В качестве исходного состояния принят нулевой уровень на всех выходах триггеров (Q 1 – Q 3), т. е. цифровой код 000. При этом старшим разрядом является выход Q 3 . Для перевода всех триггеров в нулевое состояние входы R триггеров объединены и на них подается необходимый уровень напряжения (т. е. импульс, обнуляющий триггеры). По сути это сброс. На вход С поступают тактовые импульсы, которые увеличивают цифровой код на единицу, т. е. после прихода первого импульса первый триггер переключается в состояние 1 (код 001), после прихода второго импульса второй триггер переключается в состояние 1, а первый – в состояние 0 (код 010), потом третий и т. д. В результате подобное устройство может досчитать до 7 (код 111), поскольку 2 3 – 1 = 7. Когда на всех выходах триггеров установились единицы, говорят, что счетчик переполнен. После прихода следующего (девятого) импульса счетчик обнулится и начнется все с начала. На графиках изменение состояний триггеров происходит с некоторой задержкой t з. На третьем разряде задержка уже утроенная. Увеличивающаяся с увеличением числа разрядов задержка является недостатком счетчиков с последовательным переносом, что, несмотря на простоту, ограничивает их применение в устройствах с небольшим числом разрядов.

Классификация счётчиков

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) Kс. Эта величина равна числу устойчивых состояний счётчика. После поступления импульсов Kс счётчик возвращается в исходное состояние. Для двоичных счётчиков Kс = 2 m, где m – число разрядов счётчика.

Кроме Kс важными характеристиками счётчика являются максимальная частота счёта fmax и время установления tуст, которые характеризуют быстродействие счётчика.

Tуст – длительность переходного процесса переключения счётчика в новое состояние: tуст = mtтр, где m – число разрядов, а tтр – время переключения триггера.

Fmax – максимальная частота входных импульсов, при которой не происходит потери импульсов.

По типу функционирования:

– Суммирующие;

– Вычитающие;

– Реверсивные.

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.

По структурной организации:

– последовательными;

– параллельными;

– последовательно-параллельными.

В последовательном счётчике входной импульс подаётся только на вход первого разряда, на входы каждого последующего разряда подаётся выходной импульс предшествующего ему разряда.

В параллельном счётчике с приходом очередного счётного импульса переключение триггеров при переходе в новое состояние происходит одновременно.

Последовательно-параллельная схема включает в себя оба предыдущих варианта.

По порядку изменения состояний:

– с естественным порядком счёта;

– с произвольным порядком счёта.

По модулю счёта:

– двоичные;

– недвоичные.

Модуль счёта двоичного счётчика Kc=2, а модуль счёта недвоичного счётчика Kc= 2m, где m – число разрядов счётчика.

Суммирующий последовательный счётчик

Рис.1. Суммирующий последовательный 3х разрядный счётчик.

Триггеры данного счетчика срабатывают по заднему фронту счетного импульса. Вход старшего разряда счетчика связан с прямым выходом (Q) младшего соседнего разряда. Временная диаграмма работы такого счетчика приведена на рис.2. В начальный момент времени состояния всех триггеров равны лог.0, соответственно на их прямых выходах лог.0. Это достигается посредством кратковременного лог.0, поданного на входы асинхронной установки триггеров в лог.0. Общее состояние счетчика можно охарактеризовать двоичным числом (000). Во время счёта на входах асинхронной установки триггеров в лог.1 поддерживается лог.1. После прихода заднего фронта первого импульса 0-разряд переключается в противоположное состояние – лог.1. На входе 1-разряда появляется передний фронт счетного импульса. Состояние счетчика (001). После прихода на вход счетчика заднего фронта второго импульса 0-разряд переключается в противоположное состояние – лог.0, на входе 1-разряда появляется задний фронт счетного импульса, который переключает 1-разряд в лог.1. Общее состояние счетчика – (010). Следующий задний фронт на входе 0-разряда установит его в лог.1 (011) и т.д. Таким образом, счетчик накапливает число входных импульсов, поступающих на его вход. При поступлении 8-ми импульсов на его вход счетчик возвращается в исходное состояние (000), значит коэффициент счета (КСЧ) данного счетчика равен 8.

Рис. 2. Временная диаграмма последовательного суммирующего счетчика.

Вычитающий последовательный счётчик

Триггеры данного счетчика срабатывают по заднему фронту. Для реализации операции вычитания счетный вход старшего разряда подключается к инверсному выходу соседнего младшего разряда. Предварительно триггеры устанавливают в состояние лог.1 (111). Работу данного счетчика показывает временная диаграмма на рис. 4.

Рис. 1 Последовательный вычитающий счетчик

Рис. 2 Временная диаграмма последовательного вычитающего счетчика

Реверсивный последовательный счётчик

Для реализации реверсивного счетчика необходимо объединить функции суммирующего счетчика и функции вычитающего счетчика. Схема данного счетчика приведена на рис. 5. Для управления режимом счета служат сигналы «сумма» и «разность». Для режима суммирования «сумма»=лог.1, «0»-кратковременный лог.0; «разность»=лог.0, «1»-кратковременный лог.0. При этом элементы DD4.1 и DD4.3 разрешают подачу на тактовые входы триггеров DD1.2, DD2.1 через элементы DD5.1 и DD5.2 сигналов с прямых выходов триггеров DD1.1, DD1.2 соответственно. При этом элементы DD4.2 и DD4.4 закрыты, на их выходах присутствует лог.0, поэтому действие инверсных выходов никак не отражается на счетных входах триггеров DD1.2, DD2.1. Таким образом, реализуется операция суммирования. Для реализации операции вычитания на вход «сумма» подается лог.0, на вход «разность» лог.1. При этом элементы DD4.2, DD4.4 разрешают подачу на входы элементов DD5.1, DD5.2, а соответственно и на счетные входы триггеров DD1.2, DD2.1 сигналов с инверсных выходов триггеров DD1.1, DD1.2. При этом элементы DD4.1, DD4.3 закрыты и сигналы с прямых выходов триггеров DD1.1, DD1.2 никак не воздействуют на счетные входы триггеров DD1.2, DD2.1. Таким образом, реализуется операция вычитания.

