Загрузка...Последовательные цифровые устройства
Последовательные цифровые устройства
Цифровое устройство называется последовательным (ПЦУ), если сигналы на его выходе зависят не только от текущих значений входных сигналов, но и от состояния цифрового устройства (т.е. от предыдущих входных сигналов). В ПЦУ обязательно должны входить ячейки памяти. Ячейка памяти Т под воздействием входного сигнала изменяет своё состояние (0 или 1).
Простейший автомат – триггер.
Триггер – устройство, которое находится в одном из двух устойчивых состояний и переходит из одного в другое под воздействием входных сигналов. Для удобства триггер имеет два выхода: прямой Q и инверсный .
По способу приёма информации триггеры подразделяются:
1) Асинхронные переключаются непосредственно информационными сигналами,
2) Синхронные – реагируют на информационные сигналы при наличии сигнала на специальном управляющем входе С – вход синхронизации.
Управление может быть статическим (уровнем управляющего сигнала) и динамическим (фронтом импульса управляющего сигнала).
По функциональным возможностям:
1) Т – триггер.
Рис.7.9.
Асинхронный триггер переключается под действием информационного сигнала (1), а синхронный под действием тактового сигнала. Т- триггер иногда называют счётным.
2) D – триггер (триггер задержки).
Имеет один информационный вход и вход синхронизации. Триггер передаёт на выход значение входного сигнала, но с задержкой пока не приходит тактовый импульс.
Рис.7.10.
3) RS – триггер.
На рис.7.11 показано условное обозначение асинхронного RS — триггера с прямыми входами, реализация на базовых элементах 2ИЛИ-НЕ и таблица истинности. Функциональное уравнение имеет вид
Если RS — триггер реализовать на четырёх элементах 2И-НЕ, то получается RS — триггер с инверсными входами. Синхронный RS — триггер его реализация, а также таблица истинности приведены на рис.7.12.
Рис.7.11.
Рис.7.12.
4). JK-триггер (универсальный). Обозначение триггера таблица состояний приведены на рис.7.13.
Рис.7.13.
Функциональное уравнение для него есть
Триггер переключается тактовым импульсом при наличии логической единицы на обоих информационных входах. При остальных комбинациях повторяет RS — триггер. При объединении JK- входов превращается в Т — триггер. При объединении с одновременным инверсным выходом превращается в D — триггер.
Счётчики.
Счётчик — последовательное цифровое устройство, обеспечивающее хранение слова информации и выполнение над ним микрооперации счёта (т.е. изменения числа на ±1). В зависимости от направления счёта счётчики разделяют на суммирующие, вычитающие и реверсивные. По способу организации схемы переноса – с последовательным, параллельным и параллельно-последовательным переносом. По наличию синхронизации – синхронные и асинхронные счётчики. Счётчики обычно строят на Т – триггерах. Однако могут применятся и D — триггеры и JK — триггеры.
Последовательные цифровые устройства счетчики
Последовательные схемы – эти схемы отличаются тем,что их выходное состояние зависит не только от внешних входов, но и от внутрених состояний. К последовательным схема относят такие элементы как триггеры, регисторы, счётчики.
Простейшими цифровыми автоматами с памятью являются триггеры. Триггер — это устройство последовательного типа с двумя устойчивыми состояниями равновесия, предназначенное для записи и хранения информации. Под действием входных сигналов триггер может переключаться из одного устойчивого состояния в другое. При этом напряжение на его выходе скачкообразно изменяется.как правило, триггер имеет два выхода: прямой и инверсный. Число входов зависит от структуры и функций, выполняемых триггером. По способу записи информации триггеры делят на асинхронные и синхронизируемые (тактируемые). В асинхронных триггерах информация может записываться непрерывно и определяется информационными сигналами, действующими на входах в данный момент времени. Если информация заносится в триггер только в момент действия так называемого синхронизирующего сигнала, то такой триггер называют синхронизируемым или тактируемым. Помимо информационных входов синхронизирующие триггеры имеют тактовый вход (вход синхронизации). В цифровой технике приняты следующие обозначения входов триггеров: S — раздельный вход установки в единичное состояние (напряжение высокого уровня на прямом выходе Q); R —раздельный вход установки в нулевое состояние (напряжение низкого уровня на прямом выходе Q); D — информационный вход (на него подается информация, предназначенная для занесения в триггер); C — вход синхронизации; T — счетный вход;
Наибольшее распространение в цифровых устройствах получили RS-триггер с двумя установочными входами, тактируемый D-триггер и счетный Т-триггер. Рассмотрим функциональные возможности каждого из них.
