«Панели»  Счетчики – Цифровая техника

July 19, 2015 by admin Комментировать »

Счетчик — сложная цифровая микросхема триггерного типа, предназначенная для подсчета числа импульсов. Счетчики бывают двоичными, двоично-десятичными и смешанными. Имеют один-два входа синхронизации С, вход сброса R, некоторые имеют параллельные порты для предварительной загрузки информации, у некоторых к выходам подключен дешифратор.

Счетчики, как и все остальные сложные микросхемы, которые я отнес к «панелям», могут включаться только по стандартным схемам. Это принципиальное отличие «панелей» от «кирпичей» (логические элементы и триггеры), которое допускает нестандартное включение и «глины», для которой стандартных схем включения вообще нет. Поэтому, несмотря на то что большинство «панелей» очень сложны, понять работу и научиться правильно их использовать гораздо проще, чем большинство других элементов. Все входы и выходы у большинства «панелей» специализированные (в отличие от логических элементов), поэтому знать название и функцию каждого вывода нужно обязательно.

В цифровой технике счетчики используются очень широко, они есть практически в каждой более-менее сложной схеме. Они выполняют множество функций, связанных с необходимостью подсчета, количества импульсов. Подробнее схемы включения счетчиков будут рассмотрены чуть ниже. Сейчас же к самому скучному, но без чего все дальнейшее повествование окажется бессмысленным — к теории.

Цоколевка наиболее часто используемых радиолюбителями в своих схемах счетчиков приведена на рис. 1.62. Как нетрудно заметить, у всех счетчиков, изображенных на этом рисунке, в названии есть буквы «ИЕ». Это один из тех немногих случаев, когда советская система маркировки элементов оказывается лучше западной. Заграничные микросхемы маркируются совершенно по-дурацки: что-то типа «микросхема 1», «2». «3» и т. д. — до 99, не обращая никакого внимания на выполняемые микросхемой функции (см. таблицу аналогов р приложении). Так, например, микросхемы с суффиксом 12, 19 и 23 — это логические элементы, а с суффиксами 17,-20, 22 и 24 — счетчики. Запутаться в такой классификации проще простого, а выучить ее (отечественная система маркировки очень легко запоминается «сама собой») практически невозможно. А сколько было неработающих схем ·— и все из-за ошибки в одну-две единицы! Очень жаль, что советская система маркировки микросхем не принята во всем мире: в технике главное — простота и наглядность (так как она сама по себе очень сложна), а не патриотизм и страх перед коммунизмом…

Самый Простой счетчик из всех, изображенных на рис. 1.62, — микросхема К176ИЕ1. Она представляет собой шестиразрядный счетчик, работающий по спаду управляющего импульса и имеющий вход сброса R. Вообще большинство счетчиков работает именно по спаду. Как видно из таблицы на рис. 1.59, старший разряд счетчика (т. е. тот, который в таблице расположен левее) переключается в момент перехода младшего разряда из уровня лог. «1»в уровень лог. «0», т. е. по спаду. Но некоторые счетчики работают по фронту, в основном это так называемые реверсивные счетчики, которые могут работать как на суммирование, так и на вычитание из своего содержимого входных импульсов. Все остальные (т. е. не реверсивные) счетчики, за некоторым исключением, способны только прибавлять к своему содержимому единицы· Впрочем, если проинвертировать выходы суммирующего счетчика, то получится вычитающий счетчик. Но при этом возникнут сложности со сбросом, т. е. принудительной установкой всех выходов в состояние лог. «0».

Внутренняя схема строения этого счетчика очень похожа на счетчик, изображенный на рис. 1.58, г. Отличается рассматриваемая нами микросхема от этого рисунка только тем, что в цепь последовательно соединены не 4, а 6 триггеров, а также тем, что между входом и выходом С первого триггера включен инвертор.

Для проверки работы счетчиков и большинства остальных микросхем-»панелей», а также поиска неисправностей на собранной и настраиваемой вами слож» ной схеме я настоятельно рекомендую собрать один из универсальных многовходовых логических пробников, схемы которых рассматриваются во второй части этого (первого) тома книги.

Попытки работать с цифровыми микросхемами, не имея такого Пробника, — это то же самое, что работать в сети Интернет с помощью телевизора, переведенного в режим телетекста. В то же время схемы пробников довольно просты и при использовании исправных деталей не требуют никакой настройки. Они начинают работать сразу же после включения напряжения питания.

В составе пробника обязательно должен быть генератор одиночных импульсов. Для проверки исправности микросхемы входы пробника нужно подключить

Puc. 1.62. Счетчики к выходам счетчика, его вход R через резистор на 1 кОм…1 МОм нужно соединить с общим проводом, а ко входу С — подключить выход генератора импульсов. Подавая на вход С одиночные импульсы, можно убедиться, что микросхема работает в полном соответствии с таблицей на рис. 1.59.

Таким нехитрым способом можно сразу узнать всю информацию о счетчике:

•                тип счетчика — двоичный или двоично-десятичный;

•                «рабочий» перепад уровня на входе С — фронт или спад;

•                направление счета — суммирование или вычитание;

•                тип входа сброса R — синхронный или асинхронный;

•                в некоторых случаях можно уточнить цоколевку микросхемы, а также ее внутреннее строение.

Наиболее часто проблемы возникают в последнем пункте. К сожалению, несмотря на наличие стандартов, даже в разных справочниках одни и те же выводы одних и тех же микросхем названы по-разному. Что авторы этих справочников хотят подчеркнуть — собственную безграмотность или желание внедрить принципиально новую, никому не понятную систему условных сокращений, — мне неизвестно. Но очень часто, отыскав в справочнике цоколевку микросхемы, эту же микросхему приходится подключать к пробнику, чтобы выяснить, что скрывается, например, под аббревиатурой CRD — то ли это вход С, то ли D или вообще R. И такие «умные» сокращения встречаются сплошь и рядом, превращая творческую работу радиолюбителя-конструктора в пытку. В этой книге «нестандартных» и непонятных сокращений нет, но в том-то все и дело, что я рассматриваю только некоторые микросхемы, на самом деле их раз в десять больше. Поэтому, чтобы в будущем у вас не возникло проблем в «общении» с отсутствующими в этой книге микросхемами, лучше заранее «набейте руку», проверяя работу рассмотренных и подробно описанных здесь микросхем. Начинать лучше от простого, постепенно Переходя к более сложному.