Рис. 3 Последовательный реверсивный 3-х разрядный счетчик

Для реализации данных счетчиков также можно использовать триггеры, срабатывающие по переднему фронту счетных импульсов. Тогда при суммировании на счетный вход старшего разряда надо подавать сигнал с инверсного выхода соседнего младшего разряда, а при вычитании наоборот – соединять счетный вход с прямым выходом.

Недостаток последовательного счетчика – при увеличении разрядности пропорционально увеличивается время установки (tуст) данного счетчика. Достоинством является простота реализации.

Рис. 3 – Реверсивный счетчик

Для счетных импульсов предусмотрены два входа: “+1” – на увеличение, “-1” – на уменьшение. Соответствующий вход (+1 или -1) подключается ко входу С. Это можно сделать схемой ИЛИ, если влепить ее перед первым триггером (выход элемента ко входу первого триггера, входы – к шинам +1 и -1). Непонятная фигня между триггерами (DD2 и DD4) называется элементом И-ИЛИ. Этот элемент составлен из двух элементов И и одного элемента ИЛИ, объединенных в одном корпусе. Сначала входные сигналы на этом элементе логически перемножаются, потом результат логически складывается.

Число входов элемента И-ИЛИ соответствует номеру разряда, т. е. если третий разряд, то три входа, четвертый – четыре и т. д. Логическая схема является двухпозиционным переключателем, управляемым прямым или инверсным выходом предыдущего триггера. При лог. 1 на прямом выходе счетчик отсчитывает импульсы с шины “+1” (если они, конечно, поступает), при лог. 1 на инверсном выходе – с шины “-1”. Элементы И (DD6.1 и DD6.2) формируют сигналы переноса. На выходе >7 сигнал формируется при коде 111 (число 7) и наличии тактового импульса на шине +1, на выходе <0 сигнал формируется при коде 000 и наличии тактового импульса на шине -1.

Все это, конечно, интересно, но красивей смотрится в микросхемном исполнении:

Рис. 4 Четырехразрядный двоичный счетчик

Вот типичный счетчик с предустановкой. СТ2 означает, что счетчик двоичный, если он десятичный, то ставится СТ10, если двоично-десятичный – СТ2/10. Входы D0 – D3 называются информационными входами и служат для записи в счетчик какого-либо двоичного состояния. Это состояние отобразится на его выходах и от него будет производится начало отсчета. Другими словами, это входы предварительной установки или просто предустановки. Вход V служит для разрешения записи кода по входам D0 – D3, или, как говорят, разрешения предустановки. Этот вход может обозначаться и другими буквами. Предварительная запись в счетчик производится при подаче сигнала разрешения записи в момент прихода импульса на вход С. Вход С тактовый. Сюда запихивают импульсы. Треугольник означает, что счетчик срабатывает по спаду импульса. Если треугольник повернут на 180 градусов, т. е. задницей к букве С, значит он срабатывает по фронту импульса. Вход R служит для обнуления счетчика, т. е. при подаче импульса на этот вход на всех выходах счетчика устанавливаются лог. 0. Вход PI называется входом переноса. Выход p называется выходом переноса. На этом выходе формируется сигнал при переполнении счетчика (когда на всех выходах устанавливаются лог. 1). Этот сигнал можно подать на вход переноса следующего счетчика. Тогда при переполнении первого счетчика второй будет переключаться в следующее состояние. Выходы 1, 2, 4, 8 просто выходы. На них формируется двоичный код, соответствующий числу поступивших на вход счетчика импульсов. Если выводы с кружочками, что бывает намного чаще, значит они инверсные, т. е. вместо лог. 1 подается лог. 0 и наоборот. Более подробно работа счетчиков совместно с другими устройствами будет рассматриваться в дальнейшем.

Параллельный суммирующий счётчик

Принцип действия данного счетчика заключается в том, что входной сигнал, содержащий счетные импульсы, подается одновременно на все разряды данного счетчика. А установкой счетчика в состояние лог.0 или лог.1 управляет схема управления. Схема данного счетчика показана на рис.6

Рис. 4 Суммирующий счетчик параллельного действия

Разряды счетчика – триггеры DD1, DD2, DD3.

Схема управления – элемент DD4.

Достоинство данного счетчика – малое время установки, не зависящее от разрядности счетчика.

Недостаток – сложность схемы при повышении разрядности счетчика.

Счетчики с параллельным переносом

Для повышения быстродействия применяют способ одновременного формирования сигнала переноса для всех разрядов. Достигается это введением элементов И, через которые тактовые импульсы поступают сразу на входы всех разрядов счетчика.

Рис. 2 – Счетчик с параллельным переносом и графики, поясняющие его работу

С первым триггером все понятно. На вход второго триггера тактовый импульс пройдет только тогда, когда на выходе первого триггера будет лог. 1 (особенность схемы И), а на вход третьего – когда на выходах первых двух будет лог. 1 и т. д. Задержка срабатывания на третьем триггере такая же, как и на первом. Такой счетчик называется счетчиком с параллельным переносом. Как видно из схемы, с увеличением числа разрядов увеличивается число лог. элементов И, причем чем выше разряд, тем больше входов у элемента. Это является недостатком таких счетчиков.

Разработка принципиальной схемы

Формирователь импульсов

Формирователь импульсов – устройство, необходимое для устранения дребезга контактов, возникающего при замыкании механических контактов, который может привести к неправильной работе схемы.

На рисунке 9 приведены схемы формирователей импульсов от механических контактов.

Рис. 9 Формирователи импульсов от механических контактов.

Блок индикации

Для отображения результата счёта необходимо использовать светодиоды. Чтобы осуществить такой вывод информации можно воспользоваться простейшей схемой. Схема блока индикации на светодиодах приведена на рисунке 10.