Асинхронный RS-триггер. В зависимости от логической структуры различают RS-триггеры с прямыми и инверсными входами. Их схемы и условные обозначения приведены на рис. 12. Триггеры такого типа построены на двух логических элементах:
2ИЛИ—НЕ — триггер с прямыми входами (рис. 12,а), 2И—НЕ — триггер с инверсными входами (рис. 12,б). Выход каждого из элементов подключен к одному из входов другого элемента, что обеспечивает триггеру два устойчивых состояния.
Следует, однако, отметить, что самостоятельно RS-триггеры в устройствах цифровой техники практически не используются из-за их низкой помехоустойчивости.
Тактируемый D-триггер. Он имеет информационный выход и вход синхронизации. Одна из возможных структурных схем однотактного D-триггера и его условное обозначение показаны на рис. 13. Если уровень сигнала на входе С=0, состояние триггера устойчиво и не зависит от уровня сигнала на информационном входе. При этом на входы RS-триггера с инверсными входами (элементы 3 и 4) поступают пассивные уровни (S=R=1). При подаче на вход синхронизации уровня С=1 информация на прямом выходе будет повторять информацию, подаваемую на вход D. Таким образом, при С=0 Q t + 1 =Q t , а при C=1 Q t + 1 =D.
Для устойчивой работы триггера необходимо, чтобы в течение синхроимпульса информация на входе была неизменной.
Тактируемые D-триггеры могут быть с потенциальным и динамическим управлением. У первых из них информация записывается в течение времени при котором уровень сигнала С=1. В триггерах с динамическим управлением информация записывается только в течение перепада напряжения на входе синхронизация. Динамические входы изображают на схемах треугольником. Если вершина треугольника обращена в сторону микросхемы, то триггер «срабатывает» по фронту(переднему)входного импульса, если от нее — по срезу(заднему) импульса. В таком триггере информация на выходе может быть задержана на один такт по отношению к входной информации.
Последовательные цифровые устройства счетчики
После каждого цикла счёта на выходе последнего триггера возникают перепады напряжения, то есть формируется один импульс. Это свойство определяет второе назначение счётчиков — деление числа входных импульсов.
Если входные сигналы периодичны и следуют с частотой fВХ, то частота fВЫХ:
В этом случае коэффициент счёта определяется как коэффициент деления и обозначается KДЕЛ.
У счётчика в режиме деления частоты используется сигнал только последнего триггера, а промежуточные состояния остальных триггеров не учитываются.
Всякий счётчик может быть использован как делитель частоты.
5.3.3 Вычитающие и реверсивные счётчики
Реверсивный счётчик может работать в качестве суммирующего и вычитающего.
Суммирующий счётчик, как было показано выше, получается при подсоединении к входу последующего каскада прямого выхода предыдущего.
Каждый входной импульс увеличивает число, записанное в счётчик, на 1. Перенос информации из предыдущего разряда в последующий происходит при смене состояния предыдущего разряда (триггера) с 1 на 0.
Вычитающий счётчик получается при подсоединении к входу последующего каскада инверсного выхода предыдущего. Он действует обратным образом: двоичное число, хранящееся в счётчике, с каждым поступающим импульсом уменьшается на 1.
Перенос из младшего разряда в старший имеет место при смене состояния младшего разряда с 0 на 1.
Переполнение происходит после достижения счётчиком нулевого состояния, при этом в счётчик записывается максимально возможное значение, т.е. во все разряды — единицы.
Путём включения в схему двоичного суммирующего счётчика (рисунок 60), дополнительных ЛЭ, переключающих на вход последующего триггера прямого и инверсного выходов предыдущего, получается схема реверсивного счётчика. Фрагмент схемы реверсивного счётчика приведён на рисунке 61.
Рисунок 61 Фрагмент схемы реверсивного счётчика
Схема имеет два входа для подачи входных сигналов: +1 — при работе в режиме суммирования, -1 — при работе в режиме вычитания. Дополнительный управляющий вход N задаёт направление счёта. При N=0 схема (рисунок 61) работает как суммирующий счётчик, а при N=1 — как вычитающий.
