Цифро-аналоговый и аналого-цифровой преобразователи

Цифро-аналоговые и аналогово-цифровые преобразователи (ЦАП и АЦП) являются основными элементами, осуществляющими переход от цифровой формы информационного сигнала к аналоговой и, наоборот, от аналоговой к цифровой. Физическая информация всегда имеет аналоговую форму существования, а цифровая обработка этой информации современными средствами всегда требует цифровой формы представления этой информации.

Принцип работы цифроаналоговых преобразователей основан на следующем алгоритме:

(1),

где U₀ – величина опорного источника напряжения, – значения разрядов -разрядного двоичного числа, причем - старший разряд, - младший разряд.

Например, при U₀ = 12,8 В двоичному числу 1000000 соответствует выходное напряжение ЦАП, равное

,

т.е. единице старшого разряда соответствует . Числу 000001, соответствует напряжение . Это напряжение является величиной младшего разряда U_м.р., т.е. шагом изменения выходного напряжения.

Коду 111111 соответствует .

Общая графическая зависимость имеет вид ступенчатого нарастающего напряжения.

Если во времени изменять код двоичного числа, то соответственно будет изменяться напряжение на выходе ЦАП.

Структурная организация ЦАП обычно соответствует формуле 1. Она состоит из трех основных блоков: 1 – весовой матрицы и т.д., осуществляющей деление напряжения , которое является эталонным для преобразования; ключевых схем, управляющих разрядными значениями цифрового кода и сумматора, осуществляющего общее суммирование разрядных составляющих.

Аналого-цифровые преобразователи предназначены для преобразования аналогового напряжения – постоянного или изменяющегося во времени в цифровой код. Существует много схем построения АЦП, которые отличаются принципом работы, точностью, быстродействием. В лабораторной работе исследуется одна из простых схем развертывающего типа на основе цифро-аналогового преобразователя и компаратора.

Принцип действия схемы заключается в формировании ступенчато-изменяющегося напряжения, которое сравнивается с входным измеряемым напряжением.

Код, который устанавливается в ЦАП при равенстве входного измеряемого напряжения и выходного напряжения ЦАП, является результатом работы всего АЦП. Преобразователи данного типа имеют малое быстродействие и неустойчивы при резких изменениях входного аналогового напряжения.

 

Цель работы – ознакомиться с принципом построения и логикой работы ЦАП и АЦП, определить основные параметры.

 

 

Описание исследуемой схемы

Исследуемая схема (рис. 4.1) состоит из двоичного счетчика СТ2, ключей, R-2R матрицы, компаратора DA1, схемы управления (DD1, VD1-VD3, электронный ключ ЕК), источника опорного напряжения (ИОН) и индикаторов для визуализации двоичного кода 2⁰ - 2⁵.

Переключатель П1 переключает режимы ЦАП, АЦП, а П2 устанавливает счетчикСТ2 в нулевое состояние.

При выключенном П1 схема находится в режиме ЦАП. Импульсы с генератора

Г5-54 через замкнутый электронный ключ ЕК поступают на вход двоичного счетчика СТ2. Выходной код счетчика отображается индикаторами 2⁰ - 2⁵ и управляет ключами, которые подключают резисторы матрицы R-2R к ИОН. Выходной сигнал ЦАП (контрольная точка КТ4) наблюдаем с помощью осциллографа (циклический режим) или замеряем вольтметром (пошаговый режим). Обнуление счетчика производится переключателем П2.

Для перевода схемы в режим АЦП необходимо включить П1. При этом электронный ключ ЕК управляется компаратором DA1.

На вход АЦП (неинвертирующий вход DA1) подается входной сигнал, на инвертирующий вход – выходное напряжение R-2R матрицы (контрольная точка КТ4 – выход ЦАП). Если напряжение на инвертирующем входе DA1 превысит входное (неинвертирующий вход) произойдет переключение компаратора и размыкание ключа ЕК. При этом АЦП перейдет в режим хранения. Выходной код АЦП отображается индикаторами 2⁰ - 2⁵ .

Схема управления формирует импульс сброса АЦП (контрольная точка КТ2), который получается из входных импульсов путем деления на 2¹⁵ . Импульс сброса устанавливает в нулевое состояние счетчик СТ2. При этом компаратор переключается в исходное состояние, замыкается ключ ЕК и начинается цикл преобразования.

Выход компаратора подключен к контрольной точке КТ3. Входное напряжение АЦП контролируется вольтметром в контрольной точке КТ1 и задается регулятором U_вх .

