Из типовых функциональных узлов цифровой техники нетрудно собрать электронный счетчик-секундомер, аналогичный тем, которые выпускаются для школьных физических кабинетов. В этих приборах используется счетно-импульсный метод измерения времени, который состоит в том, что измеряется число импульсов, период повторения которых известен. Подобные приборы содержат следующие основные узлы: генератор счетных импульсов, схему управления (в простейшем случае ее роль выполняет кнопка «Пуск»), двоично-десятичный счетчик, дешифраторы и индикаторы. Последние три узла образуют пересчетную декаду, моделирующую один десятичный разряд. Нужно заметить, что измерение времени счетно-импульсным методом сопровождается неизбежной ошибкой, равной единице счета. Связано это с тем, что прибор зафиксирует одинаковое число импульсов и, следовательно, покажет одинаковое время, если счет прекращен сразу же после поступления последнего импульса или перед самым поступлением предыдущего импульса. В этом случае ошибка примет наибольшее значение, равное времени между двумя соседними

Рис. 172. Пересчетная декада

импульсами. Если уменьшить период повторения импульсов и ввести дополнительные разряды счетчика, то можно в нужное число раз повысить точность измерения.

Одна декада счетчика-секундомера показана на рисунке 172. Она состоит из двоично-десятичного счетчика на дешифратора на и индикатора на неоновой лампе Для питания индикатора нужно высокое напряжение , поэтому по правилам техники безопасности прибором должен пользоваться руководитель. В схеме используется дешифратор, специально предназначенный для работы с высоковольтным индикатором. Вместо лампы можно использовать лампы других типов: рассчитанные на напряжение питания 200 В и силу тока индикации Микросхема состоит из триггера со счетным входом (вход и триггерного делителя на 5 (вход При соединении выхода счетного триггера (выхрд 1) с входом делителя образуется двоично-десятичный счетчик. Он реагирует на задний фронт положительного импульса или на отрицательный скачок напряжения, поданного на вход . В условных обозначениях счетный фронт иногда показывается в виде стрелки, направленной к Микросхеме, если она реагирует на положительный скачок напряжения, или стрелки, направленной от микросхемы, если она реагирует на отрицательный перепад напряжения.

Для управления работой счетной декады используется три кнопки и переключатель. Перед началом счета декада

устанавливается в нулевое состояние кнопкой «Уст. О», при этом на входы счетчика подается логическая 1. Затем переключателем выбирается источник счетных импульсов - им может быть или триггер, или мультивибратор. В режиме «счет механических замыканий» при последовательном нажатии и отпускании кнопки происходит двоично-десятичный счет и на индикаторе последовательно загораются цифры 1, 2, 3 и т. д. до цифры 9, затем загорается цифра 0 и счет повторяется. В режиме счета импульсов на вход счетчика поступают импульсы мультивибратора, собранного по уже известной схеме на рис. 168). Для измерения времени в секундах частота импульсов должна равняться 1 Гц. Она устанавливается переменным резистором и емкостью равной

Для получения многоразрядного двоично-десятичного счетчика включаются последовательно, т.е. выход первого соединяется со входом второго, выход второго соединяется со входом третьего и т. д. Для установки многоразрядного счетчика в нулевое состояние входы объединяются и подключаются к кнопке «Уст. 0».

Если, например, прибор предполагается использовать на уроках физики, то время нужно измерять в довольно широком диапазоне - от 0,001 до 100 с. Для этого генератор должен иметь частоту а счетчик должен состоять из пяти десятичных разрядов. При этом показания цифрового индикатора будут иметь следующий вид: 00,000; 00,001; 00,002 и т.д. до 99,999 с.

Область применения учебного счетчика-секундомера можно значительно расширить, если ввести в него два дополнительных устройства - блок бесконтактного управления и блок выдержек времени. Первый блок должен обеспечивать автоматическое и безинерционное включение и отключение прибора. Для этого можно использовать уже известную схему фотореле (рис. 76), выбрав нужную чувствительность и согласовав напряжения источников питания. В схеме управления должно быть два фотодатчика - один используется для включения, а другой для выключения счетчика-секундомера в моменты пересечения лучей движущимся телом. Зная расстояние между фотодатчиками и показания секундомера, легко вычислить скорость движения тела. В блоке-приставке используются два усилителя фототока. Их выходные сигналы управляют работой счетного триггера, один из выходов которого через транзисторный ключ соединен со входом секундомера.

Можно привести также другие примеры использования электронных счетчиков. Например, автомат, моделирующий игру «в кости», состоит уже рассмотренной декады на

И неоновой лампы управляемой импульсами мультивибратора (см. рис. 168, 172). Игроки поочередно нажимают кнопку прерывающую счет. Выигрывает тот, у кого индикатор покажет большее число. Момент остановки счетчика, как и момент остановки подбрасываемого кубика с точками от 1 до 6, определяется случайными причинами, поэтому счетная декада вместе с мультивибратором являются электронным датчиком случайных чисел. Приведем еще примеры ее использования в различных игровых ситуациях.

