Четырёхразрядный двоичный счётчик

КУРСОВАЯ РАБОТА по дисциплине «Схемотехника ЭВМ»

Тема проекта: «Четырёхразрядный двоичный счётчик»

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:

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.

В двоичном 4-х разрядном счётчике предусмотреть возможность установки его разрядов в '0', то есть предусмотреть сброс.

Узел индикации выполнить с использованием светодиодов (возможен также вариант индикации с использованием 7-сегментных индикаторов)

Введение

Постановка и анализ задачи. Выбор технических средств Описание работы счётчика Заключение Список использованной литературы

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:

По основанию системы — двоичные и десятичные.

По способу организации счета — асинхронные и синхронные.

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.

1. 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.

В двоичном 4-х разрядном счётчике предусмотреть возможность установки его разрядов в 'О', то есть предусмотреть сброс.

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

Микросхемы представляют собой четыре логических элемента 2ИЛИ-НЕ Содержат 49 интегральных элементов. Рабочее напряжение +5 В.

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 (Resetсбросить) выходное состояние становится равным логическому нулю.

Рис. 3 Условное графическое обозначение и реализация в виде МС RSтриггера Состояние RS-триггера при поступлении сигналов на его входы можно проанализировать посредством таблицы 2.

Таблица.2 Таблица истинности RS-триггера

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 RSтриггера 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 RSтриггера 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:

— инверсный вход установки в 60' R1, 8 —инверсный выход Q2,

— вход D1, 9 — выход Q2;

— вход синхронизации С1, 10 — инверсный вход установки «1» S2,

— инверсный вход установки «1» S1; 11 —вход синхронизации С2,

— выход Q1; 12 — вход D2;

— инверсный выход 01; 13 — инверсный вход установки в 'О' R2,

— 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

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».

Методическое руководство к лабораторной работе № 4 Схемотехника. МИКТ Лэнди, Р. / Справочник радиоинженера / Дэвис, Д. / Справочник радиоинженера // «ГЭИ», Москва — 2009;

Смирении, Б.А. / Справочник по радиотехнике // «ГЭИ», Москва — 2010;

В.Л. Шило, «Справочник по интегральным схемам» 2007.