Микросхема К176ИЕ1 — самый первый счетчик, выпущенный нашей промышленностью, поэтому у него есть целых четыре свободных никуда не подключенных вывода. У всех остальных счетчиков, которые были «придуманы» позже этого, все выводы используются «на полную катушку», и «лишних» среди них нет, наоборот, очень часто для «полного раскрытия возможностей данной микросхемы» не хватает одного-двух Выводов; а приделать их «сбоку» — невозможно.

Усовершенствованными аналогами микросхемы К176ИЕ1 являются счетчики К561ИЕ16 и К561ИЕ20. У первого из них «внутри» 14 разрядов, у второго — 12. Оба выпускаются в 16-выводных корпусах, и их цоколевка практически совпадает (см. рис. 1 62).

У многоразрядных счетчиков коэффициент деления достигает довольно больших величин (несколько тысяч), поэтому, чтобы не загромождать схематические изображения счетчиков расположенными в десять рядов трех-четырехразрядными числами возле их выходов, выходы обычно обозначают в виде степени 2х, где «х» — порядковый номер разряда. Цифру «2» за ненадобностью очень часто убирают и выходы обозначают целыми числами от нуля до бесконечности. При этом они становятся очень похожими на выходы регистров, которые отличаются от счетчиков практически всем. Это нужно помнить и учитывать. В спорных случаях счетчик от регистра можно отличить по гербу.

Обе эти микросхемы (ИЕ16 и ИЕ20) работают точно так же, как и их прототип (ИЕ1), поэтому повторяться здесь я не буду. Друг от друга эти микросхемы отличаются числом разрядов — количеством встроенных счетных триггеров. Как видно из рис. 1 62, у микросхемы К561ИЕ16 «пропущены» выходы 21 и 22 (соответственно выходы 2 и 4) Для многих схем это не имеет никакого значения, во всех остальных случаях нужно использовать микросхему К561ИЕ20, у которой «пропущенных» выходов нет. Если же вы можете «достать» только микросхему К561ИЕ16 (а эта проблема — малый ассортимент деталей — присуща не только «глубинке», но и довольно крупным городам), то к ее выходу 2° можно подключить любой двухи более разрядный счетчик, работающий по спаду (если он работает по фронту, то его вход к выходу ИЕ16 нужно подключить через инвертор). Сигналы, которые должны быть на выходах 2 и 4 ИЕ16, нужно снимать с выходов 1 и 2 дополнительного счетчика. Кстати, эти разряды (2 и 4) внутри счетчика ИЕ16 есть, просто от них не сделано отводов Дело в том, что цифровые микросхемы выпускаются только в 14-, 16и 24-выводных корпусах. Если в счетчики ИЕ16 сделать отводы от всех разрядов, то понадобится 14 (разрядов) + 2 (управляющих входа) + 2 (вывода питания) = 18 (выводов). То есть счетчик нужно выпускать в 24-»ногом» корпусе. На плате такой корпус занимает место в 2,5 раза больше, чем 16-»ногий».

Определенный интерес у радиолюбителей вызывает счетчик К561ИЕ10. Во-первых, это единственная в серии К561 микросхема, состоящая из двух независимых 4-разрядных двоичных счетчиков, а во-вторых, каждый счетчик имеет по два входа С — один работает по фронту, а второй — по спаду.

Входная часть «внутренностей» этого счетчика нарисована на рис. 1.63, а, из которого видно, как два входа С объединены в один. Допустим, что на входе, помеченном буквами СР, присутствует уровень лог. »1». Тогда на верхнем по схеме входе элемента 2ИЛИ-НЕ будет уровень лог. «0», т. е. этот элемент будет работать как инвертор, пропуская проинвертированные сигналы со входа CN на вход счетных триггеров. При уровне лог. «0» на входе СР, на выходе элемента 2ИЛИ-НЕ, независимо от сигнала на входе CN, устанавливается уровень лог. «0». т. е. подсчет импульсов, поступающих на вход CN, запрещен.

Аналогично работает и вход CN. При уровне лог. «0» на этом входе микросхема считает» импульсы, поступающие на вход СР; при уровне лог. «1» на входе CN подсчет импульсов запрещен. Если во время фронта сигнала на входе CN, на входе СР присутствует уровень лог. «1», то по фронту сигнала на входе CN счетчик прибавит к своему содержимому» одну единицу; если же в это время на входе СР действует уровень лог. «0», то счетчик ничего не прибавит. Аналогичные процессы происходят и при разрешении/запрете счета с помощью входа СР, только в этом случае все уровни и перепады уровней имеют противоположную полярность. Надеюсь, вы сможете разобраться в этом самостоятельно, а потом и убедиться в этом на практике, подключив микросхему к логическому пробнику. Оба счетчика микросхемы абсолютно независимы друг от друга — об этом сви-

Puc. 1.63. Входная часть внутренних структур разных счетчиков: а — К561ИЕЮ; 6 — К176ИЕ2; в — К561ИЕ8. На рисунках показаны только два из четырех (пяти) счетных триггеров. Все остальные триггеры включены аналогично нижнему детельствует горизонтальная черта на изображении микросхемы, происходящая через ту ее часть, на которой обычно рисуется герб.

Деление входов С на «положительный» (СР) и «отрицательный» (CN) условно и не совсем правильно. Понятней — как для читателей, так и для разработчиков новых устройств — будет то изображение микросхемы, которое нарисовано на рис. 1.62. По крайней мере, из этого рисунка хотя бы видно, какой из входов на какой перепад уровней реагирует; небольшая горизонтальная черточка, «приклеенная» к косой палочке, символизирующей «рабочий» перепад уровней, означает, при каком уровне на одном из входов разрешается работа (счет импульсов) по второму входу, т. е. если импульсы подаются на вывод 2 микросхемы К561ИЕ10, то для разрешения счета на вывод 1 этой микросхемы нужно подать лог. «0».

