Счетчики импульсов и регистры

 

Цель работы: изучение устройства и работы счетчиков импульсов и регистров.

 

Общие сведения

 

Счетчик – это последовательностное устройство, которое может иметь не более чем 2 ⁿ внутренних состояний, где n - число триггеров, входящих в состав счетчика. Счетчики используются для подсчета числа двоичных импульсов. В ЭВМ они применяются для формирования адресов, подсчета количества циклов и т.д.

Основным параметром счетчика является коэффициент или модуль счета K - это наибольшее число импульсов, которое может быть подсчитано счетчиком и равное максимальному числу внутренних состояний 2 ⁿ. В зависимости от модуля счета различают двоичные (K =2 ⁿ, где n - число триггеров), декадные или десятичные (K =10 ^m, где m - число десятичных разрядов), с произвольным постоянным и с переменным модулем.

По способу изменения выходного кода счетчики делятся на суммирующие, вычитающие и реверсивные. У суммирующего счетчика выходной код увеличивается на единицу для каждого нового состояния, а у вычитающего - уменьшается на единицу. Реверсивный счетчик может работать в обоих режимах.

По способу управления внутренними триггерами счетчики подразделяются на асинхронные (последовательные) и синхронные(параллельные).

В асинхронных счетчиках переключение последующего триггера осуществляется выходным сигналом предыдущего, а входные счетные импульсы приходят на вход только младшего (нулевого) триггера.

Рассмотрим работу асинхронного суммирующего счетчика, выполненного на четырех JK -триггерах (рис.9.1,а). Работу счетчика однозначно определяет таблица состояний (табл.9.1) или временная диаграмма (рис.9.1,б).

В исходном состоянии на объединенные входы R всех триггеров подается низкий уровень сигнала (R =0) для предварительного обнуления счетчика и установки на всех прямых выходах логического нуля: Q₁=Q₂=Q₃=Q₄= 0.

Число импульсов	Состояние прямых выходов
Q 4	Q 3	Q 2	Q 1
…	…	…	…	…

Таблица 9.1

Счетные импульсы приходят на вход первого триггера T 1. Выходами счетчика являются прямые выходы триггеров, с которых информация о состоянии предыдущего триггера передается на синхровход последующего. Значение переменной Q_i соответствующего разряда счетчика изменяется, когда переменная в соседнем младшем разряде Q_{i- 1} переходит из состояния “1” в “0” (см. табл.9.1). Для реализации этого свойства последовательного счетчика JK -триггеры в схеме работают в режиме T -триггера с переключением в новое состояние по спаду входного синхроимпульса. Таким образом, частота выходного сигнала каждого триггера в два раза меньше, чем частота сигнала на его входе (см. рис.9.1,б). Счетчик на выходах формирует нарастающие кодовые наборы от 0000 до 1111, являющиеся двоичными эквивалентами десятичных чисел от 0 до 15. Шестнадцатый импульс переводит все триггеры в исходное нулевое состояние (K =2⁴=16).

Если в качестве выходов счетчика использовать прямые выходы триггеров, а на синхровходы последующих триггеров подавать сигналы с инверсных выходов предыдущих триггеров, получим вычитающий счетчик. Перед началом счета должна быть предусмотрена установка всех его триггеров в исходное состояние “1”. При счете импульсов вычитающий счетчик будет формировать на прямых выходах триггеров убывающие кодовые наборы от 1111 до 0000.

В синхронных (параллельных) счетчиках счетные импульсы поступают одновременно на входы синхронизации всех триггеров (рис.9.2). Значение Q_i изменится при поступлении очередного счетного импульса в том случае, если переменные во всех младших разрядах Q_{i- 1} ,..., Q ₁ находятся в состоянии “1” (см. табл.9.1).

Счетчики изготавливаются в виде готовых микросхем. Например, микросхема К155ИЕ2 - это двоично-десятичный счетчик, микросхема К155ИЕ4 имеет модуль счета 13, а К155ИЕ6 - реверсивный счетчик с предустановкой.

В тех случаях, когда требуется счетчик с модулем счета, меньшим, чем 2 ⁿ состояний, избыточные состояния исключаются с помощью комбинационной схемы. На рис.9.3 показана схема суммирующего счетчика с K =6. После шестого импульса сигналы с выходов Q ₂=1 и Q ₃=1 вызовут появления «0» на выходе элемента 2И-НЕ, что в свою очередь приведет к обнулению всех триггеров. Логический элемент 2И-НЕ в данном случае играет роль комбинационной схемы, выявляющей значение выходного кода, при котором счетчик должен устанавливаться в начальное состояние.