 

Рисунок 4.1

Домашнее задание

1. Изучить принцип действия, логику работы и параметры ЦАП, АЦП

(Г.И. Волович «Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств», 2007; В.И. Зубчук, В.П. Сигорский, А.Н. Шкуро «Справочник по цифровой схемотехнике», 1990; О.М. Лебедєв, О.І. Ладик «Цифрова схемотехніка», 2004, с.281-309)

2. Начертить временные диаграммы ЦАП и АЦП, поясняющих их работу.

 

Рабочее задание

1. Включить питание стенда кнопкой «СЕТЬ».

2. Переключателем лабораторных работ, который находится на задней панели стенда «Импульс-М», включить работу «ЛАБ 4». Выход генератора подключить к входу «Ген» на задней панели стенда. Установить частоту генерации f = 22 кГц, длительность импульса t_и = 20мкс. Вольтметр подключить к точке КТ4 параллельно осциллографу.

3. Исследование цифроаналогового преобразователя.

3.1.Установить генератор в режим «Ручная синхронизация», вольтметр подключить к контрольной точке КТ4.

3.2.Переключатели П1 и П2 стенда установить в отжатое состояние (выключенное).

3.3. Установить нулевое состояние счетчика путем кратковременного нажатия переключателя П2.

3.4 Осуществить последовательный запуск генератора кнопкой ручной синхронизации. При этом после каждого нажатия необходимо измерять выходное напряжение (КТ4) с помощью цифрового вольтметра. Результаты измерений свести в таблицу 4.1.

3.5. По результатам измерений выполнить расчеты дифференциальной и интегральной нелинейности преобразователя.

3.6. Перевести схему ЦАП в циклический режим путем переключения генератора Г5-54 в режим автоматической синхронизации. Подключить вместо вольтметра осциллограф к контрольной точке КТ4 (синхронизация осциллографа контрольной точкой КТ2). Зарисовать выходной сигнал ЦАП в контрольной точке КТ4. С помощью осциллографа определить:

а) время установки первой ступени выходного сигнала ЦАП;

б) времени сброса ЦАП.

4. Исследование аналого-цифрового преобразователя.

4.1. Переключить стенд в режим АЦП. Для этого:

П1 – включить в положение нажатое «вкл.»;

П2 – в положение отжатое «выкл.»;

4.2. Установить частоту генератора 22 КГц и длительность импульса t_и = 20мкс.

4.3. Подключить вольтметр к контрольной точке КТ1.

4.4. С помощью регулировки «U_вхВ» на стенде последовательно устанавливать напряжение от 0 до 3,5 В с шагом 0,5 В. При этом необходимо измерять напряжение вольтметром на каждом шаге и фиксировать выходной код по цифровым разрядным индикаторам (на стенде нижний индикатор – младший разряд, верхний - старший). Двоичный код необходимо переводить в десятичный.

4.5. Результаты измерений свести в таблицу 4.2 и построить график выходного численного значения кода от входного напряжения.

4.6.Определить интегральную и максимальную дифференциальную нелинейность преобразования.

4.7. Установить U_вх = 3.6В. Синхронизировать осциллограф контрольной точкой КТ2. Снять и построить временные диаграммы работы АЦП (контрольные точки КТ2, КТ3, КТ4). Произвести измерение времени установки выходного кода.

 

 

Таблица 4.1

К-во имп.
U,В

 

 

Таблица 4.2

Uвх, В		0.5	1.0	1.5	2.0	2.5	3.0	3.5
Код АЦП

 

 

 

Выводы

 

 

Контрольные вопросы

1. Для чего предназначены ЦАП, АЦП.

2 Параметры ЦАП (статические и динамические).

3. Параметры АЦП (статические и динамические.

4. В каких устройствах применяются ЦАП и АЦП.

 

Лабораторная работа № 5

КОМБИНАЦИОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Комбинационными логическими элементами называют функциональные узлы электронной техники, реализующие функции алгебры логики так, что состояние их выходов однозначно определяется комбинацией входных сигналов и не зависит от предыдущего состояния данного элемента.

Комбинационные логические элементы (ЛЭ) являются составной частью современной цифровой схемотехники. Сочетания комбинационных ЛЭ используется для построения последовательных функциональных узлов, т.е. узлов с памятью, состояние выходов которых зависит не только от комбинации входных сигналов на данном такте функционирования, но и от состояния устройства на предыдущем такте.