При проверке скорости реакции игроков резистором устанавливается определенная частота работы мультивибратора и скорость смены цифр индикатора (см. рис. 168 и 172). Участникам игры предлагается нажимать на кнопку мультивибратора каждый раз, как индикатор покажет определенную, заранее выбранную цифру. Выполнить поставленное условие тем сложнее, чем выше частота переключения. Первыми выбывают из игры наиболее медлительные, победителем становится игрок, обла дающий лучшей реакцией. В другом, более сложном варианте игры нужно продолжать нажатия кнопки в установленном судьей темпе после того, как исчезают показания индикатора. Для этого его закрывают механической шторкой или отключают кнопкой

Счетную декаду вместе с мультивибратором особенно удобно использовать в играх, если ее питание сделать автономным, т. е. не связанным с сетью. В этом случае используют семисегментный светодиодный индикатор управляемый дешифратором интегральной схемы . С этой микросхемой и индикатором мы уже знакомы (рис. 150, 163). Схемы мультивибратора и счетчика остаются неизменными. Схема датчика случайных чисел, работающего от источника с напряжением 5 В, показана на рисунке 173.

Примером более сложного устройства, работающего на основе электрического счетчика, является блок выдержки времени, или таймер. На рисунке 174 показана принципиальная схема таймера, позволяющего включать различную нагрузку на время от 0 до 999 с. Он состоит из трехразрядного десятичного счетчика, собранного на микросхеме трех дешифраторов на микросхеме мультивибратора и схемы управления на микросхеме а также микросхеме Источником счетных импульсов является мультивибратор, настроенный на частоту 1 Гц. Его импульсы подаются на вход трехразрядного десятичного счетчика. Двоичные коды с каждого разряда подаются на дешифраторы На их выходах последовательно пояезляются нулевые сигналы по мере поступления на входы

Рис. 173. Пересчетная декада со светодиодным индикатором

соответствующих двоичных кодов. Установка нужной выдержки времени осуществляется переключателями соединяющими выходы дешифраторов с элементами микросхемы Входы элементов И попарно соединены для получения элемента Переключателем устанавливаются единицы секунд, переключателем десятки секунд и переключателем сотни секунд. Если, например, переключатели соединяются с выводами 2, 3 и 7 дешифраторов, то на входах элемента ИЛИ-НЕ будут три 0 только в момент, когда счетчик зафиксирует 237 импульсов или пройдет промежуток времени, равный 237 секундам с момента начала счета. При этом на выходе элемента ИЛИ-НЕ появится сигнал 1. До этого момента при всех двоичных кодах счетчика на выходе логического элемента был нулевой сигнал.

Схема управления таймера работает следующим образом. Предварительно нажимается кнопка «Стоп», в результате RS-триггер, собранный по микросхеме устанавливается в нулевое состояние. С прямого выхода нулевой уровень напряжения подается на транзистор 1/77, в эмиттерную цепь которого включена обмотка электромагнитного реле. Транзистор и реле находятся в выключенном состоянии. Одновременно с этим на инверсном выходе 6 появляется высокий уровень, который служит сигналом сброса для счетчика. При нажатии кнопки «Пуск» RS-триггер переходит в единичное состояние, на прямом выходе 3 появляется. высокий уровень напряжения, достаточный для открывания транзистора 1/77 и срабатывания реле. Его контакты замыкают цепь питания нагрузки. Одновременно с этим

(кликните для просмотра скана)

нулевой уровень напряжения, снимаемый с инверсного выхода триггера, «открывает» счетчик. Счетчик работает до тех пор, пока на выходах дешифратора не появятся выходные сигналы, соответствующие набранному числу. В. этом случае, как уже говорилось, на выходе возникает единичный сигнал, который через инвертер подается на вход -триггера. Происходит его установка в нулевое состояние и, соответственно, выключение транзистора, электромагнитного реле и нагрузки. Счетчик устанавливается в нулевое состояние.

Таймер будет показывать текущее время в секундах, если к выходам дешифраторов подключить светодиоды. Отсчет времени станет более удобным, если двоично-десятичные коды счетчиков подать на дешифраторы работающие совместно с семи-сегментными индикаторами

Счетчик импульсов — это последовательностное цифровое устройство, обеспечивающее хранение слова информации и выполнение над ним микрооперации счета, заключающейся в изменении значения числа в счетчике на 1. По существу счетчик представляет собой совокупность соединенных определенным образом триггеров. Основной параметр счетчика — модуль счета. Это максимальное число единичных сигналов, которое может быть сосчитано счетчиком. Счетчики обозначают через СТ (от англ. counter).

Счетчики импульсов классифицируют

● по модулю счета:
. двоично-десятичные;
. двоичные;
. с произвольным постоянным модулем счета;
. с переменным модулем счета;
. по направлению счета:
. суммирующие;
. вычитающие;
. реверсивные;
● по способу формирования внутренних связей:
. с последовательным переносом;
. с параллельным переносом;
. с комбинированным переносом;
. кольцевые.

Суммирующий счетчик импульсов

Рассмотрим суммирующий счетчик (рис. 3.67, а ). Такой счетчик построен на четырех JK-триггерах, которые при наличии на обоих входах логического сигнала «1» переключаются в моменты появления на входах синхронизации отрицательных перепадов напряжения.

Временные диаграммы, иллюстрирующие работу счетчика, приведены на рис. 3.67, б . Через К си обозначен модуль счета (коэффициент счета импульсов). Состояние левого триггера соответствует младшему разряду двоичного числа, а правого — старшему разряду. В исходном состоянии на всех триггерах установлены логические нули. Каждый триггер меняет свое состояние лишь в тот момент, когда на него действует отрицательный перепад напряжения.