Рис. 10 Блок индикации на светодиодах.

Разработка КСУ (комбинационной схемы управления)

Для реализации данного счётчика из серии ТТЛШ микросхем К555 я выбрал:

две микросхемы К555ТВ9 (2 JK-триггера с установкой)

одну микросхему К555ЛА4 (3 элемента 3И-НЕ)

две микросхемы К555ЛА3 (4 элемента 2И-НЕ)

одну микросхему К555ЛН1 (6 инверторов)

Данные микросхемы обеспечивают минимальное количество корпусов на печатной плате.

Составление структурной схемы счётчика

Структурная схема – совокупность блоков счётчика, выполняющих какую-либо функцию и обеспечивающих нормальную работу счётчика. На рисунке 7 показана структурная схема счётчика.

Рис. 7 Структурная схема счётчика

Блок управления выполняет функцию подачи сигнала и управления триггерами.

Блок счёта предназначен для изменения состояния счетчика и сохранения этого состояния.

Блок индикации выводит информацию для зрительного восприятия.

Составление функциональной схемы счётчика

Функциональная схема – внутренняя структура счётчика.

Определим оптимальное количество триггеров для недвоичного счётчика с коэффициентом счёта Кс=10.

M = log 2 (Кс) = 4.

M = 4 значит для реализации двоично-десятичного счётчика необходимо 4 триггера.

Простейшие одноразрядные счетчики импульсов

Простейшим одноразрядным счетчиком импульсов может быть JK-триггер и D-триггер, работающий в счетном режиме. Он считает входные импульсы по модулю 2-каждый импульс переключает триггер в противоположное состояние. Один триггер считает до двух, два соединенных последовательно считают до четырех, п триггеров-до 2n импульсов. Результат счета формируется в заданном коде, который может храниться в памяти счетчика или быть считанным другим устройством цифровой техники-дешифратором.

На рисунке показана схема трехразрядного двоичного счетчика импульсов, построенного на JK-триггер ax K155TB1. Смонтируйте такой счетчик на макетной панели и к прямым выходам триггеров подключите светодиодные (или транзисторные - с лампой накаливания) индикаторы, как это делали ранее. Подайте от испытательного генератора на вход С первого триггера счетчика серию импульсов с частотой следования 1 … 2 Гц и по световым сигналам индикаторов постройте графики работы счетчика.

Если в начальный момент все триггеры счетчика находились в нулевом состоянии (можно установить кнопочным выключателем SB1 «Уст.0», подавая на вход R триггеров напряжение низкого уровня), то по спаду первого же импульса (рис. 45,6) триггер DD1 переключится в единичное состояние-на его прямом выходе появится высокий уровень напряжения (рис. 45,в). Второй импульс переключит триггер DD1 в нулевое состояние, а триггер DD2-B единичное (рис. 45,г). По спаду третьего импульса триггеры DD1 и DD2 окажутся в единичном состоянии, а триггер DD3 все еще будет в нулевом. Четвертый импульс переключит первые два триггера в нулевое состояние, а третий в единичное (рис. 45,д). Восьмой импульс переключит все триггеры в нулевое состояние. По спаду девятого входного импульса начнется следующий цикл работы трехразрядного счетчика импульсов.

Изучая графики, нетрудно заметить, что каждый старший разряд счетчика отличается от младшего удвоенным числом импульсов счета. Так, период импульсов на выходе первого триггера в 2 раза больше периода входных импульсов, на выходе второго триггера - в 4 раза, на выходе третьего триггера - в 8 раз. Говоря языком цифровой техники, такой счетчик работает в весовом коде 1-2-4. Здесь под термином «вес» имеется в виду объем информации, принятой счетчиком после установки его триггеров в нулевое состояние. В устройствах и приборах цифровой техники наибольшее распространение получили четырехразрядные счетчики импульсов, работающие в весовом коде 1-2-4-8. Делители частоты считают входные импульсы до некоторого задаваемого коэффициентом счета состояния, а затем формируют сигнал переключения триггеров я нулевое состояние, вновь начинают счет входных импульсов до задаваемого коэффициента счета и т. д.

На рисунке показаны схема и графики работы делителя с коэффициентом счета 5, построенного на JK-триггерах Здесь уже знакомый вам трехразрядный двоичный счетчик дополнен логическим элементом 2Й-НЕ DD4.1, который и задает коэффициент счета 5. Происходит это так. При первых четырех входных импульсах (после установки триггеров в нулевое состояние кнопкой SB1 «Уст. 0») устройство работает как обычный двоичный счетчик импульсов. При этом на одном или обоих входах элемента DD4.1 действует низкий уровень напряжения, поэтому элемент находится в единичном состоянии.

По спаду же пятого импульса на прямом выходе первого и третьего триггеров, а значит, и на обоих входах элемента DD4.1 появляется высокий уровень напряжения, переключающий этот логический элемент а нулевое состояние. В этот момент на его выходе формируется короткий импульс низкого уровня, который через диод VD1 передается на вход R всех триггеров и переключает их в исходное нулевое состояние.

С этого момента начинается следующий цикл работы счетчика. Резистор R1 и диод VD1, введенные в этот счетчик, необходимы для того, чтобы исключить замыкание выхода элемента DD4.1 на общий провод.

Действие такого делителя частоты можете проверить, подавая на вход С первого его триггера импульсы, следующие с частотой 1… 2 Гц, и подключив к выходу триггера DD3 световой индикатор.

На практике функции счетчиков импульсов и делителей частоты выполняют специально разработанные микросхемы повышенной степени интеграции. В серии К155, например, это счетчики К155ИЕ1, К155ИЕ2, К155ИЕ4 и др.

В радиолюбительских разработках наиболее широко используют микросхемы К155ИЕ1 и К155ИЕ2. Условные графические обозначения этих микросхем-счетчиков с нумерацией их выводов показаны на рис. 47.