С точки зрения схемотехники ЛЭ описываются двумя множествами параметров и характеристик: логическими и электрическими, между которыми нет четкой границы. К логическим элементам относят реализуемую ЛЭ функцию алгебры логики, уровни нуля U⁰ и единицы U¹ на входе U⁰₁, U¹₁ и выходе U⁰₂ , U¹₂ ЛЭ, длительность задержки распространения сигнала t_{зд р}, длительность фронта нарастания t⁰¹_ф и спада t¹⁰_ф выходного сигнала. К электрическим характеристикам ЛЭ относят семейства входных, передаточных и выходных характеристик с учетом влияния напряжения источника питания, температуры окружающей среды, а также энергетические параметры ЛЭ: потребляемую энергию в состоянии логического 0 и 1 на выходе.

 

Цель работы – ознакомиться с логикой работы логических элементов типа И-НЕ, ИЛИ-НЕ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ-ИЛИ, И-ИЛИ-НЕ и измерить динамические параметры.

Описание исследуемой схемы

 

На рисунке 5.1 представлены исследуемые схемы комбинационных элементов. Элемент DD1.1 реализует функцию И-НЕ, элемент DD2.1 – функцию ИЛИ-НЕ, элемент DD3.1 - ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ-ИЛИ, элемент DD4.1 – функцию 2И-ИЛИ-НЕ. Переключатели П1 – П5 задают входные сигналы логических элементов. В контрольных точках КТ2 – КТ5 наблюдаем выходные сигналы.

 

Рисунок 5.1

Домашнее задание

1. Изучить принцип работы комбинационных ЛЭ типа И-НЕ, ИЛИ-НЕ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ-ИЛИ, И-ИЛИ-НЕ (В.М. Рябенький, В.Я. Жуйков, В.Д. Гулий «Цифрова схемотехніка», 2009; В.И. Зубчук, В.П. Сигорский, А.Н. Шкуро «Справочник по цифровой схемотехнике», 1990; Ерофеев Ю.Н. «Основы импульсной техники», 1979; Преснухин Л.В., Воробьева Н.В., Шишкевич Д.А. «Расчет элементов цифровых устройств», 1982)

2. Составить таблицы истинности для ЛЭ DD1.1, DD2.1, DD3.1, DD4.1 для приведенных на рисунке 5.1 входных переменных.

3. Привести основные статические и динамические справочные параметры исследуемых ЛЭ.

 

Рабочее задание

 

1. Включить питание стенда кнопкой «Сеть».

2. Переключателем лабораторных работ, который находится на задней панели стенда Дискрет-М», включить лабораторную работу «ЛАБ 5».

3. Установить на генераторе Г5-54 частоту следования импульсов f = 1 кГц, основной импульс (ОИ) положительной полярности амплитудой 5В, длительностью t_и = 100 мкс и задержкой t_зд = 0 мкс относительно синхроимпульса (СИ) положительной полярности амплитудой 5В подать на разъем Ген.1. Использовать внешнюю синхронизацию осциллографа от генератора Г5-54.

4. Исследовать ЛЭ И-НЕ (DD1.1). Снять и построить временные диаграммы. Определить длительность фронта нарастания t⁰¹_ф и спада t¹⁰_ф.

5. Исследовать ЛЭ ИЛИ-НЕ (DD2.1). Снять и построить временные диаграммы. Определить длительность фронта нарастания t⁰¹_ф и спада t¹⁰_ф.

6. Исследовать ЛЭ ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (DD3.1). Снять и построить временные диаграммы. Определить длительность фронта нарастания t⁰¹_ф и спада t¹⁰_ф.

7. Исследовать ЛЭ И-ИЛИ-НЕ (DD4.1). Снять и построить временные диаграммы. Определить длительность фронта нарастания t⁰¹_ф и спада t¹⁰_ф.

 

Выводы

 

Контрольные вопросы

 

1. Объясните принцип работы ЛЭ и приведите его принципиальную схему.

2. От чего зависит быстродействие комбинационных ЛЭ.

3. Как влияет на параметры ЛЭ температура окружающей среды?

4. Объясните, при каких положениях переключателей П1-П5 прямоугольный входной импульс появляется на выходах ЛЭ.

 

 

Лабораторная работа № 6

 

КОМБИНАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА

Комбинационные интегральные микросхемы (ЦИМ) – устройства, у которых отсутствуют элементы памяти, а выходные сигналы определяются только комбинацией входных сигналов в данный момент времени. К комбинационным устройствам относятся: логические схемы И-НЕ (ЛА), ИЛИ-НЕ (ЛЕ), И (ЛИ), ИЛИ (ЛЛ), НЕ (ЛН), И-ИЛИ-НЕ (ЛР); дешифраторы (ИД); преобразователи кодов (ПР); сумматоры (ИМ); мультиплексоры (КП); схемы сравнения (СА) и др.