Несмотря на то что такое схематическое изображение (см. рис. 1.62) позволяет объяснить все свойства и возможности микросхемы, В литературе я его ни разу не встречал. Почти все авторы доступных мне справочников по цифровым микросхемам даже не догадались отметить, какой из входов работает по фронту, а какой — по спаду. А ведь не зная этого — самого элементарного, — вы не сможете правильно согласовать работу счетчика с другими микросхемами по уровням, т. е. ваша схема, скорее всего, работать не будет. Почти во всех «умных книгах» входы помечены аббревиатурой CN и СР, без всяких косых палочек. А кое-где вообще вход, работающий по фронту, помечен буквами СЕ (Е — enable — давать возможность. Запомните «расшифровку» этой буквы — она очень часто встречается), т. е. этот (и только этот) вход разрешает и запрещает счет. Автор, наверное, и не догадывается, что эту же функцию может выполнять и второй вход. А все из-за того, что он не догадался испытать микросхему на логическом пробнике. Мне, чтобы узнать внутреннее строение микросхемы (т. е. то, что изображено на рис. 1.63, а), понадобилось секунд 20 работы с пробником и еще около минуты с таблицами истинности логических элементов. Комментарии, как говорится, излишни… Именно поэтому я и агитирую читателей, чтобы они испытывали на логическом пробнике все новые для них типы микросхем. Только так удается избежать чужих ошибок и не наплодить своих.

Следующая микросхема, которую мы рассмотрим, — К176ИЕ2. Если честно сказать, это довольно «серьезная» микросхема, но, к сожалению, с плохо продуманной схемой строения. У нее есть как недостатки, так и преимущества, которых нет у других счетчиков.

Микросхема К176ИЕ2 — пятиразрядный двоичный или двоично-десятичный счетчик, с возможностью предварительной загрузки информации через параллельные порты (только для четырех младших разрядов). Имеет два входа С, один вход R и выход переноса с четырех младших разрядов. Работает по спаду импульса.

Режим работы счетчика (двоичный или двоично-десятичный; т. е. он «считает» до 15 или 9) выбирается уровнем на выходе 1 микросхемы: если там уровень лог. «0». то счетчик работает в двоично-десятичном счислении, а если уровень лог. «1». то — в двоичном. Подадим на этот вход уровень лог. «0».

Вход R у этого счетчика прямой (т. е. не инверсный), поэтому для того, чтобы микросхема могла считать импульсы, на него нужно падать уровень лог. «0» (запрет обнуления триггеров). Вообще для всех прямых входов разрешающим является уровень лог. «1»: если на прямой вход R любой микросхемы (например, RS-триггера) подать уровень лог. «1». то триггер обнулится; если на вход S (разрешение записи «единицы») этого триггера подать уровень лог. «1», то в него запишется «единица». Но при уровнях лог. «0» на обоих входах ни одна из функ- . ций (т. е. или «запись лог. «0», или «запись лог. «1») не будет активизирована — триггер будет находиться в режиме хранения, и информация на его выходе будет оставаться неизменной. Если к RS-триггеру пристыкован D-триггер, то при таких уровнях на входах R и S у триггера появляется возможность работы С и D.

Все вышесказанное относится только к прямым входам. Если же вход инверсный, то для активизации функции, выполняемой входом, на него нужно подать уровень лог. «0», а для того, чтобы он не «мешал» работе микросхемы по другим входам, на него надо установить уровень лог. «1».

Так как вход сброса R у микросхемы К176ИЕ2 приоритетный (т. е. самый главный), то для того, чтобы он не мешал счетчику считать импульсы, на него нужно подать уровень лог. «0». Также надо поступать и со всеми остальными входами; «нужные» входы (например, «разрешение счета») надо активизировать (подать на них «единицу», если эти входы прямые), а «не нужные» в данный момент (например, «запрет счета» или «выключение напряжения питания микросхемы») нужно отключить запрещающим работу этих входов уровнем. Но ни один из входов нельзя оставлять «свободным», т. е. никуда не подключенным! На каждом входе должен быть какой-нибудь уровень, иначе микросхема сама подаст на свободный вход какой-нибудь логический уровень. По закону подлости этот уровень почти всегда оказывается «неправильным» и микросхема не работает так, как нам хочется. Поэтому лучше вы ей указывайте, как она должна работать, а не позволяйте ей решать этот вопрос самостоятельно.

Входная часть внутренней схемы этого счетчика показана на рис. 1.63, б. Как видно из рисунка, оба входа С объединены по схеме «2И». поэтому, для того чтобы разрешить счет импульсов микросхемой по одному из входов С, на второй вход нужно подать уровень лог. «1». При уровне лог. «0» на одном из входов (все равно каком) подсчет импульсов, поступающих на второй вход, запрещен.

Это первый недостаток описываемого счетчика. Было бы очень неплохо, если б проектировщики микросхемы догадались сделать один из входов инверсным. На стоимость микросхемы лишний инвертор не повлияет, но благодаря ему микросхема стала бы более универсальной.

В микросхеме также возможна предварительная запись информации с параллельных входов. Они «сделаны» в виде RS-триггера (см. рис. 1.63, б), поэтому при подаче на один из входов S уровня лог. «1»на соответствующем выходе появится уровень лог. «1», независимо от сигналов на всех остальных входах. При этом счет импульсов, поступающих на вход С, во время действия на одном или всех входах С уровня лог. «1» частично или полностью нарушится. При работе микросхемы в двоично-десятичном режиме по входу S нельзя записывать число больше 9 — микросхема может заглючить и перестать правильно реагировать на сигналы со входа С. Для работы микросхемы в режиме счетчика на всех входах S должны присутствовать уровни лог. «0».

Перейдем теперь к выходам. Выходы 1…8 работают в зависимости от уровня на выводе 1 микросхемы или в двоичном (максимальное число 15), или в двоично-десятичном (максимальное число 9) режиме; выход 16 (вывод 10 микросхемы) — выход счетного триггера, подключенного к выходу 8, и по переходу выходов 1…8 от максимального числа к числу «0» уровень на выходе 16 меняется на противоположный. Таким образом, эта микросхема может «сосчитать» 20 или 32 импульса, в зависимости от режима работы (соответственно двоично-десятичный и двоичный).