Таким образом, данный счетчик реализует суммирование входных импульсов. Из временных диаграмм видно, что частота каждого последующего импульса в два раза меньше, чем предыдущая, т. е. каждый триггер делит частоту входного сигнала на два, что и используется в делителях частоты.

Трехразрядный вычитающий счетчик с последовательным переносом

Рассмотрим трехразрядный вычитающий счетчик с последовательным переносом, схема и временные диаграммы работы которого приведены на рис. 3.68.
{xtypo_quote}В счетчике используются три JK-триггера, каждый из которых работает в режиме Т-триггера (триггера со счетным входом).{/xtypo_quote}

На входы J и К каждого триггера поданы логические 1, поэтому по приходу заднего фронта импульса, подаваемого на его вход синхронизации С, каждый триггер изменяет предыдущее состояние. Вначале сигналы на выходах всех триггеров равны 1. Это соответствует хранению в счетчике двоичного числа 111 или десятичного числа 7. После окончания первого импульса F первый триггер изменяет состояние: сигнал Q 1 станет равным 0, a ¯ Q 1 − 1.

Остальные триггеры при этом свое состояние не изменяют. После окончания второго импульса синхронизации первый триггер вновь изменяет свое состояние, переходя в состояние 1, (Q x = 0). Это обеспечивает изменение состояния второго триггера (второй триггер изменяет состояние с некоторой задержкой по отношению к окончанию второго импульса синхронизации, так как для его опрокидывания необходимо время, соответствующее времени срабатывания его самого и первого триггера).

После первого импульса F счетчик хранит состояние 11О. Дальнейшее изменение состояния счетчика происходит аналогично изложенному выше. После состояния 000 счетчик вновь переходит в состояние 111.

Трехразрядный самоостанавливающийся вычитающий счетчик с последовательным переносом

Рассмотрим трехразрядный самоостанавливающийся вычитающий счетчик с последовательным переносом (рис. 3.69).

После перехода счетчика в состояние 000 на выходах всех триггеров возникает сигнал логического 0, который подается через логический элемент ИЛИ на входы J и К первого триггера, после чего этот триггер выходит из режима Т-триггера и перестает реагировать на импульсы F.

Трехразрядный реверсивный счетчик с последовательным переносом

Рассмотрим трехразрядный реверсивный счетчик с последовательным переносом (рис. 3.70).

В режиме вычитания входные сигналы должны подаваться на вход Т в. На вход Т с при этом подается сигнал логического 0. Пусть все триггеры находятся в состоянии 111. Когда первый сигнал поступает на вход Т в, на входе Т первого триггера появляется логическая 1, и он изменяет свое состояние. После этого на его инверсном входе возникает сигнал логической 1. При поступлении второго импульса на вход Т в на входе второго триггера появится логическая 1, поэтому второй триггер изменит свое состояние (первый триггер также изменит свое состояние по приходу второго импульса). Дальнейшее изменение состояния происходит аналогично. В режиме сложения счетчик работает аналогично 4-разрядному суммирующему счетчику. При этом сигнал подается на вход Т с. На вход Т в подается логический 0.
В качестве примера рассмотрим микросхемы реверсивных счетчиков (рис: 3.71) с параллельным переносом серии 155 (ТТЛ):
● ИЕ6 — двоично-десятичный реверсивный счетчик;
● ИЕ7 — двоичный реверсивный счетчик.

Направление счета определяется тем, на какой вывод (5 или 4) подаются импульсы. Входы 1, 9, 10, 15 — информационные, а вход 11 используется для предварительной записи. Эти 5 входов позволяют осуществить предварительную запись в счетчик (предустановку). Для этого нужно подать соответствующие данные на информационные входы, а затем подать импульс записи низкого уровня на вход 11, и счетчик запомнит число. Вход 14 — вход установки О при подаче высокого уровня напряжения. Для построения счетчиков большей разрядности используются выходы прямого и обратного переноса (выводы 12 и 13 соответственно). С вывода 12 сигнал должен подаваться на вход прямого счета следующего каскада, а с 13 — на вход обратного счета.

Принцип действия

В качестве исходного состояния принят нулевой уровень на всех выходах триггеров (Q 1 – Q 3), т. е. цифровой код 000. При этом старшим разрядом является выход Q 3 . Для перевода всех триггеров в нулевое состояние входы R триггеров объединены и на них подается необходимый уровень напряжения (т. е. импульс, обнуляющий триггеры). По сути это сброс. На вход С поступают тактовые импульсы, которые увеличивают цифровой код на единицу, т. е. после прихода первого импульса первый триггер переключается в состояние 1 (код 001), после прихода второго импульса второй триггер переключается в состояние 1, а первый – в состояние 0 (код 010), потом третий и т. д. В результате подобное устройство может досчитать до 7 (код 111), поскольку 2 3 – 1 = 7. Когда на всех выходах триггеров установились единицы, говорят, что счетчик переполнен. После прихода следующего (девятого) импульса счетчик обнулится и начнется все с начала. На графиках изменение состояний триггеров происходит с некоторой задержкой t з. На третьем разряде задержка уже утроенная. Увеличивающаяся с увеличением числа разрядов задержка является недостатком счетчиков с последовательным переносом, что, несмотря на простоту, ограничивает их применение в устройствах с небольшим числом разрядов.