Дешифраторы – устройства, предназначенные для преобразования двоичного n-разрядного кода в комбинацию управляющих сигналов. В зависимости от разрядности дешифруемого кода и функциональных возможностей логических интегральных схем дешифратор можно выполнить на основе одноступенчатой (линейной) и многоступенчатой схемы дешифрации. Среди многоступенчатых схем можно выделить прямоугольные (матричные) и пирамидальные схемы построения дешифраторов. Дешифраторы широко используются в устройствах вывода информации и управления.

Преобразователи кодов – устройства, осуществляющие преобразование числовой информации из одной двоичной формы в другую.

Мультиплексор – коммутатор логических сигналов, обеспечивающий передачу информации, поступающей по нескольким входным линиям связи на одну выходную линию. Входную линию выбирают в соответствии с поступающим адресным кодом. При наличии m адресных входов можно реализовать M = 2^m комбинаций адресных сигналов, каждая из которых обеспечивает выбор одной из М входных линий.

Демультиплексор – коммутатор логических сигналов, обеспечивающий передачу информации, поступающей по одному входу, и направляющий в одну из выходных линий в соответствии с адресом.

 

Цель работы – исследовать принцип работы дешифраторов, преобразователей кодов, мультиплексоров и демультиплексоров.

 

 

Описание исследуемой схемы

 

На рисунке 6.1 представлены исследуемые схемы комбинационных устройств: дешифратор – на микросхеме DD2; преобразователь кода 1-2-4-8 - в семисегментный код – DD3, DD5; мультиплексор – DD2, DD4; демультиплексор – DD2, DD6. Двоично-десятичный счетчик на микросхеме DD1 формирует двоично –десятичный параллельный код на выходах КТ3, КТ4, КТ5, КТ6. Переключателями П1…П3 задается код, подаваемый на информационные входы мультиплексора, переключатель 4 используется для активизации выходов дешифратора DD3.

Рисунок 6.1

Домашнее задание

 

1. Изучить принцип действия дешифраторов, преобразователей кодов, мультиплексоров и демультиплексоров:

- В.М. Рябенький, В.Я. Жуйков, В.Д. Гулий «Цифрова схемотехніка», 2009. с. 192- 199, 208-216;

-П. Хоровиц, У. Хилл «Искусство схемотехники», 2003, с. 519-522;

-Ю.Н. Ерофеев «Импульсные устройства», 1989. с. 480-485.

2. Начертить временные диаграммы работы счетчика (КТ2, КТ3, КТ4, КТ5, КТ6), дешифратора (КТ9, КТ8, КТ7), мультиплексора (КТ1, КТ12, КТ11, КТ10, КТ13) и демультиплексора (КТ16, КТ15, КТ14).

 

Рабочее задание

1. Установить лабораторный стенд «Дискрет - М» в режим «ЛАБ 6» с помощью переключателя лабораторных работ, который находится на задней панели стенда.

2. Включить кнопку СЕТЬ.

3. Установить на генераторе Г5-54 частоту следования импульсов

f = 100 кГц. Основной импульс (ОИ) положительной полярности амплитудой 5В, длительностью t_и = 3 мкс с задержкой t_зд = 3,5 мкс относительно синхроимпульса (СИ) подать на разъем Ген.1. Синхроимпульс положительной полярности амплитудой 5В подать на разъем Г2. Использовать внешнюю синхронизацию осциллографа сигналом КТ6.

4. Исследовать дешифратор.

Снять и построить временные диаграммы (КТ2, КТ3, КТ4, КТ5, КТ6, КТ9, КТ8, КТ7) работы дешифратора.

5. Исследовать мультиплексор и демультиплексор.

Снять и построить временные диаграммы (КТ2, КТ3, КТ4, КТ5, КТ6, КТ9, КТ8, КТ7, КТ1, КТ12, КТ11, КТ10, КТ13, КТ16, КТ15, КТ14) работы мультиплексора и демультиплексора для кода, равного номеру бригады, подаваемого на входы элементов DD4.1 – DD4.3 переключателями П1 – 2⁰ , П2 – 2¹ , П3 – 2² .

6. Исследовать преобразователь кодов 1-2-4-8 в семисегментный код (П4 – нажать). Установить генератор Г5-54 в режим разового пуска. Нажимая кнопку разового пуска, проследить изменение цифр индикатора DD5.

