СЧЕТЧИК НА МИКРОСХЕМЕ

Счётчики

Счетчиком называют устройство, предназначенное для подсчёта числа импульсов поданных на вход. Они, как и сдвигающие регистры, состоят из цепочки триггеров. Разрядность счетчика, а следовательно, и число триггеров определяется максимальным числом, до которого он считает.

Регистр сдвига можно превратить в кольцевой счетчик, если выход последнего триггера соединить с входом первого. Схема такого счетчика на разрядов приведена на рисунке 1. Перед началом счета импульсом начальной установки в нулевой разряд счетчика (Q0) записывается логическая 1, в остальные разряды — логические 0. С началом счета каждый из приходящих счётных импульсов Т перезаписывает 1 в следующий триггер и число поступивших импульсов определяется по номеру выхода, на котором имеется 1. Предпоследний (N-1) импульс переведет в единичное состояние последний триггер, а импульс перенесёт это состояние на выход нулевого триггера, и счет начнётся сначала. Таким образом, можно построить кольцевой счетчик с произвольным коэффициентом счета (любым основанием счисления), изменяя лишь число триггеров в цепочке.

Недостаток такого счетчика — большое число триггеров, необходимы; для его построения. Более экономичны, а поэтому и более распространены счетчики, образованные счетными Т-триггерами. После каждое тактового импульса Т сигнал на входе D (инверсном выходе) меняется на противоположный и поэтому частота выходных импульсов вдвое меньше частоты поступающих. Собрав последовательную цепочку из n счетных триггеров соединяя выход предыдущего триггера со входом C следующего), мы получим частоту fвых=fвх/2 n . При этом каждый входной импульс меняет код числа на выходе счетчика на 1 в интервале от 0 до N=2 n -1.

Микросхема К155ИЕ5 рисунок 2 содержит счетный триггер (вход С1) и делитель на восемь (вход С2) образованный тремя соединенными последовательно триггерами. Триггеры срабатывают по срезу входного импульса (по переходу из 1 в 0). Если соединить последовательно все четыре триггера как на рисунке 2, т получится счетчик по модулю 2 4 =16. Максимальное хранимое число при полном заполнении его единицами равно N=2 4 -1=15=(111)2. Такой счетчик работает с коэффициентом счета К (модулем), кратным целой степени 2, и в нем совершается циклический перебор К=2 n устойчивых состояний. Счетчик имеет выходы принудительной установки в 0.

Часто нужны счетчики с числом устойчивых состояний, отличным от 2 n Например, о электронных часах есть микросхемы с коэффициентом счета 6 (десятки минут). 10 (единицы минут). 7 (дни недели). 24 (часы). Для построения счётчика с модулем К≠2 n можно использовать устройство из n триггеров для которого выполняется условие 2 n >К. Очевидно, такой счётчик может иметь лишние устойчивые состояния (2 n -К). Исключить эти ненужные состояния Можно использованием обратных связей, по цепям которых счетчик переключается в нулевое состояние в том такте работы когда он досчитывает до числа К.

Для счетчика с К=10 нужны четыре триггера (так как 2 3 <10<2 4 ) должен иметь десять устойчивых состояний N==0,1. 8,9. В том такте, когда он должен был перейти в одиннадцатое устойчивое состояние (N=10), его необходимо сбросить в исходное нулевое состояние. Для такого счётчика можно использовать микросхему К155ИЕ5 рисунок 3, введя цепи обратной связи с выходов счетчика, соответствующих числу 10 (т. е. 2 и 8) на входы установки счетчика в 0 (вход R). В самом начале 11-го состояния (число 10) на обоих входах элемента И микросхемы появляются логические 1, вырабатывающие сигнал сброс всех триггеров счетчика в нулевое состояние.

Во всех сериях цифровых микросхем есть счетчики с внутренней организацией наиболее ходовых коэффициентов пересчета, например в микросхема К155ИЕ2 и К155ИЕ6 К=10. в микросхеме К155ИЕ4 К=2х6==12.

Как видно из схем и диаграмм на рисунках 1-3, счетчики могут выполнят функции делителей частоты, т. е. устройств, формирующих из импульсной последовательности с частотой fвх импульсную последовательность на выходе, последнего триггера с частотой fвых, в К раз меньшую входной. При таком использовании счетчиков нет необходимости знать, какое число в нем записано в настоящий момент, поэтому делители в некоторых случаях могут быть значительно проще счетчиков. Микросхема К155ИЕ1, например, представляет собой делитель на 10, а К155ИЕ8 — делитель с переменным коэффициентом деления К=64/n. где n=1. 63.

