Реверсивные и программируемые счетчики

Счетчики, в которых направление счета может быть изменено на противоположное, называется реверсивным. Если при одном направлении счета в триггерах счетчика записан код в D1, D2, D4, D8, соответствующий сумме поступивших на вход импульсов, то при изменении направления счета из одной суммы вычитается число, соответствующее количеству импульсов, пришедших на вход после изменения направления счета (реверса).

На рис. 68, а представлен реверсивный счетчик К1533ИЕ6 с параллельным переносом между разрядами. Коэффициент счета К_СЧ = 10. Измерение осуществляется за счет введения дополнительных логических элементов. У счетчика имеются два счетных входа: суммирующий «+1» и вычитатющий «–1».

Рис. 68

Последовательность входных импульсов подается на один из этих входов в зависимости от того, в каком направлении (прямом или обратном) требуется вести счет.

Входы D1, D2, D4, D8 предназначены для ввода в счетчик исходного числа, с которым суммируются счетные импульсы (в режиме сложения), либо из которого они вычитаются (режим вычитания). Ввод данных происходит с момента появления импульса записи низкого уровня WR. Вход «сброс» – R служит для установки нуля. Этот вход обладает приоритетом над остальными.

Выходы Q1, Q2, Q4, Q8 – прямые выходы разрядов счетчиков. Два других выхода – переноса (вывод > 9) и займа (вывод < 0) – используются при каскадировании микросхем, при работе в качестве делителя, а также при циклической записи в счетчик информации со входов D1, D2, D4, D8. В режиме суммирования сигнал переноса возникает на выходе > 9 во время перехода из состояния (1001₂ = 9₁₀) в состояние 0000, а также в режиме вычитания сигнала займа возникает на выходе < 0 при изменении состояния 0000 на 1001. Сигнал переноса (займа) формируется срезом соответствующего счетного импульса и длится, пока на соответствующем входе существует уровень U⁰, т.е. состояние выхода переноса (займа) повторяет состояние входа (с задержкой сигналов во внутренних элементах).

Импульсы переноса (займа) можно использовать для циклической записи в счетчик информации со входов D1, D2, D4, D8. Для этого достаточно соединить вход WR с соответствующим выходом > 9 или < 0. Если счетчик используется в качестве делителя частоты, то при соединении входа с выходом переноса > 9 коэффициент деления будет d = 9 – М, где М – десятичный эквивалент двоичного кода на входах D1, D2, D4, D8. Максимальный коэффициент счета
К_СЧ = 10 обеспечивается без указанной обратной связи.

При прямом счете на входе обратного счета (–1) должно быть напряжение высокого уровня, а при обратном счете высокое напряжение должно быть на входе прямого счета (+1). В случае работы с инвертированием во избежание сбоев перед каждым переключением счет следует прервать путем установки на входах «+1» и «–1» уровня U¹.

На рис. 69, а показано включение счетчика 1533 ИЕ6 на вычитание с квазисинхронной загрузкой числа d = 5 (0101). D-триггер задерживает сигнал займа на один такт, поэтому загрузка числа d = 5 производится в состоянии счетчика j = 15, а не в j = 0, т. е. на загрузку числа d затрачивается один такт –
j (квазисинхронная загрузка). Из этого следует, что модуль пересчета при асинхронной потенциальной загрузке схемы определяется соотношениями: включение реверсивного счетчика на сложение (суммирование) М =10 – d при U_P = 1
(d = 0…8); при вычитании М = d + 1 при U_D = 0 (d = 0…9). Длительность выходного сигнала счетчика равна периоду тактового сигнала.

а) б)

Рис. 69. Схема счетчика в режиме вычитания (а);
граф переходов режима вычитания (б)

Штриховой линией показан переход, вызывающий запись числа d = 5. Так как каждая ветвь соответствует одному такту, то модуль пересчета М = 6.

