LABORATORIUM
PODSTAWY
ELEKTRONIKI
LICZNIKI
Liczniki scalone serii 749x
Zapoznanie się z budową i zasadą działania liczników synchronicznych i asynchronicznych. Poznanie liczników dodających tj. zliczających w przód, jak równieŜ
liczników odejmujących tj. zliczających w tył. Program tego ćwiczenia jest zrealizowany na praktycznych układach liczników stosowanych powszechnie.
Przebieg ćwiczenia.
1. Zapoznanie się z zasadą działania liczników występujących na danym stanowisku laboratoryjnym, korzystając z instrukcji
2. Ustalić odpowiedni poziom napięcia wejściowego oraz jego częstotliwość do prawidłowej obserwacji sygnału wyjściowego
3. Przeprowadzić analizę stanów wyjściowych dla kaŜdego licznika
4. Zaprojektować i wykonać licznik modulo 2, oraz modulo 4. Przeprowadzić analizę stanów wyjściowych dla kaŜdego licznika
5. Wyniki ćwiczenia zamieścić w sprawozdaniu
2
Wiadomości podstawowe.
Licznik jest to układ cyfrowy sekwencyjny, słuŜący do zliczania i pamiętania liczby impulsów podawanych na jego wejście zliczające.
Liczniki dodające (zliczające w przód, zliczające w górę) po kaŜdym impulsie wejściowym zwiększają liczbę pamiętaną w liczniku o jeden. Natomiast liczniki odejmujące (zliczające w tył, zliczające w dół) zmniejszają o jeden zawartość licznika. W przypadku konieczności dodawania i odejmowania impulsów w jednym liczniku, są uŜywane tzw. liczniki rewersyjne (dwukierunkowe).
Podstawowym elementem liczników jest przerzutnik synchroniczny. Przykład uŜycia przerzutnika w funkcji licznika modulo 2 (dwójki liczącej) ilustruje poniŜsza aplikacja.
1
J
Q
C
C
Q
K
Q
0 1 0 1
Łatwo zauwaŜyć, Ŝe układ z dwóch dwójek liczących zlicza impulsy wejściowe w trybie mod4.
1
1
C
J
Q
J
Q
Qa
C
C
Qb
K
Q
K
Q
0 1 0 1 0 1 0 1 0
0 0 1 1 0 0 1 1 0
Dziesiętnie
0 1 2 3 0 1 2 3 0
Liczniki są budowane w ten sposób, Ŝe wyjście przerzutnika Q jest jednocześnie wyjściem licznika. Liczba wyjść licznika jest równa liczbie przerzutników i określona mianem długości licznika.
Określona kombinacja stanów przerzutników, z których zbudowano licznik jest nazywana stanem licznika. JeŜeli licznik zbudowano z n przerzutników, to maksymalna liczba stanów n
licznika wynosi
= n
N
2 . Rzeczywista liczba stanów licznika musi spełniać nierówność
N
≤
2 .
max
Liczba N nazywana jest pojemnością licznika.
3
JeŜeli licznik przechodzi cyklicznie przez wszystkie stany (tzn. po przejściu N stanów cykl jest powtarzany) to licznik taki nazywamy licznikiem modulo N.
Po podaniu na jego wejście zliczające K impulsów, licznik taki wskaŜe zliczenie L impulsów, gdzie L = K mod N jest resztą z dzielenia całkowitego liczby K przez N.
JeŜeli licznik przechodzi przez wszystkie stany jednokrotnie ( i po osiągnięciu ostatniego pozostaje w nim), to taki licznik nazywany jest licznikiem „do N”.
Liczniki są szczególnym rodzajem układów sekwencyjnych synchronicznych. Przebieg zegarowy jest tutaj sygnałem wejściowym licznika, a zliczane impulsy są impulsami przebiegu synchronizującego prace przerzutników.
Liczniki budowane w taki sposób, Ŝe wyjście przerzutnika jest źródłem sygnału zegarowego (wejściowego) dla kolejnego przerzutnika nazywane są licznikami szeregowymi lub asynchronicznymi. Przy takim połączeniu, zmianę stanów przerzutnika następnego powoduje przerzutnik poprzedni. Zliczane impulsy są podawane tylko do jednego przerzutnika.
Liczniki scalone są budowane zarówno jako szeregowe lub równoległe (synchroniczne).
W liczniku równoległym sygnał zegarowy (będący dla licznika zawsze przebiegiem impulsów zliczanych ) jest doprowadzony jednocześnie do wejść synchronizujących wszystkich przerzutników. Pojawienie się kolejnego impulsu zliczanego sprawia, Ŝe wszystkie przerzutniki jednocześnie przetwarzają informację wejściową i czas ustalania się kolejnego stanu licznika wyznacza przerzutnik o najdłuŜszym czasie propagacji.
W wielu licznikach scalonych część przerzutników pracuje synchronicznie a część asynchronicznie. Nazywane są one licznikami licznikami asynchroniczno - synchronicznymi.
Najczęściej stosowane są liczniki zliczające mod 10 (dekady) i mod 16 (licznik dwójkowy- binarny).