Кроме рассмотренных суммирующих широко применяют реверсивные счетчики на микросхемах К155ИЕ6. К155ИЕ7, у которых в зависимости от режима работы содержимое счетчика или увеличивается на единицу режим сложения, говорится что происходит инкремент счётчика или уменьшается на единицу режим вычитания, декремент после прихода очередного счетного импульса. Микросхема К155ИЕ1 рисунок 4 — делитель на 10. Установка ее триггеров в 0 осуществляется одновременной подачей высокого уровня на входы 1 и 2 (элемент И). Счетные импульсы подают на вход 8 или 9 (при этом на другом входе должен быть высокий уровень) или одновременно на оба входа (элемент И).

В состав микросхемы К155ИЕ2 рисунок 4 входят триггер со счетным входом (вход С1) и делитель на 5 (вход С2). При соединении выхода счетного триггера с входом С2 образуется двоично-десятичный счетчик (диаграмма его работы аналогична приведенной на рисунке 3). Счет происходит по срезу импульса. Счетчик имеет входы установки в 0 (R0 с логикой И) и входы установки в 9 (R9 с логикой И).

Микросхему К155ИЕ4 образуют счетный триггер и делитель на 6 рисунок 5. О микросхеме К155ИЕ5 было сказано ранее рисунок 2

Микросхемы К155ИЕ6 и К155ИЕ7 рисунок 6,а)-реверсивные счетчики предварительной записью, первый из них — двоично-десятичный, второй четырехразрядный двоичный. Установка их в 0 происходит при высок уровне на входе R. В счетчик можно записать число подав на выходы D1-D4 (в К155ИЕ6 от 0 до 9, в К155ИЕ7 от 0 до 15). Для этого на вход S необходимо подать низкий уровень, на входах С1 и С2 высокий уровень, на входе R — низкий. Счет начнется с записанного числа по импульсам низкого уровня, подаваемым на вход С1 (в режиме сложения) или на С2 (в режиме вычитания). Информация на выходе изменяется по фронту счётного импульса. При этом на втором счетном входе и входе S должен быть высокий уровень, на входе R-низкий, а состояние входов D безразлично. Одновременно с каждым десятым (шестнадцатым) на входе С1 импульсом на выходе P1 повторяющий его выходной импульс, который может подаваться вход следующего счетчика. В режиме вычитания одновременно с каждым импульсом на входе С2, переводящим счетчик в состояние 9, (15), на выходе Р2 появляется выходной импульс.

Временная диаграмма работы счетчика К155ИЕ6 приведена на рисунке 6,б. На диаграмме в режиме параллельной записи (S=0) было записано число 6 (высокий уровень на входах D2 и D3).

Микросхемы К176ИЕ1, К56ИИЕ10 и К561ИЕ16 рисунок 7 — двоичные счётчики. Счетчик К561ИЕ10 при подаче счетных импульсов на вход С1 и при С2=1 работает по фронту, при счете по входу С2 и при С1==0 — по срезу. Счётчик К561ИЕ16 не имеет выходов от второго и третьего делителя. Счетчики устанавливаются в нулевое состояние при подаче высокого уровня на вход R. Для правильной работы этих и всех других счетчиков, выполненных по КМОП технологии (серий К164, К176, К564, К561..), необходимо после включения питания (или после снижения напряжения источника питания до 3 В) устанавливать их в исходное нулевое состояние подачей импульса высокого уровня на вход R. В противном случаи счётчики могут работать случайными коэффициентами пересчёта. Импульс сброса после включения питания может подаваться автоматически, если ввести времязадающую RC-цепь и инвертор, как показано на рисунке 7,в.

Микросхемы счётчики

Всем доброго времени суток! Сегодня буду рассказывать про счётчики, но не электрические или газовые, а про цифровые микросхемы счётчики. Счётчики являются, как и регистры, производными от триггеров, но в отличие от микросхем регистров, в микросхемах счётчиках связи между триггерами значительно сложнее и в результате функционал их больше, чем регистров.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Из самого названия данного типа цифровых микросхем понятно, что они занимаются подсчётом импульсов пришедших на их входы. То есть каждый пришедший импульс на вход счётчика увеличивает или уменьшает двоичный код на его выходах. Счётчики могут работать в различных режимах, которые определяется связями внутренних триггеров. Режим, в котором идёт увеличение выходного кода, называют режимом прямого счёта, а если идёт уменьшение выходного кода, то это режим обратного или инверсного счёта. Счётчики предназначены также для преобразования из двоичной системы счисления в десятичную систему, но существуют и другие типы счётчиков, например счётчики-делители, у которых на выходе частота импульсов в некоторое количество раз меньше частоты входных импульсов. Для микросхем счётчиков в стандартных сериях существует специальный суффикс ИЕ, например К555ИЕ19, К155ИЕ2.

