ОГБОУ СПО
«КОСТРОМСКОЙ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ ТЕХНИКУМ»
МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА
Дидактический материал для студентов
по предмету:
«Импульсная техника»
МОДУЛЬ: «Счетчики»
Разработал преподаватель специальных дисциплин по радиоэлектронике: ГОРОШКОВА С. Л.
Кострома, 2011г
Рассмотрено на заседании метод. комиссии
отделения радиоэлектроники
Протокол заседания № ___
от «___»______________ 2011 года.
Дидактический материал разработан для обучающихся, изучающих спецдисциплины по индивидуальному графику и сдающих зачеты по утвержденному метод. комиссией плану. Материал можно использовать и на урока теоретического обучения как самостоятельный вид работ в группах НПО и СПО.
Дидактический материал дает обобщенное и достаточно углубленное представление о состоянии современных цифровых радиоэлектронных устройств, в частности счетчиков.
При изучении сложного материала широко используются все методы обучения: объяснительно – иллюстративный, репродуктивный, частично – поисковый (эвристический), проблемное изложение и исследовательский метод.
Приведенный модуль предмета, имеет текстовый материал, поясняется и дополняется принципиальными схемами. Степень усвоения контролируется спецзаданиями по каждой теме урока и имеет несколько степеней сложности. Общий уровень усвоения материала тестируется итоговым письменным опросом по модулю курса (пример опроса приводится в приложении), который выдается отдельно, не входя в текст пособия, но помещен в представленном материале.
Содержание
Введение 4
1. Общая характеристика счетчиков 5
2. Асинхронные счетчики 7
3. Синхронные счетчики 9
4. Счетчики с параллельным переносом 10
5. Счетчики с последовательным переносом 11
6. Двоичные счетчики 12
7. Двоично-десятичные счетчики 13
8. Реверсивные счетчики 14
9. Заключение 16
Список используемой литературы 17
Приложение А…Схема электрическая принципиальная 18
Приложение Б…Схема электрическая принципиальная 18
Приложение В…Схема электрическая принципиальная 19
Приложение Г Схема электрическая принципиальная 19
Приложение Д Схема электрическая принципиальная 20
Приложение Е Схема электрическая принципиальная 21
Приложение Ж Схема электрическая принципиальная 22
Приложение З Тест по модулю «Счетчики» 23
3
Введение
Исходя из того, что диктует нам новый стандарт образования по профессии «Техническое обслуживание и ремонт радиоэлектронной техники», специалист - техник должен обладать профессиональными компетенциями, соответствующими основным видам профессиональной деятельности, в частности:
1. Настраивать и регулировать параметры устройств радиоэлектронной техники.
2. Анализировать электрические схемы изделий радиоэлектронной техники.
3. Анализировать причины брака и проводить мероприятия по их устранению.
Чтобы делать это качественно, необходимо не только знать материал по предмету, уметь его анализировать, но и иметь навыки работы с реальными сложными схемами устройств электронной техники. Передо мной, как преподавателем, стоит задача научить методике овладения знаниями по специальности. Современный уровень развития электронной техники подразумевает тщательный отбор информации, её адаптации под уровень восприятия обучаемых, разработки методики её преподавания. Проблема с которой мне приходится сталкиваться в последнее время - пропуски занятий учащимися. «Догонять» материал в одиночку по книге или конспекту не всегда эффективно - в учебнике сложно и много, в конспекте - слишком концентрировано и не всегда написано прилежно. Поэтому возникла идея совместить учебники и собственную методику преподавания на отдельном участке обучения предмету - модулю «Счетчики».
Материал содержит принципиальные схемы - от простых (базовый пример из учебника) до сложных – бытовых (для заданий в приложениях к методике). Приводиться принцип действия и временные диаграммы основных устройств. Каждая тема для закрепления материала имеет задания разного уровня сложности.
На основе изучения нового материала учащиеся формируют и закрепляют свои профессиональные навыки и умения. Проблемное изучение материала дает стимул самостоятельно добиваться результата.
Мне, как преподавателю - электронщику, приходится систематически пополнять и обновлять программный материал новейшими достижениями науки и техники с использованием отечественной и зарубежной технической литературы, интернет - источников. Поэтому предлагаемая разработка актуальна и эксклюзивна в плане глубины проработки тем, и способов получения конкретного результата на каждом уроке.
В качестве итога, и контроля эффективности обучения, приводится анализ зачетной работы по модулю предмета, проведенный в трех группах учащихся.
