Проектирование десятичного счётчика

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Счетчик - это цифровое устройство, определяющее, сколько раз на его входе появился некоторый определенный логический уровень. В дальнейшем во всех случаях, когда это не оговаривается специально, будем полагать, что счетчик подсчитывает содержащиеся во входном сигнале переходы с уровня логического нуля к уровню логической единицы. При входном сигнале, имеющем форму последовательности импульсов. Числа в счетчике представляются некоторыми комбинациями состояний триггеров. При поступлении на вход очередного уровня логической единицы в счетчике устанавливается новая комбинация состояний триггеров, соответствующая числу, на единицу большему предыдущего числа. Таким образом, счетчик представляет собой логическое устройство последовательного типа, в котором новое состояние определяется предыдущим состоянием и значением логической переменной на входе.

Действие счетчиков импульсов основано на двух главных свойствах триггеров: способности изменять свое выходное состояние (в соответствии с таблицей состояний, определяемой типом триггера) и сохранять полученное состояние до нового внешнего воздействия.

Разнообразные по схемным решения, целевому назначению, способу организации счета и другими параметрами счетчики широко применяются в вычислительной технике, автоматике, технике связи и других областях человеческой деятельности.

1. Описание схемы триггера

Микросхема типа CD 4027A зарубежного производства является аналогом отечественной микросхемы типа К 564.

Микросхемы серий К 561 и 564 идентичны по электрическим параметрам и выполняемым функциям, имеют аналогичные обозначения и различаются типом корпуса и некоторыми эксплуатационными характеристиками.

Микросхемы серий К 561 и 564 представляют собой комплекс микромощных микросхем, второй - третьей степени интеграции на КМОП транзисторах. Предназначены для применения в аппаратуре цифровой автоматики и вычислительной техники с жёсткими требованиями по потребляемой мощности, массе, габаритным размерам в условиях значительного изменения напряжения питания при работе от одного источника. Допустимый уровень пульсаций не более 0,2 В.

Минимальное напряжение логической 1 на входе микросхемы 3,6 В при напряжении питания 5В и 7,1 В при 10 В. Максимальное напряжение логического 0 на входе микросхемы 1,4 В при напряжении питания 5 В и 2,9 В при 10 В.

Микросхемы серий К 561 имеют прямоугольный пластмассовый и металлостеклянный корпус с выводами, перпендикулярными установочной плоскости, а микросхемы 564 - металлостеклянный и металлокерамический корпус с планарными выводами.

Обозначение корпуса микросхемы серии К564 - 402.16 - 32.

Характеристики микросхемы К564ТВ1:

- напряжение источника питания, В - 9+5%;

- потребляемая мощность (в статическом режиме), мВт - не более 1000;

- потребляемый ток питания, мА - не более 20;

- частота входного усиления, МГц - не менее 2,0;

- максимальное напряжение логического нуля на выходе, В - не более 0,3;

- максимальное напряжение логической единицы на выходе, В - не менее 8,2;

- максимальный входной ток логических «0» и «1», мкА - не более 0,1;

- среднее время задержки распространения сигнала, нс - не более 20;

- рабочая температура, єС - от -10 до +70.

Рисунок 1.1 - Условно графическое обозначение функциональной схемы микросхемы К564ТВ1

Рисунок 1.2 - Схема цоколевки микросхемы К564ТВ1

2. Преобразование триггера

Для построения счетчиков различного типа в качестве исходных элементов используются триггеры определенных видов. Так, для построения двоичных, простых счетчиков обычно используются триггеры со счетным входом (Т-триггеры). Десятичные, кольцевые, двоичные реверсивные и счетчики Джонсона строятся на RS-триггерах (или JK). Поэтому необходимо преобразование схемы исходного триггера в Т-триггер.

JK-триггер также может быть выполнен по двухступенчатой структуре, если установить соответствующие логические цепи на входе триггера первой ступени. В данном случае S1 = JЇQ и R1= KQ. Если J=1 и K=0, то при Q=0 получим S1=1, и по окончании первого тактового импульса триггер установится в единицу (Q=1). При J=1, K=0 и Q=1 оба входных сигнала триггера первой ступени S1 и R1 будут равны нулю, и соответственно весь двухступенчатый триггер не будет изменять своего состояния при приходе тактовых импульсов. Таким образом, сигнал «единица» на входе J (при K=0) устанавливает триггер в единицу, если тот был в нуле, или не изменяет состояния триггера, если он уже находится в единицы. Подобным же образом по отношению к состоянию Q=0 действует сигнал «единица» на входе K при J=0.

