Исследование схемы счетчика, построенного на JK-, T-триггерах
Работа из раздела: «
Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника»
Исследование схемы счетчика, построенного на JK-, T-триггерах
Содержание
электрическая схема счетчик
1. Эквивалентное преобразование электрических схем
2. Расчёт транзисторных схем
3. Проектирование и изучение работы JK-, T- триггеров и четырехразрядного счётчика
1.Расчёт эквивалентных схем
Определение идеальных элементов схем замещения:
1) Источник напряжения:
ВАХ источника выглядит, как показано на графике. Тогда при расчёте схемы нелинейный участок этой ВАХ можно не учитывать и реальный источник заменить на источник напряжения, имеющий следующие обозначения и ВАХ:
При любом токе, в таком случае, получается, что U=V.
2) Источник тока
Пусть ВАХ реального источника энергии (сетевого источника, батарейки) выглядит так:
Тогда при расчёте схемы нелинейный участок этой ВАХ можно не учитывать и реальный источник заменить на источник тока, имеющий следующие обозначения и ВАХ:
Здесь при любом напряжении I=Ii
3) Резистивный элемент
Был резистор с нелинейной ВАХ, её аппроксимировали (идеализировали, сделали линейной). После резистор описали линейной зависимостью U=k*I (закон Ома) и коэффициент пропорциональности назвали сопротивлением: R
Ёмкостный элемент
Был конденсатор с нелинейной вольт-кулонной характеристикой, её аппроксимировали (идеализировали, сделали линейной). После конденсатор описали линейной зависимостью Q=k*U (закон Фарадея) и коэффициент пропорциональности назвали ёмкостью: С
4) Индуктивный элемент
Была индуктивная катушка с нелинейной вольтсекунд-амперной характеристикой, её аппроксимировали (идеализировали, сделали линейной). После индуктивную катушку описали линейной зависимостью у=k*Il (закон Генри) и коэффициент пропорциональности назвали индуктивностью: L
5) Идеальный вентиль
Был диод с нелинейной ВАХ, её кусочно аппроксимировали (идеализировали, сделали линейной).
6) Идеальный ключ
Был переключатель с нелинейной ВАХ, её кусочноаппроксимировали (идеализировали, сделали линейной)
Преобразования схем:
1) Теорема размножения источников напряжения
2) Теорема об эквивалентности двух схем замещения источников электрической энергии
Дано:
1 схема 2схема 3. Соотношение
Утверждается: ВАХ 1сх = ВАХ 2сх, при заданном подключении измерительных приборов
3) Объединение сопротивлений
Соединённые параллельно резисторы можно заменить на один, сопротивление которого будет равно:
4) Поглощение источником
Разберём задание, посчитав ток i:
Используем два раза поглощение источником:
Также дважды используем замену источников Е и I:
Объединим R2 и R3 и заменим источник I на E:
Обозначим правый источник, как Uэ:
Uэ - i*(Rэ+R4+R5) - Uэ1 = 0
i = (Uэ - Uэ1)/(Rэ + R4 + R5) =
=(I*R5 - U*R3/(R2+R3))/(R2*R3/(R2+R3)+R4+R5);
2.Расчёт транзисторных схем
Дано
U1 = 8,5 В
U2= 5 В
Rк = 1,5 кОм
R1 = 10 кОм
R2 = 20 кОм
B = 80
Uвх - ?
А) Т - отсечка
Б) Т - насыщен
Решение
А)
1) По закону Кирхгофа составим уравнение:
Iб = 0 => I1 = I2;
2) Uбэ = 0 => по закону Кирхгофа:
I2*R2 = U2
I2 = U2/R2 = 0,25 мА
3) I1 = I2 = 0,25 мА
4) По закону Кирхгофа:
Uвх - I1*R1 +0 =0
Uвх = I1*R1 = 2,5 А
Ответ: При Т в отсечке, Uвх = 2,5 А.