Микросхему К155ИЕ1 (рис. 47,а) называют декадным счетчиком импульсов, т. е. счетчиком с коэффициентом счета 10. Он содержит четыре триггера, соединенных между собой последовательно. Выход (вывод 5) микросхемы - выход ее четвертого триггера. Устанавливают все триггеры в нулевое состояние подачей напряжения высокого уровня одновременно на оба входа R (выводы 1 и 2), объединенные по схеме элемента И (условный символ «&»). Счетные импульсы, которые должны иметь низкий уровень, можно подавать на соединенные вместе входы С (выводы 8 и 9), также объединенные по И. или на один из них, если в это время на втором будет высокий уровень напряжения. При каждом десятом входном импульсе на выходе счетчик формирует равный по длительности входному импульс низкого уровня. Микросхема К155ИЕ2 (рис.48,б)

Двоично-десятичный четырехразрядный счетчик. В нем также четыре триггера, но первый из них имеет отдельные вход С1 (вывод 14) и отдельный прямой выход (вывод 12). Три других триггера соединены между собой так, что образуют делитель на 5. При соединении выхода первого триггера (вывод 12) со входом С2 (вывод 1) цепи остальных триггеров микросхема становится делителем на 10 (рис. 48, а), работающем в коде 1-2-4-8, что и символизируют цифры у выходов графического обозначения микросхемы. Для установки триггеров счетчика в нулевое состояние подают на оба входа R0 (выводы 2 и 3) напряжение высокого уровня.

Два объединенных входа R0 и четыре разделительных выхода микросхемы К155ИЕ2 позволяют без дополнительных элементов строить делители частоты с коэффициентами деления от 2 до 10. Так, например, если соединить между собой выводы 12 и 1, 9 и 2, 8 н 3 (рис. 48,6), то коэффициент счета будет 6, а при соединении выводов 12 и 1, 11,. 2 и 3 (рис. 48,в) коэффициент счета станет 8. Эта особенность микросхемы К155ИЕ2 позволяет использовать ее и как двоичный счетчик импульсов, и как делитель частоты.

Цифровой счетчик импульсов – это цифровой узел, который осуществляет счет поступающих на его вход импульсов. Результат счета формируется счетчиком в заданном коде и может храниться требуемое время. Счетчики строятся на триггерах, при этом количество импульсов, которое может подсчитать счетчик определяется из выражения N = 2 n – 1, где n – число триггеров, а минус один, потому что в цифровой технике за начало отсчета принимается 0. Счетчики бывают суммирующие, когда счет идет на увеличение, и вычитающие – счет на уменьшение. Если счетчик может переключаться в процессе работы с суммирования на вычитание и наоборот, то он называется реверсивным.

Конструкция выполнена только на одной микросхеме К561ИЕ16. Так как, для его правильной работы нужен внешний генератор тактовых импульсов, то в нашем случае мы его заменим простым мигающим светодиодом. Как только подадим напряжение питание на схему таймера, емкость С1 начнет заряжаться через резистор R2 поэтому на выводе 11 кратковременно появится логическая единица, сбрасывающая счетчик. Транзистор, подсоединенный к выходу счетчика, откроется и включит реле, которое через свои контакты подключит нагрузку.

Здесь используется второй триггер микросхемы К561ТМ2, который в первой схеме не задействован. Он включается последовательно первому триггеру образуя двухразрядный двоичный счетчик, отличающийся от «типового» только наличием цепи задержки R3-C2 в первом триггерном звене. Теперь состояние выходов триггеров будет меняться соответственно двоичному коду. При включении питания оба триггера устанавливаются в нулевое состояние, чтобы это происходило вход R второго триггера соединен с таким же входом первого. Теперь цепь C1-R2 действует на оба триггера, обнуляя их при подаче питания. С первым нажатием кнопки в единичное состояние устанавливается триггер D1.1, -включается лампа Н1.

Первый из описываемых далее счетчиков представляет собой генератор случайного числа. Его можно использовать для определения очередности ходов в различных игровых ситуациях, в качестве лототрона и др. В генераторе используются интегральные схемы серии К155. На элементах DD1.1 -DD1.4 интегральной схемы К155ЛН1 собран генератор прямоугольных импульсов с рабочей частотой порядка нескольких килогерц.

При нажатии на тумблер SB1 замыкаются контакты кнопки и импульсы с выхода генератора следуют на вход первого из 4 последовательно соединенных JK- триггеров. Их входы включены так, что JK-триггеры по сути работают в счетном режиме. Вход каждого триггера соединен с инверсным выходом предыдущего, поэтому все они переключаются с достаточно приличной частотой, в соответствие с ней вспыхивают и светодиоды HL1...HL4.

Этот процесс идет до тех пор, пока нажата SB1. Но как только ее отпускают, как все триггеры окажуться в каком-то устойчивом состоянии. При этом будут гореть только те светодиоды, которые подсоединены к выходам триггеров которые окажуться в нулевом состоянии 0.

Каждому светодиоду задается свой числовой эквивалент. Поэтому для определения выпавшей комбинации необходимо просуммировать числовые значения горящих светодиодов.

Схема генератора случайного числа настолько проста, что не требует никакой наладки и начинает работать сразу с подачей питания. Вместо JK-триггеров в конструкции можно применить двоичный счетчик К155ИЕ5.

Автомат обладает двумя идентичными каналами, каждый из которых содержит тактовый генератор на элементах DD1.1 -DD1.4 (DD2.1 - DD2.4), четырех разрядный двоичный счетчик DD3, DD5 (DD4, DD6), схемы управления на DD8.1, DD8.2 (DD8.3, DD8.4), узлы индикации DD10.1 (DD10.2).

Объединяет оба канала модуль контроля (DD7), реализующих формулу «исключающее ИЛИ». Логика работы DD7 очень проста: если на вход элемента приходят два одинаковых логических уровня, то на его выходе формируется уровень логического 0, иначе 1.