Все типы счётчиков можно разделить на три основные группы, которые различаются быстродействием:

  • асинхронные (или последовательные) счётчики;
  • синхронные счётчики с асинхронным переносом (или параллельные счётчики с последовательным переносом);
  • синхронные (или параллельные) счётчики.

Асинхронные счётчики

Данные типы счётчиков состоят из цепочёк JK-триггеров, которые работают в счётном режиме, когда выход предыдущего триггера служит входом для следующего. В такой схеме триггеры включаются последовательно, а, следовательно, и выходы счётчика также переключаются последовательно, один за другим (отсюда второе название асинхронных счётчиков – последовательные счётчики). Так как переключение разрядов происходит с некоторой задержкой, поэтому и сигналы на выходах счётчика появляются не одновременно с входным сигналом и между собой, то есть асинхронно.

Микросхемы асинхронных счётчиков применяются не очень часто, в качестве примера можно привести микросхемы типа ИЕ2 (четырёхразрядный двоично-десятичный счётчик), ИЕ5 (четырёх разрядный двоичный счётчик) и ИЕ19 (сдвоенный четырёхразрядный счётчик).

асинхронные счётчики

Асинхронные счётчики: слева направо ИЕ2, ИЕ5, ИЕ19.

Данные типы счётчиков имеют входы сброса в нуль (вход R), вход установки в 9 (вход S у ИЕ2), счётный или тактовый вход (вход С) и выходы, которые могут обозначаться как номера разрядов (0, 1, 2, 4) или как вес каждого разряда (1, 2, 4, 8).

Микросхема К555ИЕ2 относится к двоично-десятичным счётчикам, то есть счёт у неё идет от 1 до 9, а потом выводы обнуляются и счёт идёт сначала. Внутренне данный счётчик состоит из четырёх триггеров, которые разделены на две группы: один триггер (вход С1, выход 1) и три триггера (вход С2, выходы 2, 4, 8). Такая внутренняя организация позволяет значительно расширить применение данного типа микросхемы, например данную микросхему можно использовать в качестве делителя на 2, на 5 или на 10. Счётчик ИЕ2 имеет два входа для сброса в нуль объединенных по И, а так же два входа для установки в 9 тоже объединённых по И.

Для реализации счёта необходимо сбросить счётчик подачей на входы R высокого логического уровня, а на один из входов S сигнал низкого уровня. В таком режиме счётчик будет «обнулён» и последовательный счёт заблокирован. Чтобы восстановить функцию счета необходимо установить на входы R низкий уровень сигнала.

Для организации делителя на 2 необходимо подавать сигнал на С1, а снимать с выхода 1; делитель на 5 подавать сигнал на С2, а снимать с выхода 8; делитель на 10 выход 8 соединяют с С1, сигнал подают на С2, а снимают с выхода 1.

Микросхема К555ИЕ5 представляет собой двоичный счётчик, в отличие от ИЕ2 считает до 16 и сбрасывается в нуль. Также как и ИЕ2 состоит из двух групп триггеров со входами С1 и С2, а выходы 1 и 2,4,8. В отличии от ИЕ2 имеет только два входа сброса в нуль, а входов установки нет.

Читайте также  Схема электропроводки в гараже

Микросхема К555ИЕ19 практически идентична двум микросхемам К555ИЕ5 и представляет собой два чётырёхразрядных двоичных счётчика, каждый счётчик имеет свой счётный вход С и вход сброса R. Если объединить выход 8 первого счётчика и вход С второго счётчика, то можно получить восьмиразрядный двоичный счётчик.

Синхронные счётчики с асинхронным переносом

Синхронные счётчики в отличие от асинхронных переключение разрядов идёт без задержки, то есть параллельно. Эта параллельность достигается за счёт более сложной внутренней связи между триггерами. Но также это привело к тому, что управлять данными счётчиками несколько сложнее, чем асинхронными. Зато возможностей у синхронных счётчиков значительно больше. Для увеличения разрядности синхронных счётчиков в данных типах счётчиков используется специальные выходы. От принципа формирования сигнала на этих выходах синхронные счётчики делятся на счётчики с асинхронным (последовательным) переносом и счётчики с синхронным (параллельным) переносом.

Основная суть работы синхронных счётчиков с асинхронным переносом заключается в следующем: переключение разрядов осуществляется одновременно, а сигнал переноса вырабатывается с некоторой задержкой. Быстродействие данных счётчиков выше, чем асинхронных, но ниже чем чисто синхронных. Типичными представителями синхронных счётчиков с асинхронным переносом являются микросхемы К555ИЕ6 и К555ИЕ7.