Микросхема К155ИЕ7 представляет собой двоичный четырехразрядный реверсивный счетчик широкого применения. Его основу составляют четыре JK -триггера, а вспомогательные операции выполняются 18 логическими элементами. Счетчик имеет управляющий вход V, два счетных входа (прямого счета C1 и обратного счета C2), четыре информационных входа предустановки D3, D2, D1, D0, соответствующие выходы Q3, Q2, Q1, Q0, а также два инверсных выхода переноса B и Р _{_}. Условное обозначение приведено на рис.9.4.

В зависимости от состояний входов возможны три режима работы счетчика:

- режим счета реализуется, когда V =1: при подаче счетных импульсов на вход C1 происходит увеличение двоичного выходного кода, при подаче импульсов на вход C2 – уменьшение;

- режим параллельной записи обеспечивается, когда V =0, при этом кодовые наборы, установленные на информационных входах, повторяются на выходах соответствующих разрядов, независимо от состояния счетных входов;

- сброс счетчика осуществляется подачей высокого уровня напряжения на вход R, что приведет к отключению всех других входов и запрещению записи.

Регистры широко используются для передачи, хранения и преобразования двоичных кодов. В зависимости от функционального назначения различают регистры сдвига (последовательные) и регистры памяти (параллельные).

В четырехразрядном регистре сдвига, выполненном на JK -триггерах (рис.9.5), с приходом каждого тактового импульса на входы С происходит последовательная запись сигналов с прямых и инверсных выходов на информационные входы каждого последующего триггера, от младшего разряда к старшему.

Если на информационных входах триггера Т1 J =0, K =1, то в исходном состоянии на выходах . Эти же уровни сигналов последовательно передаются каждому триггеру после прихода тактовых импульсов, но не изменяют их состояния. Если же на входе первого триггера J =1, K =0, то после первого тактового импульса на его выходах установятся новые логические уровни, ; вторым тактовым импульсом переключится второй

триггер и т.д. (рис.9.6). Очевидно, что четвертый тактовый импульс сдвинет уровень логической 1 в четвертый триггер, и на выходах регистра появится кодовый набор 1111. В этом случае можно cчитать, что регистр работает в режиме преобразователя, с последовательным вводом и параллельным выводом информации объемом 4 бита.

Микросхема К155ИР1 (рис.9.7) является универсальным четырехразрядным регистром сдвига. Основу этой ИС составляют четыре триггера и одиннадцать логических элементов. Регистр имеет тактовый вход сдвига С1 и информационный вход V1 для записи последовательных сигналов, четыре информационных входа D1, D2, D3, D4 параллельной записи, тактовый вход С2 ввода этой информации, а также вход V2 выбора режима работы и выходы 1-2-4-8 всех четырех разрядов. Два основных режима работы “Сдвиг” и “Запись” выбираются по уровню сигнала на входе V2.

Если на вход V2 подается логический 0, то регистр работает в режиме сдвига информации от младшего разряда к старшему. Любой последовательный кодовый набор на входе V1 перемещается на выходы 1-2-4-8 отрицательными перепадами четырех тактовых импульсов по входу С1.

Если на вход V2 подается сигнал 1, то обеспечивается режим параллельной записи в регистр любого кодового набора со входов D1, D2, D3, D4 по срезу тактового импульса на входе С2.

Регистры памяти обычно выполняются на двухступенчатых D -триггерах и предназначаются для приема, хранения и передачи двоичной информации в виде параллельного кода. Входная информация одновременно подается на входы регистра и при поступлении синхронизирующего импульса записывается и хранится в разрядах регистра.

Микросхема К155ТМ5 (рис.9.8) представляет собой четырехразрядный регистр памяти. В одном корпусе этой ИС находится четыре независимых D -триггера, с информационными входами D4...D1 и прямыми выходами Q4...Q1. Управление работой ИС осуществляется по объединенным попарно входам синхронизации G1-G2 и G3-G4.

Использование двухступенчатых триггеров задержки обуславливает различные режимы работы данной схемы: запись в первую ступень и хранение информации производится непрерывно, однако передача сигнала во вторую ступень на выходы запрещается уровнем логического нуля на входах синхронизации. Если же на входы синхронизации поступают короткие стробирующие импульсы, то текущее значение входного сигнала передается во вторую ступень и сохраняется на выходах до прихода следующего импульса (режим ступенчатой передачи). При уровне логической 1 на входах синхронизации осуществляется сквозная передача информации по всем четырем каналам.