Классификация счётчиков

Счетчиками называют устройства для подсчёта числа поступивших на их вход импульсов (команд), запоминания и хранения результата счёта и выдачи этого результата. Основным параметром счётчика является модуль счёта(емкость) Kс. Эта величина равна числу устойчивых состояний счётчика. После поступления импульсов Kс счётчик возвращается в исходное состояние. Для двоичных счётчиков Kс = 2 m, где m – число разрядов счётчика.

Кроме Kс важными характеристиками счётчика являются максимальная частота счёта fmax и время установления tуст, которые характеризуют быстродействие счётчика.

Tуст – длительность переходного процесса переключения счётчика в новое состояние: tуст = mtтр, где m – число разрядов, а tтр – время переключения триггера.

Fmax – максимальная частота входных импульсов, при которой не происходит потери импульсов.

По типу функционирования:

– Суммирующие;

– Вычитающие;

– Реверсивные.

В суммирующем счётчике приход каждого входного импульса увеличивает результат счёта на единицу, в вычитающем – уменьшает на единицу; в реверсивных счётчиках может происходить как суммирование, так и вычитание.

По структурной организации:

– последовательными;

– параллельными;

– последовательно-параллельными.

В последовательном счётчике входной импульс подаётся только на вход первого разряда, на входы каждого последующего разряда подаётся выходной импульс предшествующего ему разряда.

В параллельном счётчике с приходом очередного счётного импульса переключение триггеров при переходе в новое состояние происходит одновременно.

Последовательно-параллельная схема включает в себя оба предыдущих варианта.

По порядку изменения состояний:

– с естественным порядком счёта;

– с произвольным порядком счёта.

По модулю счёта:

– двоичные;

– недвоичные.

Модуль счёта двоичного счётчика Kc=2, а модуль счёта недвоичного счётчика Kc= 2m, где m – число разрядов счётчика.

Суммирующий последовательный счётчик

Рис.1. Суммирующий последовательный 3х разрядный счётчик.

Триггеры данного счетчика срабатывают по заднему фронту счетного импульса. Вход старшего разряда счетчика связан с прямым выходом (Q) младшего соседнего разряда. Временная диаграмма работы такого счетчика приведена на рис.2. В начальный момент времени состояния всех триггеров равны лог.0, соответственно на их прямых выходах лог.0. Это достигается посредством кратковременного лог.0, поданного на входы асинхронной установки триггеров в лог.0. Общее состояние счетчика можно охарактеризовать двоичным числом (000). Во время счёта на входах асинхронной установки триггеров в лог.1 поддерживается лог.1. После прихода заднего фронта первого импульса 0-разряд переключается в противоположное состояние – лог.1. На входе 1-разряда появляется передний фронт счетного импульса. Состояние счетчика (001). После прихода на вход счетчика заднего фронта второго импульса 0-разряд переключается в противоположное состояние – лог.0, на входе 1-разряда появляется задний фронт счетного импульса, который переключает 1-разряд в лог.1. Общее состояние счетчика – (010). Следующий задний фронт на входе 0-разряда установит его в лог.1 (011) и т.д. Таким образом, счетчик накапливает число входных импульсов, поступающих на его вход. При поступлении 8-ми импульсов на его вход счетчик возвращается в исходное состояние (000), значит коэффициент счета (КСЧ) данного счетчика равен 8.

Рис. 2. Временная диаграмма последовательного суммирующего счетчика.

Вычитающий последовательный счётчик

Триггеры данного счетчика срабатывают по заднему фронту. Для реализации операции вычитания счетный вход старшего разряда подключается к инверсному выходу соседнего младшего разряда. Предварительно триггеры устанавливают в состояние лог.1 (111). Работу данного счетчика показывает временная диаграмма на рис. 4.

Рис. 1 Последовательный вычитающий счетчик

Рис. 2 Временная диаграмма последовательного вычитающего счетчика

Реверсивный последовательный счётчик

Для реализации реверсивного счетчика необходимо объединить функции суммирующего счетчика и функции вычитающего счетчика. Схема данного счетчика приведена на рис. 5. Для управления режимом счета служат сигналы «сумма» и «разность». Для режима суммирования «сумма»=лог.1, «0»-кратковременный лог.0; «разность»=лог.0, «1»-кратковременный лог.0. При этом элементы DD4.1 и DD4.3 разрешают подачу на тактовые входы триггеров DD1.2, DD2.1 через элементы DD5.1 и DD5.2 сигналов с прямых выходов триггеров DD1.1, DD1.2 соответственно. При этом элементы DD4.2 и DD4.4 закрыты, на их выходах присутствует лог.0, поэтому действие инверсных выходов никак не отражается на счетных входах триггеров DD1.2, DD2.1. Таким образом, реализуется операция суммирования. Для реализации операции вычитания на вход «сумма» подается лог.0, на вход «разность» лог.1. При этом элементы DD4.2, DD4.4 разрешают подачу на входы элементов DD5.1, DD5.2, а соответственно и на счетные входы триггеров DD1.2, DD2.1 сигналов с инверсных выходов триггеров DD1.1, DD1.2. При этом элементы DD4.1, DD4.3 закрыты и сигналы с прямых выходов триггеров DD1.1, DD1.2 никак не воздействуют на счетные входы триггеров DD1.2, DD2.1. Таким образом, реализуется операция вычитания.

