Четырёхразрядный двоичный счётчик
КУРСОВАЯ
РАБОТА
по
дисциплине «Схемотехника ЭВМ»
Тема
проекта: «Четырёхразрядный двоичный счётчик»
1. Техническое
задание. Синтезировать электрическую принципиальную схему двоичного
четырёхразрядного счётчика, функциональная схема которого представлена на рис.
1.
Рис.1 Функциональная схема двоичного четырёх
разрядного счётчика
Требования:
1. Формирование
импульсной последовательности осуществляется как вручную (кнопочным
переключателем) так и с использованием генератора импульсов с частотой F=1+(0,T№
варианта),Гц. В формирователе импульсов предусмотреть схему защиты от дребезга
механических контактов..
2. В
двоичном 4-х разрядном счётчике предусмотреть возможность установки его
разрядов в '0', то есть предусмотреть сброс.
3. Узел
индикации выполнить с использованием светодиодов (возможен также вариант
индикации с использованием 7-сегментных индикаторов)
Содержание
Введение
Постановка и анализ задачи. Выбор
технических средств
Описание работы счётчика
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Счетчиками называют устройства для подсчёта
числа поступивших на их вход импульсов (команд), запоминания и хранения
результата счёта и выдачи этого результата. Основным параметром счётчика
является модуль счёта(емкость) Кс. Эта величина равна числу устойчивых
состояний счётчика. После поступления импульсов Кс счётчик возвращается в
исходное состояние.
Счётчики используются для построения таймеров
или для выборки инструкций из ПЗУ в микропроцессорах. Они могут использоваться как
делители частоты в управляемых генераторах частоты (синтезаторах). При
использовании в цепи ФАП счётчики могут быть использованы для умножения частоты
как в синтезаторах, так и в микропроцессорах.
Счетчики можно классифицировать:
1.По
основанию системы - двоичные и десятичные.
2.По
способу организации счета - асинхронные и синхронные.
3.По
направлению переходов - суммирующие, вычитающие, реверсивные.
4. По способу построения цепей сигналов переноса
- с последовательным, сквозным, групповым и частично - групповым переносом.
В суммирующем счётчике приход каждого входного
импульса увеличивает результат счёта на единицу, в вычитающем - уменьшает на
единицу; в реверсивных счётчиках может происходить как суммирование, так и
вычитание.
. Постановка и анализ задачи. Выбор
технических средств
1. Формирование импульсной
последовательности осуществляется как вручную (кнопочным переключателем) так и
с использованием генератора импульсов с частотой
В формирователе импульсов предусмотреть схему
защиты от дребезга механических контактов.
2. В
двоичном 4-х разрядном счётчике предусмотреть возможность установки его
разрядов в 'О', то есть предусмотреть сброс.
3. Узел
индикации выполнить с использованием светодиодов (возможен также вариант
индикации с использованием 7 сегментных индикаторов).
В задании на курсовую работу к разрабатываемой
схеме счётчика не предъявляется каких либо особых требований ни по габаритам,
ни по другим техническим требованиям.
В качестве источника импульсных сигналов выбрана
схема генератора прямоугольных импульсов (Рис.1), на основе отечественной
микросхемы К561ЛЕ5.
Схема обладает следующими характеристиками:
Таблица 1. Параметры генератора прямоугольных
импульсов
Экспериментальная
|
Нижняя
граница
|
Высшая
частота
|
Скважность
|
формула
|
R1,kOm
|
генерации,
МГц
|
выходных
|
|
|
|
импульсов
|
|
1
|
2
|
2
|
|
|
|
|
Микросхемы представляют собой четыре логических
элемента 2ИЛИ-НЕ Содержат 49 интегральных элементов. Рабочее напряжение +5В.
Исходя из варианта (№14), представленная схема
должна генерировать импульсы частотой F
= 2,4
Гц. Для этого необходимо подобрать номиналы конденсатора С1 и резистора R1.
Из
предоставленной таблицы 1 было взято минимальное значение сопротивления
резистора R1
= 1кОм.
В экспериментальной формуле для расчёта частоты
(см. табл.1) используются следующие единицы измерения: F-Гц,
Rl-Ом, С1-Ф.