4
Общая характеристика счётчиков
Счётчик – устройство, осуществляющее операцию счёта единичных импульсов поступающих на их входы, а также осуществляющие формирование и запоминание двоичного кода соответствующему числу поступивших на вход импульсов.
Элементной базой счетчика являются триггерные схемы. Разрядность счётчика равна числу триггеров, каждый входной импульс изменяет состояние счётчика на единицу, которое сохраняется до поступления нового счетного сигнала.
Счётчик выполняет следующие микрооперации:
- предварительная установка исходного кода;
- инкремент или декремент единиц;
- выдача слов в параллельном коде.
Входные импульсы могут поступать на счётчик, как периодически, так и произвольно распределённые во времени. Применяются в различных цифровых управляющих и информационно измерительных системах.
Основное применение счётчиков в CPU:
- образование последовательности адресов (счётчик команд);
- подсчёт числа циклов при выполнении операции деления, умножения;
- получение сигнала в микрооперации и синхронизации, аналого-цифровые преобразования, построение электронных таймеров.
Классификация счетчиков:
1.По способу кодирования: - позиционные и непозиционные.
2.По модулю счёта:
- двоичные;
- десятичные;
- с произвольным постоянным или переменным модулем.
3.По направлению счёта:
- инкремент;
- декремент;
- реверс.
5
4.По способу организации межразрядных связей:- последовательные; - сквозные;
- параллельные; - комбинированные.
5.По способу используемых триггеров: - RS; - D; - JK.
В счётчиках используется 3 режима работы:
1. Управление - считывание информации производится после каждого входного импульса.
2. Накопление – подсчёт заданного числа импульса или в течение определённого времени.
3. Деление – уменьшение числа поступивших импульсов в k раз.
Условное графическое обозначение счетчиков:
Вопросы и задания:
1. В чем заключается основная функция счетчика?
2. Что называется разрядностью счетчика?
3. Чем обусловлена такая функция счетчика, как запоминание двоичного кода соответствующему числу поступивших на вход импульсов?
4. По какой причине в счетчиках практически не применяются Т-триггеры?
5. Можно ли предварительно программировать счетчики?
6. Определите по предлагаемой принципиальной схеме устройства номер микросхемы, выполняющей функцию счета импульсов (см. Приложение А).
6
Асинхронный счётчик
Счетчик, у которого под воздействием входного импульса переключение соответствующих разрядов происходит последовательно друг за другом, называют асинхронным.
Схема асинхронного счетчика приведена ниже.
Uвх
Уст.«0»
Опишите элементную базу этого счетчика. Какое количество разрядов он имеет? Каково максимально возможное число (код), которое может хранить эта схема?
Рассмотрите временные диаграммы асинхронного счетчика. Что собой представляют входные сигналы? На что реагирует Q - выход каждого разряда?
Временные диаграммы срабатываний асинхронного счетчика:
7
Максимально возможный код числа, который может быть зафиксирован при последовательном соединение триггеров:
N = 2n – 1, где n - количество триггеров схемы.
Выводы:
1. Частота импульсов на выходе каждого триггера вдвое меньше частоты импульсов на его входе, а n - разрядов счётчика делят частоту входных импульсов в 2 n раз. С наибольшей частотой переключается первый триггер.
2. В момент предшествующий переключению очередного разряда, все предыдущие разряды счетчика находятся в единичном состоянии.
3. Последовательное соединение триггеров приводит к ограниченному быстродействию схемы, т. к. сигналы переноса распространяются от разряда к разряду. Чем больше разрядов, тем дольше распространение сигнала.
Вопросы и задания:
1. Какой счетчик называют асинхронным (см. схему)?
2. На какой фронт сигнала срабатывает данная схема?
3. Если количество триггеров схемы а) равно 2;б) равно 3;в) равно 4, то
каков максимальный код счетчиков в каждом случае?
4. Проанализируйте, как изменится функция счетчика, если его работу можно будет описать следующей формулой: N = 2n ?
5. Можно ли на Ваш взгляд увеличивать разрядность асинхронного счетчика без ограничения? Поясните возникающую при этом проблему.
6. Определите по предлагаемой принципиальной схеме устройства номер микросхемы, выполняющей функцию счета импульсов (см. Приложение Б).
8
Синхронный счётчик
Синхронный счётчик – счетчик, у которого под воздействием входного импульса переключение соответствующих разрядов происходит одновременно.
Вх. Т
На вход C всех триггеров счётные импульсы поступают одновременно со входа T. Информационные входы J и K каждого триггера объединены. Первый триггер переключается каждым счётным импульсом, т. к. на его входы J и K всегда подаётся «1».