 

 

Выводы

 

Контрольные вопросы

 

1. Назначение комбинационных устройств.

2. Классификация комбинационных устройств.

3. Объяснить работу дешифратора, преобразователя кодов, мультиплексора и демультиплексора.

4. Начертить схему линейного дешифратора на два входа.

5. Начертить схему мультиплексора на четыре информационных входа.

Лабораторная работа № 7

ТРИГГЕРЫ

Триггер – это последовательное устройство (ПУ) с двумя устойчивыми состояниями, содержащее запоминающий элемент (собственно триггер) и схему управления, у которого выходные сигналы зависят не только от входных сигналов, приложенных в данный момент времени, но и от предыдущего его состояния. Триггерное устройство имеет управляющие (информационные) и тактовые (синхронные) входы и два информационных выхода и , состояния которых могут иметь значения «1» или «0». При поступлении управляющего сигнала на вход S (Set – устанавливать) триггер устанавливается в состояние «1» (т.е. = 1, = 0). При поступлении управляющего сигнала на вход R (Reset – восстанавливать) триггер устанавливается в состояние «0» (т.е. = 0, = 1).

По способу функционирования различают следующие типы триггеров: RS, S, R, D, E, JK.

По способу записи информации триггеры подразделяются на асинхронные и синхронные (тактируемые). В асинхронных триггерах запись информации осуществляется непосредственно с поступлением информационного сигнала на вход, в синхронных – при подаче разрешающего, тактирующего (синхронизирующего) импульса Т (С) по уровню или по фронту 1/0 или 0/1. Триггеры, синхронизируемые уровнем, могут изменять свое состояние в течение длительности синхроимпульса (длительности синхросигнала) при поступлении соответствующих управляющих сигналов, т.е. могут переключаться несколько раз за время действия одного синхроимпульса. Во время паузы между синхроимпульсами состояние такого триггера сохраняется при любых изменениях управляющих сигналов. Триггеры, синхронизируемые фронтом, изменяют свое состояние при поступлении на синхронизирующий вход соответствующего фронта 1/0 или 0/1 синхроимпульса, а при последующем действии уровня синхроимпульса это состояние сохраняется при любых изменениях управляющих сигналов. За время действия одного синхроимпульса триггер, синхронизируемый фронтом, может переключаться только один раз.

 

Цель работы – ознакомиться с принципом построения и логикой работы триггеров на интегральных логических схемах, определить основные параметры.

 

Описание исследуемой схемы

 

На рисунке 7.1 представлены исследуемые схемы триггеров: RS-, S-, и D-триггеры на логических элементах И-НЕ DD1.1 – DD1.4; D-триггер на микросхеме - DD5.1; JK-триггер на логических элементах DD2 – DD4. На выходе D-триггера DD5.2 формируются управляющие сигналы из импульсов, которые поступают на разъем Ген.2 от генератора Г5-54.

Рисунок 7.1

 

 

Домашнее задание

 

1. Изучить принцип действия, логику работы и параметры триггеров (В.И. Зубчук, В.П. Сигорский, А.Н. Шкуро «Справочник по цифровой схемотехнике», 1990;

О.М. Лебедєв, О.І. Ладик «Цифрова схемотехніка», 2004; В.М. Рябенький, В.Я. Жуйков, В.Д. Гулий «Цифрова схемотехніка», 2009)

2. Начертить временные диаграммы переключения RS-, S-, D-, JK-триггеров, поясняющих их работу.

3.Составить блок-схему исследования и методику определения временных параметров триггеров.

 

 

Рабочее задание

 

 

1. Переключателем лабораторных работ, который находится на задней панели стенда «Дискрет-М», включить работу «ЛАБ 7» «Триггеры».

. 2. Включить питание стенда кнопкой СЕТЬ.

3. Установить на генераторе Г5-54 частоту следования импульсов f = 10 кГц. Основной импульс (ОИ) положительной полярности с амплитудой 5В, длительностью

t_и = 10 мкс и задержкой t_зд = 50 мкс относительно синхроимпульса (СИ) подать на разъем Ген.1. Синхроимпульс положительной полярности с амплитудой 5В подать на разъем Ген.2. Использовать внешнюю синхронизацию осциллографа сигналом КТ15.

4. Исследовать RS-триггер:

- снять и построить временные диаграммы (гнезда КТ1 – КТ6) работы RS-триггера при R (KT1) S (KT2) 1 и R S = 1 (для этого задержку основного импульса нужно уменьшить так, чтобы сигнал R (КТ1) вошел в зону сигнала S (КТ2). Определить время задержки переключения триггера из состояния «1» в «0» - t_зд ¹⁰ и из состояния «0» в «1» - t_зд ⁰¹ .