Aby rozszerzyć pojemność licznika moŜemy połączyć go z innymi licznikami bądź
przerzutnikami. Łączenie to moŜemy przeprowadzić równolegle lub szeregowo.
Przy połączeniu szeregowym sygnał zliczany jest doprowadzany do pierwszego licznika, a wyjście pierwszego licznika ( o najwyŜszej wadze) łączymy z wejściem zliczającym drugiego licznika. Połączenie szeregowe ogranicza szybkość działania licznika (szeregowe połączenie elementów będących źródłem opóźnienia). Pozbawione tej wady są liczniki połączone równolegle. Obydwa przykłady przedstawiliśmy na rysunkach.
Jednostki
Dziesiątki
Qa Qb Qc Qd
Qa
Qb Qc Qd
mod10
mod10
c
R
c
R
Zerowanie
Połączenie szeregowe
4
Jednostki
Dziesiątki
Qa Qb Qc Qd
Qa
Qb Qc Qd
mod10
mod10
c
R
c
R
Zerowanie
Połączenie równoległe
Połączenie równoległe polega na tym, Ŝe sygnał zliczany podawany jest jednocześnie do pierwszego licznika i bramki AND, której wyjście podłączamy do wejścia drugiego licznika.
Oprócz impulsów zliczanych naleŜy do bramki podłączyć te wyjścia licznika pierwszego, które po zliczeniu N-1 impulsów (gdzie N – pojemność licznika pierwszego) mają stan wysoki. Dla licznika mod 10 będzie to 9 impulsów. Po ich zliczeniu stan licznika wynosi wiec 1001 i oba sygnały doprowadzone do wejść bramki AND mają poziom wysoki. Kolejny impuls przebiegu zliczanego (dziesiąty) zostanie zatem przepuszczony przez bramkę AND. Licznik następny zliczy więc jeden impuls. PoniewaŜ pierwszy licznik zostaje tym samym impulsem (zboczem opadającym) wyzerowany, przeto bramka ponownie zablokuje przepuszczanie impulsów do drugiego licznika. Zliczenie kolejnego impulsu przez drugi licznik nastąpi dopiero po kolejnych dziesięciu impulsach wejściowych.
Połączenie liczników o pojemnościach N1, N2, itd. Daje w rezultacie licznik o pojemności
N
=
N
1 ⋅
N
2 . Wykorzystując liczniki scalone o określonej pojemności oraz funktory takie jak np. bramki NAND czy NOR jesteśmy w stanie budować liczniki typu modN lub „do N”
praktycznie o dowolnej pojemności wykorzystując wejścia ustawiające licznika scalonego.
Jak łatwo zauwaŜyć analizując przebiegi wyjściowe liczników, licznik modN jest dzielnikiem częstotliwości przez N. Częstotliwość przebiegu wyjściowego jest N – krotnie mniejsza niŜ częstotliwość wejściowa.
1.2 Scalone liczniki asynchroniczne.
Licznik 7490
Układ ten zawiera cztery przerzutniki synchroniczne typu MS (Master - Slave). Pierwszy z nich (A) jest jednobitowym licznikiem mod2, a trzy pozostałe (B,C,D) tworzą licznik mod5.
Trzy przerzutniki (A,B,C) są przerzutnikami typu JK, a czwarty przerzutnik jestprzerzutnikiem RS.
Układ scalony ’90 ma dwa wejścia zliczające CPa i CPb , cztery wejścia sterujące R0(1), R0(2), R9(1), R9(2), oraz cztery wyjścia Qa, Qb, Qc, Qd.
MoŜe być wykorzystany jako licznik mod2. Wówczas wejściem zliczającym będzie wejście CPa, a wyjściem tego licznika wyjście Qa. Wykorzystanie licznika zliczającego mod5
wymaga doprowadzenia przebiegu impulsów zliczanych do wejścia CPb, a wyjściami takiego licznika są wyjścia Qb, Qc, Qd o wagach odpowiednio
20,21,2 .
2
5
1
J
Q
J
Q
1
J
Q
R
Q
C
C
C
C
A
B
C
D
K
Q
K
Q
K
Q
Q
S
1
1
1
S
R
R
R
R
R
S
R
Cpa
Cpb
R01 R02 R91 R92
Opis wyprowadzeń:
1 CPb
8 Qc
2 R01
9 Qb
14
3 R02
10 GND
4 N.C.
11 Qd
7490
5 Ucc
12 Qa
1
6 R91
13 N.C.
7 R92
14 CPa
Aby otrzymać licznik dziesiętny, naleŜy wykonać zewnętrzne połączenie wyjścia Qa z wejściem CPb. Wejściem licznika jest wówczas CPa, a wyjściem wyprowadzenia Qa, Qb, Qc, Qd o wagach odpowiednio
2 0 ,
2 1 ,
2 2 ,
2.3
Połączenie takie jest szeregowym połączeniem licznika mod2 z licznikiem mod5. Licznik ten zlicza w kodzie BCD 8421 i jest zarazem w tej konfiguracji dzielnikiem przez 10 o wypełnieniu przebiegu wyjściowego (wyjście Qd) róŜnym od 0,5.
