ЦИФРОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ (занятие №8)

На прошлом занятии мы рассмотрели работу двоичного четырехразрядного счетчика на примере микросхемы К561ИЕ10. Но на практике редко бывает достаточно четырех разрядов, возможно именно по этому микросхема К561ИЕ10 содержит два одинаковых четырехразрядных счетчика, так, чтобы можно было их включить последовательно и получить восьмиразрядный (восьмибитный, как говорят "компьютерщики"), который будет считать до 256-ти. Как это сделать показано на рисунке 1.

Первый счетчик D2.1 включен как обычно, а второй — D2.2 получает импульсы с выхода "8" первого. Причем эти импульсы поступают на вход СР. Из прошлого занятия мы знаем, что счетчики микросхемы К561ИЕ10 имеют по два счетных входа CP и CN, при этом на CP подаются положительные импульсы, а счетчик будет переключаться по спадам этих положительных импульсов. Так оно и происходит. Во время пока D2.1 считает до 8-и на вход CP счетчика D2.2 поступает нуль (поскольку D2.1 еще не досчитал до 8-и, и следовательно на его выходе "8" будет пока нуль). Как только счетчик D2.1 досчитает до 8-и на вход CP D2.2 поступит единица, но этот счетчик еще не сработает, поскольку он срабатывает по спаду импульса на этом входе, то есть не в момент перепада от нуля на единицу (это фронт положительного импульса), а в момент последующего перепада с единицы на нуль (это спад положительного импульса). Таким образом D2.2 после того как D2.1 досчитает до 8-и "подготовится и будет ждать" того момента, когда логический уровень на выходе "8" D2.1 сменится на нулевой. А произойдет это тогда когда D2.2 досчитает до 16-ти и в этот момент сбросится в нуль.

Получается так, что счетчик D2.2 считает сколько раз D2.1 отработал по полному кругу (то есть отсчитал от нуля до 16-ти). Но счетчик D2.2 также считает до 16-ти. Вот и получается, что они вместе считают до 16 х 16 = 256 (16 раз по 16 или 16²). Так, что единица возникнет на выходе "8" D2 только после 128-го импульса, поступившего на вход D2.1. а сменится на нуль только после 256-го импульса. Выходит, что полный цикл работы 8- и разрядного счетчика будет 256.

Можно усложнить схему и таким же образом подключить еще один четырехразрядный счетчик, тогда уже получим 12-ти разрядный счетчик, а считать он будет до 4096 (16 х 16 х16 или 16³). Если соберем систему на двух микросхемах К561ИЕ10 используя все четыре счетчика получится 16-ти разрядный (16-ти битный) счетчик, который будет считать уже до 65536 (16⁴), ну и далее таким же образом. Выходит, если, например частота импульсов, поступавших на вход такого 16-ти разрядного счетчика будет 65,536 кГц, то на его последнем выходе их частота составит всего 1 Гц. В общем, входную частоту делим на коэффициент деления на соответствующем выходе.

Как это происходит можно проследить "прослушав" счетчик на небольшой динамик, собрав схему по рисунку 4. Здесь на двух элементах D1.1 и D1.2 собран мультивибратор, которые вырабатывает импульсы звуковой частоты (их частота зависит от параметров R1 и С1). Эти импульсы поступают на вход 8-и разрядного счетчика на D2, а при помощи импульсного усилителя (попросту, — ключа) на VT1 и динамика В1 их можно прослушать. И что интересно, переставляя гибкий провод, идущий от R2 начиная с самого младшего разряда (выход "1^й D2.1), постепенно перебирая все остальные разряды по степени старшинства до самого старшего (выход "8" D2.2) можно наблюдать постепенно понижение тона звука, то есть постепенное уменьшение частоты. Причем каждый раз с каждым более старшим разрядом частота будет уменьшатся в два раза по сравнению с предыдущим более младшим разрядом. На схеме отмечено на сколько на каждом выходе D2 делится входная .частота "F" (частота импульсов мульти­вибратора на D1).