Остальные триггеры переключаются при следующих условиях:
Т2 при Q1 = 1;
Т3 при Q2 = 1, Q1 = 1;
Т4 при Q3 = 1, Q2 = 1, Q1 = 1.
Эти условия выполняются, если на входы J и K триггеров подавать конъюнкцию сигналов с основных выходов предыдущих триггеров.
Недостатки схемы:
- увеличение времени срабатывания;
- дополнительная задержка в переключениях;
- технологические усложнения (увеличивается площадь кристалла);
- возрастает мощность потребления.
Вопросы и задания:
1. Какой счетчик называют синхронным?
2. Как усложнилась схема? Какие элементы в ней появились?
3. Каков максимальный код этой схемы? Докажите утверждение.
4. Чем обусловлено ограниченное быстродействие этой схемы? Поясните вывод.
5. Зачем подавать на входы J и K триггеров схемы сигналы «1»?
6. Определите по предлагаемой принципиальной схеме устройства номер микросхемы, выполняющей функцию счета импульсов (см. Приложение В).
9
Счётчик с параллельным переносом
Разрядность таких счетчиков не превышает обычно четырёх, из-за ограниченной способности триггера при переключениях. Для увеличения разрядности строят групповые счётчики (в четырёх разрядах организован параллельный перенос).
В счётчиках этого типа счётные импульсы поступают на входы триггеров одновременно во всех разрядах. Параллельные счётчики строят на базе RS, JK, и D триггеров синхронизируемых фронтом. Если счётчик построен на RS триггерах, то он будет иметь большое число связей между разрядами, чем при использовании JK триггеров. При использовании D триггера в разряды счётчика включают дополнительные логические элементы (увеличивается площадь кристалла, мощность, снижается рабочая частота), поэтому параллельные счётчики строят на JK триггерах.
Рассмотрим принципиальную схему счетчика с параллельным переносом. Какова его элементная база? Какую особенность можно увидеть на этой схеме?
Схема счетчика с параллельным переносом
Работа счётчика основана на следующей закономерности двоичных чисел:
если к какому-то числу прибавляется «1», то данное сложение эквивалентно замене исходного числа таким, у которого по сравнению с исходным первый «0» заменяется на единицу, а предшествующая ему «1» заменяется на «0».
Примеры: 0
+1 +1
01
10
Вопросы и задания:
1. Можно ли считать эту схему синхронной?
2. Каков максимальный код такого счетчика? Докажите это формулой.
3. Что можно сказать о быстродействии этой схемы?
4. Можно ли использовать эту схему для случая 1111+1? Почему?
5. На какой вход подаются импульсы счета?
6. Определите по предлагаемой принципиальной схеме устройства номер микросхемы, выполняющей функцию счета импульсов (см. Приложение Г).
Счетчик с последовательным переносом
Исходя из схемы устройства, что можно сказать о переключениях счетчика? Схему какого счетчика он напоминает? Можно ли считать эту схему быстродействующей? Почему?
Uвх
Уст.«0»
Практическое задание-исследование:
1. Зарисуйте временные диаграммы этого счетчика, при условии срабатываний всех разрядов по заднему фронту импульса.
2. Пронумеруйте каждый поступивший на счетчик входной импульс (для исследования необходимо18-20 импульсов).
3. Под каждым входным импульсом проставьте получаемый им двоичный код (см. срез диаграммы для каждого импульса).
4. На какой счетный импульс в счетчике будет максимальный код?
5. На какой счетный импульс счетчик обнулится?
6. Сделать выводы по работе. 11
Двоичные счётчики
Двоичный счетчик – это операционный элемент, позволяющий обеспечить хранение двоичного слова и его преобразование, путем подачи на вход единичных сигналов, меняющих содержимое счетчика на определенное число единиц.
Говорят, что счет осуществляется «по модулю», в направлении, определяемом режимом работы счетчика.
Двоичный счетчик представляет собой последовательность триггеров, каждый из которых соответствует одному разряду двоичного числа.
Рассмотрим таблицу переключения для двоичных счётчиков. Чтобы её составить возьмём счётчик на 3 разряда. В таблице представлена зависимость между числом входных сигналов Xсч, поступивших на вход двоичного разряда и значениями его выходов:
Таблица переключений счетчика
Xсч. + | Q3 | Q2 | Q1 |
0 | 0 | 0 | 0 |
1 | 0 | 0 | 1 |
2 | 0 | 1 | 0 |
3 | 0 | 1 | 1 |
4 | 1 | 0 | 0 |
5 | 1 | 0 | 1 |
6 | 1 | 1 | 0 |
7 | 1 | 1 | 1 |
Практическое задание-исследование:
1. Зарисуйте временные диаграммы счетчика, состоящего из трех разрядов при условии срабатываний всех разрядов по заднему фронту импульса.