У микросхемы также есть выход переноса РО (О — out — выход), который неизвестно для чего разработчики микросхемы решили сделать инверсным, — ведь оба входа С у этой микросхемы прямые, т. е. работают По спаду импульса. Выход переноса правильно работает только в двоично-десятичном режиме: пока на выходах 1…8 микросхемы присутствует код любого числа в пределах 0…8, на выходе переноса поддерживается уровень лог. «1». При коде на выходах, соответствующем двоичному числу 9, на выходе переноса устанавливается уровень лог. «0». По следующему спаду импульса на входе С на выходах устанавливается код цифры «0», а на выходе переноса — уровень лог. «1». То есть выход переноса рассчитан на подключение к нему микросхемы, работающей по фронту (очень часто одного счетчика «не хватает», поэтому используют последовательное включение нескольких счетчиков, когда вход следующего счетчика подключается к выходу предыдущего, например, в микрокалькуляторе, у которого на индикаторе 8 десятичных цифр, нужно использовать как минимум 8 счетчиков, включенных последовательно). Микросхему, работающую по спаду, лучше всего подключить к выходу 8 этого счетчика.

При работе микросхемы в двоичном режиме выход переноса использовать по его прямому назначению нельзя — уровни лог. «0» на нем появляются при двоичных числах на выводах 1…8, равных 9, 11, 13, 15. При всех остальных числах на этом выходе присутствует уровень лог. «1». То есть за один период счета (16 импульсов на входе С) на этом выходе появляется не один-единственный импульс, а целых четыре. Поэтому сигнал переноса лучше снимать с выходов 8 или 16 микросхемы.

Среди КМОП-ИМС есть еще две аналогичные, но более совершенные, чем К176ИЕ2, микросхемы-счетчики. Называются они К561ИЕ11 и ИЕН и, благодаря некоторым преимуществам, которых нет у других счетчиков, используются очень часто.

Оба эти счетчика объединяет тот факт, что они реверсные, т. е. могут работать как на суммирование, так и на вычитание. Кроме того, цоколевка обеих микросхем практически совпадает. Друг от друга они отличаются тем, что у ИЕН нет входа сброса, вместо него в микросхему введен вход выбора типа счисления (двоичного или двоично-десятичного). Микросхема ИЕ11 работает только в двоичном режиме.

Обе микросхемы имеют инверсный вход С, работающий по фронту, а также вход PI (prohibition in — запрещающий вход), который разрешает или запрещает (при уровнях на нем соответственно «0» и «1»— этот вход инверсный) подсчет импульсов. Причем это именно запрещающий вход, и подавать на него тактовые (т. е. те, которые нужно считать) импульсы бессмысленно — счетчик ничего не будет считать.

Вывод 10 микросхем — вход выбора направления счета. Работает он так же, как и аналогичный вход у микросхемы К176ИЕ2. В литературе этот вход иногда называют буквой U. По-моему, знак «±» говорит больше, чем эта буква В электронике главное — наглядность: схемы и так слишком сложны.

В триггеры счетчика можно загрузить предварительную информацию с параллельных входов D1…D8. Для этого на вход CD нужно подавать уровень лог. «1». В режиме счета на этом входе должен быть уровень лог. «0». Вместо своего прямого назначения, эти два счетчика можно использовать в качестве регистров-«защелок», управляется «регистр» по входам CD, R, D1…D8.

Выход РО («запрещающий выход») у обоих счетчиков, в отличие от микросхемы К176ИЕ2, работает «правильно» во всех режимах, обычно на этом выходе присутствует уровень лог. «1». Если счетчик работает на суммирование, то, как только он «досчитает» до максимального числа (9 или 15), на этом выходе появится уровень лог. «0». Если сейчас на вход ΡΙ подать уровень лог. «1», на выходе РО установится «единица», а после подачи на вход ΡΙ разрешающего уровня лог. «0» — на выходе РО снова установится «ноль». По фронту импульса на выходе С на выходах 1…8 установится код цифры «0», а на выходе РО — уровень лог. «1».

Когда счетчик работает на вычитание, на выходе РО уровень лог. «0» устанавливается тогда, когда по всем выходам 1…8 записаны уровни лог. «0» (цифра «0»). В этом режиме его также можно сменить на «единицу», подав на вход ΡΙ запрещающий счет уровень.

Благодаря этим особенностям работы входа и выхода переноса микросхемы ИЕП и ИЕ14 можно использовать в многоразрядных параллельных счетчиках, которые работают гораздо лучше последовательных.

Для построения многоразрядных счетчиков из нескольких отдельных микросхем существуют две основные схемы соединения последних: последовательная (рис. 1.64, о) и параллельная (рис. 1.64, б). Недостаток последовательной схемы — ее большая инерционность. Допустим, что в оба верхних счетчика на рис. 1.64, а записаны максимальные для них числа. Тогда по очередному «рабочему» перепаду импульса на входе с верхнего по схеме счетчика сначала переключится верхний счетчик. И через некоторое время (все микросхемы инерционны, и «мгновенно» у них ничего не происходит) на его выходе переноса сформируется «рабочий» перепад уровня для средней микросхемы. Через некоторое время переключится средняя микросхема и разрешит переключение нижнего счетчика… Все это очень похоже на эстафету с передачей палочки или какого-нибудь другого предмета. Изменение информации на выходах трех (в некоторых схемах их может быть до десятка) счетчиков сильно сдвинуто по времени: в то время, как верхний по схеме счетчик уже переключился и изменил информацию на своих выходах, до нижнего счетчика сигнал переноса еще не дошел. Из-за этого уменьшается быстродействие (скорость работы) всей схемы — а у КМОП-микросхем, рассматриваемых в этой книге, быстродействие и само по

Рис. /.64. Многоразрядные счетчики: а — последовательная; б — параллельная схемы включения. Цифры над косой Чертой означают разрядность соответствующей шины (количество проводов в ней)

себе не очень велико. Кроме того, многие схемы не допускают такого «последовательного» изменения информации.

