2.4. Лабораторна робота №4 “Вивчення роботи мікросхем лічильників та мультиплексорів”

Мета роботи - Закріпити на практиці знання про роботу лічильників та мультиплексорів в електронних схемах.

Прилади та матеріали

До складу лабораторної установки входить: лабораторна установка “лічильник-мультплексор”, персональний комп”ютер, програма “генератор”.

Короткі теоретичні відомості і методичні вказівки

Як випливає з самої назви, лічильники призначені для підрахунку числа вхідних імпульсів. Тобто з приходом кожного нового вхідного імпульсу двійковий код на виході лічильника збільшується (або зменшується) на одиницю (рисунок 4.1). Спрацьовувати лічильник може по негативному фронту вхідного (тактового) сигналу (як на малюнку) або по позитивному фронту вхідного сигналу. Режим підрахунку забезпечується використовуванням внутрішніх трігерів, що працюють в рахунковому режимі. Виходи лічильника є якраз виходами цих трігерів. Кожний вихід лічильника є розрядом двійкового коду, причому розряд, що змінюється частіше за інші (по кожному вхідному імпульсу), буде молодшим, а розряд, що змінюється рідше за інші — старшим.

Лічильники представляють більш високий рівень складності цифрових мікросхем, ніж регістри, що мають внутрішню пам'ять. Хоча в основі будь-якого лічильника лежать ті ж самі трігери, які утворюють і регістри, але в лічильниках трігери сполучені складнішими зв'язками, внаслідок чого їх функції складніші, і на їх основі можна будувати складніші пристрої, ніж на регістрах. Так само, як і у разі регістрів, внутрішня пам'ять лічильників — оперативна, тобто її вміст зберігається тільки до тих пір, поки включено живлення схеми. З виключенням живлення пам'ять стирається, а при новому включенні живлення схеми вміст пам'яті буде довільним, випадковим, залежним тільки від конкретної мікросхеми, тобто вихідні сигнали лічильників будуть довільними.

Рисунок 4.1. Робота 4-розрядного двійкового лічильника.

Лічильник може працювати на збільшення вихідного коду по кожному вхідному імпульсу, це основний режим, що є у всіх лічильниках, він називається режимом прямого підрахунку. Лічильник може також працювати на зменшення вихідного коду по кожному вхідному імпульсу, це режим зворотного або інверсного підрахунку, передбачений в лічильниках, що звуться реверсивними. Інверсний рахунок буває досить зручний в схемах, де необхідно порахувати задану кількість вхідних імпульсів.

Більшість лічильників працює в звичайному двійковому коді, тобто рахує від 0 до (2^N — 1), де N — число розрядів вихідного коду лічильника. Наприклад, 4-розрядний лічильник в режимі прямого підрахунку рахуватиме від 0 (код 0000) до 15 (код 1111), а 8-розрядний — від 0 (код 0000 0000) до 255 (код 1111 1111). Після максимального значення коду лічильник по наступному вхідному імпульсу змінюється знову на 0, тобто працює по колу. Якщо ж рахунок інверсний, то лічильник рахує до нуля, а далі переходить до максимального коду 111... 1.

Є також двійково-десяткові лічильники, кінцевий код на виході яких не перевищує максимального двійково-десяткового числа, можливого при даній кількості розрядів. Наприклад, 4-розрядний двійково-десятковий лічильник в режимі прямого підрахунку буде рахувати від 0 (код 0000) до 9 (код 1001), а потім знову від 0 до 9. А 8-розрядний двійково-десятковий лічильник буде рахувати від 0 (код 0000 0000) до 99 (код 1001 1001). При інверсному підрахунку двійково-десяткові лічильники рахують до нуля, а з наступним вхідним імпульсом переходять до максимально можливого двійково-десяткового числа (тобто 9 для 4-розрядного лічильника, 99 для 8-розрядного лічильника). Двійково-десяткові лічильники зручні, наприклад, при організації десяткової індикації їх вихідного коду. Застосовуються вони набагато рідше за звичайні двійкові лічильники.

По швидкодії всі лічильники діляться на три великі групи:

• асинхронні (або послідовні) лічильники;

• синхронні лічильники з асинхронним перенесенням (або паралельні лічильники з послідовним перенесенням);

• синхронні (або паралельні) лічильники.

Рисунок 4.2. Тимчасова діаграма роботи 4-розрядного асинхронного лічильника.