2. Пронумеруйте каждый поступивший на счетчик входной импульс (для исследования достаточно 8-10 шт).
3. Под каждым входным импульсом проставьте получаемый им двоичный код (см. срез диаграммы для каждого импульса).
4. Заполните таблицу переключений такого счетчика.
5. Сделайте вывод: счетчик складывает (на сложение) или вычитает (на вычитание) поступающие импульсы.
6. Повторите все пункты предыдущего задания, но при условии, что теперь срабатывать счетчик, т. е. все его разряды, будет на передний фрон поступающих импульсов.
7. Определите по предлагаемой принципиальной схеме устройства номер микросхемы, выполняющей функцию счета импульсов (см. Приложение Д)
12
Двоично-десятичный счётчик
Рассмотрим схему асинхронного двоично-десятичного счетчика на JK триггерах
Для счётчика натуральных десятичных чисел (0 до 9) необходимо иметь четыре триггера. Схемная логика отличается тем, что сброс в «0» происходит на каждом десятом входном сигнале.
Xсч. + | Q3 | Q2 | Q1 | Q0 |
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 | 0 | 0 | 0 | 0 |
При поступлении десятого входного импульса необходимо обеспечить блокировку переключения второго разряда. В схеме это осуществляется с помощью линии обратной связи, соединяющей выход «не Q4» с входом J второго разряда. Переключение последнего разряда возможно лишь в том случае, когда все предыдущие триггеры установлены в «1» состояние. Это обеспечивается логикой «и» на входах J четвертого разряда.
Вопросы и задания:
1. На какой счетный импульс в счетчике будет максимальный код?
2. На какой счетный импульс счетчик обнулится?
3. Можно ли считать эту схему синхронной? Обоснуйте ответ.
4. Определите по предлагаемой принципиальной схеме устройства номер микросхемы, выполняющей функцию счета импульсов (см. Приложение Е).
13
Реверсивный счётчик
Реверсивный счётчик – счётчик, позволяющий изменять направление счёта, т. е. осуществлять прямой и/ или обратный счёт.
Прямой счёт обеспечивает сложение числа, поступивших единичных сигналов с числом, ранее записанном в счётчике.
Обратный счёт осуществляет вычитание числа, поступивших на вход единичных импульсов, из числа записанного ранее.
Пусть счетчик запрограммирован на исходное число «101». При поступлении счетных импульсов он работает на вычитание. Тогда проследим состояния всех разрядов устройства во времени (см. диаграммы).
Счетчик дополнен линией «Р» приема информации.
При наличии сигналов разрешения на входах «Суммирование» и «Разрешение счета» схема работает как счетчик с последовательным переносом.
Если разрешение имеется на входе «Вычитание» сигнал переноса с прямых выходов предыдущих триггеров фактически заменяется сигналами заёма с инверсных выходов. Занесение начальной информации в счетчик осуществляется за пределами операции «Счет». При занесении данных в счетчик необходимо на входы J и K подать «0».
14
Временные диаграммы срабатываний реверсивного счетчика:
Найдем особенности построения диаграмм, ответив на вопросы:
Практическое задание-исследование
1. Что обозначает диаграмма №4 (Выч)
2. Что производят сначала - программирование или подают счетные импульсы?
3. Как срабатывают триггеры при поступлении счетных импульсов?
4. Найдите две характерные особенности этого счётчика.
5. Зарисуйте временные диаграммы срабатываний счетчиков:
· От числа 001 на вычитание;
· От числа 100 на сложение;
· От числа 011 на сложение.
6. Сформулируйте общие правила работы таких счетчиков.
15
Заключение
Сравнительная характеристика усвоения материала раздела за уч. г.
Оценка/Группа | 20ЭТ (СПО) | 21ЭТ (СПО) | 22ЭТ (СПО) | 23ЭТ (СПО) | 4-26Р (НПО) | 4-22НТО (НПО) |
«Удовл» | 6-43% | 6-40% | 4-40% | 3-37,5% | 5-45% | 8-50% |
«Хор» | 7-50% | 8-53,3% | 3-30% | 3-37,5% | 6-55% | 8-50% |
«Отл» | 1-7% | 1-6,7% | 3-30% | 2-25% | - | - |
Общ. кол., чел | 14 | 15 | 10 | 8 | 11 | 16 |
Средний балл | 3,7 | 3,7 | 3,9 | 3,9 | 3,5 | 3,5 |
Гр. 20ЭТ, 21ЭТ, 22ЭТ, 23ЭТ - техники-электроники СПО
Гр. 4-26Р,4-22НТО - база НПО.