Кольцевые счетчики

Число импульсов, поступающее на вход ранее рассмотренных счетчиков, отображается на выходе в двоичном коде. В ряде случаев, например при построении устройств памяти или различных программно-временных устройств, необходимо, чтобы каждому входному импульсу соответствовал сигнал на определенном выходе устройства. Эта задача может быть решена различными способами.

С наименьшими затратами данная задача решается при использовании кольцевых счетчиков, представляющих собой сдвиговый регистр, выход последнего разряда которого подсоединен к входу первого.

Для построения кольцевых счетчиков можно использовать как JK-, так и D-триггеры. В исходном состоянии триггер DD1 находится в единичном состоянии, а остальные – в нулевом. Первым из приходящих импульсов меняет свое состояние триггеров DD1 и DD2 на противоположное, так как их переключение осуществляется по перепаду 1,0. Следующий импульс меняет состояние триггеров DD2 и DD3 на противоположное и т. д.

Рис. 70. Схема кольцевого счетчика

Таким образом, логическая единица, существующая на выходе Q1 в исходном состоянии, при каждом входном импульсе перемещается на следующий выход Q2, Q3, …Q_N. Коэффициент счета равен (n + 1), где n – число триггеров, соединенных в кольцо.

Регистры хранения

Регистромназывают устройство, предназначенное для записи и выдачи информации, представленной в форме цифрового кода. Схемы их выполняются так, чтобы имелась возможность записать и обеспечить выдачу информации в виде параллельного или последовательного кодов. Для этого предусмотрено соответствующее количество входных и выходных выводов.

Имеются регистры, у которых входные и выходные выводы объединены между собой. По специальным командам они используются как входные или как выходные – двунаправленные выводы. При подобном решении в два раза уменьшается количество проводов, соединяющих регистр с процессором. Такие многорежимные регистры называют «портами данных», а организацию обмена информацией – «портовой».

В зависимости от назначения регистры подразделяются на регистры хранения, сдвига, последовательных приближений.

Регистры хранения обеспечивают запись и хранение кода числа. В сдвигающих регистрах записанная информация сдвигается вправо или влево при подаче каждого импульса, управляющего сдвигом. Регистры последовательных приближений предназначены для построения аналогово-цифровых преобразователей и позволяют при изменении сигнала неизвестной величины реализовать метод последовательного уравновешивания. В них запись информации начинается со старшего разряда регистра, и записанное значение остается или стирается при следующем импульсе записи в зависимости от выходного сигнала компаратора напряжений, который сравнивает измеряемый образцовый сигналы.

В общем случае регистр может выполнять следующие микрооперации над кодовыми словами:

1) установка в исходное состояние (запись нулевого кода);

2) запись входной информации в последовательной форме;

3) запись входной информации в параллельной форме;

4) хранение информации;

5) сдвиг хранимой информации вправо или влево;

6) выдача хранимой информации в последовательной форме;

7) выдача хранимой информации в параллельной форме;

Регистры могут быть квалифицированы:

а) по способу приема информации:

– параллельные (статические), в которых информация записывается и считывается только в параллельной форме;

– последовательные (сдвигающие), запись и считывание информации только в последовательной форме;

– последовательно-параллельные;

б) по числу каналов передачи информации:

– парафазные, информация записывается и считывается в прямом (Q) и в обратном ( ) кодах;

– однофазные, информация записывается и считывается либо в прямом (Q) либо в обратном ( ) коде;

в) по способу тактирования:

– однотактные, управляемые одной управляющей последовательностью импульсов;

– многотактные, управляемые несколькими управляющими последовательностями импульсов.

Регистры памяти

Параллельный регистр на рис. 71 предназначен для выполнения только
1-й, 3-й, 4-й, 7-й из перечисленных микроопераций над кодовыми словами, т. е. обрабатывает информацию только в параллельной форме.

Рис. 71

Регистр содержит N-триггеров, входы синхронизации которых объединены между собой. На его входы x_{N – 1}, … x₀ и … информация подается в прямом и обратных кодах, а с выходов Q_N-1 … Q₀ снимается только в обратном коде.