В момент включения питания и нажатия на кнопку «Сброс» (SB1) триггеры DD3...DD6 переключаются в единичное состояние и светодиоды тухнут. Параллельно на выходах DD8.1 и DD8.3 формируется логическая 1, разрешающая запуск тактовых генераторов. Импульсы с их выходов, следуют на триггеры и провоцируют их синхронное переключение. Вспыхивают и соответствующие светодиоды. Скоростью переключения последних можно упровлять сопротивлениями R1 и R2, расположенными в пультах игроков.

Если играющий, считая, что состояния светодиодов обоих каналов равнозначны, нажимает на кнопку SB2. Тогда на выходе элемента DD8 формируется логический ноль, запирающий генераторы и фиксирующий состояния триггеров. Уровень единицы, формируется на выходе DD8.2 и блокирует переключение триггера на DD8.3, DD8.4 и разрешая работу индикации. Благодаря этому можно выяснить, кто из двух играющих быстрее нажмет на кнопку.

Логические уровни с инверсных выходов триггеров следуют на узел контроля DD7.1 - DD7.4, где происходит сравнение. Если они равнозначны, то на выходах элементов узла контроля появляется уровень логического нуля.

Инвертируясь DD9.1- DD9.4, он вызывает возникновение высокого уровня на выходе схемы ИЛИ (VD1-VD4). Таким образом, обе единицы одновременно будут только на входе DD10.1. На его выходе формируется логический ноль и начинает гореть светодиод HL9 фиксирующей победу игрока, нажавшего на кнопку SB2.

Если при нажатии SB2 логические уровни были разными, то на выходе схемы ИЛИ формируется уровень нуля. При этом единичный уровень поступает только на вход DD10.2, и зажигание соответствуюшего светодиода фиксирующего победу другого игрока.

Аналогично схема будет вести себя и в случае если первой нажать кнопку SB3. Время переключения DD8.1 - DD8.4 достаточно низкое поэтому вероятность сбоя почти исключена.

Схема имеет узел автоматического отключения питания через полчаса, но при желании его можно отсоединить и раньше, коснувшись пальцем сенсора.

Для сборки конструкции необходимо семь транзисторов и три ИМС: К155ЛАЗ, и К155ИЕ8.

Приставка состоит из узла звукового сигнализатора на VT1, VT2 и DD1 - DD3 и узла коммутации питания на VT3-VT7.

Схема звукового сигнализатора состоитиз тактовый генератор на DD1.1, DD1.2 и VT1. Он генерирует прямоугольные импульсы с частотой следования около 1 Гц.

После включения питания тактовый генератор начинает посылать тактирующие импульсы, а импульс сброса, формируемый цепью R4, С2, сбрасывает счетчик и триггер, управляющий коэффициентом деления.

Уровень логической единицы, идет с шестого выхода триггера DD3.1, и блокирует диод VD1, включая тональный генератор на DD1.4 и транзисторе VT2. Параллельно импульсы, следуют на десятый вход элемента DD1.4 с тактового генератора частотой один Гц, включая и в отключая тональный генератор, формирующий прерывистый звуковой сигнал.

Кроме того уровень логической 1, идущий с выхода 6 триггера, задает коэффициент деления счетчика равный шестнадцати. После поступления на вход счетчика 17-го импульса на выходе шесть DD2 формируется положительный импульс, переключающий DD3.1 в единичное состояние. С выхода 6 низкий уровень этого триггера блокирует работу тонального генератора и устанавливает коэффициент деления счетчика 64. После прихода следующих 64 импульсов на выходе счетчика генерируется положительный импульс, переключающий триггер DD3.1 в нулевое состояние. Выходной сигнал триггера разрешает работу тонального генератора и устанавливает коэффициент деления равный шестнадцати. Таким образом, приставка через каждые 64 секунды генерирует прерывистый тональный звуковой сигнал длительностью 16 секунд. В таком режиме приставка может работать до выключения питания.

Питание схемы звуковой сигнализации происходит через «электронный выключатель» и устройство автоматической коммутации питания, на транзисторах VT3-VT7. Кроме того этот модуль, ограничивает ток, потребления приставки в дежурном режиме на уровне микроампер, что позволяет не использовать в конструкции механический выключатель питания.

Для включения приставки кратковременно замыкаем точки А и Б. При этом на базу VT3 через сопротивление R9 идет положительный потенциал напряжения и составной транзистор образованный на VT4-VT5 отпирается, обеспечивая ток делителя напряжения на резисторах R10, R11. Падение напряжения на R10 и участке коллектор - эмиттер VT5 отпирает составной транзистор VT6- VT7.

Напряжение питания через VT7 проходит на узел звуковой сигнализации. Параллельно через R6, R7 и участок коллектор - эмиттер VT3 заряжается емкость С4. За счет падения напряжения в цепи заряда емкости составной транзистор VT4-VT5 поддерживается открытым, обеспечивая работу составного транзистора VT6-VT7.

По мере заряда емкости С4 потенциал в точке R6, VD2, С4, R7 падает и при определенной величине составной транзистор VT4- VT5 запирается, заним и закрывается VT6-VT7, отключая цепь питания звуковой сигнализации.

Емкость С4 быстро разряжается и приставка переходит в спящий режим. Время работы задается сопротивлением R6 и емкостью С4 и для указанных номиналов время составляет 30 мин. Можно отключить питание и вручную, коснувшись сенсорных контактов E1, Е2.

Отрицательный потенциал напряжения через сопротивление поверхности кожи и R8 попадает на базу транзистора VT3, отпирая его. Напряжение на коллекторе резко падает и запирает составной транзистор VT4-VT5, который закрывает VT6, VT7.