5. Исследовать S-триггер (П1 – нажать) при R(КТ1) S(КТ2) = 1.

-снять и построить временные диаграммы (гнезда КТ1 – КТ6).

6. Исследовать D-триггер (П1, П2 – нажать), собранный на логических элементах DD1 и на микросхеме DD5.1.

- снять и построить временные диаграммы (гнезда КТ16 – сигнал D; КТ1 – сигнал С, КТ2 – КТ6). Определить t_зд ¹⁰ и t_зд ⁰¹ .

7. Исследовать JK-триггер:

- снять и построить временные диаграммы (гнезда КТ1, КТ2, КТ10 – КТ15, причем гнезда КТ1 – сигнал С, КТ16 – сигнал J, КТ15 – сигнал К) для J K 1 и J K = 1. Определить t_зд ¹⁰ и t_зд ⁰¹ .

Выводы

 

Контрольные вопросы

 

1. Дать определение триггера, назначение входов и выходов

2. Классификация логических структур триггерных схем

3. Объяснить работу асинхронного RS-триггера на логических схемах И-НЕ.

4. Отличие RS-триггера с прямыми входами от RS-триггера с инверсными входами.

5. Объяснить работу S-триггера и его отличие от RS-триггера.

6. Объяснить работу D-триггера на логических схемах И-НЕ.

7. Объяснить работу асинхронного JK-триггера и его отличие от RS-триггера.

8. Объяснить работу синхронного двухступенчатого JK-триггера.

 

Лабораторная работа №8

СЧЕТЧИКИ

 

Счетчики – устройства, предназначенные для подсчета и хранения количества импульсов, поданных на вход. По целевому назначению счетчики подразделяют на суммирующие, вычитающие и реверсивные; по структурной организации – на последовательные (асинхронные), параллельные (синхронные) и комбинированные; по коэффициенту счета – на двоичные и с произвольным коэффициентом счета. Счетчики применяются для подсчета количества циклов, выполнения операции преобразования информации, для формирования адреса в устройствах управления и т.д.

Основные параметры счетчиков – коэффициент пересчета и быстродействие. Коэффициент пересчета К_сч характеризует число устойчивых состояний счета, т.е. предельное число импульсов, которое может быть сосчитано счетчиком. Быстродействие счетчика характеризуется параметрами f_сч – максимальная частота поступления счетных импульсов (эта величина обратная минимально допустимому интервалу времени между двумя счетными импульсами, при которых не происходит потери счета импульсов) и t_уст – время установления кода счетчика, определяемое как интервал времени между моментом поступления счетного импульса и моментом перехода счетчика в новое устойчивое состояние.

Последовательные счетчики характеризуются тем, что управляющими сигналами для старших разрядов служат сигналы, снимаемые с информационных выходов младших разрядов, а счетные импульсы поступают на вход первого разряда. Для таких двоичных счетчиков максимальная частота поступления счетных импульсов определяется из выражения f_сч = 1/(t_и + t_уст), где t_и - длительность счетных импульсов; t_уст = n t^T _зд.ср; n – число триггеров; t^T _зд.ср = 0.5(t_зд ¹⁰ + t_зд ⁰¹⁾ – средняя задержка переключения триггера. Преимущество – простота; недостаток – малое быстродействие.

В параллельных счетчиках счетные импульсы подаются на счетные входы всех разрядов одновременно, а состояние n-го разряда изменяется только при определенном состоянии предыдущих разрядов. Для этого типа счетчиков максимальная частота следования f_сч – 1/ (t_и + t_уст), где t_уст = t^T _зд.ср . Преимущество – высокое быстродействие, так как t_уст не зависит от числа разрядов; недостаток – требуются дополнительные схемы совпадения, число входов которых равно n (где n – порядковый номер разряда счетчика), и неравномерная нагрузка на входы триггеров.

Вычитающие сче тчики предназначены для получения разности между числом N, записанным в счетчике, и числом n импульсов, поступающих на его вход Т. В отличие от суммирующих счетчиков в вычитающих счетчиках управляющими сигналами для старших разрядов служат сигналы, снимаемые с инверсных информационных выходов младших разрядов.

Реверсивные счетчики позволяют выполнять операции суммирования и вычитания импульсов. В зависимости от сигнала управления V счетные входы последующих триггеров соединяются или с прямыми, или с инверсными информационными выходами предыдущих.