Анализ показывает:
Уровень усвоения материала - выше среднего у групп СПО. Средний балл имеют учащиеся группы НПО.
Для лиц, обучающихся по индивидуальному графику результаты тестирования в основном - средние. Большой плюс выявлен при появлении данной разработки и использовании её при самостоятельной подготовке по модулю - все справляются с тестированием (имеют положительную отметку) при однократной попытке сдачи зачёта. Дидактический материал опробирован на гр 22ЭТ и 23ЭТ. Результат - увеличение «отличных» отметок на 20%.
16
Список литературы
1. . Импульсная техника - М.: Радио и связь.,2008.-321с
2. ГОСТ 2.710-8. Обозначения буквенно – цифровые в электрических схемах. - М.: Изд-во стандартов, 1981.
3. ГОСТ 2.730-73. Графические символы общего применения. - М.: Изд-во стандартов, 1973.
4. ГОСТ 2.105-95. Общие требования к текстовым документам. - М.: Изд-во стандартов, 1996.-37с.
5. . Импульсные устройства.- М.: Радио и связь, 19с.
6. Яцына техника и логические элементы ЭКВМ. - М.: Радио и связь, с.
7. Журналы «Радио», г, №1-№12
8. Брошюры «Электронные устройства для радиолюбителей», г. г.
17
Приложение А
«Схема управления освещением»
Приложение Б
«ГПД для трансивера»
18
Приложение В
«Охранная система»
Приложение Г
«Стабилизатор напряжения»
19
Приложение Д
«Источник УФ-излучения»
20
Приложение Е
«Определитель выводов транзисторов»
21
Приложение Ж
«Стабилизатор напряжения»
22
Приложение З
Тест по модулю «Счётчики»
(Выдается только на консультации)
1 вариант | 2 вариант |
1. Что «считается» счётчик а) единичные импульсы б) любое число, поступившее на его вход в) выходные импульсы 2. Элементная база счетчика – это: а) транзисторы б) регистры в) триггеры. 3. Если на входе счётчика число 101, то на его а) 101 б) 010 в) 111. 4. Сколько должен содержать триггеров счётчик для числа 10100: а) 2 б) 5 в) 3. 5. Если счётчик срабатывает по заднему фронту импульсов, то он а) на сложение б) на вычитание в) на деление. 6. Если счётчик а) на третий б) на восьмой в) на четвёртой. 7. Какой счётчик наиболее быстродействующий: а) синхронный б) асинхронный. 8. При использовании какого триггера в счётчиках с параллельным переносом требуется дополнительные логические элементы а) JK б) RS в) D г) T. 9. Какая система счисления не используется при построении счётчиков а) десятичная б) двоично-десятичная в) шестнадцатеричная. 10. Почему при построении счётчиков применяют двухступенчатые триггера? а) для увеличения разрядности счётчика б) для увеличения устойчивости счётчика в) для увеличения быстродействия. | 1. Вычитающий счётчик осуществляет: а) прямой счёт б) обратный счёт в) и прямой и обратный 2. Асинхронный счётчик осуществляет перенос: а) параллельный б) частично-групповой в) последовательный. 3. Если на входе счётчика число 001, то на его а) 110 б) 111 в) 000. 4. Сколько разрядное число можно записать в счётчик из шести триггеров: а) двух б) двенадцати в) шести. 5. Если счётчик срабатывает по переднему фронту импульсов, то он: а) на сложение б) на вычитание в) на умножение. 6. Если счётчик а) на четвёртый б) на восьмой в) на шестнадцатый. 7. Какой счётчик наиболее быстродействующий: а) с параллельным переносом б) с последовательным переносом. 8. Какой триггер не используется при построении счётчиков: а) RS б) T в) D г) JK. 9. При счёте «по модулю» какая система счисления используется: а) двоичная б) двоично-десятичная в) шестнадцатеричная. 10. По каким входам программируют реверсивные счётчики? а) по входу R б) по входу S в) по входу C г) по входу J и K. |
:
разрядный, то на какой импульс он обнулится?
разрядный, то на какой импульс он обнулиться?23
