Порядок выполнения работы. Лабораторная работа № 5

Лабораторная работа № 5.

Счетчики и схемы управления на их основе

Цель работы: изучение принципов построения счетчиков и схем управления на их основе.

Краткие теоретические сведения

Наиболее распространенной операцией, выполняемой в цифровых устройствах обработки информации, является подсчет числа сигналов. Устройство, предназначенное для подсчета числа входных сигналов, называется счетчиком. Результат счета в них записывается в двоичном коде. Максимальное число N, которое может быть записано в счетчике, равно (2ⁿ - 1), где n - число разрядов счетчика. Каждый разряд счетчика включает в себя триггер.

Триггеры.

Кроме комбинационных схем (сумматоры, шифраторы, дешифраторы, мультиплексоры и т.д.) в ЭВМ используются триггеры и схемы, построенные на их основе.

Отличительная особенность триггеров от любой комбинационной схемы состоит в том, что значение их выходного сигнала зависит не только от входных сигналов, действующих в данный момент времени, но и от предыдущего состояния триггера. Триггеры обладают свойством запоминания своего предшествующего состояния, т.е. им присуще свойство памяти. Устройство с двумя устойчивыми состояниями, в которых оно может находиться бесконечно долго, называется триггером. Одно состояние триггера - единичное, второе - нулевое. В общем случае триггер имеет два выхода: прямой Q и инверсный - `Q. Состояние триггера принято определять по значению потенциала на прямом выходе. Если потенциал соответствует логической «1», то триггер находится в единичном состоянии. Различают триггеры по виду логического уравнения (функциональный признак):RS, D, T, JK-триггеры.

Триггеры также бывают асинхронные и синхронные (тактируемые). Триггер, который переходит в новое состояние немедленно после поступления входного сигнала, называется асинхронным. Во многих устройствах необходимо синхронизировать во времени переключение триггеров: неодновременное переключение может привести к появлению непредусмотренных состояний устройства и к срыву его работы. Синхронные триггеры имеют дополнительный тактовый вход, на который подаются положительные тактовые импульсы. Такой триггер воспринимает информацию на входах только при наличии тактового импульса и переходит в новое устойчивое состояние в момент среза тактового импульса (по заднему фронту). В течение тактового импульса на выходе триггера сохраняется предшествующее состояние. В качестве примеров рассмотрим асинхронный RS-триггер и синхронный JK-триггер.

Асинхронный RS-триггер.

Асинхронный RS-триггер функционирует в соответствии с таблицей:

Qt	Rt	St	Qt+1
				Установка «1»
			*	Rt =St является недопустимым (*)
				Установка «0».
			*	Rt =St является недопустимым (*)

Q_t -состояние триггера, которое было; Q_t -состояние триггера, которое стало;

Условное обозначение RS-триггера.

JK-триггер.

JK-триггер функционирует в соответствии с таблицей.

Qt	Jt	Kt	Qt+1

Анализ таблицы показывает:

а) Если J=1,то Q_t+1=1;

б) Если K=1,то Q_t+1=0;

с) Если J=K=1,то начальное состояние триггера меняется на противоположное. Последнее обстоятельство отличает JK-триггер от RS-триггера, у которого аналогичная комбинация запрещена (сравните ТИ)

Функциональное уравнение любого триггера, как логического устройства, можно получить из таблицы истинности. Рассмотрим ТИ JK-триггера. Составим карту Карно:

После минимизации имеем Q_t+1=J×`Q<sub>t</sub>+Q<sub>t</sub>×`K. Проанализируем полученное уравнение: ecли J=K=1,то Q_t+1=`Q<sub>t</sub>; J=1,K=0,то Q<sub>t+1</sub>=Q<sub>t</sub>+`Q_t=1;

J=0,K=1,то Q_t+1=0.

Т - триггер.

Tt	Qt	Qt+1

Каждый импульс, приложенный к входу изменяет состояние триггера Логическое выражение может быть представленным как сложение по модулю два:

D - триггер

Выходной сигнал триггера и входной сдвинуты.

Рассмотрим принцип работы и назначение счетчиков.

Работа счетчика отражена в табл. 1. Схема трех разрядного счетчика и его временные диаграммы представлены следующем на рисунке.

Таблица 1

N имп	Qз	Q2	Q1

Нетрудно видеть, что состояние разрядов представляет собой запись числа поступающих импульсов в двоичном коде. После записи максимального числа N счетчик автоматически обнуляется, т.е. устанавливается Q₁ = Q₂ = Qз = 0. При поступлении дальнейших импульсов начинается новый цикл счета.

Аналогично суммирующему счетчику строится счетчик на вычитание, схема которого приведена ниже:

Часто возникает необходимость в счетчиках, которые поочередно осуществляли бы сложение и вычитание поступающих импульсов. Их называют реверсивными. Реверсивные счетчики имеют два счетных входа. При подаче импульса на вход «+1», код, записанный в счетчик увеличивается на единицу, при импульсе на «-1» - уменьшается на единицу.

Задание к работе

Набрать на компьютере и исследовать схему счетчика представленного на рис. 3.1.

Набрать на компьютере и исследовать схему управляющего устройства представленного на рис. 3.2.

Порядок выполнения работы

1. Набрать схему счетчика, изображенного на рис. 3.1, на компьютере.
2. Промоделировать работу счетчика и зарисовать временные диаграммы для тактового входного сигнала и всех его разрядов.
3. Набрать схему управляющего устройства представленного на рис. 3.3. в MATLAB. Перед набором схемы получить у преподавателя данные о входных сигналах для логических схем Z1 и Z2.
4. Проделать пункт 2 для схемы, изображенной на рис. 3.3.

Содержание отчета

Схема счетчика и управляющего устройства. Необходимые пояснения и таблицы состояний. Временные диаграммы, поясняющие работу разрядов счетчика.

Контрольные вопросы и задания

1. Как можно проводить классификацию счетчиков?
2. Как построить вычитающий счетчик на D-, Т- ,JK-триггерах?
3. Чем различаются асинхронный и синхронный счетчики?
4. Как построить счетчики с модулем счета 10, 15, 30?
5. Что такое реверсивный счетчик?

Рис. 3.1

Рис. 3.2

Рис. 3.3

Рис. 3.4