Рис. 3 Последовательный реверсивный 3-х разрядный счетчик

Для реализации данных счетчиков также можно использовать триггеры, срабатывающие по переднему фронту счетных импульсов. Тогда при суммировании на счетный вход старшего разряда надо подавать сигнал с инверсного выхода соседнего младшего разряда, а при вычитании наоборот – соединять счетный вход с прямым выходом.

Недостаток последовательного счетчика – при увеличении разрядности пропорционально увеличивается время установки (tуст) данного счетчика. Достоинством является простота реализации.

Рис. 3 – Реверсивный счетчик

Для счетных импульсов предусмотрены два входа: “+1” – на увеличение, “-1” – на уменьшение. Соответствующий вход (+1 или -1) подключается ко входу С. Это можно сделать схемой ИЛИ, если влепить ее перед первым триггером (выход элемента ко входу первого триггера, входы – к шинам +1 и -1). Непонятная фигня между триггерами (DD2 и DD4) называется элементом И-ИЛИ. Этот элемент составлен из двух элементов И и одного элемента ИЛИ, объединенных в одном корпусе. Сначала входные сигналы на этом элементе логически перемножаются, потом результат логически складывается.

Число входов элемента И-ИЛИ соответствует номеру разряда, т. е. если третий разряд, то три входа, четвертый – четыре и т. д. Логическая схема является двухпозиционным переключателем, управляемым прямым или инверсным выходом предыдущего триггера. При лог. 1 на прямом выходе счетчик отсчитывает импульсы с шины “+1” (если они, конечно, поступает), при лог. 1 на инверсном выходе – с шины “-1”. Элементы И (DD6.1 и DD6.2) формируют сигналы переноса. На выходе >7 сигнал формируется при коде 111 (число 7) и наличии тактового импульса на шине +1, на выходе <0 сигнал формируется при коде 000 и наличии тактового импульса на шине -1.

Все это, конечно, интересно, но красивей смотрится в микросхемном исполнении:

Рис. 4 Четырехразрядный двоичный счетчик

Вот типичный счетчик с предустановкой. СТ2 означает, что счетчик двоичный, если он десятичный, то ставится СТ10, если двоично-десятичный – СТ2/10. Входы D0 – D3 называются информационными входами и служат для записи в счетчик какого-либо двоичного состояния. Это состояние отобразится на его выходах и от него будет производится начало отсчета. Другими словами, это входы предварительной установки или просто предустановки. Вход V служит для разрешения записи кода по входам D0 – D3, или, как говорят, разрешения предустановки. Этот вход может обозначаться и другими буквами. Предварительная запись в счетчик производится при подаче сигнала разрешения записи в момент прихода импульса на вход С. Вход С тактовый. Сюда запихивают импульсы. Треугольник означает, что счетчик срабатывает по спаду импульса. Если треугольник повернут на 180 градусов, т. е. задницей к букве С, значит он срабатывает по фронту импульса. Вход R служит для обнуления счетчика, т. е. при подаче импульса на этот вход на всех выходах счетчика устанавливаются лог. 0. Вход PI называется входом переноса. Выход p называется выходом переноса. На этом выходе формируется сигнал при переполнении счетчика (когда на всех выходах устанавливаются лог. 1). Этот сигнал можно подать на вход переноса следующего счетчика. Тогда при переполнении первого счетчика второй будет переключаться в следующее состояние. Выходы 1, 2, 4, 8 просто выходы. На них формируется двоичный код, соответствующий числу поступивших на вход счетчика импульсов. Если выводы с кружочками, что бывает намного чаще, значит они инверсные, т. е. вместо лог. 1 подается лог. 0 и наоборот. Более подробно работа счетчиков совместно с другими устройствами будет рассматриваться в дальнейшем.

Параллельный суммирующий счётчик

Принцип действия данного счетчика заключается в том, что входной сигнал, содержащий счетные импульсы, подается одновременно на все разряды данного счетчика. А установкой счетчика в состояние лог.0 или лог.1 управляет схема управления. Схема данного счетчика показана на рис.6

Рис. 4 Суммирующий счетчик параллельного действия

Разряды счетчика – триггеры DD1, DD2, DD3.

Схема управления – элемент DD4.

Достоинство данного счетчика – малое время установки, не зависящее от разрядности счетчика.

Недостаток – сложность схемы при повышении разрядности счетчика.

Счетчики с параллельным переносом

Для повышения быстродействия применяют способ одновременного формирования сигнала переноса для всех разрядов. Достигается это введением элементов И, через которые тактовые импульсы поступают сразу на входы всех разрядов счетчика.

Рис. 2 – Счетчик с параллельным переносом и графики, поясняющие его работу

С первым триггером все понятно. На вход второго триггера тактовый импульс пройдет только тогда, когда на выходе первого триггера будет лог. 1 (особенность схемы И), а на вход третьего – когда на выходах первых двух будет лог. 1 и т. д. Задержка срабатывания на третьем триггере такая же, как и на первом. Такой счетчик называется счетчиком с параллельным переносом. Как видно из схемы, с увеличением числа разрядов увеличивается число лог. элементов И, причем чем выше разряд, тем больше входов у элемента. Это является недостатком таких счетчиков.