Поэтому в таких случаях обычно применяется параллельная схема соединения счетчиков. Для простоты объяснения допустим, что в верхнем счетчике на рис. 1.64, б записано число «14», в среднем — «15», а в нижнем — любое. На выходе РО верхнего счетчика присутствует уровень лог. «1». который «гасит» уровень лог. «0» на выходе переноса среднего, переполненного, счетчика, поэтому на его выходе также присутствует уровень лог. «1». Поэтому по фронту сигнала на объединенном входе С переключится только верхний счетчик. На его выходах зафиксируется число «15». а на выходе переноса появится уровень лог. «0». Как только он «дойдет» до среднего счетчика, на его выходе РО также появится уровень лог. «0», так как этот счетчик тоже переполнен. Через некоторое время «ноль» «дойдет» до нижнего счетчика и также разрешит его работу.

Теперь все три счетчика будут ждать фронта импульса на их входах С. Как только он поступит на эти входы, все три счетчика одновременно переключатся. На выходах РО верхнего и среднего счетчиков появятся уровни лог. «1». поэтому по следующему фронту сигнала переключится только верхний счетчик. Как только он переполнится, на его выходе РО появится уровень лог. «0». который подготовит средний счетчик к работе. Так как он не переполнен, то на его выходе РО останется уровень лог. «1», поэтому по фронту сигнала на входе С переключатся только верхний и средний счетчики. И опять одновременно.

Время переключения нескольких последовательно соединенных по выводам переноса счетчиков гораздо меньше одного периода тактовой частоты на входе С, поэтому даже десятков счетчиков, соединенных по схеме на рис. 1.64, б, при максимально возможной тактовой частоте будет переключаться абсолютно синхронно (одновременно). Поэтому такая схема включения счетчиков используется очень широко. Но из всех микросхем-счетчиков серий К176, К561 и К564 по такой схеме можно включать только микросхемы ИЕ11 и ИЕН.

Существуют также микросхемы, имеющие встроенный генератор, частота которого задается с помощью внешних элементов (К176ИЕ5, ИЕ12, ИЕ18). Эти микросхемы предназначены для работы в электронных часах совместно с кварцевым резонатором на частоту 32768 Гц; «внутри» они содержат до нескольких десятков последовательно включенных счетных триггеров. Благодаря этой особенности они, помимо работы в электронных часах, очень часто используются в цифровых одновибраторах.с очень большим временем задержки (до десятков часов), а также в качестве делителей частоты с очень большим коэффициентом деления.

Задающий генератор микросхем выполнен по схемам, изображенным на рис. 1.65. Для начала рассмотрим «самую простую» микросхему — К176ИЕ5. «Внутри» нее, кроме счетных триггеров, есть три логических элемента (рис. 1.65, а): два инвертора и один повторитель. Подключая к этим элементам внешние детали (рис. 1.66), их можно заставить генерировать некоторую, нужную нам, частоту. Выход первого инвертора непосредственно соединен со входом первого счетного триггера (чтобы не загромождать рисунок, я нарисовал только один триггер; на самом деле их там 9 штук). В этом можно убедиться, подключив к выводу 9 микросхемы выход генератора импульсов с частотой около 1 кГц, а к

Puc. 1.65. Схемы задающего генератора некоторых микросхем: а – К176ИЕ5; б – К176ИЕ12 выходу счетных триггеров (вывод 1) — логический пробник. При замыкании на шину питания или общий провод выводов 11 и 12 микросхемы (современные Цифровые микросхемы нечувствительны к короткому замыканию выходов) триггеры продолжают считать импульсы, а при замыкании вывода 10 счет нарушается (счетчик «останавливается»). Правда, при этом через вывод 10 течет довольно большой ток — несколько миллиампер, поэтому «останавливать» генератор с целью экономии электроэнергии лучше каким-нибудь другим способом.

Эта микросхема содержит два счетчика: первый подключен непосредственно к задающему генератору и не имеет входа сброса. Наружу у него выведен выход с коэффициентом деления 29512 (т. е. уровень лог. «0» или лог. «1»на этом выходе удерживается в течение 256 колебаний генератора; один полный период колебаний на этом выходе, т. е. переход уровня из лог. «1»в лог. «0» н обратно, произойдет через 512 колебаний). Второй счетчик не зависит от первого и генератора, имеет индивидуальные входы С, R и два выхода: 25 (32) н 2В(64). Все остальные выходы счетчиков наружу не выведены по той же причине, что и у микросхемы К561ИЕ16. Кроме тогб, второй счетчик имеет свой собственный вход общего провода (вывод 6). Зачем это сделано, мне неизвестно. Этот вывод всегда должен быть соединенным с выводом 7 микросхемы и с общим проводом всего устройства.

Рис. 1.66. Схемы подключения внешних частотозадающих элементов к микросхемам серии КП6

Чуть сложнее и более универсальна микросхема К176ИЕ12. У нее непосредственно с генератором соединен 15-разрядный счетчик, имеющий отводы от 5, 14 и 15-го разрядов. Этот счетчик работает на вычитание (а не на суммирование, как большинство счетчиков) и имеет вход сброса R. После подачи на этот вход уровня лог. «1»во всех разрядах счетчика установятся уровни лог. «0». После того как на этом входе установится уровень лог. «0», по первому фронту сигнала на входе IN во всех разрядах счетчика окажутся уровни лог. «1». Через 16 импульсов на выходе 5 (не путайте выход с выводом! Номер или название выхода написано внутри изображения микросхемы, а номер вывода — снаружи) появится уровень лог. «0», еще через 16 — лог. «1» и т. Д. То есть микросхема считает от максимального значения (во всех 15 разрядах записаны «единицы») до минимального (везде «нули»), после чего снова «опрокидывается» в максимальное. Если вам это не совсем понятно, сверните таблицу на рис. 1.59 в кольцо и прокручивайте ее от числа «15» к числу «0». Если вы ее правильно свернули, то сразу после нуля будет число «15».