Асинхронні лічильники будуються з простого ланцюжка JK-трігерів, кожний з яких працює в рахунковому режимі. Вихідний сигнал кожного трігера служить вхідним сигналом для наступного трігера. Тому всі розряди (виходи) асинхронного лічильника перемикаються послідовно (звідси назва — послідовні лічильники), один за іншим, починаючи з молодшого і кінчаючи старшим. Кожний наступний розряд перемикається із затримкою щодо попереднього (рисунок 4.2), тобто, не одночасно з вхідним сигналом і з іншими розрядами.

Чим більше розрядів має лічильник, тим більший час йому потрібен на повне перемикання всіх розрядів.

У складі стандартних серій цифрових мікросхем асинхронних лічильників є небагато. Як приклад на рисунку 4.3. приведені три з них: чотирьохрозрядний двійково-десятковий лічильник ИЕ2, чотирьохрозрядний двійковий лічильник ИЕ5 і восьмирозрядний двійковий лічильник ИЕ19 (він є двійковиий чотирьохрозрядний лічильник).

Рисунок 4.3. Асинхронні лічильники стандартних серій.

Управління роботою всіх цих лічильників дуже просте: є лише входи скидання на нуль або входи установки в 9 (тільки в ИЕ2). Всі асинхронні лічильники працюють по нижньому фронту вхідного сигналу С. У всіх трьох лічильників виділено дві незалежні частини, що збільшує сферу їх використання. При об'єднанні цих двох частин виходить лічильник максимальної розрядності. Виходи лічильників позначають на схемах 0, 1, 2, 3 ... (як номери розрядів вихідного двійкового коду) або 1, 2, 4, 8 ... (як вага кожного розряду двійкового коду).

Лічильник ИЕ5 має дві частини: один трігер (однорозрядний лічильник) з входом С1 і виходом 1 і три трігери (трьохрозрядний лічильник) з входом С2 і виходами 2, 4, 8. Обидва лічильники двійкові, тобто перший рахує до двох, а другий — до 8. При об'єднанні входу С2 з виходом 1 виходить 4-розрядний двійковий лічильник, що рахує до 16. Рахунок проводиться по негативному фронту вхідних сигналів С1 і С2. Передбачена можливість скидання лічильника на нуль по сигналах R1 і R2, з'єднаних по функції І.

Таблиця істинності лічильника ИЕ5 при з'єднанні входу С2 і входу 1 (при 4-розрядному вихідному коді) приведена нижче (таблиця 4.1.).

Таблиця 4.1. Таблиця істинності лічильника ИЕ5

Входи			Виходи
Cl	Rl	R2	8	4	2	1
X	1	1	0	0	0	0
1->0	0	X	Рахунок
1->0	X	0	Рахунок

Синхронні (або паралельні) лічильники є самим швидкодійним різновидом лічильників. Нарощування їх розрядності при дотриманні певних умов не приводить до збільшення повної затримки спрацьовування. Тобто можна вважати, що саме синхронні лічильники працюють як ідеальні лічильники, всі розряди яких спрацьовують одночасно, паралельно. Затримка спрацьовування лічильника в цьому випадку приблизно рівна затримці спрацьовування одного трігера. Досягається така швидкодія істотним ускладненням внутрішньої структури мікросхеми.

Разом з тим недоліком синхронних лічильників є складніше управління їх роботою в порівнянні з асинхронними лічильниками і з синхронними лічильниками з асинхронним перенесенням. Тому синхронні лічильники доцільно застосовувати тільки в тих випадках, коли дійсно потрібна дуже висока швидкодія, дуже висока швидкість перемикання розрядів. Інакше ускладнення схеми управління може не бути виправдано.

Рисунок 4.4. Тимчасова діаграма роботи синхронних двійкових лічильників.

Тимчасова діаграма роботи синхронного лічильника (рисунок 4.4.) відрізняється від тимчасової діаграми синхронного лічильника з асинхронним перенесенням способом формування сигналу перенесення, що використовується при каскадувнні лічильників для збільшення розрядності. Сигнал перенесення CR виробляється в даному випадку тоді, коли всі виходи лічильника встановлюються в одиницю (при прямому рахунку) або в нуль (при зворотному, інверсному рахунку). Вхідний тактовий сигнал в утворенні сигналу перенесення при цьому участь не бере.

Рисунок 4.5. Синхронні лічильники стандартних серій.

