Анализ функциональной структуры и синтез дискретных уст-ройств ч.3.

ВВЕДЕНИЕ Целью данного цикла лабораторных работ является изучение принципов построения, логической структуры и функциональных особенностей дискретных устройств на базе программы «Электронная лаборатория» (“Electronics Workbench”) фирмы “Interactive Image Technologies”, а также получение практических навыков анализа и синтеза дискретных устройств различного назначения. В третьей части лабораторного практикума рассмотрены вопросы синтеза и анализа регистров, счетчиков а также надежных комбинационных схем с проверкой правильности их функционирования. Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 1 ИЗУЧЕНИЕ СЧЕТЧИКОВ ИМПУЛЬСОВ Ц е л ь р а б о т ы. Изучить назначение, структуры, принцип действия и особенности счетчиков импульсов различных видов на базе программы «Электронная лаборатория». 1 Cведения из теории Счетчиком называется устройство, подсчитывающее число импульсов и представляющее собой последовательное устройство с одним двоичным входом и определенным числом внутренних состояний, отождествляемых с некоторым числовым кодом. Значение числового кода является одновременно выходным словом счетчика, представляющим результат счета. Возможна более широкая трактовка счетчика как генератора числовых кодов (например, в программных устройствах, в том числе в ЭВМ). В устройствах цифровой обработки информации счетчики широко применяют как самостоятельные изделия в качестве компонентов более сложных функциональных устройств: в счетных схемах, схемах образования и измерения временных интервалов, распределителях импульсов, в программных устройствах и др. В счетчиках используют числовые коды с различными основаниями счета т. Наиболее часто применяют двоичные (т = 2) и десятеричные (т = 10) счетчики, а также восьмеричные (т = 8) и шестнадцатеричные (т = 16). Максимальное число импульсов, которое может сосчитать счетчик, называется коэффициентом (модулем) счета Ксч. Счетчики могут быть одноразрядными, если Ксч не превышает основание счета m, многоразрядными, если Ксч > m. В многоразрядном счетчике выходное слово будет представлять n-разрядное число, где п – число разрядов счетчика. При этом многоразрядное число будет отображаться комбинацией состояний одноразрядных счетчиков: , где – показание (цифра) i-ro разряда. Коэффициент счета многоразрядного счетчика Ксч = mn. Чтобы отображать все символы числового кода, каждый разряд счетчика должен иметь столько же состояний, сколько цифр в используемой системе счисления. В счетчиках статического типа состояния изображаются потенциалами на его выходах, число которых равно числу состояний. Состояние каждого разряда может отображаться логической единицей (прямые выходы) или логическим нулем (инверсные выходы) на соответствующем выходе. На остальных выходах должны быть логические инверсные значения. Выходы счетчика, его состояния и цифры обозначают 0, 1, ..., m  1 (рисунок 1.1). Символом счетчиков на схемах служат буквы СТ, которые могут дополняться числом, характеризующим коэффициент (модуль) счета. Состояние N = 0 называется начальным. Для перевода счетчика в начальное состояние в нем предусматривается установочный вход R. Операция «установка 0» заключается в подаче управляющего сигнала на вход R. Если число входных импульсов превышает коэффициент счета, то счетчик переполняется и затем возвращается в исходное состояние. Таким образом, коэффициент счета характеризует число импульсов, доступных счету за один цикл. После каждого цикла счета на последнем выходе возникает перепад напряжения, чем объясняется второе функциональное назначение счетчиков: деление числа входных импульсов. Если входной сигнал периодический с частотой Fвх, частота выходного сигнала . Счетчики можно снабжать специальными выходами, указывающими возникновение ситуации переполнения. Импульсы считаются как в направлении увеличения, так и в направлении уменьшения числового кода. По направлению счета счетчики делятся на суммирующие, вычитающие и реверсивные. В суммирующем счетчике каждый очередной импульс на входе увеличивает значение кода на единицу, а в вычитающем счетчике – уменьшает на единицу. Реверсивный счетчик может работать как суммирующий или как вычитающий счетчик в зависимости от управляющих сигналов, определяющих направление счета. Рисунок 1.1 – Логическая схема одноразрядного счетчика Современная элементная база позволяет строить самые разнообразные счетчики. Базовыми элементами для счетчиков служат JK- и D-триггеры. Любой из счетчиков можно реализовать по синхронному или асинхронному принципу. Синхронные (тактируемые) счетчики