Разработка принципиальной схемы

Формирователь импульсов

Формирователь импульсов – устройство, необходимое для устранения дребезга контактов, возникающего при замыкании механических контактов, который может привести к неправильной работе схемы.

На рисунке 9 приведены схемы формирователей импульсов от механических контактов.

Рис. 9 Формирователи импульсов от механических контактов.

Блок индикации

Для отображения результата счёта необходимо использовать светодиоды. Чтобы осуществить такой вывод информации можно воспользоваться простейшей схемой. Схема блока индикации на светодиодах приведена на рисунке 10.

Рис. 10 Блок индикации на светодиодах.

Разработка КСУ (комбинационной схемы управления)

Для реализации данного счётчика из серии ТТЛШ микросхем К555 я выбрал:

две микросхемы К555ТВ9 (2 JK-триггера с установкой)

одну микросхему К555ЛА4 (3 элемента 3И-НЕ)

две микросхемы К555ЛА3 (4 элемента 2И-НЕ)

одну микросхему К555ЛН1 (6 инверторов)

Данные микросхемы обеспечивают минимальное количество корпусов на печатной плате.

Составление структурной схемы счётчика

Структурная схема – совокупность блоков счётчика, выполняющих какую-либо функцию и обеспечивающих нормальную работу счётчика. На рисунке 7 показана структурная схема счётчика.

Рис. 7 Структурная схема счётчика

Блок управления выполняет функцию подачи сигнала и управления триггерами.

Блок счёта предназначен для изменения состояния счетчика и сохранения этого состояния.

Блок индикации выводит информацию для зрительного восприятия.

Составление функциональной схемы счётчика

Функциональная схема – внутренняя структура счётчика.

Определим оптимальное количество триггеров для недвоичного счётчика с коэффициентом счёта Кс=10.

M = log 2 (Кс) = 4.

M = 4 значит для реализации двоично-десятичного счётчика необходимо 4 триггера.

Простейшие одноразрядные счетчики импульсов

Простейшим одноразрядным счетчиком импульсов может быть JK-триггер и D-триггер, работающий в счетном режиме. Он считает входные импульсы по модулю 2-каждый импульс переключает триггер в противоположное состояние. Один триггер считает до двух, два соединенных последовательно считают до четырех, п триггеров-до 2n импульсов. Результат счета формируется в заданном коде, который может храниться в памяти счетчика или быть считанным другим устройством цифровой техники-дешифратором.

На рисунке показана схема трехразрядного двоичного счетчика импульсов, построенного на JK-триггер ax K155TB1. Смонтируйте такой счетчик на макетной панели и к прямым выходам триггеров подключите светодиодные (или транзисторные - с лампой накаливания) индикаторы, как это делали ранее. Подайте от испытательного генератора на вход С первого триггера счетчика серию импульсов с частотой следования 1 … 2 Гц и по световым сигналам индикаторов постройте графики работы счетчика.

Если в начальный момент все триггеры счетчика находились в нулевом состоянии (можно установить кнопочным выключателем SB1 «Уст.0», подавая на вход R триггеров напряжение низкого уровня), то по спаду первого же импульса (рис. 45,6) триггер DD1 переключится в единичное состояние-на его прямом выходе появится высокий уровень напряжения (рис. 45,в). Второй импульс переключит триггер DD1 в нулевое состояние, а триггер DD2-B единичное (рис. 45,г). По спаду третьего импульса триггеры DD1 и DD2 окажутся в единичном состоянии, а триггер DD3 все еще будет в нулевом. Четвертый импульс переключит первые два триггера в нулевое состояние, а третий в единичное (рис. 45,д). Восьмой импульс переключит все триггеры в нулевое состояние. По спаду девятого входного импульса начнется следующий цикл работы трехразрядного счетчика импульсов.

Изучая графики, нетрудно заметить, что каждый старший разряд счетчика отличается от младшего удвоенным числом импульсов счета. Так, период импульсов на выходе первого триггера в 2 раза больше периода входных импульсов, на выходе второго триггера - в 4 раза, на выходе третьего триггера - в 8 раз. Говоря языком цифровой техники, такой счетчик работает в весовом коде 1-2-4. Здесь под термином «вес» имеется в виду объем информации, принятой счетчиком после установки его триггеров в нулевое состояние. В устройствах и приборах цифровой техники наибольшее распространение получили четырехразрядные счетчики импульсов, работающие в весовом коде 1-2-4-8. Делители частоты считают входные импульсы до некоторого задаваемого коэффициентом счета состояния, а затем формируют сигнал переключения триггеров я нулевое состояние, вновь начинают счет входных импульсов до задаваемого коэффициента счета и т. д.

На рисунке показаны схема и графики работы делителя с коэффициентом счета 5, построенного на JK-триггерах Здесь уже знакомый вам трехразрядный двоичный счетчик дополнен логическим элементом 2Й-НЕ DD4.1, который и задает коэффициент счета 5. Происходит это так. При первых четырех входных импульсах (после установки триггеров в нулевое состояние кнопкой SB1 «Уст. 0») устройство работает как обычный двоичный счетчик импульсов. При этом на одном или обоих входах элемента DD4.1 действует низкий уровень напряжения, поэтому элемент находится в единичном состоянии.

