Исследование работы реверсивных счетчиков

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №З

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕВЕРСИВНОГО СЧЕТЧИКА
ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Цель работы

2. Основные теоретические положения

3. Описание обьекта и средств исследования

4. Методические рекомендации к выполнению работы

5. Содержание отчета

6. Контрольные вопросы

7. Список использованной литературы

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 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.

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 «⊃3;15″ и » < 0", на которых при достижении счетчиком указанных чисел появляются сигналы логического "0". Выход "⊃3;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 “⊃3;9” вырабатывается при превышении счетчиком числа 9.
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 «⊃3;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.

«