строят на синхронных триггерах. В них каждый разряд, кроме информационного (счетного) входа Т, имеет синхронизирующий (тактовый) вход С. Асинхронные счетчики строят на асинхронных триггерах или на синхронных, работающих в асинхронном режиме, когда тактирующий вход С используется как информационный. Двоичным счетчиком называется счетчик, у которого выходной код представляет собой число в двоичной системе счисления: , где N0 – Nn-1 – двоичные числа. Модуль счета двоичного счетчика равен целой степени числа два – 2n. Образовать двоичный счетчик можно, соединяя каскадно счетчики с основанием счета т = 2. При т = 2 счетчик имеет только два внутренних состояния и может быть реализован на одном триггере со счетным входом (Т-триггере). Кроме триггера, в его составе могут быть логические схемы для формирования управляющих сигналов и сигналов переноса. Выходная двоичная переменная триггера Q определяет значение числового кода, т. е. N=Q. Триггеры со счетным входом не выпускают в виде самостоятельных изделий, а образуют их из более универсальных JK- и D-триггеров. Счетный вход у интегральных JK-триггеров образуется объединением входов J и К только в случае синхронного Т-триггера. В асинхронном режиме роль счетного входа исполняет синхронизирующий вход С. Триггер D-типа преобразуется в счетный соединением входа D с выходом. Счетные импульсы подаются на вход С. Структура связей между разрядами зависит от способа передачи (переноса) информации между разрядами и используемых в счетчике триггеров, которые могут иметь прямые или инверсные, статические или динамические входы, а также отличаться способом образования Т-входа. Применяют два способа передачи информации: последовательный от низшего разряда к высшему и параллельный (одновременно во всех разрядах). В счетчиках с последовательным переносом триггер i-гo разряда переключается выходным сигналом триггера (i  1)-го разряда счетчика. В счетчиках с параллельным переносом для формирования сигналов переноса в схему вводят конъюнктуры. На все триггеры счетчика одновременно воздействуют входной (счетный) сигнал и сигналы с выходов других триггеров. В счетчиках суммирующего типа двоичный разряд переполняется при единичном состоянии триггера, и на прямом выходе образуется логический перепад от 1 к 0. Следовательно, при использовании триггеров с прямым динамическим входом в качестве сигнала переноса необходимо применять инверсный выход триггера. В счетчиках вычитающего типа разряд переполняется при нулевом состоянии триггера, и в схеме переноса необходимо использовать прямой выход. Проиллюстрируем работу двоичного счетчика на Т-триггерах (рисунок1.2, а) для случая п = 3, принимая в качестве числового кода комбинации логических сигналов Q3 Q2 Q1 на прямых выходах триггеров. Пусть в исходном состоянии N = 0, т. е. все триггеры находятся в состоянии логического нуля и выходное слово 000. Для связи между разрядами использованы инверсные выходы , поэтому на информационных входах второго и третьего разрядов – логические единицы. Рисунок 1.2 – Логическая схема двоичного асинхронного счетчика на Т-триггерах (а) и временные диаграммы его работы (б) Первый импульс (логический перепад от 0 к 1) переключает триггер T1 в состояние 1, на его инверсном выходе возникает перепад от 1 к 0 (рисунок 1.2, б). Триггер Т2 (а следовательно, и Т3) своего состояния не меняет. Выходной код принимает значения 001, приведенные в таблице 1.1. На входе Т2 возникает состояние логического нуля, а на входе ТЗ сохраняется логическая единица. Второй импульс возвратит первый разряд в состояние нуль. На инверсном выходе Т1 сформируется сигнал переноса (логический перепад от 0 к 1), и Т2 переключится в единичное состояние. На входе ТЗ будет логический перепад от 1 к 0, и он сохранит свое значение. Выходное слово примет вид 010.

Настоящее пособие состоит из трех частей. Здесь представлена 3 часть. Она может пригодится при изучении таких дисциплин как: теория вероятностей, информатика, электроника, теория дискретных устройств, основы микропроцессорной техники, надежность устройств.

1 Автоматизация систем энергоснабжения: Учебник для вузов ж.-д. трансп. /Ю. И. Жар-ков, В. Я.Овласюк, Н. Г. Сергеев, Н. Д. Сухопрудский, А. С. Шилов; Под ред. Н. Д. Сухопрудско-го. М.: Транспорт, 1990. 359 с.
2 Сапожников В. В. и др. Дискретные устройства железнодорожной автоматики, телемеханики и связи: Учебник для вузов ж.-д. трансп. М.: Транспорт, 1988. 255 с.
3 Букреев И. Н. и др. Микроэлектронные схемы цифровых устройств. М.: Советское радио, 1975. 264 с.
4 Алексеенко А. Г., Шагурин И. И. Микросхемотехника. М.: Радио и связь, 1982. 414 с.