5.3.4 Счётчики с произвольным коэффициентом счёта
В двоичных счётчиках коэффициент счёта KСЧ=2 n и может быть равен 2, 4, 8, 16, 32 и т.д. На практике требуются счётчики с коэффициентом счёта не равным 2 n , например, 3, 6, 10, 12, 24 и др.
Они выполняются на основе двоичных счётчиков путём исключения у счётчиков с KСЧ=2 n соответствующего числа «избыточных» состояний S:
S = 2 n – KСЧ
Например, двоично-десятичный (декадный) счётчик получают из 4-х разрядного, имеющего KСЧ=16, исключая 6 состояний.
Возможны 2 варианта построения схем:
а) Счёт циклически идёт от 0000 до 1001, а следующим импульсом обнуляется;
б) Исходным состоянием служит код 0110 числа 6 и счёт происходит до 11112=15, а следующим импульсом обнуляется.
Схема счётчика с KСЧ=10, реализованная по первому варианту, приведена на рисунке 62. По сравнению со схемой двоичного счётчика (Рисунок 60), имеющего KСЧ=24=16, в схему дополнительно введён элемент D5, обнуляющий счётчик при совпадении двух «1» с весовыми коэффициентами 2 и 8. Использование приведённой выше схемы и ЛЭ D5 с 4-мя входами, позволит получить счётчик с любым коэффициентом счёта от 2-х до 15-и.
Для реализации схемы по второму варианту используются триггеры, имеющие входы асинхронной установки триггера .
5.3.5 Счётчики с последовательно-параллельным переносом
Все рассмотренные выше схемы счётчиков представляют собой счётчики с последовательным переносом. В этих счётчиках импульсы, подлежащие счёту, поступают на вход только одного первого триггера, а сигнал переноса передаётся последовательно от одного разряда к другому. Такие счётчики отличаются простотой схемы, но имеют невысокое быстродействие.
Счётчики с параллельным переносом строятся на синхронных триггерах.
Счётные импульсы подаются одновременно на тактовые входы всех триггеров, а каждый из триггеров цепочки служит по отношению к последующим только источником сигналов. Срабатывание триггеров параллельного счётчика происходит синхронно, и задержка переключения всего счётчика равна задержке для одного триггера. Следовательно, такие счётчики более быстродействующие. Их основным недостатком является большая мощность, потребляемая от источника входных сигналов, так как входные импульсы подаются на тактовые входы всех триггеров.
Для устранения недостатков рассмотренных выше счётчиков разработаны и используются счётчики с последовательно-параллельным переносом.
В счётчиках с последовательно-параллельным переносом триггеры объединены в группы так, что отдельные группы образуют счётчики с параллельным переносом, а группы соединяются с последовательным переносом. В роли групп могут быть и готовые счётчики.
Общий коэффициент счёта таких счётчиков равен произведению коэффициентов счёта всех групп.
В качестве примера рассмотрим счётную декаду на JK-триггерах, приведённую на рисунке 63.
Схема состоит из двух групп. Первая группа — это триггер DD1.
Вторая группа, состоящая из трёх триггеров DD2–DD4, представляет собой счётчик с параллельным переносом и тактируется выходным сигналом первого триггера. Группы соединены между собой последовательно.
Схема работает следующим образом.
При подаче на вход импульсов с 1-го по 8-ой декада работает как обычный двоичный счётчик импульсов.
К моменту прихода 8-го импульса на двух входах J 4-го триггера формируется уровень лог. «1». 8-ым импульсом этот триггер переключается в состояние лог. «1», а уровень лог. «0» с его инверсного выхода, подаваемый на вход «J» второго триггера, запрещает его переключение в единичное состояние под действием 10-го импульса.
10-ый импульс восстанавливает нулевое состояние 4-го триггера и цикл работы счётчика повторяется.
5.3.6 Универсальные счётчики в интегральном исполнении (Примеры)
УГО которых приведены на рисунке 64 а, б, в представляют собой счётчики с последовательно-параллельным переносом, структурные схемы которых подобны схеме, приведённой на рисунке 63.