 

Предварительное задание к эксперименту

 

1. Составить схему последовательного суммирующего счетчика на основе JK -триггеров с модулем счета, заданным в табл. 9.2. Для исключения избыточных состояний использовать комбинационные схемы на логических элементах 2И-НЕ и 3И-НЕ.

 

Таблица 9.2

Вариант
Модуль счета

 

2. Составить таблицу переключений счетчика.

 

Порядок выполнения эксперимента

 

Ознакомиться с лабораторным стендом: найти на стенде источники логических сигналов(0 и 1) и импульсов (0-1, 1-0) индикаторы состояния выходов триггеров. Для получения параллельного четырехразрядного двоичного кода можно воспользоваться наборным полем на стенде «Логические элементы и комбинационные схемы»

Собрать схему четырехразрядного последовательного суммирующего счетчика на JK -триггерах ИС К155ТВ1 (рис.9.1,а). Для индикации состояний триггеров выходы Q ₄, Q ₃, Q ₂, Q ₁ подключить к светодиодам. Установить счетчик в исходное состояние Q ₁= Q ₂= Q ₃= Q ₄=0, подав с наборного поля на -входы сигнал нуля. От источника импульсов подать на вход счетчика 15 импульсов и составить таблицу переключений.

Собрать схему вычитающего счетчика, подключив прямые выходы триггеров к индикаторам, а инверсные выходы триггеров младших разрядов – на синхровходы триггеров последующих старших разрядов. Предусмотреть установку всех триггеров счетчика в исходное состояние Q ₁= Q ₂= Q ₃= Q ₄=1. Проверить работу схемы, составить таблицу переключений вычитающего счетчика.

Собрать схему счетчика с заданным в предварительном задании модулем счета. Проверить работоспособность схемы и соответствие таблицы переключений.

Собрать схему двухразрядного параллельного счетчика на триггерах К155ТВ1 и ЛЭ К155ЛА4 (рис.9.2). Проверить его работу.

Собрать схему четырехразрядного регистра сдвига на триггерах К155ТВ1 (рис.9.5). Подать на J- входпрямой, на K- вход инверсный логические сигналы. На синхровходы С подать сигналы от источника импульсов. Исследовать работу регистра. Начертить временную диаграмму.

Проверить работу счетчика К155ИЕ7. В режиме счета на суммирование или вычитание импульсы подавать на соответствующий вход счетчика от источника импульсов. В режиме предустановки параллельный код на информационные входы D3, D2, D1, D0 податьс наборного поля лабораторного стенда «Логические элементы и комбинационные схемы».

Ознакомиться с работой регистра памяти К155ТМ5. С шин наборного поля подать информацию (любое число в двоичном коде) на информационные входы D, а на разрешающие входы С1-С2 и С3-С4 подать «1». На выходы регистра подключить светодиоды. Изменяя информацию на D -входах, убедится, что эта информация передается на выходы регистра. Поочередно подавая «0» на входы С1-С2 и С3-С4 определить, как будет работать регистр при изменении информации на D -входах.

Ознакомиться с работой регистра сдвига К155ИР1. В режиме параллельной записи (V2 =1) подать с наборного поля на параллельные входы двоичный код 1010. Убедиться, что по срезу тактового импульса на входе С2 информация с параллельных входов запишется в регистр и появится на его выходах.

Установить режим последовательного сдвига информации в регистре К155ИР1 (V2 =0). На последовательный вход V1 подать «1», на вход С1 подать нужное количество импульсов, чтобы в регистре записался код «1111». На вход V1 подать «0», и подать один импульс на вход С1. На выходе регистра должен появиться код «1110». Подать «1» на вход V1 и три импульса на вход С1. Записать какой код появится на выходе регистра?

 

Содержание отчета

 

Цель работы; схема счетчика с заданным табл.9.1 модулем счета и таблица переключений его триггеров; схема четырехразрядного последовательного суммирующего счетчика на JK -триггерах (рис.9.1,а) и таблица его переключений; схема двухразрядного параллельного счетчика (рис.9.2); схема четырехразрядного регистра сдвига (рис.9.5) и временные диаграммы его работы; временные диаграммы работы регистра памяти К155ТМ5 и регистра сдвига К155ИР1 в режиме последовательно-параллельного преобразователя.

 

Контрольные вопросы

 

1. Какие типы счетчиков Вы знаете? 2. Поясните работу суммирующего и вычитающего счетчиков. 3. Что такое реверсивный счетчик? 4. Как строятся параллельные счетчики? 5. Приведите примеры использования двоичных и декадных счетчиков. 6. Объясните принцип действия регистра памяти. 7. Какие способы используются для увеличения числа разрядов счетчиков и регистров?