Следовательно, согласно классификации, это однотактный регистр с парафазными входами и однофазным инверсным выходом.

Регистры сдвига

Регистры сдвига помимо операции хранения осуществляют необходимое преобразование последовательного двоичного кода в параллельный, параллельного в последовательный, выполняют арифметические и логические операции, служат в качестве цифровых элементов задержки.

Сущность сдвига состоит в том, что с приходом каждого тактового импульса происходит перезапись (сдвиг) содержимого триггера каждого разряда в соседний разряд без изменения порядка следования единиц и нулей.

При сдвиге информации вправо после каждого тактового импульса бит из более старшего разряда сдвигается в младший, а при сдвиге влево – наоборот.

На схемах символ регистра буквы RG. Для регистра сдвига указывается так же направление сдвига: → вправо; ← влево; ↔ реверсивный (двунаправленный).

На рис. 72, а приведена схема четырехразрядного регистра с последовательным вводом входной информации и сдвигом ее вправо.

Рис. 72. Схема сдвигающего регистра (а);
временная диаграмма регистра (б)

В схеме применены RS (JK)-триггеры, а первый из них DD1 инвертором преобразован в D-триггер. Схема напоминает схему счетчика с параллельным переносом, но поскольку использованы не счетные Т-триггеры, а триггеры других типов, обеспечивается не счет, а перенос (сдвиг) импульсов, поступающих на вход. В регистр последовательно вводится с младшего разряда двоичный код 1101 (рис. 72, б), который поступает от внешнего устройства синхронно с тактовыми импульсами. С первым тактовым импульсом в триггер DD1 будет записана единица младшего разряда. Со следующим тактовым импульсом эта единица будет сдвинута в триггер DD2 и окажется на его выходе. Одновременно в первый триггер поступит ноль (следующий разряд кода). Таким же образом будут происходить сдвиги с выхода Q2 на вход DD3 и с Q3 в DD4.

8. ОПТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Фотоэлектрическими называют электронные приборы, преобра­зующие энергию излучения в электрическую энергию. Такие при­боры могут строиться на фотоэффекте как в вакууме или газе, так и в полупроводнике. В настоящее время наибольшее распро­странение получили фотоэлектрические приборы, принцип дей­ствия которых основан на внутреннем фотоэффекте в полупровод­нике. Суть его заключается в увеличении концентрации свободных носителей заряда под действием внешнего света, а следовательно, и проводимости полупроводниковых материалов. Получаемая та­ким образом проводимость называется фотопроводимостью. Она сочетается с собственной проводимостью полупроводникового ма­териала. Фотопроводимость зависит от интенсивности и спектраль­ного состава внешнего светового потока.

Внутренний фотоэффект может быть реализован в различных типах полупроводниковых приборов. Рассмотрим основные из них.

Фотодиодпо структуре аналогичен обычному полупроводнико­вому диоду. Отличие состоит в том, что его корпус снабжен допол­нительной линзой, создающей внешний световой поток, направ­ленный, как правило, перпендикулярно плоскости р-n-перехода (рис. 73, а). Прибор может работать в режимах фотопреобразо­вателя и фотогенератора (рис. 73, б).

В режиме фотопреобразователя в цепь фотодиода включают внешний источник питания, обеспечивающий обрат­ное смещение р–n–перехода. Если переход не освещен, то создается обратный темновой ток. При освещении перехода к темновому току добавляется фототок, значение которого не зависит от при­ложенного напряжения и пропорционально интенсивности свето­вого потока Ф.

В режиме фотогенератора фотодиод сам является источником фотоЭДС, значение которой пропорционально интен­сивности светового потока. Типовое значение фотоЭДС кремниевого фотодиода составляет 0,5...0,55 В, а значение тока короткого замыкания при среднем солнечном освещении равно 20...25 мА/см².

Маркировка фотодиода содержит буквы ФД (фотодиод) и цифру (порядковый номер разработки, например ФД-3).