Połączenie szeregowe odwrotne (najpierw mod5, a potem mod2) daje nam
równieŜ licznik mod10 lecz nie będzie on zliczał w standardowym kodzie BCD, cechuje się jednak (jako dzielnik częstotliwości przez 10) wypełnieniem przebiegu wyjściowego z wyprowadzenia Qa równym 0,5.
6
Scalony licznik ’92 jest licznikiem asynchronicznym zbudowanym z czterech przerzutników typy JK-MS. Jeden przerzutnik (A) jest licznikiem mod2, a trzy pozostałe (B,C,D) stanowią licznik mod6. Oba liczniki mogą być wykorzystywane niezaleŜnie.
Wszystkie cztery przerzutniki są zerowane tym samym sygnałem, pochodzącym z wyjścia bramki NAND. Doprowadzenie do obu wyjść tej bramki (R01, R02) sygnałów o poziomie „H” zeruje licznik. Zliczanie jest moŜliwe, jeśli co najmniej na jednym z tych wejść jest poziom niski „L”. Połączenie szeregowe licznika mod2 z licznikiem mod6
(wyjście Qa z wejściem CPb) stanowi licznik mod12, zliczający w kodzie naturalnym.
Połączenie w odwrotnej kolejności (wyjście Qd z wejściem CPa) jest takŜe licznikiem mod12, ale przeznaczeniem takiej konfiguracji połączeń jest praca układu jako dzielnika częstotliwości przez 12. Przebieg wyjściowy (wyjście Qa) ma wówczas współczynnik wypełnienia równy 0,5.
1
J
Q
1
J
Q
J
Q
Q
J
A
B
C
D
C
C
C
C
K
Q
K
Q
K
Q
K
Q
1
1
1
1
R
R
R
R
Cpa
Cpb
R01 R02
Opis wyprowadzeń:
1 CPb
8 Qc
2 R01
9 Qb
3 R02
10 GND
14
4 N.C.
11 Qd
7492
5 Ucc
12 Qa
6 N.C.
13 N.C.
1
7 N.C.
14 CPa
7
Licznik 7493
Układ scalony ’93 zawiera cztery przerzutniki JK-MS. Trzy przerzutniki (D,C,B) są połączone szeregowo, tworząc licznik mod8, a czwarty przerzutnik (A) jest dwójką liczącą, która moŜe być wykorzystana dwojako: wspólnie z licznikiem mod8 tworząc licznik mod16, albo oddzielnie jako licznik mod2. Łącząc wyjście Qa pierwszego przerzutnika z wejściem licznika 3
– bitowego (CPb), uzyskujemy licznik mod16 zliczający w kodzie naturalnym dwójkowym, przy czym wyjściami licznika są wyprowadzenia Qa, Qb, Qc, Qd, gdzie Qa – LSB i Qd – MSB.
Łącząc wyjście czwartego przerzutnika (Qd) z wejściem pierwszego przerzutnika (CPa) uzyskujemy takŜe licznik mod16 zliczający w naturalnym kodzie dwójkowym, przy czym wyjściami licznika są wyprowadzenia Qb, Qc, Qd, Qa, gdzie Qb – LSB i Qa – MSB. W obu tych przypadkach przebieg czasowy na wyjściu MSB ma częstotliwość 16 – krotnie mniejszą niŜ
przebieg zliczany oraz współczynnik wypełnienia równy 0,5. Dzieje się tak dlatego, Ŝe wszystkie przerzutniki w tym liczniku pracują w układzie dwójek liczących i kolejność ich połączeń nie ma znaczenia. Zerowanie licznika ’93 odbywa się identycznie, jak opisanego wyŜej licznika ’92.
1
J
Q
J
Q
J
Q
Q
J
C
C
C
C
A
B
C
D
K
Q
K
Q
K
Q
K
Q
R
R
R
R
Cpa
Cpb
R01 R02
Opis wyprowadzeń:
1 CPb
8 Qc
2 R01
9 Qb
14
3 R02
10 GND
4 N.C.
11 Qd
7493
5 Ucc
12 Qa
1
6 N.C.
13 N.C.
7 N.C.
14 CPa
8
1. 3. Układy badane.
Licznik dziesiętny pracujący w kodzie BCD 8421 na układzie 7490.
Qa Qd Qb Qc
Cpa
100 Hz
14
7490
1
+5 V
Zerowanie poziomem H
1kHz
Cpa
R01 R02
Qa
Qb
Qc
Qd
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0
4 – bitowy licznik dwójkowy na układzie 7493.
Qa Qd Qb Qc
1/16 F
Cpa 1,5 kHz
CPa
14
7493
1
+5 V
9
Cpa
Qa
Qb
Qc
Qd
1ms/dz
Dzielnik częstotliwości ½ na układzie 7490
Qa
Cpa 2kHz
1/2 FCPa
14
7490
1
+5 V
Zerowanie poziomem H
Cpa
Qa
0,25 ms/dz
10
Dzielnik częstotliwości 1/9 na układzie 7493
Qa Qd Qb Qc
Cpa 899Hz
1/9 FCPa
14
7493
1
Cpa
+5 V
Qd
1ms/dz
11