У стандартні серії мікросхем входять декілька різновидів синхронних (паралельних) лічильників (рисунок 4.5). Розрізняються вони способом рахунку (двійкові або двійково-десяткові, реверсивні або не реверсивні), керуючими сигналами (наявністю або відсутністю сигналу скидання). Всі лічильники рахують по позитивному фронту тактового сигналу, всі мають вихід перенесення CR і входи розширення для того, щоб здійснити каскадування. Всі лічильники мають можливість паралельного запису інформації.

Лічильники ИЕ9 і ИЕ10 відрізняються один від одного тільки тим, що ИЕ9 — двійково-десятковий, а ИЕ10 — двійковий. Мікросхеми мають вхід асинхронного скидання -R, по нульовому рівню на якому всі виходи лічильника скидаються на нуль. Рахунок (тільки прямою) проводиться по позитивному фронту на тактовому вході С. Паралельний запис здійснюється синхронно, по позитивному фронту на тактовому вході С при встановленому на нуль сигналі дозволу запису -EWR. Сигнали ЕСR (Enable Carry — дозвіл перенесення) і ЕСТ (Enable Count — дозвіл рахунку) використовуються при каскадуванні мікросхем. Різниця між цими сигналами в тому, що сигнал ЕСR не тільки забороняє рахунок, як сигнал ЕСТ, але ще і забороняє вироблення сигналу перенесення CR. Рахунок йде при одиничних сигналах на обох входах ЕСТ і ЕСТ і при одиничному сигналі на вході -EWR. Позитивний сигнал перенесення CR виробляється при максимально можливому коді на виходах лічильника (15 для ИЕ10 і 9 для ИЕ9) і при позитивному сигналі на вході ЕСR. Режими роботи лічильників ИЕ9 і ИЕ10 представлені в таблиці 4.2.

Таблиця 4.2. Режими роботи лічильників ИЕ9 і ИЕ10

Входи					Режим
-R	-EWR	ЕСR	ЕСТ	С
0	X	X	X	X	Скидання
1	0	X	X	0— >1	Паралельний запис
1	1	0	X	X	Зберігання
1	1	X	0	X	Зберігання
1	1	1	1	0— >1	Прямий рахунок

Мультиплексори (англійське Multiplexer) призначені для почергової передачі на один вихід одного з декількох вхідних сигналів, тобто для їх мультиплексування. Кількість мультиплексованих входів називається кількістю каналів мультиплексора, а кількість виходів називається числом розрядів мультиплексора. Наприклад, 2-канальний 4-розрядний мультиплексор має 4 виходи, на кожний з яких може передаватися один з двох вхідних сигналів. А 4-канальний 2-розрядний мультиплексор має 2 виходи, на кожний з яких може передаватися один з чотирьох вхідних сигналів. Число каналів мультиплексорів, що входять в стандартні серії, складає від 2 до 16, а число розрядів - від 1 до 4, причому чим більше каналів має мультиплексор, тим менше у нього розрядів.

Управління роботою мультиплексора (вибір номера каналу) здійснюється за допомогою вхідного коду адреси. Наприклад, для 4-канального мультиплексора необхідний 2-розрядний управляючий (адресний) код, а для 16-канального – 4-розрядний код. Розряди коду позначаються 1, 2, 4, 8 або А0, Al, A2, A3. Мультиплексори бувають з виходом 2С і з виходом ЗС. Виходи мультиплексорів бувають прямими і інверсними. Вихід ЗС дозволяє об'єднувати виходи мультиплексорів з виходами інших мікросхем, а також одержувати двонаправлені і мультиплексовані лінії. Деякі мікросхеми мультиплексорів мають вхід дозволу/заборони С (інше позначення - S), який при забороні встановлює на прямому виході нульовий рівень.

Рисунок 4.6. Приклади мікросхем мультиплексорів.

На рисунку 4.6. показано для прикладу декілька мікросхем мультиплексорів з складу стандартних серій. У вітчизняних серіях мультиплексори мають код типу мікросхеми КП. На схемах мікросхеми мультиплексорів позначаються буквами MS.

Нижче як приклад приведена таблиця істинності однорозрядного 8-канального мультиплексора з виходами ЗС (КП15) (таблиця. 4.3).

В таблиці сигнали на входах 0...7 позначені D0...D7, Q - прямий вихід, -Q - інверсний вихід, Z - третій стан виходу. При одиниці на вході -EZ обидва виходи знаходяться в третьому стані. При нулі на вході -EZ вихідний сигнал на прямому виході повторює стан вхідного сигналу, номер якого задається вхідним кодом на входах 1, 2, 4. Сигнал на інверсному виході протилежний по полярності сигналу на прямому виході.

