Исследование реверсивного счетчика

Исследование реверсивного счетчика 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Целью работы является: - теоретическое изучение принципа работы счетчиков и рег истров; - экспериментальное исследование счетчика-регистра на ин тегральных микросхемах. 2. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Регистры и счетчики относятся к разряду цифровых устройс тв и являются одним из наиболее распространенных элементов вычислител ьной техники. Они широко используются для построения устройств ввода, вы вода и хранения информации, а также для выполнения некоторых арифметиче ских и логических операций. Для построения с четчиков и регистров используются синхронные триггеры, переключение к оторых происходит только при наличии синхронизирующего сигнала ( синхр оимпульса ) на входе С. Наиболее часто для построения регистров и счетчик ов используется универсальный Д - триггер, имеющий специальный информац вход Д, и динамический вход С ( рис.1 ). 2.1. Устройство, наз ываемое регистром, служит в основном для хранения чисел в двоичном коде при выполнении над ними различных арифметических и логических операци й. С помощью регистров выполняютоя такие действия над числами, как перед ача их из одного устройства в другое, арифметический и логический сдвиг в сторону младших или старших разрядов, преобразование кода из последов ательного в параллельный и наоборот и т.д. Функциональная схема и условн о - графическое обозначение регистра параллельного типа, собранного на у ниверсальных Д-триггерах, приведена на рис.2 . По сигналу на вхо де С информация, поступившая на входы DО ё D З, записывается в регистр и хранится в нем до тех пор, пока не произойдет зап ись другой информации, либо не поступит сигнал на вход R, обнуляющий регис тр. Функциональная схема и условно-графическое обозначение регистра сдвиг а представлены на рис.З. Последовательны й информационный код поступит на вход D регистра. Импульс команды сдвига С подается одновременно на синхронизирующие входы всех триггеров реги стра и переводит каждый триггер в состояние, в котором находился триггер предыдущего разряда. Таким образом, каждый импульс команды сдвига "прод вигает" записываемое число на один разряд вправо. 2.2. Устройство, называемое счетчиком, предназначено для по дсчета числа поступающих на вход сигналов ( импульсов ) в произвольной си стеме счисления. Двоичные счетчики строятся на основе триггеров, работа ющих в счетном режиме ( Т - триггер или счетный триггер). Счетный триггер может быть получен из универсального D - тр иггера путем соединения его инверсного выхода 0 со входом D. Счетный триггер и эпюры сигналов, поясняющие его работу, п редставлены на рис.4. У счетного тригг ера состояние выхода изменяется на противоположное при поступлении на вход С каждого очередного счетного импульса. Функциональная схема и условнографическое обозначение двоичного счетчика с коэффициентом пересчета 2 3 представлена на рис.5. Каждый поступаю щий на вход счетчика импульс перебрасывает первый триггер в противопол ожное состояние (рис.6). Сигнал с инверсного выхода предыдущего триггера я вляется входным сигналом для последующего и, таким образом, комбинация с игналов на выходах Q 1 , Q 2 , Q 3 будет соответствовать числу поступивших на вход счетчика импульсов, представленному в двоичном код е. Счетчик данного типа называется асинхронным счетчиком. Если на счетный в ход каждого последующего триггера счетчика подавать сигнал с прямого в ыхода предыдущего триггера, то счетчик будет производить операцию вычи тания. Счетчики, способные выполнять функции сложения и вычитания, назыв аются реверсивными. Для построения счетчика с требуемым коэффициентом перес чета М, отличным от величины 2 N (N - число двои чных разрядов счетчика), используется принудительный сброс счетчика в и сходное состояние при достижении счетчиком числа М. Пример такого счетч ика с М=9 (М=1001 2 ) представлен на рис.7. 3. ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТ А И СРЕДСТВ ИССЛЕДОВАНИЯ 3.1. Функциональная схема исследуемого устройства предста влена на рис.8 . Устройство включает двоично - десятичный счетчик ДД2, двоич ный счетчик ДДЗ, коммутатор входных сигналов ДД1 и логические элементы Д Д4 и ДД5, выполняющие функции элементов объединения. Для подачи информационных и управляющих сигналов исполь зуется специальное устройство, управляемое наборными кнопками с фикса цией SА1 ё S А16. Нажатому состоянию соответств ует сигнал логической "1", отжатому состоянию - сигнал логического "0". Кнопки SА1 ё S А16 расположены в левой части лаборатор ного стенда под надписью "Программатор кодов". 3.2. Функцию двоичного счетчика выполняет микросхема К155ИЕ7. Данная микросх ема представляет собой реверсивный четырехразрядный счетчик - регистр, в котором кроме двух счетных входов ( суммирующего "+1" и вычитающего "-1" ) и вх ода сброса Р имеется четыре информационных входа DО ё D З и вход С , разрешающий запись информации в счетчик. Кроме того , для наращивания разрядности счета в микросхеме предусмотрены выходы " і 15" и " < 0", на которых при достижении счетчиком указанных чисел появляются сигналы логического "0". Выход " і 15" в этом случае следует соединять с входом "+1", выход "< 0" - с вх одом "-1" аналогичной микросхемы. 3.3. Функцию двоично-десятичного счетчика ДД2 выполняет микросхема К155ИЕ6. У заданной микросхемы коэффициент пересчета М=10 и сигнал переноса в старш ие разряды на выходе “ і 9” вырабатывается при превышении счетчиком числа 9. Рис.8 3.4. При исследован ии одного из счетчиков, другой должен находиться в исходном состоянии, ч то достигается подачей на вход R данного счетчика уровня логической "1" с п омощью кнопок SА10 или SA11. 3.5. Запись информации в счетчики производится в параллельн ом коде путем подачи на входы ДО ё ДЗ логиче ских сигналов "0" и "1" с помощь кнопок SА1 ё S А4 и по дачи сигнала логического "0" на вход С с помощью кнопки SА9 (для этого кнопку S А9 надо отжать и снова нажать ). З.6. Счетные импульсы должны поступать на исследуемую схему с клеммы "непр. имп," ( " ~|_|~|_|~ “ ) в виде непрерывной импульсной последовательности и с клеммы " пачка имп." ( "_|~|_|~|_" ) в виде пачки импульсов с числом импульсов в пачке от 1 до 15. У правление режимом работы входов "+1" и "-1" счетчиков производится о помощью к нопок SA13 ё S А16, которые обеспечивают выполнен ие следующих функций: SА13 ("непр,+") - разрешение прохождения непрерывной импульсной последовател ьности на входы "+1" счетчиков; SА14 ("пачка +") - разрешение прохождения пачки импульсов на вхо ды "+1" счетчиков; SА15 (“непр.-") - разрешение прохождения непрерывной последова тельности импульсов на входы "-1" счетчиков; SА16 ("пачка -") - разрешение прохождения пачки импульсов на вхо ды "- 1" счетчиков, Примечание. Не допускается одновременное нажатие двух и более кнопок SА13 ё S А16. 3.7. Для задания числа импульсов в пачке и посылки необходимой пачки в иссл едуемый узел используются четыре кнопки с фиксацией "2 0 " ё "2 3 " и две кнопки без фиксац ии "Пуск" и “Устан.О", расположенные на панели лабораторного стенда под над писью "Программатор СИ". При этом должна соблюдаться следующая последовательнос ть операций: 3.7.1. Набрать заданное число импульсов в пачке в двоичном код е с помощью кнопок “2 0” ё "2 3 ". Нажатой кнопке со ответствует логическая "1" (при этом загорается соответствующий индикато р). 3.7.2. Нажать кнопку "устан.О". 3.1.3. В режиме наблюдения одновременно двух сигналов на экра не мультиметра величина и взаимное расположение этих сигналов регулир уется ручками "~ " и “ Ї “ соответственно в по ле надписи "Коммутатор" отдельно для каждого канала ( "Вх1" для КПИ 10 и "Вх2" для КПИ 9 ). 3.2. Исследование элемента ДД3 в статическом и динамическом режиме. 3.2.1. Логические сигналы "0" и "1" на входе триггеров задаются с по мощью кнопок с фиксацией SА1 ё S А6, расположен ных на передней панели блока К32 под надписью "Программатор кодов". Отжатое состояние кнопки соответствует заданию логического "0", а нажатое - задани ю логической "1". Нажатое состояние кнопки сопровождается загоранием соо тветствующего светодиода зеленого цвета, расположенного вблизи данной кнопки "Программатора кодов". 3.2.2. Для подачи положительного импульса ( "_|~|_" ) на вход С триггера необходимо кратковременно перевести соответствующую кнопку из отжатого состояни я в нажатое и обратно. 3.2.3. Для индикации логических сигналов на выходе триггера, р аботающего в статическом режиме ( верхняя часть элемента ДДЗ ), служит лев ое цифровое табло блока К32. При этом кнопка " IO |_2 ", расположенная непосредст венно под табло, должна находиться в нажатом состоянии. 3.2.4 . Нижняя часть элемента ДДЗ представляет собой триггер, работающий в счетном режиме. На его счетный вход С поступает непрерывная последовательность импульсов. Одновременно такая же последовательнос ть импульсов поступает в КПИ1. Выходные сигналы триггера ( прямой и инверс ный ) поступают в КП2 и КПИЗ соответственно. 3.2.5. Лабораторный стенд позволяет наблюдать на экране муль тиметра одновременно два сигнала с любых двух КПИ из восьми ( двухканаль ный режим наблюдения ). Выбор двух определенных КПИ производится следующ им образом: 3.2.5.1. Нажать кнопку " ВСВ |_ ВНК " под надписью "КВУ", при этом у лев ых индикаторов обоих цифровых табло начинает светиться знак запятой. 3.2.5.2. При отжатой кнопке"Вх1 |_ Вх2" набрать с помощью кнопок " 2 0 ё 2 3 " прогр амматора "СИ " двоичный код первого выбранного КПИ и нажать кнопку "Пуск". П ри этом на левом табло у знака запятой появится номер выбранного КПИ. 3.2.5.3. При нажатой кнопке "Вх1 |_ Вх2" повторить указанную процеду ру для второго выбранного КПИ. Номер этого КПИ появится у знака запятой п равого табло. 3.2.5.4. Нажать кнопку "Коммутатор" под надписью "Контроль V~"'. Теп ерь два выбранных КПИ через каналы коммутатора лабораторного стенда со единены с осциллографом мультиметра. Регулировка величины и расположе ния сигналов на экране осуществляется раздельно ручками " ~ " и " Ї " под надписью "Коммутатор". Слева расположены ручк и регулировки первого канала коммутатора, справа - второго канала коммут атора. 3.2.5.5. Для выхода из режима наблюдения сигналов на экране мультиметра перев ести кнопку "ВСВ |_ БНК" под надписью "КВУ" в отжатое состояние. 3.3. Исследование элементов ДД4 (статический режим) и ДД5 (счет ный режим ). 3.3.1. Логические сигналы "0" и "1" на S, R, J и К - входы универсальных тр иггеров подаются с помощью кнопок SА7 ё S А12 ( а налогично рассмотренному в п.п.2.1. ). 3.3.2. Сигнал на вход С триггера поступает от встроенного генератора импуль сов лабораторного стенда, который вырабатывает серию импульсов положи тельной полярности. Число импульсов может изменяться от 1 до 15 и устанавли вается с помощью кнопок с фиксацией " 2 0 ё 2 3 ", расположенных под надписью "Программат ор СИ". Кнопки без фиксации "Пуск" и "Устан.О" служат для задания режима работ ы генератора. При этом должна соблюдаться следующая последовательност ь действий: 3.3.2.1. Набрать число импульсов в пачке в двоичном коде с помощ ью кнопок " 2 0 ё 2 3 ". Кнопки в нажатом состоянии соответствует двоичная единица ( при э том загорается соответствующий светодиод ). 3.3.2.2. Нажать кнопку "Устан.О"и убедиться, что светодиод кнопки "Пуск" погашен. Генератор импульсов готов к работе. 3.3.2.3. Нажать кнопку "Пуск". При этом генератор вырабатывает ну жную пачку импульсов. Для повторного включения генератора нажать кнопк у "Устан.О", а затем кнопку "Пуск" и т.д. 3.3.3. Контроль выходных сигналов триггеров ДД4 осуществляет ся с помощью левого цифрового табло на блоке К32. 3.3.4. Счетные импульсы на триггер ДД5, работающий в счетном ре жиме, поступают через элемент “И", собранный на микросхеме ДД1. 3.7.3. Нажать кнопку "Пуск". При этом в исследуемый узел поступа ет заданная пачка импульсов. 3.7.4. Для повторной посылки пачки импульсов нажать кнопку "Ус тан.О" и затем - кнопку "Пуск" и т.д. 3.8. Считывание показаний счетчика производится с помощью д вух цифровых табло, каждое из которых содержит четыре семисегментных ин дикатора. Оба табло расположены в левом верхнем углу лабораторного стен да. На левом цифровом табло индикация числа производится в двоичном коде , на правом - в десятичном коде ( для выбора того или иного кода кнопку "10 |_ 2" не обходимо установить в соответствующее положение ). 3.9. Выходные сигналы двоичных разрядов и сигналы переносов счетчиков, а также входные счетные импульсы сложения и вычитания, посту пают параллельно на восемь каналов передачи информации КПИ1 ё КПИ8, что дает возможность их наблюдения на экране мультиметра, входящего в состав лабораторного стенда. Одновременно на экране мультиметра можно наблюдать сигналы двух канал ов передачи информации. При этом необходимо выполнить следующие операц ии: 3.9.1. Нажать кнопку "ВСВ |_ ВНК" под надписью "КВУ", 3.9.2. При отжатой кнопке "Вх1 |_ Вх2" набрать с помощью кнопок " 2 0 ё 2 3 ", двоич ный код первого выбранного КПИ и нажать кнопку "Пуск". При этом на левом та бло появится номер выбранного КПИ. 3.9.3. Повторить указанную процедуру при нажатой кнопке "Вх1 |_ В х2". Номер второго выбранного КПИ должен появиться на правом табло. 3.9.4. Нажать кнопку "Коммутатор" под надписью "Контроль”. При э том выбранные КПИ подсоединяются к соответствующему входу мультиметра . Размах и ориентация сигналов на экране мультиметра регулируется потен циометрами " ~ " и " Ї " , расположенными под над писью "Коммутатор" отдельно для каждого канала. 3.9.5. Для выхода из режима наблюдения сигналов на экране мультиметра необх одимо отжать кнопку "ВСВ |_ ВНК" под надписью "КВУ". 4. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ К ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ 4.1. Исследовать влияние исходного состояния счетчиков на п равильность вводимой информации при подаче сигналов на входы Д0 ё ДЗ. 4.1.1. Ввести параллельным кодом с помощью кнопок SА1 ё S А4 и SА9 некоторые заданные числа ( например " 7 10 , 11 10 , 8 10 , 12 10 , 15 10 , 10 10 “) в один из счетчиков ( см. п.3.5. ), одновремен но производя считывание результатов с помощью цифровых табло. 4.1.2. Повторить операции, указанные в п.4.1.1., для другого счетчик а. Сделать выводы по п.4.1. 4.2. Исследовать работу счетчиков в счетном ( суммирующем ) ре жиме с предварительной записью исходной информации. 4.2.1. Подготовить генератор пачки импульсов для работы в реж име одиночного импульса ( п.3.7. ). 4.2.2. Подготовить подачу импульсов на суммирующие входы сче тчиков с помощью кнопки SА14, переведя ее в нажатое состояние. 4.2.3. Ввести параллельным кодом в один из счетчиков заданное преподавателем число. 