Б)
1) При Т - насыщенном, Uкэ = 0, Uбэ =0,7 В => По закону Кирхгофа:
Uвх - I1*R1 - Uбэ = 0;
2) Выразим I1 по закону Кирхгофа:
I1 = I2 + Iб;
3) По закону Кирхгофа:
Iк*Rк = U1
Iк = U1/Rк = 5,7 мА
4) По соотношению Iб = Iк/B:
Iб = 0,07 мА
5) По закону Кирхгофа:
I2*R2 + 0,7 В = U2;
I2 = 4,3/R2 = 0,215 мА
6) Найдём I1:
I1 = 0,215 мА + 0,07 мА = 0,285 мА
7) Найдём Uвх:
Uвх = I1*R1 + 0,7В = 2,85 + 0,7 = 3,55В
Ответ: Uвх = 3,55 В при Т в насыщении.
3. Проектирование JK-, T- триггеров и 4-х разрядного счётчика
Лабораторная работа предполагает изучение работы схем триггеров, используемых в счетных устройствах (счетчиках). Счетчик подсчитывает число импульсов, поступающих на его вход за некоторое время, формирует и запоминает код этого числа. Схемотехническая реализация счетчика зависит от решаемых функций:
- увеличивается или уменьшается код с поступлением счетных импульсов (счетчики на сложение и счетчики на вычитание),
- в каком коде отображается результат счета (двоичные, двоично-десятичные и т.д.),
- какие триггеры используются для реализации, и каким образом реализованы связи между отдельными триггерами счетчика (счетчики на T- триггерах, JK- триггерах, D- триггерах с последовательным, сквозным или параллельным переносом),
- какие сервисные функции имеет счетчик (синхронные или асинхронные загрузки, сброс, разрешение счета, управление направлением счета и т.д.).
В данной работе изучается схема счетчика на сложение с последовательным переносом, построенная на JK-триггерах.
1. Исследуем JK- триггер и его работу. Создадим графическую схему JK-триггера в программе max2+:
Входы r и s служат для ручной установки значения триггера. Нам их работа не интересна, хотя для начала работы прибора нужно на вход r подать значение 0. Рассмотрим комбинации входов J и K , которые влияют на работу триггера:
J = 0 K = 0 - сигнал сохраняется и не меняется.
J =1 K = 1 - сигнал инвертируется. Инверсия происходит только в том случае, если перед этим он сохранялся, то есть значения J и K были нулями.
J = 1 K = 0 - перевод сигнала в 1.
J = 0 K =1 - перевод сигнала в 0.
Смоделируем работу схемы и получим временные диаграммы, иллюстрирующие вышеописанные процессы:
Составим программу JK-триггера в виде поведенческой модели на языке vhdl. Заметим, что входы r и s отброшены за ненадобностью. Поведенческая модель исследует только работу триггера в зависимости от входов j и k:
LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.all;
ENTITY jktr IS
PORT
(
k : IN STD_LOGIC;
j : IN STD_LOGIC;
qi : OUT STD_LOGIC;
q : OUT STD_LOGIC
);
END jktr;
ARCHITECTURE behav OF jktr IS
SIGNAL q1,f,q2 : STD_LOGIC;
BEGIN
PROCESS (k,j)
variable f: STD_LOGIC;
BEGIN
if (k='0'and j='0') then
f:='1';
elsif (k='1' and j='1') then
if (f='1') then
q1<=not q1; q2<=not q2; f:='0';
end if;
else
if (k='1') then
q1<='1'; q2<='0'; f:='0';
else
q1<='0'; q2<='1'; f:='0';
end if;
end if;
END PROCESS;
qi <= q1;
q <= q2;
END behav;
Заметим, что в схеме точно уточняются значения j и k, так как помимо их равенства в 0 и 1 есть другие состояния. Смоделируем работу и получим временную диаграмму:
Схема работает правильно. Исследуем работу T-триггера.
2. Создадим графическую схему T-триггера в программе max2+:
Для СЭ нужно, чтобы под действием каждого счётного импульса он переходил в состояние противоположное предыдущему.