Счетчики электрических импульсов

Счетчиком называют цифровое устройство, обеспечивающее подсчет числа электрических импульсов. Коэффициент пересчета счетчика равен минимальному числу импульсов, поступивших на вход счетчика, после которых состояния на выходе счетчика начинают повторяться. Счетчик называют суммирующим, если после каждого очередного импульса цифровой код на выходе счетчика увеличивается на единицу. В вычитающем счетчике после каждого импульса на входе счетчика цифровой код на выходе уменьшается на единицу. Счетчики, в которых возможно переключение с режима суммирования на режим вычитания, называются реверсивными.

Счетчики могут быть с предварительной установкой. В таких счетчиках информация с входов предварительной установки передается на выходы счетчика по сигналу на специальном входе предварительной установки. По своей структуре счетчики делятся на последовательные, параллельные и параллельно-последовательные. Последовательный двоичный счетчик образован цепочкой последовательно включенных счетных триггеров. В параллельном счетчике счетные импульсы подаются одновременно на входы всех разрядов счетчика. Параллельные счетчики имеют большее быстродействие по сравнению с последовательными. Параллельно-последовательные счетчики имеют высокое быстродействие и большое значе ние коэффициента пересчета.

Счетчики электрических импульсов имеются как в ТТЛ, так и в КМОП сериях. В качестве примера счетчика ТТЛ рассмотрим микросхему К155ИЕ5. Функциональная схема счетчика К155ИЕ5 приведена на рисунке 1.51,а, а его условное обозначение на принципиальных схемах на рисунке 1.51,б. Счетчик К155ИЕ5 имеет фактически два счетчика: с коэффициентом пересчета два (вход С0 и выход Q 0) и с коэффициентом пересчета восемь (вход С1 и выходы Q 1, Q 2, Q 3). Счетчик с коэффициентом пересчета шестнадцать легко получается, если соединить выход Q 0 с входом С1, а импульсы подавать на вход С0. Временная диаграмма работы такого счетчика приведена на рисунке 1.52.

На рисунке 1.53 приведены схемы подключения, изменяющие коэффициент пересчета счетчика К155ИЕ5. Выходы счетчика Q 0, Q 1, Q 2, Q 3 имеют соответственно весовые коэффициенты 1, 2, 4, 8. Соединив выходы Q 1, Q 2 с входами установки счетчика в нуль, получим счетчик с коэффициентом пересчета шесть (рис. 1.53,а). На рисунке 1.53,б показана схема подключения для получения коэффициента пересчета десять, а на рисунке 1.53,в – двенадцать. Однако в схемах, приведенных на рисунках 1.53,а – в, отсутствует возможность установки счетчиков в нулевое состояние.

На рисунках 1.54,а, б приведены соответственно счетчики с коэффициентами пересчета шесть и семь, в которых предусмотрен вход установки счетчика в нулевое состояние. Анализ работы схем, приведенных на рисунках 1.53 – 1.54, показывает, что для получения заданного коэффициента пересчета соединяют с входами логического элемента И те выходы счетчика, весовые коэффициенты которых в сумме дают необходимый коэффициент пересчета.

В таблице1.3 приведены состояния на выходах счетчика с коэффициентом пересчета десять после поступления каждого очередного импульса, причем счетчик предварительно был установлен в нулевое состояние.

Рассмотрим некоторые из счетчиков КМОП серии. На рисунке 1.55 приведено условное обозначение микросхемы К561ИЕ8 – десятичного счетчика с дешифратором. Микросхема имеет вход установки в нулевое состояние R , вход для подачи счетных импульсов положительной полярности CP и вход для подачи счетных импульсов отрицательной полярности CN .

Переключение счетчика происходит по спадам импульсов положительной полярности на входе CP , при этом на входе CN должна быть логическая единица. Переключение счетчика будет происходить по спадам импульсов отрицательной полярности на входе CN , если на входе CP логический нуль. На одном из десяти выходов счетчика всегда присутствует логическая единица. Установка счетчика в нуль происходит при подаче на вход R логической единицы. При установке счетчика в нулевое состояние на выходе «0» установится логическая единица, а на всех остальных выходах – логические нули. Микросхемы К561ИЕ8 можно объединять в многоразрядные счетчики с последовательным переносом, соединяя выход переноса предыдущей микросхемы с входом CN последующей. На рисунке 1.56 приведена схема многоразрядного счетчика на микросхемах К561ИЕ10.

Промышленностью выпускаются счетчики для электронных часов. Рассмотрим некоторые из них. На рисунке 1.57 приведено условное обозначение микросхемы К176ИЕ3, а на рисунке 1.58 – микросхемы К176ИЕ4. На этих рисунках выходы микросхем показаны для стандартного обозначения сегментов индикатора, приведенного на рисунке 1.59. Эти микросхемы отличаются друг от друга коэффициентом пересчета. Коэффициент пересчета микросхемы К176ИЕ3 равен шести, а коэффициент пересчета микросхемы К176ИЕ4 равен десяти. Установка в нуль рассматриваемых счетчиков осуществляется подачей сигнала логической единицы на вход R . Переключение триггеров счетчика происходит по спаду положительных импульсов на входе С. Микросхемы имеют выход переноса р (вывод 2), к которому подключается обычно вход следующего счетчика. Спад напряжения на этом выходе формируется в момент перехода счетчика из состояния 9 в состояние 0. Микросхемы различаются сигналами на выводе 3. Для микросхемы К176ИЕ3 на выводе 3 появляется логическая единица при установке счетчика в состояние 2, а для микросхемы К176ИЕ4 – в состояние 4. Это необходимо для обнуления показаний часов в 24 часа.

При подаче сигнала логического нуля на вход S логические единицы на выходах счетчика будут на тех сегментах, которые отображают число импульсов, поступивших на вход счетчика. При подаче на вход S логической единицы полярность выходных сигналов изменяется. Возможность переключения полярности выходных сигналов позволяет достаточно просто изменить схему подключения цифровых индикаторов.

На рисунке 1.60 приведена схема подключения люминесцентного индикатора к выходам микросхемы К176ИЕ4. Подключение индикатора к выходам микросхемы К176ИЕ3 будет аналогичным.