Счетчики с произвольным коэффициентом пересчета К_сч = 1…2ⁿ строятся на основе двоичных счетчиков. Принцип работы таких счетчиков заключается в исключении «лишних» устойчивых М состояний у двоичного счетчика с коэффициентом пересчета 2ⁿ , при этом число запрещенных состояний М = 2ⁿ - К_сч . Счетчики с произвольным коэффициентом счета по способу построения делятся на счетчики с естественным и произвольным порядком счета. В счетчиках с естественным порядком счета порядок счета начинается с 0 и заканчивается числом К_сч - 1, требуемый коэффициент пересчета обеспечивается схемной блокировкой переноса.

Счетчики с произвольным коэффициентом счета в процессе счета принимают состояния, не соответствующие их эквивалентным представлениям в двоичном коде.

 

 

Цель работы – исследовать схемные особенности и принцип работы двоичных счетчиков последовательного и параллельного типов, двоично-десятичного счетчика и счетчика с произвольным коэффициентом пересчета.

 

 

Описание исследуемой схемы

 

На рисунке 8.1 представлены исследуемые схемы счетчиков: последовательного типа на микросхемах DD2.2, DD3.1, DD3.2; параллельного типа – DD1.1, DD1.2, DD4.3, DD4.4, DD2.1; двоично-десятичного - DD5, DD7.2, DD8.1, DD8.2; с произвольным коэффициентом пересчета - DD2.2, DD3.1, DD3.2, DD6, DD7.1. Переключателями П1, П2, П3 устанавливается двоичный код N для задания требуемого коэффициента пересчета К_сч = N+1. Переключатель П4 разрешает начальную установку двоично-десятичного счетчика в состояние N, определяемое положением переключателей П1, П2, П3, для реализации счетчика с коэффициентом пересчета К_сч = 10 – N. Переключатель П5 включает счетчик с произвольным коэффициентом счета.

 

 

Рисунок 8.1

Домашнее задание

 

1. Изучить принцип действия счетчиков (1, с. 384 - 432; 2, с.216 – 230,; 4, с. 189 -205; 8, с. 535 – 538, 548 – 550; 12, с. 201 - 222).

2. Начертить временные диаграммы работы счетчиков последовательного (гнезда КТ1, КТ6…КТ8) и параллельного (гнезда КТ1…КТ5) типов, двоично-десятичного счетчика (гнезда КТ1, КТ10…КТ14), счетчика с произвольным коэффициентом пересчета (гнезда КТ1, КТ6…КТ9).

 

 

Рабочее задание

 

1. Переключателем лабораторных работ, который находится на задней панели стенда «Дискрет-М», включить работу «ЛАБ 8» «Счетчики».

2. Включить питание стенда кнопкой СЕТЬ.

3. Установить на генераторе Г5-54 частоту следования импульсов

f = 100 кГц, основной импульс ОИ положительной полярности с амплитудой 5В, длительностью 1 мкс, t_зд = 0 подать на разъем Ген.1. Использовать внешнюю синхронизацию осциллографа сигналами: КТ8 – для счетчика последовательного типа, КТ5 – параллельного типа, КТ9 – с произвольным коэффициентом пересчета, КТ14 – двоично-десятичного счетчика.

4. Исследовать двоичный счетчик последовательного типа:

- снять и построить временные диаграммы (КТ1, КТ6…КТ8) работы счетчика.

- определить время установки кода счетчика t_уст .

5. Исследовать двоичный счетчик параллельного типа:

- снять и построить временные диаграммы (КТ1…КТ5) работы счетчика.

- определить время установки кода счетчика t_уст .

6. Исследовать счетчик с произвольным коэффициентом пересчета (нажать П5):

- снять и построить временные диаграммы (КТ1, КТ6…КТ9) работы счетчика для 0 < N > 10.

7. Исследовать двоично-десятичный счетчик:

- снять и построить временные диаграммы (КТ1, КТ10…КТ14) для N = 0 и

0 < N > 10.

 

Выводы

Контрольные вопросы

 

1. Назначение счетчиков.

2. Классификация счетчиков.

3. Назвать основные параметры счетчиков и дать их определение.

4. Объяснить работу двоичных суммирующих счетчиков последовательного типа.

5. Объяснить работу двоичных суммирующих счетчиков параллельного типа.

6. Объяснить работу двоичных вычитающих и реверсивных счетчиков.

7. Объяснить работу счетчиков с принудительным насчетом и начальной установкой.

