ЦИФРОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ (занятие №7)

На прошлом занятии мы изучили работу D- триггера (Радиоконструктор 06-2000 стр.44-46). Вспомните рисунок 5 из прошлого занятия, где у D-триггера соединены между собой вход D и инверсный выход. Когда на вход С такого триггера подаем импульс, состояние на его выходе меняется. То есть, если сначала на его прямом выходе был нуль, то после подачи на его вход импульса, на выходе стала единица. Еще один импульс — снова нуль, третий импульс — опять единица. Практически это простейший счетчик, работающий по модулю 2. То есть для его полного цикла (от нуля до нуля) нужно на его вход подать два импульса.

Среди множества типов логических микро­схем большое значение имеют счетчики, — микросхемы, которые считают количество импульсов, поступивших на их вход, и это количество отображают на своих выходах в двоичном коде (вспомните занятие №1).

На рисунке 1 показана схема четырех­разрядного двоичного счетчика, собранного на четырех D-тригтерах (в каждой микросхеме К176ТМ2 содержится по два D-триггера). На микросхеме D1 собран формирователь импульсов, как известно контакты кнопки дребезжат всегда, и из-за этого вместо одного импульса может получиться несколько. Чтобы этого не происходило собран формирователь на RS-триггере на микросхеме D1.   Пока кнопка S1 не нажата её контакты находятся в показанном на схеме положении и на выводе 4 D1.2 будет единица. При нажатии на S1 на этом выводе будет ноль, а при её отпускании — опять единица. Именно с этого формирователя импульсов будем подавать импульсы на вход нашего счетчика.

И так, четыре триггера включены последова­тельно. Нажмем кнопку S2 и все их установим в нулевые состояния. Подключите вольтметр (мультиметр, тестер) Р1 к точке "1" (первый контакт D2.1). Вольтметр показывает нулевой уровень. Теперь нажмите и отпустите S1 — уровень изменится на единичный. Счетчик сосчитал один импульс, и единица установилась на его выходе "1". Теперь подключите Р1 к точке "2" (вывод 13 D2.2). Там будет ноль. Снова нажмите на S1 и на этом выводе будет единица. На выходе "2" — единица, значит счетчик уже сосчитал два импульса. Если нажать на S1 еще два раза единица будет на выходе "4" — сосчитано четыре импульса, еще четыре нажатия — и единица на выходе "8" — на счетчик поступило 8 импульсов.

Посмотрим как это получается в двоичном коде:

выходы счетчика — 8 4 2 1 

числа:       1 — 0 0 0 1

                 2—0 0 1 0 

                 4— 0 1 0 0 

                 8—1 0 0 0

Как видите каждому числу поступивших на вход счетчика импульсов соответствует их запись в двоичном коде. Теперь составим (занятие №1) таблицу двоичного кода от нуля до 15-ти :

выходы счетчика : — 8 4 2 1 

 числа:     0 - 0 0 0 0

                1 — 0 0 0 1

                2 — 0 0 1 0

                3 — 0 0 1 1

                4 — 0 1 0 0

                5 — 0 1 0 1

                6 — 0 1 1 0

                7 — 0 1 1 1

                8 — 1 0 0 0

                9 — 1 0 0 1

              10 — 1 0 1 0

              11 — 1 0 1 1 

              12 — 1 1 0 0

              13 — 1 1 0 1 

              14 — 1 1 1 0

              15 — 1 1 1 1

Как видите, имея четыре разряда (четыре выхода) счетчика можно сосчитать любое число от нуля до 15-ти (при поступлении 16-го импульса на всех четырех выходах будут нули и счетчик вернется в исходное нулевое положение). На рисунке 2 показана диаграмма работы такого счетчика. 