Именно так работают делители частоты, используемые в цифровой технике. Например, в электронных часах чтобы получить импульсы частотой 1 Гц (период — одна секунда) используют кварцевый генератор на 32768 Гц и счетчик-делитель на 32768.

Как вы уже заметили, двоичные счетчики де­лят частоту входных импульсов на строго фиксированные числа, равные удвоенным "весовым" числам их выходов. Но на прак­тике, часто требуется какой-то коэффициент деления, не равный этим числам. Напри­мер, нам нужно полу­чить частоту 1 Гц из частоты 50 Гц. То есть нужно создать счетчик, который будет считать только до 50-ти, а затем с окончанием 50-го импульса сбрасываться в нуль, а затем считать снова так же по кругу.

Принципиальная схема такого счетчика с ограничителем счета показана на рисунке 2. 

Схема уже знакомая по прошлому занятию, когда ограничивали счет 4-х разрядного счетчика до 10-ти (ж. Радиоконструктор 07- 2000 стр. 42 рис.5). В общем, почти тоже самое, вычисляем выходы, на которых при числе "50" будут единицы, а затем эти единицы через логическую схему на элементах "И^и подаем на входы R, чтобы сбросить оба счетчика в нуль. Расчет делаем так : ищем самое больше весовое число выхода счетчика, которое можно вычесть из 50-ти , — это будет 32. Вычитаем 50-32 = 18. Теперь вычитаем из 18-ти самое близкое число, которое можно вычесть : 18-16=2, далее из 2 - 2 = 0. Получается, что при числе 50 единицы будут на трех выходах D2, а именно на выходе с весом 2 (выход 2 D2.1), на выходе с весом 16 (выход 1 D2.2) и на выходе с весом 32 (выход 2 D2.2). Теперь нужно сделать так, чтобы в тот момент, когда будут единицы на всех этих трех выходах одновременно счетчик обнулился. Эта работа возложена на микро­схему D3, содержащую элементы 3-И-НЕ (логи­ку работы таких элементов изучали на занятии №1 в январском номере РК за этот год).

Выходные импульсы, частота которых будет в 50 раз ниже входных, можно снимать с вывода 12 D2.2 (его выход 2).

Проверьте работу счетчика, подав на его вход 50 импульсов при помощи кнопки S1 он вернется автоматически в нулевое состояние.

Ограничитель счета можно сделать и на простых диодах и резисторе, так как это показано на рисунке 3.

 Обратите внимание — пока счетчик не досчитал до 50-ти, хотя бы один из его диодов открыт. Но в тот момент, когда он досчитает до 50-ти все три диода оказываются закрытыми логическим единицами, и на входы R счетчиков поступает высокий логический уровень от источника питания через резистор R3.

Счетчики используются не только как делители частоты импульсов, но чаще, и непосредственно как устройства для подсчета импульсов поступающих на их счетный вход. Например, в электронных часах, в измерительных приборах с цифровой индикацией, и во многих других устройствах. Как известно, состояние счетчика меняется с каждым импульсом, поступающим на его вход, при этом число импульсов, поступивших на данный момент можно определить по двоичному коду, установившемуся на выходах счетчика. Но двоичный код непривычен для человека, и для того чтобы информацию о количестве подсчитанных импульсов предста­вить в удобной форме, её нужно перевести в десятичную систему. Для этого служат специальные устройства —дешифраторы.

На рисунке 5 показано то как можно сделать дешифратор на нескольких логических элементах (две микросхемы D3 и D4). Для простоты используются только два младших разряда счетчика D2 (К561ИЕ10). В таком виде счетчик считает до 3-х (0 = 00, 1= 01, 2 = 10, 3 = 11) и с поступлением четвертого импульса переходит в нулевое состояние (на остальные два старших разряда не смотрим). Назначение .схемы на микросхемах D3 и D4 сделать так, чтобы имелось четыре выхода, и единица устанавливалась на одном из этих выходов, в зависимости от двоичного числа на выходе счетчика. Так, если на выходе счетчика 00 (0) то единица будет на выходе D3.1, если на счетчике 01 (1) то единица на выходе D3.3, если на счетчике 10 (2) то единица на выходе D4.3, а если на выходе счетчика код 11 (3) то единица будет на выходе 03.4. Таким образом двоичный код чисел от 0 до 3 преобразуется в десятичный.