Если же J=K=1, то получим S1=1, R1=0, при Q=0 или S1=0, R1=1 при Q=1. Вследствие этого единица на обоих управляющих входах триггера (J и K) приведет к переходу триггера в противоположное состояние при соответствующем фронте сигнала на тактовом входе.

Условное обозначение JK-триггера показано на рис.1.1. Для построения JK-триггера может быть использован тактируемый фронтом D-триггер. Здесь получаем соотношение D=JЇQ+ЇKQ, которое обеспечивает функционирование структуры в целом как JK-триггера.

Принцип построения универсального JK-триггера, который может работать, как по перепадам на тактовом входе, так и по перепадам на входах J и K. В данном случае устройство содержит тактируемый JK-триггер и ячейку И-ИЛИ. Если приписать обозначениям входов универсального триггера индексы 1, то для схемы можем записать C=C1(J1ЇQ+K1Q). Отсюда видим, что при тактированной работе соответствующий фронт на входе C тактируемого JK-триггера будет совпадать с таким же фронтом на входе C. Если же установить C1=1, то фронты, опрокидывающие триггер, будут определяться перепадами на входах J1 и K1. При этом нетрудно убедиться, что опрокидывание триггера будет производиться в соответствии с правилами работы JK-триггера. Универсальные JK-триггеры весьма удобны для построения различных логических узлов, как с синхронной, так и с асинхронной передачей информации.

Рисунок 2.1 - Преобразование JK-триггера в Т-триггер

3. Представление предела счёта в двоичной системе счисления

Система счисления - это совокупность приемов и правил изображения чисел знаками. Система счисления является позиционной, если положение знака в системе счисления используется некоторое количество конечных знаков называемое алфавитом, при этом в каждой цифре записи числа ставится в соответствии определенное количество эквивалента ее веса.

Для физического изображения чисел необходимы элементы, способные находиться в одном из нескольких состояний. Число этих состояний должно быть равно основанию принятой системы используется два знака: 0 и 1.

Таблица 3.1 - Таблица состояний логики работы десятичного счётчика

4. Составление схемы десятичного счётчика и описание её работы

Десятичный JK-триггер.

Десятичный JK-триггер имеет два управляющих входа J и K. Подобно RS-триггеру, в JK-триггере J и K - это входы установки триггера в единицу и нуль. В отличие от RS-триггера в JK-триггере наличие двух единичных управляющих сигналов (J=K=1) приводит к переходу триггера в противоположное состояние, т.е. в данном случае JK-триггер работает как Т-триггер. JK-триггеры тактируются только перепадом потенциала на тактовом входе. Используются также JK-триггеры, которые изменяют свои состояния под воздействием перепадов сигналов на входах J и K.

Уравнение для JK-триггера выглядит следующим образом:

Qn = (JЇQ +ЇKQ)n-1

Данные можно подать на синхронные входы J и K согласно первым четырем строкам таблицы №2. Сигнал, поданный на вход J или K, появится на выходах Q и ЇQ после прихода на тактовый вход C положительного перепада. Отрицательный перепад на входе C на информацию триггер не влияет.

Последние три строки таблицы 2 отображают действие асинхронных входов R и S. Пока на этих входах присутствуют напряжения высокого уровня, на выходах Q и ЇQ также будут напряжения высокого уровня.

Таблица 4.1 - Состояние триггера в микросхеме К564ТВ1

Х - состояние любое,

- положительный и отрицательный фронт тактового сигнала.

Тактовая частота для триггера из микросхемы К564ТВ1 составляет 3МГц (режим Т-переключателя, делителя частоты в два раза). Длительность тактового импульса должна превышать 170 нс, однако время нарастания и спад его фронта не должно быть более 5 мкс. Длительность импульсов R и S - не менее 120 нс.

Для десятичного счетчика натуральных десятичных чисел необходимо иметь четыре двоичных разряда. Схемная логика такого счетчика отличается тем, что сброс в нулевое состояние происходит на каждом десятом входном импульсе.