По спаду же пятого импульса на прямом выходе первого и третьего триггеров, а значит, и на обоих входах элемента DD4.1 появляется высокий уровень напряжения, переключающий этот логический элемент а нулевое состояние. В этот момент на его выходе формируется короткий импульс низкого уровня, который через диод VD1 передается на вход R всех триггеров и переключает их в исходное нулевое состояние.

С этого момента начинается следующий цикл работы счетчика. Резистор R1 и диод VD1, введенные в этот счетчик, необходимы для того, чтобы исключить замыкание выхода элемента DD4.1 на общий провод.

Действие такого делителя частоты можете проверить, подавая на вход С первого его триггера импульсы, следующие с частотой 1… 2 Гц, и подключив к выходу триггера DD3 световой индикатор.

На практике функции счетчиков импульсов и делителей частоты выполняют специально разработанные микросхемы повышенной степени интеграции. В серии К155, например, это счетчики К155ИЕ1, К155ИЕ2, К155ИЕ4 и др.

В радиолюбительских разработках наиболее широко используют микросхемы К155ИЕ1 и К155ИЕ2. Условные графические обозначения этих микросхем-счетчиков с нумерацией их выводов показаны на рис. 47.

Микросхему К155ИЕ1 (рис. 47,а) называют декадным счетчиком импульсов, т. е. счетчиком с коэффициентом счета 10. Он содержит четыре триггера, соединенных между собой последовательно. Выход (вывод 5) микросхемы - выход ее четвертого триггера. Устанавливают все триггеры в нулевое состояние подачей напряжения высокого уровня одновременно на оба входа R (выводы 1 и 2), объединенные по схеме элемента И (условный символ «&»). Счетные импульсы, которые должны иметь низкий уровень, можно подавать на соединенные вместе входы С (выводы 8 и 9), также объединенные по И. или на один из них, если в это время на втором будет высокий уровень напряжения. При каждом десятом входном импульсе на выходе счетчик формирует равный по длительности входному импульс низкого уровня. Микросхема К155ИЕ2 (рис.48,б)

Двоично-десятичный четырехразрядный счетчик. В нем также четыре триггера, но первый из них имеет отдельные вход С1 (вывод 14) и отдельный прямой выход (вывод 12). Три других триггера соединены между собой так, что образуют делитель на 5. При соединении выхода первого триггера (вывод 12) со входом С2 (вывод 1) цепи остальных триггеров микросхема становится делителем на 10 (рис. 48, а), работающем в коде 1-2-4-8, что и символизируют цифры у выходов графического обозначения микросхемы. Для установки триггеров счетчика в нулевое состояние подают на оба входа R0 (выводы 2 и 3) напряжение высокого уровня.

Два объединенных входа R0 и четыре разделительных выхода микросхемы К155ИЕ2 позволяют без дополнительных элементов строить делители частоты с коэффициентами деления от 2 до 10. Так, например, если соединить между собой выводы 12 и 1, 9 и 2, 8 н 3 (рис. 48,6), то коэффициент счета будет 6, а при соединении выводов 12 и 1, 11,. 2 и 3 (рис. 48,в) коэффициент счета станет 8. Эта особенность микросхемы К155ИЕ2 позволяет использовать ее и как двоичный счетчик импульсов, и как делитель частоты.

Цифровой счетчик импульсов – это цифровой узел, который осуществляет счет поступающих на его вход импульсов. Результат счета формируется счетчиком в заданном коде и может храниться требуемое время. Счетчики строятся на триггерах, при этом количество импульсов, которое может подсчитать счетчик определяется из выражения N = 2 n – 1, где n – число триггеров, а минус один, потому что в цифровой технике за начало отсчета принимается 0. Счетчики бывают суммирующие, когда счет идет на увеличение, и вычитающие – счет на уменьшение. Если счетчик может переключаться в процессе работы с суммирования на вычитание и наоборот, то он называется реверсивным.

-20 dB писал:

А почему не подойти к делу малой кровью? Если есть что-то вроде уже упомянутого выше ИЖЦ5-4/8, с раздельными выводами сегментов? В заначках с советских времён неиспользуемых К176ИЕ4 осталось море (счетчик/делитель на 10 с семисегментным дешифратором и выходом переноса, использовался для формирования единиц минут и часов в электронных часах, неполный аналог - CD4026 - в чём неполнота, не смотрел... пока) в классическом включении для управления ЖК. 4 шт - по 2 на канал, + 2 шт. 176(561)ЛЕ5 или ЛА7 - одна для формирователей одиночных импульсов (подавителей дребезга контактов), вторая - для формирования меандра для "засветки" ЖК индикатора? Конечно, на МП решение красивее, но на мусоре - дешевле, и решается исключительно на коленке... С программированием МП, например, у меня туго (если только готовый дамп кто-то подсуетит) - мне с железяками проще.

Ну вот тут я готов поспорить. Давайте посчитаем. Для начала стоимость:
1. PIC12LF629 (SOIC-8) - 40руб. (~1,15$)
2. Дисплей от Моторола С200/С205/Т190/Т191 - около 90руб (~2.57$) Кроме того разрешение 98х64 - рисуй и пиши чо хочешь.
3. Рассыпуха (SMD-резюки, кнопочки, SMD-конденсаторы и прочее) на вскидку - около 50руб. (~1,42$)

Итого: ~180руб (~5$)

Корпус, аккум (я бы выбрал Lo-Pol акк от той же моторолки С200 - компактно, ёмко, недорого (сравнительно)) - не считаем, так как и то и другое нужно в обоих вариантах.