Схемы подключения светодиодных индикаторов к выходам микросхемы 176ИЕ4 приведены на рисунках 1.61,а и 1.61,б. На входе S устанавливается логический нуль для индикаторов с общим катодом и логическая единица для индикаторов с общим анодом.

Описание микросхем К176ИЕ5, К176ИЕ12, К176ИЕ13, К176ИЕ17, К176ИЕ18, К176ИД2, К176ИД3 и их применение в электронных часах можно найти в . Микросхемы К176ИЕ12, К176ИЕ13, К176ИЕ17, К176ИЕ18 допускают напряжение питания от 3 до 15 В.

Счетчик импульсов — это последовательностное цифровое устройство, обеспечивающее хранение слова информации и выполнение над ним микрооперации счета, заключающейся в изменении значения числа в счетчике на 1. По существу счетчик представляет собой совокупность соединенных определенным образом триггеров. Основной параметр счетчика — модуль счета. Это максимальное число единичных сигналов, которое может быть сосчитано счетчиком. Счетчики обозначают через СТ (от англ. counter).

Счетчики импульсов классифицируют

● по модулю счета:
. двоично-десятичные;
. двоичные;
. с произвольным постоянным модулем счета;
. с переменным модулем счета;
. по направлению счета:
. суммирующие;
. вычитающие;
. реверсивные;
● по способу формирования внутренних связей:
. с последовательным переносом;
. с параллельным переносом;
. с комбинированным переносом;
. кольцевые.

Суммирующий счетчик импульсов

Рассмотрим суммирующий счетчик (рис. 3.67, а ). Такой счетчик построен на четырех JK-триггерах, которые при наличии на обоих входах логического сигнала «1» переключаются в моменты появления на входах синхронизации отрицательных перепадов напряжения.

Временные диаграммы, иллюстрирующие работу счетчика, приведены на рис. 3.67, б . Через К си обозначен модуль счета (коэффициент счета импульсов). Состояние левого триггера соответствует младшему разряду двоичного числа, а правого — старшему разряду. В исходном состоянии на всех триггерах установлены логические нули. Каждый триггер меняет свое состояние лишь в тот момент, когда на него действует отрицательный перепад напряжения.

Таким образом, данный счетчик реализует суммирование входных импульсов. Из временных диаграмм видно, что частота каждого последующего импульса в два раза меньше, чем предыдущая, т. е. каждый триггер делит частоту входного сигнала на два, что и используется в делителях частоты.

Трехразрядный вычитающий счетчик с последовательным переносом

Рассмотрим трехразрядный вычитающий счетчик с последовательным переносом, схема и временные диаграммы работы которого приведены на рис. 3.68.
{xtypo_quote}В счетчике используются три JK-триггера, каждый из которых работает в режиме Т-триггера (триггера со счетным входом).{/xtypo_quote}

На входы J и К каждого триггера поданы логические 1, поэтому по приходу заднего фронта импульса, подаваемого на его вход синхронизации С, каждый триггер изменяет предыдущее состояние. Вначале сигналы на выходах всех триггеров равны 1. Это соответствует хранению в счетчике двоичного числа 111 или десятичного числа 7. После окончания первого импульса F первый триггер изменяет состояние: сигнал Q 1 станет равным 0, a ¯ Q 1 − 1.

Остальные триггеры при этом свое состояние не изменяют. После окончания второго импульса синхронизации первый триггер вновь изменяет свое состояние, переходя в состояние 1, (Q x = 0). Это обеспечивает изменение состояния второго триггера (второй триггер изменяет состояние с некоторой задержкой по отношению к окончанию второго импульса синхронизации, так как для его опрокидывания необходимо время, соответствующее времени срабатывания его самого и первого триггера).

После первого импульса F счетчик хранит состояние 11О. Дальнейшее изменение состояния счетчика происходит аналогично изложенному выше. После состояния 000 счетчик вновь переходит в состояние 111.

Трехразрядный самоостанавливающийся вычитающий счетчик с последовательным переносом

Рассмотрим трехразрядный самоостанавливающийся вычитающий счетчик с последовательным переносом (рис. 3.69).

После перехода счетчика в состояние 000 на выходах всех триггеров возникает сигнал логического 0, который подается через логический элемент ИЛИ на входы J и К первого триггера, после чего этот триггер выходит из режима Т-триггера и перестает реагировать на импульсы F.

Трехразрядный реверсивный счетчик с последовательным переносом

Рассмотрим трехразрядный реверсивный счетчик с последовательным переносом (рис. 3.70).

В режиме вычитания входные сигналы должны подаваться на вход Т в. На вход Т с при этом подается сигнал логического 0. Пусть все триггеры находятся в состоянии 111. Когда первый сигнал поступает на вход Т в, на входе Т первого триггера появляется логическая 1, и он изменяет свое состояние. После этого на его инверсном входе возникает сигнал логической 1. При поступлении второго импульса на вход Т в на входе второго триггера появится логическая 1, поэтому второй триггер изменит свое состояние (первый триггер также изменит свое состояние по приходу второго импульса). Дальнейшее изменение состояния происходит аналогично. В режиме сложения счетчик работает аналогично 4-разрядному суммирующему счетчику. При этом сигнал подается на вход Т с. На вход Т в подается логический 0.
В качестве примера рассмотрим микросхемы реверсивных счетчиков (рис: 3.71) с параллельным переносом серии 155 (ТТЛ):
● ИЕ6 — двоично-десятичный реверсивный счетчик;
● ИЕ7 — двоичный реверсивный счетчик.

Направление счета определяется тем, на какой вывод (5 или 4) подаются импульсы. Входы 1, 9, 10, 15 — информационные, а вход 11 используется для предварительной записи. Эти 5 входов позволяют осуществить предварительную запись в счетчик (предустановку). Для этого нужно подать соответствующие данные на информационные входы, а затем подать импульс записи низкого уровня на вход 11, и счетчик запомнит число. Вход 14 — вход установки О при подаче высокого уровня напряжения. Для построения счетчиков большей разрядности используются выходы прямого и обратного переноса (выводы 12 и 13 соответственно). С вывода 12 сигнал должен подаваться на вход прямого счета следующего каскада, а с 13 — на вход обратного счета.