Рисунок 4.1 - Схема работы счетчика

5. Построение временной диаграммы состояний счетчика

Работа любого счётчика может быть проиллюстрирована временной диаграммой.

Для этого необходимо построить временную диаграмму разработанного счётчика и указать в ней соответствие количества счётных импульсов состоянию триггеров, которое приведено на рисунке 4.

Так как разработанный счётчик на JK-триггере двоично-десятичный, следовательно, строится таблица простого деления на два.

Если такой триггер должен перейти из нуля в единицу, то нужно обеспечить J=1, K=Х. Равенство К=Х означает, что сигнал на входе К может быть 0 либо 1 - этот сигнал не влияет в данном случае на поведение триггера. Если триггер должен опрокинуться из единицы в нуль, то следует к приходу счётного импульса установить K=1, J=Х. Если же требуется сохранить состояние триггера «единица», то необходимо, чтобы было К=0, J=Х. Если триггер должен остаться в состоянии «нуль», то нужно обеспечить сигналы J=0, К=Х.

В таблице 3 указаны значения сигналов, которые должны быть поданы на управляющие входы триггеров, для того чтобы обеспечить переход от данного состояния счетчика к последующему. Для первого триггера эти сигналы не указаны, так как из анализа кодовых комбинаций видно, что он работает в режиме простого деления на два. Такой режим работы обеспечивается при J=1, К=1.

Таблица 5.1

Рисунок 5.1 - Временная диаграмма работы счетчика

6. Определение времени регистрации

В соответствии с общими положениями определения быстродействия цифровых устройств рассчитывается интервал времени между моментом поступления входного импульса и окончанием самого длинного переходного процесса в счётчике.

Для этого выписываются из данных источников литературы, задержки всех элементов схемы счётчика и суммируются для самой длинной логической цепочки.

Так, для данного десятичного JK-триггера, как и для других типов счётчиков, это время вычисляется по формуле:

,

и будет, соответственно, равно:

tp = 170+20 + 170+20 + 170+20 + 170+20 = 760 (нс)

счетчик триггер микросхема

7. Описание микросхем аналогичных счётчиков

К 155 ИЕ 2 - четырёхразрядный десятичный асинхронный счётчик пульсаций. Внутренняя схема его показана на рисунке 6. первый триггер счётчика DD 1.3 может работать самостоятельно. Он служит делителем входной частоты в 2 раза. Тактовый вход этого делителя 0 (вывод 14), а выход Q0 (вывод 12). Остальные 3 триггера DD 1.4 - DD 1.6 образуют делитель на 5. Тактовый вход здесь1. Для обоих тактовых входов запускающий перепад отрицательный, т. е. от высокого уровня к низкому.

Счётчик имеет 2 входа R для синхронного сброса, а также 2 синхронных входа S для предварительной загрузки в счётчик двоичного кода 1001, соответствующего десятичной цифре 9. Поскольку счётчик асинхронный, состояния на его выходах Q0 - Q3 не могут изменяться одновременно.

Входы синхронного сброса R1 и R2 запрещают действие импульсов по обоим тактовым входам и входам установки S. Импульс, поданный на вход R, даёт сброс данных по всем триггерам одновременно. Подачей напряжения на входы S1 и S2 запрещается прохождение в счётчик тактовых импульсов, а также сигналов от входов R1 и R2.

Чтобы получить на выходах счётчика двоично-десятичный код с весом двоичных разрядов 8-4-2-1, необходимо соединить выводы 12 и 1 (выход Q0 и вход С1).

Рисунок 7.1 - Внутренняя схема микросхемы К 155 ИЕ 2

Список литературы

1. Справочная книга радиолюбителя-конструктора под ред. Н.И. Чистякова - М: Радио и связь, 1990 - 624с.

2. Муоцик Е. Таблица аналогов цифровых интегральных схем - М: Радио и связь, 1992 - 352с.

3. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах - Л: Энергоатомиздат, 1988 - 304с.

4. Шило ВЛ. Популярные цифровые микросхемы: Справочник - Челябинск: Металлургия, Челябинское отделение, 1988 - 352с.

Размещено на Allbest.ru