Рисунок 64 Микросхемы счётчиков К155ИЕ2, К155ИЕ4 и К155ИЕ5
Структурные схемы счётчиков содержат по 4-е JK-триггера в счётном режиме. Первый триггер имеет отдельный вход C1 и прямой выход — 1, три оставшиеся триггера соединены между собой так, что образуют параллельные счётчики с коэффициентами счёта равными 5 (К15ИЕ2), 6 (К155ИЕ4) и 8 (К1ИЕ5).
При соединении выхода первого триггера со входом C2 цепочки из 3-х триггеров образуются счётчики с коэффициентами счёта 10, 12 и 16 соответственно.
ЦИФРОВОЙ ЧАСТОТОМЕР СВОИМИ РУКАМИ
Предлагаемый для самостоятельной сборки частотомер сравнительно низкочастотный, тем не менее позволяет измерять частоты до нескольких мегагерц. Разрядность измерителя частот зависит от количества установленных цифровых индикаторов. Чувствительность входа — не хуже 0,1V, максимальное входное напряжение, которое он может выдерживать без повреждения — порядка 100V. Время индикации и время измерения чередуются, длительность одного цикла — 1 сек. измерение и 1 сек. — индикация. Собран он по классической схеме, с генератором частоты 1 Гц на специализированных микросхемах-счётчиках, применяемых в частности в схемах цифровых часов:
На К176ИЕ5 собран «секундный» генератор по типовой схеме, с кварцевым «часовым» резонатором 16,384 Гц. Конденсатор С2 — подстроечный, позволяет в некоторых пределах подстраивать частоту с необходимой точностью. Резистор R1 подбирается при настройке по наиболее устойчивому запуску и генерации схемы. Цепь С3 VD1 R2 формирует короткий импульс «сброса» всей схемы в начале каждого секундного периода счёта.
Транзистор VT2 работает как ключ: когда на его коллектор поступает постоянное напряжение питания от схемы «счёта» (уровень логической «1») — он пропускает импульсы от входного формирователя, которые затем поступают на десятичные счетчики и цифровые светодиодные индикаторы. Когда же на его коллекторе появляется уровень логического «0» — коэффициент усиления транзистора резко снижается и счёт входных импульсов прекращается. Эти циклы повторяются каждую 1 сек.
Вместо К176ИЕ5 можно применить также аналогичную по функциям микросхему К176ИЕ12:
В обоих случаях используется часовой кварц на частоту 16 348 Гц (такие часто применяются, например, в «китайских» электронных часах разных размеров и видов). Но можно поставить и отечественный кварц на 32768 Гц, тогда необходимо понизить частоту в два раза. Для этого можно использовать типовую схему «делителя на 2» на триггере К561ТМ2 (имеет два триггера в корпусе). Например, как показано на рисунке выше (обведено пунктиром). Таким образом на выходе получим необходимую нам частоту (секундные импульсы).
К коллектору транзистора-ключа (КТ315 на первой схеме) подключается узел счёта и индикации на микросхемах — десятичных счётчиках-дешифраторах и цифровых светодиодных индикаторах:
Вместо индикаторов АЛС333Б1 можно без каких-то изменений в схеме использовать АЛС321Б1 или АЛС324Б1. Или любые другие подходящие индикаторы, но с соблюдением их цоколёвки. Цоколёвку можно определить по справочной литературе или же просто «прозвонить» индикатор «батарейкой» на 9V с последовательно включенным резистором 1 кОм (по засвечиванию). Количество микросхем-дешифраторов и индикаторов может быть любым, в зависимости от общей необходимой разрядности счётчика (количества цифр в показаниях).
В данном случае были использованы три имеющихся в наличии малогабаритных знакосинтезирующих индикатора типа К490ИП1 — индикаторы управляемые цифровые, красного цвета свечения, предназначенные для применения в радиоэлектронной аппаратуре. Схема управления выполнена по КМОП технологии. Индикаторы имеют 7 сегментов и децимальную точку, позволяют воспроизвести любую цифру от 0 до 9 и децимальную точку. Высота знака 2,5 мм):
Данные индикаторы удобны тем, что имеют в своём составе не только сам индикатор, но и счётчик-дешифратор, что позволяет значительно упростить схему и сделать её очень малогабаритной. Ниже приведена схема счёта-индикации на таких микросхемах:
Как видно из схемы, эти МС требуют два отдельных питания — для самих светодиодных индикаторов и для схемы счётчиков-дешифраторов. Однако напряжения питания обоих «частей» МС одинаковы, поэтому и запитать их можно от одного источника. Но от напряжения питания «индикатора» (выводы 1) зависит яркость свечения «цифр», а величина напряжения питания схемы дешифраторов (выводы 5) оказывает некоторое влияние на чувствительность и стабильность работы этих МС в целом. Поэтому при настройке эти напряжения следует подбирать экспериментально (при питании от 9 вольт можно использовать дополнительные «гасящие» резисторы, чтобы несколько понизить напряжение). При этом следует обязательно зашунтировать все выводы питания микросхем конденсаторами ёмкостью 0,1-0,3 мкФ.