При использовании этого счетчика в собственных конструкциях нужно обязательно учитывать «нестандартное» направление счета. Так, после импульса обнуления уровень лог. «1»на выходе 15 появится не через 2м = 16 384 импульса на входе IN, как у «нормальных» счетчиков, а практически сразу. Не пугайтесь, это норма и микросхему выбрасывать не нужно.

К разряду 7 и 8 этого счетчика подключен 2-разрядный двоичный дешифратор, его выходы на рис. 1.62 обозначены буквами Т1…Т4. Работает он следующим образом: при подаче уровня лог. «1»на вход сброса R, на выходе Т4 появляется уровень лог. «1». На всех остальных выходах Т в это время уровень лог. «0». По фронту первого импульса на входе IN уровень лог. «1»перескакивает на входТ!, а на всех остальных выходах поддерживаются «нули». Через 64 импульса на входе IN (или через 2 колебания на выходе 5) «единица» «перескочит» на выход Т2, через столько же колебаний — на выход ТЗ, потом — Т4, потом — Т и т. д. по кольцу.

Кроме основного 15-разрядного счетчика, в микросхеме есть еще один счетчик — делитель на 60 с индивидуальными входами сброса R, синхронизации С и выходом 60. В электронных часах, для которых и предназначена эта микросхема, дополнительный счетчик делит секундные импульсы с выхода 15 основного счетчика до минутных, и один полный период колебаний .(фронт — спад — фронт или наоборот) произойдет ровно через 1 минуту (при подключенном кварце на 32768 Гц). Но его можно использовать и в других целях. Работает этот счетчик по спаду импульса и на суммирование, поэтому каких-либо «сюрпризов» он не таит. После обнуления счетчика (он по всем входам и выходу абсолютно независим от основного счетчика) уровень лог. «1»на его выходе появится через 40 колебаний на входе С, а после того, как на этот вход поступит еще 20 колебаний, на входе появится уровень лог. «0». Еще через 40 колебаний на выходе снова появится «единица». Так может продолжаться до бесконечности.

Микросхема К176ИЕ18 — усовершенствованный аналог К176ИЕ12. К сожалению, «достать» эту микросхему мне не удалось, поэтому придется ограничиться той информацией, что дана в справочниках.

По цоколевке эта микросхема практически не отличается от своей предшественницы (см. рис. 1.62). Незначительные отличия:

•                счетчик-делитель на 60 введен в состав основного счетчика. Благодаря этому освободилось 2 вывода (выводы 7 и 9), к которым предприимчивые проектировщики микросхемы подключили мощный буферный повторитель, не зависящий от счетчика;

•                у генератора нет прямого выхода, зато есть некий вход М, который в рабочем режиме должен быть соединен с общим проводом. Вполне возможно, что этот вход блокировки генератора. Если это так, то универсальность микросхемы резко возрастает;

•                нумерация выходов Т у ИЕ18 отличается от ИЕ12. Что это — стремление автора справочника к тому, чтобы цифры за границей изображения микросхемы располагались «красиво», или очередная прихоть проектировщиков? Если верен второй вариант, то из-за такой «мелочи» этими двумя микросхемами заменять друг друга нельзя, по крайней мере, без серьезных переделок печатной платы. Зачем они это сделали?

Кроме «обычных» счетчиков, существуют также счетчики со встроенным дешифратором. Примеры таких микросхем в серии КМОП-ИМС —· К176ИЕЗ, ИЕ4, К561ИЕ8, ИЕ9. Примечание таких микросхем позволяет значительно снизить сложность всего устройства, а также уменьшить его габариты.

Рассмотрим микросхему К561ИЕ8. Она имеет вход сброса R и два входа синхронизации С. «Входная» часть схемы этой микросхемы показана на рис. 1.63, в. Сравните ее со схемой строения микросхемы К561ИЕ10 (рис. 1.63, а), которая имеет похожие входы.

Выходы микросхемы устроены так, что уровень лог. «1»присутствует только на одном из выходов, на всех остальных выходах в это время поддерживается уровень лог. «0». К выходу переноса РО это не относится, но «трогать» его сейчас Мы не будем.

После обнуления микросхемы подачей «единичного» импульса на вход сброса R «единица» устанавливается на выходе О. После прихода на вход С одного импульса «единица» «перескакивает» на вход 1 (на выходе О устанавливается уровень лог. «0»), после следующего импульса — на выход 2 и т. д. по кольцу. С выхода 9 уровень лог. «1»по «рабочему» Перепаду на входе С переходит на вход О.

Благодаря этой особенности микросхему можно использовать во всевозможных «бегущих огнях», подключив к ее выходам десяток светодиодов, расположенных по кругу, и подав на ее вход С сигнал с выхода генератора (его частота около 100 Гц). Как это можно сделать, будет говориться во второй части книги.

Как работает выход переноса РО, видно из рис. 1.67, а. Он рассчитан на подключение к нему микросхем, реагирующих на спад импульса. Впрочем, его сигнал можно проннвертировать с помощью любого инвертора, тогда к нему нужно будет подключать нагрузку, реагирующую нА фронт импульса.

Как видно из рис. 1 67, а и уровень лог. «0». и уровень лог. «1»на этом выходе имеют одинаковую продолжительность — по 5 импульсов на входе С каждый. Поэтому микросхема (ИЕ8) очень часто используется в качестве делителя частоты на 10. Ее выходы 0…9 при этом никуда не подключаются.

Эту микросхему можно также использовать в качестве делителя с меньшим коэффициентом деления. Так, например, если нужно «разделить» входную частоту на 6, то вход сброса R микросхемы нужно подключить к ее выходу 6. Нагрузка, реагирующая на спад импульса, подключается к выходу 5, а реагирующая на фронт — к выходу 6. Если нужно получить другие коэффициенты деления в пределах 2…9, то место подключения входа сброса микросхемы и ее нагрузки соответствующим образом изменяется.