Теперь проследим по схеме как это происходит. Установим кнопкой S2 счетчик D2 в нулевое состояние. При этом на обеих его выходах будут логические нули. Эти нули посту­пают на оба входа элемента D3.1 - ИЛИ- НЕ. По логике работы этого элемента (наше первое занятие в январском номере журнала), на его выходе (когда на оба входа поступают нули) будет единица.

Теперь нажмем один раз на S1, — на вход счетчика поступит один импульс и на его выходе 1 будет единица, а на выходе 2 — 0. На один из входов элемента D3.1 поступит единица, и по логике действия ИЛИ-НЕ. на его выходе будет ноль. Единица с выхода 1 D2 так же поступает на один из входов элемента И-НЕ D4.1, при этом на его второй вход поступает единица с выхода элемента D4.4 (поскольку на один из входов элемента И-НЕ D4.4 поступает нуль, на его выходе будет единица). Таким образом на оба входа D4.1 поступают единицы, значит на его выходе будет нуль, а на выходе инвертора D3.3 — единица.

Нажмем на S1 еще раз, и счетчик установится в положение 10 (1 на выходе 2, а 0 на выходе 1). Теперь тоже самое что происходило с элементом D4.1 произойдет с элементом D4.2 (на оба его входа поступят единицы) и единица появится на выходе инвертора D4.3.

При следующем нажатии на S1 счетчик установится в состояние "3", когда единицы будут на его обеих выходах. Это привет к тому, что на выходе элемента D4.4 установится нуль, а на выходе инвертора D3.4 будет единица.

Таким образом работает простой дешифра­тор, преобразующий двоичный двухразрядный код в десятичное числа.

Существует целое подразделение микросхем — "дешифраторы", логика действия которых состоит в том, что на их входы подают двоичный код числа, а на их выходах, при этом, появляется представление этого числа в десятичной или какой-то другой системе исчисления (в зависимости от типа дешифратора).

Одна из распространенных микросхем - дешифраторов - К561ИД1 (или К176ИД1). 

Логика действия этой микросхемы проста : на её четыре входа подаются любые двоичные числа от 0000 до 1001 (от "0" до "9"), при этом единица будет на одном из десяти выходов этой микросхемы, обозначенных цифрами от "0" до "9". Таким образом, эта микросхема преобразует двоичный код в десятичный.

Для того чтобы проанализировать логику работы микросхемы К561ИД1 (или К176ИД1), что практически одно и то же) можно собрать схему, показанную на рисунке 8.

S1-S4 — тумблеры, с их помощью будем устанавливать двоичный код на входах микросхемы. Контролировать выходные уровни будем, как обычно, при помощи мультиметра или тестера (Р1), при том, единице будет соответствовать напряжение, близкое к напряжению питания микросхемы, а нулю — близкое к нулю, в общем, все как и ранее. Резисторы R1-R4 на любое сопротивление из диапазона 10-100 кОм

При помощи тумблеров S1-S4 (замкнутое состояние — единица, разомкнутое — ноль) устанавливайте последовательно двоичные коды от "0000" (0) до "1111" (15). Интересно то, что дешифратор будет работать только в пределах от "0000" (0) до "1001" (9), а при подаче кодов чисел более 9-ти (более 1001) на его всех выходах будут нули. Дело в том, что микросхема К561ИД1 (К176ИД1) двоично- десятичный дешифратор, и она воспринимает входные коды чисел от 0 до 9-ти.

На следующем занятии рассмотрим дешифраторы, предназначенные для работы с семисегментными цифровыми индикаторами, и микросхемы, содержащие счетчик и дешифратор в одном корпусе.