Фототранзисторимеет структуру, аналогичную структуре бипо­лярного транзистора (рис. 73, б).Он обладает более высокой чувствительностью, чем фотодиод. Световой поток воздействует перпендикулярно плоскости эмиттерного р–n–перехода, генерируя в базе пары носителей заряда. Неосновные для базы носители за­ряды притягиваются коллекторным переходом, увеличивая коллекторный ток. Однако этот ток является только частью тока коллек­тора, так как уход из базы неосновных носителей создает в ней нескомпенсированный объемный заряд основных носителей. Этот заряд снижает потенциальный барьер эмиттерного перехода. В ре­зультате происходит увеличение количества носителей заряда, инжектируемых эмиттером в область базы, а следовательно, и увеличение коллекторного тока. Таким образом, в фототранзи­сторе происходит усиление фототока, что и объясняет большую чувствительность его по сравнению с фотодиодом.

Рис. 73. Структура фототранзистора (а); принципиальная схема (б); ВАХ (в)

Из рассмотренного принципа работы фототранзистора следует, что вывод базы является необязательным (рис. 73, б). Вольт-амперные характеристики фототранзистора, используемого без вывода базы, аналогичны характеристикам биполярного тран­зистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Отличие со­стоит в том, что управляющим параметром является не ток базы, а световой поток Ф (рис. 73, в).

Внутренний фотоэффект в полупроводнике может быть исполь­зован для построения и других полупроводниковых приборов: фототиристора, однопереходного фототранзистора и др. Следует отметить, что широкого самостоятельного применения приборы с внутренним фотоэффектом не получили. Объясняется это тем, что значение фототока зависит не только от интенсивности светового потока, но и от его спектрального состава. Изменение последнего приводит к неоднозначным результатам в работе устройств, содер­жащих указанные приборы. Этого недостатка лишены оптоэлектронные приборы (оптопары).

Оптоэлектронный приборсодержит одновременно источник и приемник световой энергии. Для оптопары как входным, так и вы­ходным параметром является электрический сигнал, причем галь­ваническая связь между входной и выходной цепями отсутствует. В качестве излучателя оптопары могут быть использованы инфра­красный излучающий диод, светоизлучающий диод, люминесцент­ный излучатель или полупроводниковый лазер. Наибольшее рас­пространение в настоящее время получил инфракрасный излучаю­щий диод, что объясняется простотой его структуры, управления и высоким КПД. В качестве приемника оптопары находят приме­нение рассмотренные выше фотоэлектрические приборы: фоторе­зистор, фотодиод, фототранзистор и др. Следует отметить, что оптопара позволила создать аналог разделительного трансформа­тора, что является особенно актуальным в интегральной микро­электронике. Условные обозначения оптопары, включающей раз­личные приемники, приведены на рис. 74.

Для усиления и согласования выходного сигнала оптопары со стандартным уровнем напряжения, используемым для передачи и преобразования цифровых сигналов, служат оптоэлектронные ИС.

В них применяются, как правило, диодная оптопара (обладающая максимальным быстродействием) и импульсный усилитель. На рис. 74 показаны принципиальные электрические схемы оптопар.

д)

Рис. 74. Опторезистор (а); оптодиод (б); оптотранзистор (в);
оптопара с цифровым выходом (д)

Маркировка оптопар включает семь символов. Первый обозначает исход­ный материал (обычно это буква А – соединение галлия – или цифра 3 – для приборов специального назначения). Второй символ – буква О – оптопара. Тре­тий символ указывает тип приемника оптопары: Д – диод, Т – транзистор,
У – тиристор, Р – с открытым оптическим каналом. Четвертый, пятый и шестой символы указывают номер прибора. Седьмой символ – буква, обозначающая классификацию по группам параметров.

Примеры маркировки:

АОД 130А – оптопара диод-диод на основе соединения галлия, номер при­бора 130, группа параметров А;

АОТ 110А – оптопара диод-транзистор на основе соединения галлия, номер прибора 110, группа параметров А;

АОУ 115А – оптопара диод-тиристор на основе соединения галлия, номер прибора 115, группа параметров А.