ЛИТЕРАТУРА

1. В.М. Рябенький, В.Я. Жуйков, В.Д. Гулий. Цифрова схемотехніка. – Л.:Новий світ, 2000. – 735 с.

2. О.М. Лебедєв, О.І. Ладик. Цифрова схемотехніка. – К.: Політехніка, 2004.

3. Ерофеев Ю.Н. Основы импульсной техники. – М.: Высш.шк.,1979.

4. Зубчук В.И., Сигорский В.П., Шкуро А.Н. Справочник по цифровой схемотехнике. – К.: Тэхника, 1990. – 446 с.

3. Захаров В.К., Лыпарь Ю.И. Электронные устройства автоматики и телемеханики, 1984.

4. Г.И. Волович. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. – М.: Издательский дом «Додэка-ХХІ», 2007.

5. Преснухин Л.Н., Воробьев Н.В., Шишкевич А.А. Расчет элементов цифровых устройств. – М.: Высш.шк., 1982, - 384 с.

6. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. – Т. 1,2. – М.: Мир, 1963.

7. Алексенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника. – М.: Радио и связь, 1990. – 496 с.

8. Цифрова схемотехніка: Підручник у двох томах. – Т. 2. Жуйков В.Я., Бойко В.І., Зорін А.А.. Співак В.М. – К.: Аверс, 2002. – 408 с.

9. Гольденберг Л.М. Импульсные устройства. – М.: Радио и связь, 1981. - 224 с.

10. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. – СПб.: БХВ-Петербург, 2005. – 782 с.

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

 

 

Приложение А

 

Учебно-лабораторный стенд

 

«ИМПУЛЬС-М»

 

Учебно-лабораторный стенд “ИМПУЛЬС-М” предназначен для реализации следующих лабораторных работ учебного курса “Цифровая схемотехника”:

- “ Электронные ключи”;

- “ Одновибраторы”;

- “Генераторы”;

- “ЦАП, АЦП”.

 

 

Технические характеристики.

1. Количество реализуемых лабораторних работ - 4

2. Входной сигнал - импульсы положительной полярности

3. Минимальная амплитуда входного сигнала - 0 В

4. Максимальная амплитуда входного сигнала - 5,0 В

5. Минимальная длительность входного импульса - 2,0 мкс

6. Минимальная амплитуда выходного сигнала - - 0,7 В

7. Максимальная амплитуда выходного сигнала - 5,0 В

8. Пределы регулирования управляющего напряжения - 0-3,6 В

9. Лабораторная работа № 1 “Электронные ключи”

9.1. Длительность входного импульса - 30-40 мкс

10. Лабораторная работа № 2 “Одновибраторы”

10.1. Длительность входного импульса (ОУ), не менее- 30 мкс

10.2. Длительность входного импульса (ЛЕ) - 2,0-10,0 мкс

10.3. Длительность выходного импульса (ОУ) - 130-500 мкс

10.3. Длительность выходного импульса (ЛЕ) - 20-80 мкс

11. Лабораторная работа № 2 “Генераторы”

11.1. Выходная частота (ОУ) - 900-3500 Гц

11.2. Выходная частота (таймер) - 1500-5000 Гц

11.2. Выходная частота (ГУН) - 62-8000 Гц

12. Лабораторная работа № 2 “ЦАП, АЦП”

12.1. Время преобразования ЦАП, не более - 15 мкс

12.2. Нелинейность ЦАП, не более - 0,5%

12.3. Нелинейность АЦП, не более - 0,5%

13. Напряжение питания - сеть 220 В, 50 Гц

14. Потребляемая мощность, не более - 6,5 ВА

15. Наличие защиты от короткого замыкания на выходе - есть

16. Габаритные размеры, не более - 350*190*75 мм

 

Конструкция стенда.

 

 

Конструктивно стенд выполнен в виде законченной конструкции

(рис. 1), которая находится в ударопрочном металлическом корпусе из анодированного алюминия.

 

Рисунок 1

 

На лицевую панель стенда нанесен рисунок схем лабораторных работ, а так же расположены органы управления и индикации (рис. 2):

 

Рисунок 2

 

- переключатели П1 – П7 коммутируют режимы лабораторных работ;

- регулятор U вх. изменяет входное напряжение АЦП и управляющее напряжение ГУН в пределах 0 – 3,6 В;

- индикатор «Сеть» сигнализирует о подключении стенда к питающей сети;

- индикаторы ЛАБ1-ЛАБ4 индицируют активную лабораторную работу;

- индикаторы лабораторной работы № 4 «ЦАП, АЦП» отображают выходной двоичный код.