Найдём по экспериментальной формуле ёмкость
конденсатора С1:
Выбираем ближайшее значение по номиналу равное
200 мкФ
Дребезг контактов -
это явление многократного неконтролируемого замыкания и размыкания контактов в
моменты их контактирования (замыкания и размыкания). Это явление приводит к
формированию нескольких импульсов (вместо требуемого одиночного импульса или
перепада напряжения), могущих вызвать многократное непредсказуемое срабатывание
схемы цифрового устройства.
Причины возникновения дребезга:
/ первая связана с механической конструкцией
кнопки, которая не позволяет надежно за короткое время зафиксировать контакт; S
вторая
связана с самим контактом, который покрыт тончайшим слоем оксида, не проводящим
электричество. В момент замыкания происходит ионизация промежутка и возникает
дуга, спекающая контакты вместе.
Схема защиты от дребезга организована на основе RS-триггера
(интегральная микросхема К155ЛАЗ).
RS-триггер -
триггер, который сохраняет своё предыдущее состояние при нулевых входах. При
подаче логического нуля на вход S
(Set - установить)
выходное состояние становится равным логической единице. А при подаче
логического нуля на вход R
(Reset -сбросить)
выходное состояние становится равным логическому нулю.
Рис. 3 Условное графическое обозначение и
реализация в виде МС RS-
триггера
Состояние RS-триггера
при поступлении сигналов на его входы можно проанализировать посредством таблицы
2.
Таблица.2 Таблица истинности RS-триггера
R
|
s
|
|
Q(t+i)
|
Пояснения
|
0
|
0
|
*
|
R=S=0
запрещённый режим
|
1
|
0
|
о
|
l
|
Режим
установки в единицу S=l
|
0
|
1
|
1
|
0
|
Режим
сброса в ноль R=l
|
1
|
1
|
0
|
0
|
R=S=1 режим
хранения
|
Для реализации RS-триггера
воспользуемся логическими элементами "2И-НЕ". Данная микросхема
содержат 56 интегральных элементов. Принципиальная схема и расположение выводов
приведены на рисунке 4.
Схема защиты от дребезга выглядит следующим
образом (см. рис.5):
Рисунок 5. Схема защиты от дребезга с кнопочным
генератором импульсов
На оба входа RS-триггера
через токоограничивающие резисторы подведено напряжение питания для поддержания
логической единицы, когда SA1
не подключен к соответствующему входу.
При замыкании и размыкании ключа в следующий
момент времени происходит переход с одного контакта на другой, при котором
образуется дребезг, в следствие чего на входы RS-
триггера поступает не один, а несколько импульсов ('0' и 1').
Любой дребезг это причина того, что за короткое
время происходит множество замыканий и размыканий подвижного контакта с
неподвижным.
У RS-
триггера по его конструктивным особенностям активный уровень равен '0' и на
логическую Т реагировать не будет, следовательно, при возникновении дребезга
триггером будет замечен только один логический ноль. Используя это свойство и
организуем защиту от дребезга.
Развёрнутая схема четырёхразрядного двоичного
счётчика выглядит следующим образом:
Данный счётчик реализован на 2-х микросхемах
К155ТМ2, содержащих по 2 D-триггера.
В состав этой микросхемы входит 70 интегральных элементов.
Назначение выводов:
1 -
инверсный вход установки в 60' R1, 8
-инверсный выход Q2,
2 -
вход
D1, 9
- выход
Q2;
3 -
вход синхронизации С1, 10 - инверсный вход установки «1» S2,
4 -
инверсный вход установки «1» S1; 11
-вход синхронизации С2,
5 - выход
Q1; 12 -
вход
D2;
6 - инверсный
выход 01; 13 - инверсный вход установки в 'О' R2,
7 - общий; 14
-напряжение питания
Схематически счётчик представляет собой
несколько Т-триггеров построенных на основе D-триггеров.
Данная схема счётчика, позволяет посчитать не
больше пятнадцати импульсов. Количество поступивших на вход импульсов можно
узнать, подключившись к выходам счётчика Q0
... Q3. Это число будет
представляться в двоичном коде.
Работу схемы двоичного четырёхразрядного
счётчика можно проанализировать, воспользовавшись временными диаграммами
сигналов на входе и выходах этой схемы (рис.7).