Для гашения «точек» на индикаторах следует отключить напряжение +5. 9 V от выводов 9 индикаторов. Светодиод HL1 — это индикатор «переполнения» счётчика. Он загорается при достижении счёта цифры 1000 и в данном случае (при наличии трёх МС-индикаторов как на этой схеме) соответственно показывает количество единиц килогерц — в данном варианте счётчик в целом может посчитать и «показать» частоту 999 Гц. Для увеличения разрядности счётчика следует, соответственно увеличить количество микросхем дешифраторов-индикаторов. В данном случае подобных микросхем было в наличии только три, поэтому пришлось добавить дополнительный узел деления частоты на 3-х микросхемах К176ИЕ4 (или аналогичных микросхемах счётчиков-делителей на 10) и соответствующий переключатель. В целом схема получилась такая:
Переключатель также управляет включением/гашением «точек» на индикаторах для лучшего визуального восприятия отображаемого значения измеряемой частоты. Он ползунковый, сдвоенный, на четыре положение (такие применяются, например, в импортных магнитолах). Таким образом при разных положениях переключателя измерение и отображение частоты имеет следующие значения и вид:
«999 Гц» — «9.99 кГц» — «99.9 кГц» — «999. кГц». При превышении значения частоты 1 МГц загорится светодиод HL2, 2 МГц — загорится дважды и т. д.
Схема входной цепи
Большое значение при измерениях частоты имеет качество входного каскада — формирователя сигнала. Он должен иметь высокое входное сопротивление чтобы не оказывать влияния на измеряемую цепь и преобразовывать сигналы любой формы в последовательность прямоугольных импульсов. В данной конструкции применена схема согласующего каскада с полевым транзистором на входе:
Эта схема частотомера, конечно, не лучшая из возможных, но всё-таки обеспечивает более-менее приемлемые характеристики. Она была выбрана в основном исходя из общих габаритов конструкции, которая получилась очень компактная. Вся схема собрана в пластиковом корпусе-футляре от зубной щётки:
Микросхемы и прочие элементы запаяны на узкой полоске макетной платы и все соединения сделаны с помощью проводов типа МГТФ. При настройке входного каскада-формирователя сигнала следует подбором сопротивлений R3 и R4 добиться установления напряжения 0,1. 0,2 вольт на истоке полевого транзистора. Транзисторы здесь можно заменить на аналогичные, достаточно высокочастотные.
Дополнения
Для питания частотомера можно использовать любой сетевой адаптер с выходным стабилизированным напряжением 9 вольт и током нагрузки не менее 300 мА. Либо установить в корпус частотомера стабилизатор на микросхеме типа КРЕН на 9 вольт и питать от адаптера с выходным напряжением 12 вольт, либо брать питание непосредственно от измеряемой схемы, если там напряжение питания не менее 9 вольт. Каждую микросхему необходимо зашунтировать по питанию конденсатором порядка 0,1 мкФ (можно подпаять конденсаторы прямо на ножки «+» и «-» питания). В качестве входного щупа можно использовать стальную иглу, припаянную к входной «площадке» платы, а «общий» провод снабдить зажимом типа «крокодил».
Данная конструкция была «создана» в 1992 году и успешно работает до сих пор. Андрей Барышев.
Форум по обсуждению материала ЦИФРОВОЙ ЧАСТОТОМЕР СВОИМИ РУКАМИ
Ещё один самодельный стереоусилитель на TDA2030, TDA2050, TDA2040 или LM1875T, с возможностью мостового включения.
Изучим разные типы датчиков приближения и объекты, которые они могут обнаруживать.
Радиоэлектроника и схемотехника для начинающих — первые шаги в радиоделе или с чего начать будущему радиолюбителю.
Тристабильный мультивибратор — схема трёхканального переключателя LED.
