Исследование схемы счетчика, построенного на JK-, T-триггерах
Исследование
схемы счетчика, построенного на JK-, T-триггерах
Содержание
электрическая схема счетчик
1. Эквивалентное
преобразование электрических схем
. Расчёт
транзисторных схем
. Проектирование
и изучение работы JK-,
T- триггеров и
четырехразрядного счётчика
1.Расчёт эквивалентных схем
Определение идеальных элементов схем замещения:
) 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.
) 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
) 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 σ=k*Il
(закон Генри) и коэффициент пропорциональности назвали индуктивностью: L
5)
Идеальный вентиль
Был диод с нелинейной ВАХ, её кусочно
аппроксимировали (идеализировали, сделали линейной).
) Идеальный ключ
Был переключатель с нелинейной ВАХ, её
кусочноаппроксимировали (идеализировали, сделали линейной)
Преобразования схем:
) Теорема размножения источников
напряжения
2)
Теорема об эквивалентности двух схем замещения источников электрической энергии
Дано:
схема 2схема 3. Соотношение
Утверждается:
ВАХ 1сх = ВАХ 2сх, при заданном подключении измерительных приборов
) Объединение сопротивлений
Соединённые параллельно резисторы можно заменить
на один, сопротивление которого будет равно:
)
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= (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)
) По закону Кирхгофа составим уравнение:
2) Uбэ
= 0 => по закону
Кирхгофа:
I2*R2 = U2= U2/R2 = 0,25
мА
3) I1 = I2 = 0,25
мА
4) По
закону Кирхгофа:
Uвх - I1*R1
+0 =0вх
= I1*R1
= 2,5
А
Ответ: При Т в отсечке, Uвх
= 2,5 А.
Б)
) При Т - насыщенном, Uкэ
= 0, Uбэ =0,7 В => По
закону Кирхгофа:
Uвх - I1*R1
- Uбэ = 0;
) Выразим I1
по закону Кирхгофа:
I1 = I2
+ Iб;
) По закону Кирхгофа:
Iк*Rк
= U1
Iк = U1/Rк
= 5,7 мА
) По соотношению Iб
= Iк/B:
Iб = 0,07 мА
) По закону Кирхгофа:
I2*R2 + 0,7 В
= U2;= 4,3/R2 = 0,215 мА
) Найдём
I1:1
= 0,215 мА + 0,07 мА = 0,285 мА
) 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.
. 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;ieee.std_logic_1164.all;jktr IS
( : IN STD_LOGIC; :
IN STD_LOGIC; : OUT STD_LOGIC;: OUT STD_LOGIC
);jktr;behav OF jktr IS q1,f,q2 :
STD_LOGIC;(k,j)f: STD_LOGIC;
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;PROCESS;
qi <= q1;
q <= q2;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.
. 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;ieee.std_logic_1164.all;vh2 IS
( : IN STD_LOGIC; :
IN STD_LOGIC;: IN STD_LOGIC;: OUT STD_LOGIC;
q : OUT STD_LOGIC
a OF vh2 IS
SIGNAL q1,q2 : STD_LOGIC;
BEGIN(t,s,r)(r='0')
then<='0';q2<='1'; (t'EVENT and t='1') then<=not q1; q2<=not q2;
if;PROCESS; <= q1;<= q2;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.
. 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;ieee.std_logic_1164.all;vh3 IS
( : IN STD_LOGIC;
: IN STD_LOGIC; : IN STD_LOGIC; : OUT STD_LOGIC; :
OUT STD_LOGIC; : OUT STD_LOGIC; :
OUT STD_LOGIC
);
END vh3;a OF vh3 IS
SIGNAL qs0,qs1,qs2,qs3 :
STD_LOGIC;
BEGIN(r,jk,c)( c'EVENT AND c='1')
THEN( jk='1' AND r='1') THEN(qs0='0') THEN <='1';(qs1='0') THEN <=
'0';<= '1';(qs2='0') THEN
qs0 <= '0';<= '0';<= '1';
else(qs3='0') then<='0';
qs1 <='0';<='0';<='1';
end if;IF;if;if;if;if;(q1='1) and
(q2='1') and (q3='1') and (q0=1') then
q0<='0';<='0';<='0';<='0';
end if;PROCESS;<= qs0;<=
qs1;<= qs2;<= qs3; 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.