Все знают для чего существует микрокалькулятор,но оказывается кроме математических вычислений он способен и на многое другое. Обратите внимание, если нажать кнопку «1», затем «+» и далее нажимать «=», то с каждым нажатием на кнопку «=» число на дисплее будет увеличиваться на единицу. Чем не цифровой счетчик?

Если к кнопке «=» подпаять два проводка, их можно будет использовать как вход счетчика, например, счетчика витков для намоточного станка. И ведь, счетчик может быть и реверсивным, для этого нужно сначала набрать на дисплее число, например, число витков катушки, а затем нажать кнопку « - », и кнопку «1». Теперь при каждом нажатии на «=» число будет уменьшаться на единицу.

Однако, нужен датчик. Самый простой вариант, - геркон (рис.1). Геркон проводами подключаем параллельно кнопке «=», сам геркон стоит на неподвижной части намоточного станка, а магнит закрепим на подвижной, так что бы за один оборот катушки магнит один раз проходил возле геркона, вызывая его замыкание.

Вот и все. Нужно намотать катушку, делаем «1+» и далее с каждым оборотом, то есть, с каждым витком показания дисплея будут увеличиваться на единицу. Нужно отмотать катушку, - набираем на дисплее микрокалькулятора число витков катушки, и делаем «-1», далее с каждым оборотом размотки катушки показания дисплея будут уменьшаться на единицу.

Рис.1. Схема подключения геркона к калькулятору.

А, предположим, нужно измерить большое расстояние, например, длину дороги, размер земельного участка, длину маршрута. Берем обычный велосипед. Правильно, - на вилке крепим неметаллический кронштейн с герконом, а магнит закрепляем на одной из спиц велосипедного колеса. Затем, измеряем длину окружности колеса, и выраженную её в метрах, например, получилась длина окружности колеса 1,45 метра, так и набираем «1,45+», после чего с каждым оборотом колеса показания дисплея будут увеличиваться на 1,45 метра, и в результате на дисплее будет видно пройденное велосипедом расстояние в метрах.

Если есть неисправный китайский кварцевый будильник (обычно механизм у них очень не долговечный, а вот электронная плата весьма надежна), можно взять от него плату и по схеме показанной на рисунке 2 сделать из неё и калькулятора секундомер.

Питание на плату будильника поступает через параметрический стабилизатор на светодиоде HL1 (светодиод должен быть с прямым напряжением 1,4-1,7V, например, красный АЛ307) и резисторе R2.

Импульсы формируются из импульсов управления шаговым двигателем часового механизма (катушки должны быть отключены, плата используется самостоятельно). Эти импульсы через диоды VD1 и VD2 поступают на базу транзистора VТ1. Напряжение питания платы будильника всего 1,6V, при этом уровни импульсов на выходах для шагового двигателя еще ниже.

Чтобы схема нормально работала, необходимы диоды с низким уровнем прямого напряжения, такие как ВАТ85, или германиевые.

Эти импульсы поступают на транзисторный ключ на VТ1 и VТ2. В коллекторной цепи VТ2 включена обмотка маломощного реле К1, контакты которого подключены параллельно кнопке «=» микрокалькулятора. Когда есть питание +5V контакты реле К1 будут замыкаться с частотой 1 Гц.

Чтобы запустить секундомер нужно предварительно сделать действие «1+», затем выключателем S1 включить питание схемы формирователя импульсов. Теперь с каждой секундой показания дисплея будут увеличиваться на единицу.

Чтобы остановить счет достаточно выключить питание формирователя импульсов выключателем S1.

Чтобы был счет на уменьшение, нужно сначала набрать на дисплее микрокалькулятора исходное число секунд, а потом сделать действие «-1» и включить питание формирователя импульсов выключателем S1. Теперь с каждой секундой показания дисплея будут убывать на единицу, и по ним можно будет судить, сколько времени осталось до некоторого события.

Рис.2. Схема превращения китайского бодульника в секундомер.

Рис.3. Схема счетчика пересечений ИК-луча с применением калькулятора.

Если использовать инфракрасный фотодатчик, работающий на пересечение луча, можно приспособить микрокалькулятор считать какие-то предметы, например, коробки, перемещающиеся по транспортерной ленте, либо, установив датчик в проходе, считать входящих в помещение людей.

Принципиальная схема ИК-датчика отражения для работы с микрокалькулятором показана на рисунке 3.

Генератор ИК-сигнала выполнен на микросхеме А1 типа «555» (интегральный таймер) Он представляет собой генератор импульсов частотой 38 кГц, на выходе которого включен через ключ инфракрасный светодиод. Частота генерации зависит от цепи C1-R1, при налаживании подбором резистора R1 нужно установить на выходе микросхемы (вывод 3) частоту близкую к 38 кГц. Светодиод HL1 помещают с одной стороны прохода, надев на него непрозрачную трубку, которая должна быть точно направлена на фотоприемник.

Фотоприемник выполнен на микросхеме HF1 - это стандартный интегральный фотоприемник типа TSOP4838 для систем дистанционного управления телевизоров и другой домашней техники. Когда на этот фотоприемник попадает луч от HL1, на его выходе - ноль. При отсутствии луча -единица.

Таким образом, между HL1 и HF1 ничего нет - контакты реле К1 разомкнуты, а в момент прохождения какого-либо объекта - контакты реле замыкаются. Если на микрокалькуляторе сделать действие «1+», то с каждым прохождением объекта между HL1 и HF1 показания дисплея микрокалькулятора будут увеличиваться на единицу, и по ним можно будет судить, сколько коробок отгружено или сколько человек вошло.

Крюков М.Б. РК-2016-01.