На верхнем графике даны импульсы, поступающие на вход С триггера D2.1 (вывод 3 D2), эти импульсы пронумерованы, а всего их подается 16. Ниже показаны изменения уровней на разных выходах счетчика. А так же показано как выражаются разные числа (2, 6, 10, 15). Обратите внимание, код числа 2 будет 0010, на графике штриховая линия проходит между вторым импульсом и третьим (после второго, но еще до третьего), и действительно единица есть только на выходе "2". Код числа 6 будет 0110, и штрих-линия, проходящая между шестым и седьмым импульсами проходит через две единицы — на выходах 2 и 4 (2+4=6), таким образом код — 0110. Числу 10 (код 1010) соответствуют две единицы, одна на выходе 8 и одна на выходе 2 (8+2=10), поэтому и код будет 1010. Числу 15 соответствует код 1111, то есть единицы на всех выходах, и действительно 1 +2+4+8= 15.

Понятно ? Возьмем любое число от нуля до 15-ти, например 13. Вычтем 13-8=5, 5-4=1, 1- 1=0 (8+4+1=13). Единицы должны быть на выходах 8, 4 и 1. Проведите на диаграмме линию между 13-м и 14-м импульсами, она пройдет через три единицы — на выходе 1, на выходе 4 и на выходе 8. Теперь запишем в двоичном коде:

выходы счетчика: 8 4 2 1

             число 13: 1 10 1

Микросхема имеет 16 выводов, по восемь с каждой стороны, так и считается — по одной стороне от ключа 1....8, и по другой в обратном направлении 9.... 16, порядок счета такой же как для ранее изученных микросхем, просто с каждой стороны на один вывод больше.

Каждый из этих счетчиков имеет по три вхо­да : вход R , при подаче единицы на который на всех выходах счетчика будут нули, и два счетчных входа CN и СР. Можно подавать импульсы на любой из них, но нужно учитывать, что на вход CN нужно подавать отрицательные импульсы (то есть, пока импульсов нет на этом входе единица, а при подаче импульса будет перепад от единицы до нуля и обратно на единицу), при этом счетчик будет переключаться в момент спада импульса (в момент его перехода от нуля к единице). Для того чтобы можно было подавать импульсы на вход CN нужно на другой вход CP подать постоянный единичный уровень. Если нужно подавать положительные импульсы их подают на вывод CP (пока импульсов нет на выводе ноль, а при подаче импульса будет перепад от нуля до единицы и обратно до нуля), при этом на вход CN нужно подать ноль (соединить его с минусом питания).

Для изучения работы одного из счетчиков микросхемы К561ИЕ10 соберем схему, показанную на рисунке 4. 

Формирователь импульсов на D1 такой же как в схеме на рисунке 1. При нажатии на кнопку S1 и её отпускании формируется импульс, который поступает на вход CN счетчика D2.1. При нажатии на кнопку S2 на вход R счетчика D2.1 поступит единица и он установится в нулевое состояние (на всех его выходах нули). Логика работы такая же как в схеме на рисунке 1.

Числу нажатий на кнопку S1 (числу импульсов) соответствует число, записанное в двоичном коде на выходах 8, 4, 2, 1 этого счетчика. Анализируя его работу можно пользоваться диаграммой на рисунке 2.

Данный счетчик считает от нуля до 15-ти, и при 16-м импульсе переходит в нулевое состояние. На практике часто бывает нужно получить счетчик, который считает от нуля до 9-ти и при 10-м импульсе переходит в нулевое состояние (как известно, человеку более привычна десятичная система счета). Как можно изменить систему счета счетчика показано на рисунке 5.

 По замыслу, при появлении на выходах счетчика числа 10 (1010) он должен автоматически установится в нуль (нужно в этот момент подать единицу на его вход R). Для выполнения этой функции служат два элемента D3.1 и D3 2 микросхемы К176ЛА7 (или К561ЛА7). Числу 10 будет соответствовать появление единиц на выходах 8 и 2 счетчика (8+2=10). Эти единицы поступают на входы элемента 2И-НЕ (D3.1) и на его выходе будет ноль (когда на оба его входа поступают единицы). Затем этот ноль поступит на вход второго элемента (D3.2) и на его выходе будет единица, которая поступает на вход R счетчика и устанавливает его в нулевое положение.

Таким образом счетчик считает от нуля до 9- ти, и при поступлении на его вход 10-го импульса возвращается снова в исходное нулевое состояние. Кнопка S2 служит для руч­ной установки счетчика в нулевое состояние.

На следующем занятии изучим много­разрядные счетчики и дешифраторы.