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 ).

[pic]

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 .

[pic]

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.

[pic]

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.

[pic]

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.

[pic]

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.

[pic]

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.

[pic]

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 "(15" и " <

0", на которых при достижении счетчиком указанных чисел появляются сигналы

логического "0". Выход "(15" 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 “(9” вырабатывается при превышении счетчиком

числа 9.

[pic]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 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 “20” ( "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.

|— |— |— |Порядковый номер импульса |

|— |Выходы |Исх. информ.|1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 |

| | | |12 13 14 15 16 |

| | | | |

| |Q0 | | |

|СТ2 |Q1 | | |

| |Q2 | | |

| |Q3 | | |

| | | | |

| |Q0 | | |

|СТ10 |Q1 | | |

| |Q2 | | |

| |Q3 | | |

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 "(15" 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

1.

|Цель работы |1 |

2.

|Основные теоретические положения |1 |

3.

|Описание обьекта и средств исследования |5 |

4.

|Методические рекомендации к выполнению работы |9 |

5.

|Содержание отчета |11 |

6.

|Контрольные вопросы |11 |

7.

|Список использованной литературы |11 |

| | |