №З

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕВЕРСИВНОГО СЧЕТЧИКА

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 DО¸DЗ, 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 2^N (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 SА1¸SА16. Нажатому состоянию соответствует сигнал логической "1", отжатому состоянию - сигнал  логического "0". Кнопки  SА1¸SА16 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 DО¸DЗ и вход  С , разрешающий запись информации в счетчик. Кроме того, для наращивания разрядности счета в микросхеме предусмотрены выходы "³15" и " < 0", на которых при достижении счетчиком указанных чисел появляются сигналы логического "0". Выход  "³15" 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 “³9” вырабатывается при превышении счетчиком числа 9.

            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 ДО¸ДЗ логических сигналов "0" и "1" с помощь кнопок SА1¸SА4 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 SA13¸SА16, 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 SА13¸S А16.

            3.7. Для задания числа импульсов в пачке и посылки необходимой пачки в исследуемый узел используются четыре кнопки с фиксацией "2⁰" ¸ "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   “2^0”  ¸ "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 “­¯“ 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" на входе триггеров задаются с помощью кнопок с фиксацией SА1¸SА6, 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 ¸ 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 " ­¯ " 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 SА7¸SА12 ( 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 ¸ 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 ¸ 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 КПИ1¸КПИ8, 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 ¸ 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  " ­¯ " , 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".

4. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ К ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ

            4.1. Исследовать влияние исходного состояния счетчиков на правильность вводимой информации при подаче сигналов на входы Д0¸ДЗ.

            4.1.1. Ввести параллельным кодом с помощью кнопок SА1¸SА4 и SА9 некоторые заданные числа ( например " 7₁₀ , 11₁₀ , 8₁₀ , 12₁₀ , 15₁₀ , 10₁₀ “) в один из счетчиков ( см. п.3.5. ), одновременно производя считывание результатов с помощью цифровых табло.

            4.1.2. Повторить операции, указанные в п.4.1.1., для другого счетчика. Сделать выводы по п.4.1.

            4.2. Исследовать работу счетчиков в счетном ( суммирующем ) режиме с предварительной записью исходной информации.

            4.2.1. Подготовить генератор пачки импульсов для работы в режиме одиночного импульса ( п.3.7. ).

            4.2.2. Подготовить  подачу   импульсов на суммирующие входы счетчиков с помощью кнопки  SА14, переведя ее в нажатое состояние.

            4.2.3. Ввести параллельным кодом в один из счетчиков заданное преподавателем число.

            4.2.4. Подавая одиночные импульсы с помощью кнопок "Устан.О” и  “Пуск" ( см. п.п.3.7.3.,3.7.4. ), снять показания выходов разрядов счетчика и занести их в таблицу 1.

Таблица 1.

            4.2.5. Повторить п.п.4.2.3., 4.2.4. для другого счетчика (см. п.3.4.).

            4.3. Исследовать работу счетчика в вычитающем счетном режиме с предварительной записью в него информации.

            4.3.1. Подготовить подачу пачки импульсов на вычитающие входы счетчика, приведя кнопку SA14 в отжатое, а кнопку SA16 - в нажатое состояние.

            4.3.2. Выполнить операции, указанные в п.п. 4.2.3.¸4.2.5.

            4.4. Исследовать суммирующий и вычитающий режим работы счетчиков.

            4.4.1. Подготовить генератор пачки импульсов для генерации пачки с числом импульсов от 5 до 9 ( п.3.7. ).

            4.4.2. Установить исследуемой счетчик в исходное состояние (обнулить). Выбрать режим счета ( "+" или "-" ) с помощью кнопок SА14 и SA16.

            4.4.3. Подать на счетчик пачку импульсов. Сравнить показания счетчика с заданным числом. Повторить указанную процедуру несколько раз, прогнозируя при этом показания счетчиков.

            4.4.4. Изменить режим работы счетчика, поменяв состояние кнопок SА14 и SА16, и выполнить операции, указанные в п.п.4.4.2. и 4.4.3.

            4.4.5. Повторить указанную процедуру ( п.п.4,4.2.¸ 4.4.4. ) для другого счетчика.

            4.5. Исследовать работу счетчиков в режиме переноса.

            4.5.1. Подать на суммирующие входы счетчиков последовательность импульсов с помощью кнопки SА13.

            4.5.2. Исследовать работу выхода "³15" счетчика СТ2, подключив КПИ1 на первый канал коммутатора, а КПИ8 не второй канал коммутатора в соответствии с "п.3.9.1.¸ 3.9.4. При этом счетчик СТ10 необходимо отключить нажатием кнопки SА10.

            4.5.3. Ручками плавной регулировки  "~" и " ­¯ " под надписью "Коммутатор", а также с помощью ручки "Стаб." на панели мультиметра добиться устойчивого изображения двух исследуемых сигналов. Срисовать сигнал  в едином масштабе времени.

            4.5.4. Исследовать выход  " > 9" счетчика СТ10, подключив КПИ7 на второй канал коммутатора ( кнопка "Вх1 |_ Вх2" должна быть нажата ). При этом счетчик СТ2 необходимо отключить нажатием кнопки SA11.

            4.5.5. Выполнить п.4.5.3.

            4.5.6. Подать на вычитающие входы счетчиков последовательность  импульсов с помощью кнопки SA15.

            4.5.7. Исследовать работу выхода "< 0" счетчиков, подключив КПИ2 на первый канал коммутатора, а КПИ7 или КПИ8 ( в зависимости от типа счетчика) на второй канал коммутатора, в соответствии с функциональной схемой устройства ( рис.8 ).

            4.5.8. Выполнить п.4.5.3. для выходов "< 0" обоих счетчиков.

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Название и цель лабораторной работы.

2. Функциональная схема исследуемого устройства.

3. Таблицы и эпюры напряжений.

4. Выводы по работе.

6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. В чем заключается преимущество двоичной системы счисления по сравнению с другими системами?

2. Что такое регистр и каково его назначение?

3. Как работает двоичный счетчик импульсов?

4. Чем определяется необходимое число триггеров в счетчике и регистре?                                               

5. С помощью чего обеспечивается перевод счетчика из режима сложения в режим вычитания?

 6. Как осуществляется наращивание разрядности счетчиков?

7. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Ч. 1,3: Пер. с англ., Под ред. М.В.Гальперина - М.: Мир, 1983.

ОГЛАВЛЕНИЕ