Таблиця 4.3 Таблиця істинності 8-канального мультиплексора

Входи				Виходи
4 2 1 -EZ				Q -Q
X	X	X	1	Z	Z
0	0	0	0	DO	-DO
0	0	1	0	D1	-Dl
0	1	0	0	D2	-D2
0	1	1	0	D3	-D3
1	0	0	0	D4	-D4
1	0	1	0	D5	-D5
1	1	0	0	D6	-D6
1	1	1	0	D7	-D7

На рисунку 4.7. приведена тимчасова діаграма роботи 4-канального мультиплексора. Залежно від вхідного коду на вихід передається один з чотирьох вхідних сигналів. При забороні роботи на виході встановлюється нульовий сигнал незалежно від вхідних сигналів.

Рисунок 4.7. Тимчасова діаграма роботи 4-канального мультиплексора з дозволом.

Структурна схема лабораторної установки показана на рисунку 4.8.

Рисунок 4.8 Структурна схема лабораторної установки

Г – генератор імпульсів

ДЧ – дільник частоти

БІ – блок індикації

МП – мультиплексор

НП – набір перемикачів

Генератор формує імпульси прямокутної форми з частотою, виставленою з допомогою ручки резистора змінного опору.

Дільник частоти отримує дані імпульси на інформаційний вхід і на ч виходах з’являються імпульси, з частотою зменшеною відповідно у 2, 4, 8, 16, 32, 64, 126 та 256 разів меншою ніж така частота на вході . Ці виходи з’єднані з 8-ми входами мікросхеми мультиплексора.

Блок індикації являє собою дев’ять світлодіодів, один з яких розташований на виході мультиплексора , а решта - на входах. Даний блок відображає частоту цифрових імпульсів які подаються на входи мікросхеми мультиплексора, а також частоту імпульсів на його виході.

Мультиплексор – в даній лабораторній установці використовується мікросхема К555КП15 з 8-ма інформаційними і 3-ма управляючими входами. Один з входів комутується на вихід. Мультиплексований вхід визначається з допомогою трьохрозрядного двійкового коду, що поступає на управляючі входи .

Блок набору перемикачів являє собою три перемикачі на два положення : нижнє положення – відповідає логічному “нулю”, верхнє положення – логічній “одиниці”. З допомогою набору перемикачів подається двійковий код на три управляючі входи мікросхеми мультиплексора.

Хід роботи

ПІДГОТОВКА ДО РОБОТИ

Вивчити принцип роботи, параметри, характеристики, схеми включення і можливості застосування інтегральних мікросхем (IMC) лічильників, мультиплексорів. Вивчити таблиці відповідності для логічних елементів. Вивчити роботу світлодіодів.

Виписати в звіт таблиці істинності мікросхем 555ИЕ5, та К555КП15.

Замалювати у звіт внутрішню структуру лічильника вказаного в попередньому пункті.

ПРОВЕДЕННЯ ДОСЛІДЖЕНЬ

1. Під”єднати лабораторну установку до персонального комп”ютера.

2. Ввімкнути живленя ПК.

3. Завантажити ПК.

4. Запустити на виконання програму “генератор”.

5. За допомогою повзунка «Швидкість виводу» виставити мінімальну частоту генерації.

6. На вхід першого (верхнього по схемі) лічильника подати 16 імпульсів. Порахувати скільки імпульсів буде на всіх виходах лічильника. Дані занести в таблицю 4.4.

7. Повторити п.6 ще два рази. Дані теж занести в таблицю 4.4

8. Порахувати середні значення. Дані звірити з таблицею істинності лічильника.

9. На керуючі входи мультиплексора за допомогою тумблерів подати почергово коди згідно таблиці 4.5.

10. Заповнити таблицю 4.5.

11. Зробити висновки по роботі.

таблиця 4.4 Бланк для запису результатів експерименту

№	на вході 16 імпульсів	на першому виході	на другому виході	на третьому виході	на четвертому виході	середнє значення
1
2
3

таблиця 4.5 Бланк для запису результатів експерименту

№	на вході код	на виході повторюється частота з входу №
1	.000
2	.001
3	.010
4	.011
5	.100
6	.101
7	.110
8	.111

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

1. Що таке лічильник?.

2. Які є типи лічильників? Чим вони різняться?

3. Що таке мультиплексор? Як він працює?

4. Скільки входів має мультиплексор в якого три керуючі входи?

5. Що таке канал мультиплексора?