Теперь Ваш вариант:

1. ИЖЦ5-4/8 - около 50руб (~1.42$)
2. К176ИЕ4 (CD4026) - 15руб (~0,42$)x4=60руб(~1.68$)
3. К176ЛА7 - 5руб (~0,14$)x4=20руб(~0.56$)
4. Рассыпуха (SMD-резюки, кнопочки, SMD-конденсаторы и прочее) на вскидку - около 50руб. (~1,42$)

Итого: ~180руб(~5$)

В чём выгода?

Теперь прикинем ТТХ и функционал:

У варианта с МК поторебление будет максимум 20мА, в то время как в Вашем варианте, я думаю раза в 1,5...2 больше. Кроме того в Вашем варианте - сложность (относительная) печатной платы на 7 корпусах+многогогая ИЖЦ5-4/8 (наверняк - двусторонняя), невозможность модернизировать устройство (добавить или изменить функционал) не влезая в схему (только на программном уровне), отсутствие возможности организовать память на измерения (счёт), питание не менее 5В (с меньшего Вы не раскачаете ИЖЦ), вес и габариты. Можно много ещё привести доводов. Теперь вариант с МК. Про ток потребления уже написал - 20мА макс. + возможность спящего режима (потребление - 1...5 мА (в основном - LCD)), сложность платы для одной 8-ногой микросхемы и 5 выводного разъёмчика для мотороловского LCD - смешно даже говорить. Гибкость (можно программно, без изменения схемы и платы наворотить такого - волосы дыбом встанут), информативность графического 98х64 дисплея - ни в какое сравнение с 4,5 разрядами 7-сегментного ИЖЦ. питание - 3...3,5В (можно даже таблеточку CR2032, но лучше всё таки Li-Pol от мабылы). Возможность организации многоячейной памяти на результаты измерений (счёта) прибора - опять таки только на программном уровне без вмешательства в схему и плату. Ну и наконец - габариты и вес ни в какое сравнение с Вашим вариантом. Аргумент - "я не умею программировать" не принимется - кто хочет, тот найдёт выход. Я до вчерашнего дня не умел работать с дисплеем от мобильника Моторола С205. Теперь умею. Прошли сутки. Потому что мне это НАДО. В конце концов Вы правы - можно кого нибудь и попросить.)) Вот примерно так. И не в красоте дело, а в том, что дискретная логика безнадёжно устарела как морально так и технически в качестве основного элемента схемотехники. То, для чего требовались десятки корпусов с диким общим потреблением, сложностью ПП и огромными габаритами, теперь можно собрать а 28-40 ногом МК легко и непринуждённо - поверьте мне. Сейчас даже инфы по МК гораздо больше чем по дискретной логике - и это вполне объяснимо.

Счётчик на микроконтроллере довольно прост для повторения и собран на популярном МК PIC16F628A с выводом индикации на 4 семисегментных светодиодных индикатора. Счётчик имеет два входа управления: «+1» и «-1», а также кнопку «Reset». Управление схемой нового счётчика реализовано таким образом, что как бы долго или коротко не была нажата кнопка входа, счёт продолжится только при её отпускании и очередном нажатии. Максимальное количество поступивших импульсов и соответственно показания АЛС - 9999. При управлении на входе «-1» счёт ведётся в обратном порядке до значения 0000. Показания счётчика сохраняются в памяти контроллера и при отключении питания, что сохранит данные при случайных перебоях питающего напряжения сети.

Принципиальная схема реверсивного счётчика на микроконтроллере PIC16F628A:

Сброс показаний счётчика и одновременно состояния памяти в 0, осуществляется кнопкой «Reset». Следует помнить, что при первом включении реверсивного счётчика на микроконтроллере, на индикаторе АЛС может высветиться непредсказуемая информация. Но при первом же нажатии на любую из кнопок информация нормализируется. Где и как можно использовать эту схему - зависит от конкретных нужд, например установить в магазин или офис для подсчёта посетителей или как индикатор намоточного станка. В общем думаю, что этот счётчик на микроконтроллере кому-нибудь принесёт пользу.

Если у кого-то под рукой не окажется нужного индикатора АЛС, а будет какой-нибудь другой (или даже 4 отдельных одинаковых индикатора), я готов помочь перерисовать печатку и переделать прошивку. В архиве на форуме схема, плата и прошивки под индикаторы с общим анодом и общим катодом. Печатная плата показана на рисунке ниже:

Имеется также новая версия прошивки для счётчика на микроконтроллере PIC16F628A. при этом схема и плата счётчика остались прежними, но поменялось назначение кнопок: кнопка 1 - вход импульсов (например, от геркона), 2 кнопка включает счёт на вычитание входных импульсов, при этом на индикаторе светится самая левая точка, 3 кнопка - сложение импульсов - светится самая правая точка. Кнопка 4 - сброс. В таком варианте схему счётчика на микроконтроллере можно легко применить на намоточном станке. Только перед намоткой или отмоткой витков нужно сначала нажать кнопку "+" или "-". Питается счётчик от стабилизированного источника напряжением 5В и током 50мА. При необходимости можно питать от батареек. Корпус зависит от ваших вкусов и возможностей. Схему предоставил - Samopalkin