Эта микросхема также может работать с «самоблокировкой». Для этого ее вывод 13 (прямой вход С) нужно соединить с каким-нибудь выходом, а управлять микросхемой по выводам 14 и 15. Например, вывод 13 микросхемы соединен с выходом 2 (вывод 4). Пока на этом выходе уровень лог. «0», микросхема «считает» импульсы. Как только на нем появится уровень лог. «1», — «заблокируется» и перестанет реагировать на импульсы, поступающие на ее вывод 14. Восстановить работоспособность микросхемы можно, обнулив ее по входу сброса R. Через два импульса на ее выводе 14 микросхема снова самоблокируется.

Аналогичным образом самоблокировку можно ввести и в счетчик на основе микросхемы К561ИЕ10, соединяя ее инверсный вход С с одним из выходов. Импульсы нужно подавать на прямой вход, работающий по спаду. Допустим, инверсный вход соединен е выходом 2. Через 2 импульса на этом выходе появится уровень лог. «1», который поступит на инверсный вход (работающий по фронту), но переключения микросхемы, несмотря на то что на инверсный вход поступил «рабочий» перепад уровней, не произойдет, так как в это время на прямом входе уровень лог. «0» (этот вход «считает» по перепаду лог. «1»-» лог. «0», а быстродействие микросхемы больше максимальной тактовой частоты), который запрещает счет импульсов по инверсному входу. К тому времени, как на прямой вход счетчика поступит разрешающий счет уровень лог. «1», на инверсном входе будет уровень лог. «1», но никак не фронт импульсов.

Очень похож на микросхему К561ИЕ8 счетчик К561ИЕ9; отличается он от ИЕ8 только тем, что имеет 8 выходов, а не 10, т. е. он работает в двоичном режиме, а не в двоично-десятичном. Выход РО этой микросхемы подключен к выходу 4 внутреннего трехразрядного счетчика; сигнал, присутствующий на этом выходе, показан на рис. 1.67, б. В целом функционирование и разводка входов у этого счетчика ничем не отличается от таковых у его предшественника. «Единица» с его выхода 7 «перескакивает» на выход 0.

Специально для применения в электронных часах предназначены счетчики-дешифраторы К176ИЕЗ (счетчик-делитель на 6) и К176ИЕ4 (счетчик-делитель на 10). Функционирование и разводка выводов (цоколевка) у обеих микросхем практически полностью совпадает.

Эти микросхемы рассчитаны на работу совместно с семисегментными знаковыми светодиодными индикаторами (рис. 1.68), и, комбинируя светящиеся и несветящиеся сегменты, они позволяют высветить любую цифру от 0 до 5 (ИЕЗ) или от 0 до 9 (ИЕ4). При подключении микросхемы к индикатору

Рис. 1.67, Сигнал μα выходе переноса микросхемы К561ИЕ8 (а) и К561ИЕ9 (б)

нужно соблюдать цоколевку, т. е. выход А микросхемы подключить к сегменту а индикатора, выход В — к сегменту Ь и т, д.

Рис. Ш. Семисегментный индикатор

Светодиодные индикаторы бывают дву» типов: с общим анодом, когда аноды всех 7…8 светодиодов соединены между собой и подключены к источнику питания, а катоды через токоограничивающие резисторы — к выходам микросхемы, и с общим катодом — когда к выходу микросхемы подключены аноды светодиодов. В первом случае, для того чтобы засветился сегмент — светодиод, на его вход (катод) нужно подать положительное относительно общего вывода индикатора (анодов светодиодов) напряжения, а во втором — отрицательное. Для того чтобы с помощью одной микросхемы можно было управлять обоими типами индикатора, разработчики микросхем пошли на небольшую хитрость: к выходам дешифратора внутри микросхемы подключили элементы ИСКЛЮЧАЮЩИЕ ИЛИ, а один из входов каждого элемента соединили между собой и вывели наружу (вход «=1», рис. 1.69). Как известно (см. рис. 1.42), при уровне лог. «1» на одном из входов этот элемент инвертирует информацию, поступающую на второй вход, а при уровне лог. «0» передает ее на свой выход без инверсии. Поэтому к выходам микросхемы можно подключать индикаторы любого типа, при этом надо будет только скорректировать тип логического уровня на входе «=1». Для того чтобы при этом не запутаться, запомните такое правило: этот вход должен быть подключен к общему выводу индикатора, т. е. если этот вывод соединен с шиной «+U» (индикатор с общим катодом), то на входе «=1» должен быть уровень лог. «1». Кстати, благодаря этой особенности с помощью такой микросхемы очень легко управлять жидкокристаллическими индикаторами (ЖКИ), на выводы которых нужно подавать переменное напряжение. ЖКИ представляет собой две пластины из стекла, которые склеены таким образом, что между ними оказывается свободное пространство.

Рис. 1.69. Выходная часть микросхем К176ИЕЗ и К176ИЕ4

Это пространство заполняется специальным веществом, так называемыми «жидкими кристаллами».

Сопротивление этого вещества практически бесконечно — более 100 МОм. На поверхность обоих стекол напыляется очень тонкий слой металла, он настолько тонок, что не задерживает свет и увидеть его практически невозможно.

Жидкокристаллический индикатор работает с поляризированным светом, для этого на его верхнюю и нижнюю поверхности наклеены специальные поляризаторы. Подробнее о поляризованном cBete можно прочитать в учебнике физики за 11-й класс, здесь я на этом вопросе останавливаться не буду.

На рис. 1 70 нарисована упрощенная схема внутреннего строения ЖКИ. В пунктах «а» и «б» нарисованы две «половинки» индикатора (верх-

Рис. 1.70. Схемы строения (а — е) и подключения (г) жидкокристаллического индикатора нее и нижнее стекло), на которых «нарисованы» прозрачные металлические площадки, отмеченные цифрами «1, 2» и «3». На рис. 1.70, в нарисован «целый» индикатор, т. е. два стеклышка сложены вместе, склеены, а промежуток между ними (не более 0,05 мм) заполнен жидкими кристаллами.

Как видно из рис. 1.70, в, некоторые металлические площадки на обоих стеклышках перекрыты, получаются вертикальная и горизонтальная палочки. Именно они и будут видны у работающего индикатора.