Описание работы счётчика
счётчик двоичный импульс генератор
Триггеры данного счетчика срабатывают по
переднему фронту счетного импульса. Вход старшего разряда счетчика связан с
прямым выходом (Q) младшего
соседнего разряда.
В начальный момент времени состояния всех
триггеров равны лог.0, после кратковременного нажатия на кнопку SB1
(сброс
счётчика). Общее состояние счетчика можно охарактеризовать двоичным числом (0000).
После прихода первого импульса 0-ой разряд (Qo)
счётчика переходит в состояние равное лог.1. На входе С микросхемы DD
3.1 (см.
рис.9) появляется передний фронт счетного импульса. Состояние счетчика (0001).
После прихода на вход счетчика второго импульса Qo
переключается в противоположное состояние равное лог.0, на входе 1-разряда
появляется лог.1. и общее состояние счетчика будет равно (0010) и т.д.
Таким образом, счетчик накапливает число входных импульсов, поступающих на его
вход.
Продолжая анализировать временную диаграмму,
можно определить, что на выходах приведённой схемы счётчика последовательно
появляются цифры от 0 до 15. Эти цифры записаны в двоичном виде (табл.3).
При поступлении 16-го импульса на его вход
счетчик возвращается в исходное состояние (0000), коэффициент счета
данного счетчика равен 16.
При поступлении на счётный вход счётчика
очередного импульса, содержимое его разряда увеличивается на 1. Поэтому такие
счётчики стали называть суммирующими.
Таблица 3
№
|
Q3
|
Q2
|
Ql
|
GO
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
1
|
0
|
0
|
0
|
1
|
2
|
0
|
0
|
1
|
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
|
1
|
0
|
1
|
0
|
|
11
|
1
|
0
|
1
|
1
|
|
12
|
1
|
1
|
0
|
0
|
|
13
|
1
|
1
|
0
|
1
|
|
14
|
1
|
1
|
1
|
0
|
|
15
|
1
|
1
|
1
|
1
|
|
16
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
1
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Блок индикации
Для отображения результата счёта были
использованы светодиоды рисунок 8.
Выбранные светодиоды (HL1-
HL4) необходимо
включать с токоограничивающими резисторами т.к. номинальный ток них не должен
превышать 20мА, то сопротивление резисторов необходимо выбрать исходя из ,
следовательно должно быть не меньше 250 Ом.
Выберем сопротивления этих резисторов равным 330
Ом с номинальной мощностью О,125 Вт (т.к. P=U*I=5B*20mA=0,125
Вт).
Полная электрическая принципиальная схема
четырёхразрядного двоичного счётчика приведена на рисунке 9.
Электрическая схема будут иметь следующий вид:
Все работы по конструированию, размещению и
трассировке печатной платы выполнены на ЭВМ с использованием системы
автоматизированного проектирования Sprint
Layout. Чертёж
печатной платы представлен на рисунке10.
Заключение
В ходе выполнения курсовой работы была
разработана электрическая принципиальная, монтажная, структурные схемы четырёх
разрядного двоичного счётчика. Был осуществлен выбор соответствующей элементной
базы с заданными характеристиками и номиналом.
С помощью системы Sprint
Layout был разработан
монтажный чертёж печатной платы, на которой реализован счётчик. Разработанная
схема полностью соответствующее техническим требованиям и способна вести
подсчёт с шагом +1 отображая текущее состояние счётчика посредством
светодиодной индикации в двоичном представлении.
Кроме того, были получены фотошаблоны печатного
монтажа как лицевой, так и оборотной сторон этой печатной платы. Отдельное
внимание уделялось и оптимальному размещение элементов на печатной плате.
В результате курсового проектирования были
закреплены навыки, полученные в курсе изучения «Схемотехники ЭВМ».
Список использованной литературы
1.
Методическое
руководство к лабораторной работе №4 Схемотехника. МИКТ
2.
Лэнди,
Р. / Справочник радиоинженера / Дэвис, Д. / Справочник радиоинженера // «ГЭИ»,
Москва - 2009;
3.
Смирении,
Б.А. / Справочник по радиотехнике // «ГЭИ», Москва - 2010;
4.
В.Л.
Шило, «Справочник по интегральным схемам» 2007.