Т-триггер получен слиянием входов J и K, потому работа заключается в том, что при смене фронта сигнала на входе Т на единицу, то выходной сигнал инвертируется. Смоделируем работу и составим временные диаграммы:
Как и в случае с JK-триггером, входы r и s нужны для сбрасывания сигнала и в начале, чтобы начать работу прибора, на вход r подаётся логический 0. В начале заметно, что вход q повторяет сигналы на входе t. Дело в том, что при сбрасывании сигнала, на входе t меняется фронт сигнала, что приводит к непредсказуемым последствиям. Необходимо, чтобы, во время подачи на вход r логического нуля, на вход t также подавался 0. Мы не учтём этого в поведенческой модели и просто укажем, что для работы прибора необходимо, чтобы вход r всегда получал логический сигнал 1. Вход s не будет влиять на работу прибора.
Напишем поведенческую модель T-триггера на языке vhdl:
LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.all;
ENTITY vh2 IS
PORT
(
t : IN STD_LOGIC;
s : IN STD_LOGIC;
r : IN STD_LOGIC;
qi : OUT STD_LOGIC;
q : OUT STD_LOGIC
);
END vh2;
ARCHITECTURE a OF vh2 IS
SIGNAL q1,q2 : STD_LOGIC;
BEGIN
PROCESS (t,s,r)
BEGIN
if (r='0') then
q1<='0';q2<='1';
elsif (t'EVENT and t='1') then
q1<=not q1; q2<=not q2;
end if;
END PROCESS;
qi <= q1;
q <= q2;
END a;
Смоделируем работу и получим временную диаграмму:
Результат не отличается от результата моделирования графической схемы и схема работает правильно.
Посмотрим приборы, которые основаны на jk-триггерах. К примеру: 4-х разрядный счётчик.
1. Счётчик, при поступлении импульса, путём сложения считает в двоичной системе по разрядам. Создадим графическую схему в программе max2+:
Вход r необходим для сбрасывания сигнала в 0. Заметим, что для этого следует подавать на вход r логический 0, так как, перед подачей на вход CLRN, сигнал инвертируется. Вход С служит, как определяющий работу прибора. Если на входе С меняется фронт сигнала, то прибор работает. Постоянный сигнал на входе С прекратит работу счётчика. На вход jk, для корректной работы прибора, должен подаваться постоянный фронт сигнала, а именно логической единицы. При подаче на вход JK логического нуля, прибор не будет работать, и будет просто сохранять своё состояние.
Смоделируем работу схемы и получим временные диаграммы:
Напишем поведенческую схему счётчика на языке vhdl:
LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.all;
ENTITY vh3 IS
PORT
(
r : IN STD_LOGIC;
jk : IN STD_LOGIC;
c : IN STD_LOGIC;
q3 : OUT STD_LOGIC;
q2 : OUT STD_LOGIC;
q1 : OUT STD_LOGIC;
q0 : OUT STD_LOGIC
);
END vh3;
ARCHITECTURE a OF vh3 IS
SIGNAL qs0,qs1,qs2,qs3 : STD_LOGIC;
BEGIN
PROCESS (r,jk,c)
BEGIN
IF ( c'EVENT AND c='1') THEN
IF ( jk='1' AND r='1') THEN
IF(qs0='0') THEN
qs0<='1';
ELSE
IF(qs1='0') THEN
qs0 <= '0';
qs1 <= '1';
ELSE
IF(qs2='0') THEN
qs0 <= '0';
qs1 <= '0';
qs2 <= '1';
else
if (qs3='0') then
qs0 <='0';
qs1 <='0';
qs2 <='0';
qs3 <='1';
end if;
END IF;
end if;
end if;
end if;
end if;
if (q1='1) and (q2='1') and (q3='1') and (q0=1') then
q0<='0';
q1<='0';
q2<='0';
q3<='0';
end if;
END PROCESS;
q0 <= qs0;
q1 <= qs1;
q2 <= qs2;
q3 <= qs3;
END a;
Последнее обнуление необходимо, чтобы после 15, счётчик не перевёл все выходы в постоянный сигнал - 1, а начал считать снова. Смоделируем работу и составим временную диаграмму:
Результат ничем не отличается от результата графической схемы.