Работает ЖКИ только от переменного напряжения частотой 60…1000 Гц. Постоянный ток через него, так же как и через конденсатор, «не течет», так как сопротивление жидких Кристаллов почти бесконечно, а металлические площадки на разных стеклышках у исправных индикаторов никогда не соприкасаются друг с другом.

Подключим к площадке 3 прямой выход генератора импульсов, а выводы площадок 1 и 2 соединим между собой и подключим к инверсному выходу генератора. На индикаторе станут видны обе палочки. Происходит это из-за того, что на выводах 3 и 1 + 2 индикатора присутствуют противофазные сигналы, т, е. сигналы с противоположными уровнями, и ток через емкостное сопротивление жидких кристаллов течет «туда-обратно», попутно активизируя их. Если же теперь вывод 1 индикатора отсоединить от вывода 2 и соединить с выводом 3, то на индикаторе «останется» только вертикальная палочка. Между выводами 1 и 3 присутствуют синфазные (одинаковые) сигналы, и ток между этими двумя площадками не течет.

И наконец, отсоединим вывод 1 индикатора от вывода 3 и оставим его «болтаться в воздухе». Теперь «поведение» вертикальной палочки предсказать практически невозможно — она может быть или видимой, или невидимой; «поведение» ее в таком режиме практически не зависит от желаний человека. Поэтому возможность такого режима работы ЖКИ нужно полностью исключить.

Для управления ЖКИ обычно используются элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (рис. 1.70, г); один из входов каждого элемента соединяют с «общим» выводом индикатора (вывод 3 у индикатора на рис. 1.70, в), и на них подают переменный сигнал с выхода генератора импульсов. Если на второй вход элемента поступает уровень лог. «1», то он «превращается» в инвертор (см. таблицу истинности на рис. 1.42), т. е. сегмент индикатора виден. Если же на этот вход подать уровень лог. «0», то элемент «превратится» в повторитель уровня и соответствующий сегмент индикатора станет невидимым.

У микросхем К176ИЕЗ и ИЕ4 все элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ расположены внутри корпуса, поэтому для того, чтобы подключить к микросхеме ЖКИ (и чтобы он заработал!), нужно всего лишь соединить ее вход «=1» с общим выводом индикатора и подать на эти выводы сигнал от генератора импульсов.

Для того чтобы продлить жизнь ЖКИ, на его выводы нельзя подавать напряжение больше 4…6 В. Начинает работать он при напряжении между площадками, равном 2…3 В. Потребляемый таким индикатором ток настолько мал, что его можно не учитывать.

Обе микросхемы имеют выходы переноса (выводы 2 и 3). Уровни на этих выводах зависят только от записанного в триггеры счетчика числа (см. рис. 1.71), но не зависят от уровня на входе «=1». Обе микросхемы предназначены для работы в электронных часах (но их можно использовать и в других устройствах), Поэтому выходы переноса и уровни на нрх несколько «специфичны». Схему электронных часов на основе этих микросхем можно найти во второй книге.

Рис. 1.71. Сигнал на выходах переноса микросхем К176ИЕЗ (а) и К176ИЕ4 (б)

Очень интересна микросхема К561ИЕ19, по сути, это гибрид счетчика и сдвигающего регистра. Как и все счетчики, она имеет входы сброса R и вход синхронизации С, работающий по фронту. Как и большинство сдвигающих регистров, эта микросхема Имеет вход для последовательной записи информации DI. Но все-таки она ближе к регистрам.

Работой микросхемы управляет вход выбора режима CD. При уровне лог. «1» на нем микросхема записывает информацию, приходящую на ее параллельный порт Dl . D5. При этом на сигналы на входах DI и С она не реагирует (но вход сброса R все таки главнее: при уровне лог. «1» на нем микросхема обнуляется и по всем ее инверсным выходам записываются «единицы»). При уровне лог. «0» на входе CD счетчик из регистра-«защелки» превращается в сдвигающий регистр (его вход — DI), а входы D1…D5 блокируются (отключаются). По фронту импульса на входе С микросхема записывает информацию со входа DI на выход 1, предварительно проинвертировав ее, а «старая» информация сдвигается вниз, т. е. тот уровень, что был записан по выходу 1, «перейдет» на выход 2 и т. д.

Эту микросхему часто используют в качестве счетчИКа-делителя На 4, 6, 8 И 10. Например, соединим вход D1 с выходом 5 и обнулим микросхему. По всем ее выходам запишутся уровни лог. «1». По приходу первого импульса на вход С на выходе 1 счетчика запишется уровень лог. «0». После второго импульса он «дойдет» до выхода 2, а после пятого — до выхода 5. Сейчас по всем выходам микросхемы записаны «нули». По приходу на вход с 6… 10 импульса по всем ее выходам последовательно запишутся «единицы». То есть один перепад уровней на всех выходах происходит за 10 перепадов уровней на входе С.

Аналогично работает микросхема и при соединении входа D1 с другими выходами. При этом соответственно уменьшается коэффициент деления счетчика. Уровни на более старших выходах счетчика изменяются «по инерции» — по фронту сигнала на входе С на них «переходят» уровни С более младших выходов. При использовании микросхемы в качестве счетчика-делителя на 2 (вход D1 соединен с выходом 1) уровни изменяются только на выходах 1 и 2 регистра, на всех остальных выходах поддерживаются уровни лог. «1». Связано это или с особенностями внутреннего строения микросхемы, или с тем, что мне в руки «попалась» бракованная микросхема. При подаче на вход DI сигналов от внешних источников подобных «приколов» не наблюдалось.

Вход выбора режима CD часто обозначают буквой S (select — выбор). Я воспользовался буквами CD только потому, что буква S уже «занята» RS-триггером. В противном случае может возникнуть путаница — ведь вход сброса R, выполняющий ту же функцию, что и в RS-триггере, есть практически у каждого счетчика и регистра.

В цифровой электронике даже самая незначительная ошибка может иметь катастрофические последствия.

Источник: А. С. Колдунов, Радиолюбительская азбука. Том 1. Цифровая техника. / А. С. Колдунов — М.: СОЛОН-Пресс, 2003. 272 с. — (Серия «СОЛОН — радиолюбителям» Выпуск 18)

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты