Лабораторная работа
«Двоично-десятичный реверсивный счетчик с предустановкой К155ИЕ6».
Цель работы: Исследовать работу счетчика К155ИЕ6 в следующих режимах:
· Суммирования и вычитания без предустановки
· Суммирования и вычитания с предустановкой
· Переполнение счетчика. Счетчик как делитель частоты
Счетчики. Теория.
Счётчик — устройство, на выходах которого получается двоичный (двоично-десятичный) код, определяемый числом поступивших импульсов. Счётчики могут строиться на T-триггерах и JK-триггерах. Основной параметр счётчика - модуль счёта - максимальное число единичных сигналов, которое может быть сосчитано счётчиком. Счётчики обозначают через СТ (от англ. counter).
Счётчики классифицируют:
· по модулю счёта: двоично-десятичные; двоичные; с произвольным постоянным модулем счёта; с переменным модулем счёта;
· по направлению счёта: суммирующие; вычитающие; реверсивные;
· по способу формирования внутренних связей: с последовательным переносом; с параллельным переносом; с комбинированным переносом; кольцевые;
Микросхема К155ИЕ6 относится к семейству ТТЛ, выполнена в корпусе DIP16 и имеет аналоги SN74192N(J) . Электрические параметры приведены в таблице ниже:
1 | Номинальное напряжение питания | 5 В |
2 | Выходное напряжение низкого уровня при Uп=4,75 В | не более 0,4 В |
3 | Выходное напряжение высокого уровня при Uп=4,75 В | не менее 2,4 В |
4 | Помехоустойчивость | не менее 0,4 В |
5 | Ток потребления | не более 102 мА |
6 | Входной ток низкого уровня | не более 1,6 мА |
7 | Входной ток высокого уровня | не более 0,04 мА |
8 | Потребляемая статическая мощность | не более 535 мВт |
9 | Время задержки выключения от входа "прямой счет" до выхода Q | не более 38 нс |
10 | Время задержки включения от входа "прямой счет" до выхода Q | не более 47 нс |
11 | Коэффициент разветвления по выходу | 10 |
5 %Микросхема представляет собой двоично-десятичный реверсивный четырехразрядный счетчик, построенный на основе JK триггеров. Функциональные схемы счетчиков приведены на рисунке 1. Особенностью счетчиков является их построение по синхронному принципу, по которому все триггеры схемы переключаются одновременно от одного счетного импульса.
|
| ||
№ выв. | Назначение | № выв. | Назначение |
1 | Информационный вход D1 | 9 | Информационный вход D3 |
2 | Выход Q1 | 10 | Информационный вход D2 |
3 | Выход Q0 | 11 | Вход разрешения записи V |
4 | Вход счетный C- (вычитание) | 12 | Выход переноса P |
5 | Вход счетный C+ (сложение) | 13 | Выход заема B |
6 | Выход Q2 | 14 | Вход сброса R |
7 | Выход Q3 | 15 | Информационный вход D0 |
8 | Общий (земля) | 16 | Ucc питание +5В |
Рис.1 Цоколевка микросхем К155ИЕ6 и К155ИЕ7
Для лучшего понимания работы микросхемы можно воспользоваться таблицей истинности, представленной ниже:
Режим | R | V | C+ | C- | D0 | D1 | D2 | D3 | Q0 | Q1 | Q2 | QЗ | Р | B |
Сброс | H | X | X | L | X | X | X | X | L | L | L | L | Н | L |
H | X | X | H | X | X | X | X | L | L | L | L | Н | H | |
Параллельная ззагрузка | L | L | X | L | L | L | L | L | L | L | L | L | Н | L |
L | L | X | H | L | L | L | L | L | L | L | L | Н | H | |
L | L | L | X | H | X | X | H | Qn=Dn | L | H | ||||
L | L | H | X | H | X | X | H | Qn=Dn | Н | H | ||||
Сложение | L | H | | | H | X | X | X | X | Счет на увеличение | Н | H | |||
Вычитание | L | H | H | | | X | X | X | X | Счет на уменьшение | Н | H |
Здесь:
H – высокий уровень, L - низкий уровень, X – безразлично, | - перепад (фронт) уровня.
R - сброс, V – управление загрузкой, C+ и C - - тактовые входы, Dn – информационные входы, Qn – информационные выходы, P - выход переноса, B - выход заема.
Направление счета в счетчике определяется состоянием на счетных входах триггера (С+ и С-). Импульсные тактовые входы для счета на увеличение С+ (вывод 5) и на уменьшение С - (вывод 4) в этих микросхемах раздельные. Состояние счетчика меняется по положительным перепадам тактовых импульсов на каждом из этих тактовых входов. Если на вход C- подается импульсный перепад от низкого уровня к высокому, то из содержимого счетчика вычитается 1. Аналогичный перепад, поданный на входе С+, увеличивает счет на 1. Если для счета используется один из этих входов, на другом тактовом входе следует зафиксировать напряжение высокого логического уровня. На рис.2 показаны состояния выходов микросхемы при сложении. Во избежание ошибок менять направление счета следует в моменты, когда запускающий тактовый импульс перешел на высокий уровень.
Рис.2 Эпюры напряжений на счетном входе и выходах К155ИЕ6.
Десятичный счетчик отличается от двоичного счетчика внутренней логикой, управляющей триггерами. После прихода 10 импульса на старшем выходе Q3 устанавливается низкий уровень. На выходах P (окончание счета на увеличение, вывод 12) и B (окончание счета на уменьшение, вывод 13) нормальный уровень - высокий. Если счет достиг максимума, с приходом следующего тактового перепада на вход C+ от высокого уровня к низкому на выходе P появится низкое напряжение. После возврата напряжения на тактовом входе С+ к высокому уровню напряжение на выходе P останется низким еще на время, соответствующее двойной задержке переключения логического элемента ТТЛ. Импульсные перепады от выходов P и B служат, таким образом, как тактовые для последующих входов С+ и С - при конструировании счетчиков более высокого порядка. Каждый счетчик показывает отдельную цифру разряда десятичного числа, это т. н. двоично-десятичный код.
Рис 3. Пример каскадного включения счетчиков.
Счетчик может работать в режимах сброса, параллельной загрузки, а также синхронного счета на увеличение и уменьшение.
Установка в нуль (сброс) счетчика осуществляется независимо от состояний информационных Dn, счетных входов C и входа предварительной записи V. Параллельный запуск триггеров запрещается, если на вход сброса R (вывод 14) подано напряжение высокого уровня. На всех выходах Q установится низкий уровень независимо от сигналов на тактовых входах.
Рассмотрим работу микросхемы в режиме предустановки (загрузки). Если на вход разрешения параллельной загрузки V подать напряжение низкого уровня, то код, зафиксированный ранее на параллельных входах DO-D3, загружается в счетчик и появляется на его выходах QO-Q3, т. е. операция параллельной загрузки - асинхронная. При активных сигналах на входах V и R запрещается счет, и даются команды загрузки кода в счетчик или его сброса. Счетчики могут использоваться как делители частоты.
Рис. 4 Диаграмма работы десятичного счетчика К155ИЕ6 при сложении и вычитании. В режиме записи (V=0) было записано число 6 (единица на входах D2 и D3).
Практическая часть.
Описание учебного комплекса на базе контроллера
Исследование работы микросхемы К155ИЕ6 проводится с помощью учебного макета, соединенного с блоком коммутации многофункционального устройства сбора данных NI PCI 6221, рисунок 5. Описание этого контроллера приведено в приложении 1.
Рис.5 Внешний вид учебного комплекса, где: 1 –учебный стенд, 2 – блок коммутации NI PCI 6221, 3 - блок питания, 4 – микросхема, 5 – соединительная колодка, 6 – индикатор питания, 7 – индикатор тестера, 8 - соединительные провода.
Выводы контроллера NI PCI 6221 соединены с клеммами блока коммутации (Рис.5, п.2). В работе используются
· цифровые входы/выходы порта 1: Line 0-5,
· аналоговые входы AI 0-3,
· выход цифрового генератора «out»,
· вход цифрового частотомера «gate»
Для проведения измерений необходимо:
1. провести необходимые соединения учебного стенда и блока коммутации PCI 6221,
2. подключить питание (загорится зеленый индикатор),
3. запустить программу, управляющую измерениями.
Внешний вид интерфейса управляющей программы показан на рисунке 6. Здесь на разных панелях расположены соответствующие элементы управления и индикации:
· Тактовый генератор с регулируемой частотой и скважностью
· Кнопка сброса счетчика
· Кнопки записи информации в счетчик
· Индикаторы состояния выходов в двоичной и десятеричной системе исчисления
· Осциллограммы сигналов на выходах
· Частотомер
· Рисунок цоколевки микросхемы
Рис.6 Внешний вид интерфейса программы «Count. exe».
Рис. 7 Блок-схема соединений.
Элементы интерфейса программы связаны с клеммами блока коммутации. Блок-схема всего измерительного комплекса показана на рисунке 7. Соединительные колодки учебного макета жестко связаны с исследуемыми микросхемами. Обратите внимание, что каждой ножки схемы соответствует два гнезда колодки для возможности связи ножки с двумя точками схемы. Здесь же справа есть гнезда, имеющие напряжение +5 В (логическая единица) и 0 В или GND (логический ноль). Положение гнезд колодки соответствует положению ножек микросхемы и расположено в том же порядке (против часовой стрелки).
Соединение колодки с блоком коммутации осуществляется проводами в соответствие со схемой. Соединение общего провода (земли) учебного макета и блок коммутации - обязательно! Для оперативного контроля за уровнем потенциала той или иной точки схемы без помощи программы на макете есть индикатор желтого цвета с проводником-щупом. Зеленый индикатор служит для контроля над наличием питания макета.
Индикаторы выходов и 4-х лучевой осциллограф работают одновременно. Направление счета (сложение или вычитание) зависит от того, к какому входу микросхемы подключен генератор (С+ или С-), это соединение осуществляется вручную. На второй счетный вход должен быть подан высокий уровень с гнезда «+5» соединительной колодки макета.
Режим суммирования и вычитания без предустановки
1. Для соединения блока сопряжения с NI6221 и учебного макета соедините провода следующим образом:
Разъем блока сопряжения | Колодка макета | Колодка макета | Микросхема | |
1 | GROUND | GND | ||
2 | генератор OUT(2) | разъем «5» | C+ | |
3 | разъем «4» | разъем «+5 V» | C- | |
4 | цифровой Port 1 Line 0 | разъем «15» | D0 | |
5 | цифровой Port 1 Line 1 | разъем «1» | D1 | |
6 | цифровой Port 1 Line 2 | разъем «10» | D2 | |
7 | цифровой Port 1 Line 3 | разъем «9» | D3 | |
8 | цифровой Port 1 Line 4 | разъем «14» | Reset | |
9 | цифровой Port 1 Line 5 | разъем «11» | V | |
10 | аналоговый вход AI0 | разъем «3» | Q0 | |
11 | аналоговый вход AI1 | разъем «2» | Q1 | |
12 | аналоговый вход AI2 | разъем «6» | Q2 | |
13 | аналоговый вход AI3 | разъем «7» | Q3 | |
14 | частотомер Gate(12) | разъем «13» | B | |
15 | разъем «12» | P |
2. Включите блок питания в сеть, должен загореться зеленый индикатор (рис.5)
3. Запустите программу «K155ИЕ6.exe», написанную в среде Lab VIEW (рис. 6)
4. Сбросьте счетчик кнопкой «Сброс» на интерфейсе программы (рис. 6).
5. Выберите частоту и скважность импульсов. Включите генератор. Щуп тестера подсоедините к гнезду «5» колодки (напоминаем, что для гнезда колодки попарно соединены, см. рис.7). Желтый индикатор должен мигать в соответствии с выбранной частотой.
6. Наблюдайте состояние выходов по индикаторам Q0-Q3 и осциллограммам. Определите коэффициент пересчета счетчика К155ИЕ6.
7. Скопируйте осциллограмму, нажав правую клавишу мыши и выбрав пункт «copy data», в графический редактор и сохраните этот файл для отчета.
Рис. 8. Примерный вид осциллограмм.
8. Сделайте выводы о работе микросхемы в режиме сложения.
9. Переключите входы С+ и С - для исследования работы счетчика в режиме вычитания. Сохраните осциллограммы выходов при работе в этом режиме.
10. Выключите генератор. С помощью тестера (Рис. 5 поз. 7) посмотрите состояния входов «Reset» и «V», напоминаем, что свечение индикатора – высокий уровень напряжения. Нажмите клавишу «Сброс». Запишите уровни сигналов на ножках 14 и 11 в режиме сброса и счета, сравните с таблицей истинности. Сделайте выводы.
Режим суммирования и вычитания с предустановкой.
1. Выключите генератор соответствующим переключателем на его интерфейсе.
2. Сбросьте счетчик кнопкой «Сброс» на интерфейсе программы (рис. 6). Какое состояние выходов вы наблюдаете?
3. Запишите произвольное число в счетчик, т. е. измените состояния входов D0-D3, выбрав мышью круглые зеленые кнопки, и нажмите клавишу «Записать». Какое состояние выходов вы наблюдаете? Зафиксируйте осциллограммы и записанное число.
4. Определите тестером уровни сигналов на ножках 14 и 11 в режиме сброса и предустановки, запишите их. Сравните с таблицей истинности и сделайте выводы.
5. Включите генератор. Посмотрите работу микросхемы в режимах суммирования и вычитания с предустановкой с разными начальными состояниями счетчика.
6. Чем отличаются режимы работы с предустановкой и без предустановки? Выводы запишите в отчет.
Режим переполнение счетчика. Счетчик как делитель частоты
Во время счета импульсов счетчик может достигнуть максимального (при суммировании) или минимального (при вычитании) значения. При этом на выводах переноса B (ножка 13) и заема P (ножка 12) появляются сигналы переполнения. При этом сигнал на выводе переноса B из высокого уровня H переходит в низкое состояние L, т. е. мы здесь наблюдаем одиночный импульс с длительностью равной длительности входного сигнала. Посмотрите на таблицу истинности и рис. 4.
1. Включите генератор. Микросхема должна работать в режиме суммирования
2. С помощью внешеного 2-канального осциллографа посморите сигналы на тактовом входе и выводе переноса (5 и 13 на соединительной колодке). Что вы наблюдаете? Увеличьте или уменьшите частоту генерации, что изменилось? Если нет осциллографа, воспользуйтесь щупом тестера.
3. Т. к. наблюдать сигналы с частотами, отличающимися на порядок, то будем использовать соотвествующий прибор. Включите частотомер. Сравните частоты входного сигнала на тактовом входе C+ и сигналов на выходах Q0-Q3, и B, как они соотносятся? Можно ли использовать ИС как делитель частоты?
4. Сделайте выводы, напишите отчет.
Контрольные вопросы.
1. Что из себя предсталют счетчики? Их классификация и обозначение на схемах.
2. Микросхема К155ИЕ6. Параметры, схема, цоколевка.
3. Суммирования и вычитания без предустановки
4. Суммирования и вычитания с предустановкой
5. Переполнение счетчика. Счетчик как делитель частоты
6. Каскадное включение счетчиков
2009 доц. КФТТ
Приложение 1
Данный контроллер, относящийся к М-серии, инсталлируется в PCI слот материнской платы. Он имеет входы и выходы для аналоговых сигналов, цифровые входы-выходы (3 порта по 8 линий), а также генератор и таймеры-счетчики, выведенные на те же линии цифрового ввода-вывода.
Цифровой ввод/вывод
Число линий | 24 |
Число портов | 3 |
Разрядность портов | 8 бит |
Частота передачи данных | 0 – 1 МГц |
Размер буфера FIFO | 2.047 |
Высокий уровень входного сигнала | В |
Низкий уровень входного сигнала | В |
Выходной ток | 24 мА (0 порт), 16 мА (1,2 порт) |
Счетчики-Таймеры
Число счетчиков/таймеров | 2 |
Разрядность | 32 |
Внутренняя частота | 80, 20, 0.1 МГц |
Внешняя частота | МГц |
Генератор частоты
Число каналов | 1 |
Основная частота | 10 МГц, 100 кГц |
Делители | 1 - 16 |