4.2.4. Подавая одиночные импульсы с помощью кнопок "Устан.О” и “Пуск" ( см. п.п.3.7.3.,3.7.4. ), снять показания выходов разрядов счетчика и занести и х в таблицу 1. Таблица 1. — — — Порядковый номер импульса — Выходы Исх. информ. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Q 0 СТ2 Q 1 Q 2 Q 3 Q 0 СТ10 Q 1 Q 2 Q 3 4.2.5. Повторить п.п.4.2.3., 4.2.4. для другого счетчи ка (см. п.3.4.). 4.3. Исследовать работу счетчика в вычитающем счетном режим е с предварительной записью в него информации. 4.3.1. Подготовить подачу пачки импульсов на вычитающие вход ы счетчика, приведя кнопку SA14 в отжатое, а кнопку SA16 - в нажатое состояние. 4.3.2. Выполнить операции, указанные в п.п. 4.2.3. ё 4.2.5. 4.4. Исследовать суммирующий и вычитающий режим работы счет чиков. 4.4.1. Подготовить генератор пачки импульсов для генерации п ачки с числом импульсов от 5 до 9 ( п.3.7. ). 4.4.2. Установить исследуемой счетчик в исходное состояние (о бнулить). Выбрать режим счета ( "+" или "-" ) с помощью кнопок SА14 и SA16. 4.4.3. Подать на счетчик пачку импульсов. Сравнить показания с четчика с заданным числом. Повторить указанную процедуру несколько раз, прогнозируя при этом показания счетчиков. 4.4.4. Изменить режим работы счетчика, поменяв состояние кноп ок SА14 и SА16, и выполнить операции, указанные в п.п.4.4.2. и 4.4.3. 4.4.5. Повторить указанную процедуру ( п.п.4,4.2. ё 4.4.4. ) для другого счетчика. 4.5. Исследовать работу счетчиков в режиме переноса. 4.5.1. Подать на суммирующие входы счетчиков последовательн ость импульсов с помощью кнопки SА13. 4.5.2. Исследовать работу выхода " і 15" счетчика СТ2, подключив КПИ1 на первый канал коммутатора, а КПИ8 не вт орой канал коммутатора в соответствии с "п.3.9.1. ё 3.9.4. При этом счетчик СТ10 необходимо отключить нажатием кнопки SА10. 4.5.3. Ручками плавной регулировки "~" и " Ї " под н адписью "Коммутатор", а также с помощью ручки "Стаб." на панели мультиметра добиться устойчивого изображения двух исследуемых сигналов. Срисовать сигнал в едином масштабе времени. 4.5.4. Исследовать выход " > 9" счетчика СТ10, подключив КПИ7 на второй канал коммут атора ( кнопка "Вх1 |_ Вх2" должна быть нажата ). При этом счетчик СТ2 необходимо отключить нажатием кнопки SA11. 4.5.5. Выполнить п.4.5.3. 4.5.6. Подать на вычитающие входы счетчиков последовательно сть импульсов с помощью кнопки SA15. 4.5.7. Исследовать работу выхода "< 0" счетчиков, подключив КПИ2 н а первый канал коммутатора, а КПИ7 или КПИ8 ( в зависимости от типа счетчика) на второй канал коммутатора, в соответствии с функциональной схемой уст ройства ( рис.8 ). 4.5.8. Выполнить п.4.5.3. для выходов "< 0" обоих счетчиков. 5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА 1. Название и цель лабораторной работы. 2. Функциональная схема исследуемого устройства. 3. Таблицы и эпюры напряжений. 4. Выводы по работе. 6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. В чем заключается преимущество двоичной системы счисле ния по сравнению с другими системами? 2. Что такое регистр и каково его назначение? 3. Как работает двоичный счетчик импульсов? 4. Чем определяется необходимое число триггеров в счетчик е и регистре? 5. С помощью чего обеспечивается перевод счетчика из режим а сложения в режим вычитания? 6. Как осуществляется наращивание разрядности счетчиков? 7. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Ч. 1,3: Пер. с англ., П од ред. М.В.Гальперина - М.: Мир, 1983. ОГЛАВЛЕНИЕ 1. Цель работы 1 2. Основные теоретические положения 1 3. Описание обьекта и средств исследования 5 4. Методические рекомендации к выпо лнению работы 9 5. Содержание отчета 11 6. Контрольные вопросы 11 7. Список использованной литературы 11