Синхронные счётчики с асинхронным переносом

Синхронные счётчики с асинхронным переносом: слева направо ИЕ6, ИЕ7.

Микросхемы ИЕ6 и ИЕ7 полностью одинаковы различие заключается в том, что ИЕ6 является двоично-десятичным счётчиком, а ИЕ7 – полностью двоичным. Данные счётчики являются реверсивными, то есть могут работать как на увеличения числа, так и на уменьшение, для этого они имеют счётные входы: +1 (увеличение по положительному фронту) и -1 (уменьшение по положительному фронту). Для выхода сигнала переноса при прямом счёте используется выход CR, а при обратном счёте вывод BR. Вход R является входом обнуления счётчика. Также есть возможность предварительной установки выходного кода параллельным переносом с входов D1, D2, D4, D8 при низком логическом уровне на входе WR.

После сброса счётчик начинает считать с нуля, либо с числа, которое установлено параллельным переносом. Двоично-десятичный счётчик считает до десяти, потом обнуляется и вырабатывает сигнал переноса на выходе CR или BR при обратном счёте. Двоичный счётчик же считает до 15 и происходит обнуление.

Синхронные счётчики с асинхронным переносом нашли более широкое применение, чем асинхронные счётчики: делители частоты, подсчёт импульсов, измерение интервалов времени, формировать последовательности импульсов и другое.

Синхронные счётчики

Данные типы счётчиков являются наиболее быстродействующими, однако это обуславливает самое сложное управление среди всех типов счётчиков. Одной из особенностей синхронных счётчиков является то, что сигнал переноса вырабатывается тогда, когда все выходы счётчика устанавливаются в единицу (при прямом счёте) или в нуль (при обратном). Также при включении нескольких счётчиков для увеличения разрядности, тактовые входы С объединяются, а сигнал переноса подается на вход разрешения счёта каждого последующего счётчика.

В серии микросхем входят несколько типов синхронных счётчиков, которые различаются способом счёта (двоичные или двоично-десятичные, реверсивные или нереверсивные) и управляющими сигналами (отсутствие или наличие сигнала сброса). Все счётчики данного типа имеют входы переноса и каскадирования.

Синхронные счётчики
Синхронные счётчики: слева направо ИЕ9(ИЕ10) и ИЕ12(ИЕ13).

Микросхемы К555ИЕ9 (ИЕ10) микросхемы различаются способом счёта ИЕ9 – двоично-десятичная, а ИЕ10 – двоичная. Данные микросхемы имеют счётный вход С, вход сброса R в нуль выходных выводов. Имеется возможность предварительной установки при нулевом уровне напряжения на входе разрешения предварительной установи EWR, вход Е0 – разрешение переноса и вход Е1 – разрешения счёта. Сигнал на выходе CR (сигнал переноса) вырабатывается при достижении максимального счёта и высоком уровне на входе Е0. Для работы счётчика должны быть высокие логические уровни на входах EWR, Е0 и Е1.

Микросхемы К555ИЕ12 (ИЕ13) также имеют одинаковое схемотехническое устройство и различаются способом счёта ИЕ12 – двоично-десятичный счётчик, а ИЕ13 – десятичный. Данные типы счётчиков реверсивные и допускают как прямой счёт, установкой нулевого уровня на входе Е0, так и обратный счёт, установкой высокого логического уровня на Е0, в остальном же входные и выходные выводы идентичны ИЕ9 и ИЕ10.

Синхронные счётчики нашли самое широкое применение в цифровых устройствах, так они могут полностью заменить функционал асинхронных и синхронных с асинхронным переносом счётчиков и к тому же имеют самое высокое быстродействие среди счётчиков.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Счетчики в составе микросхем

Как и триггеры, счетчики совсем необязательно составлять из логических элементов вручную – сегодняшняя промышленность выпускает самые разнообразные счетчики уже собранные в корпуса микросхем. В этой статье я не буду останавливаться на каждой микросхеме-счетчике отдельно (в этом нет необходимости, да и времени займет слишком много), а просто кратко рассажу на что можно рассчитывать, во время решения тех или иных задач цифровой схемотехники. Тех же, кого интересует конкретные типы микросхем-счетчиков, я могу отправить к своему далеко неполному справочнику по ТТЛ и КМОП микросхемам.

Итак, исходя из полученного в предыдущем разговоре опыта, мы выяснили один из главных параметров счетчика – разрядность. Для того, чтобы счетчик смог считать до 16 (с учетом нуля – это тоже число) нам понадобилось 4 разряда. Добавление каждого последующего разряда будет увеличивать возможности счетчика ровно вдвое. Таким образом, пятиразрядный счетчик сможет считать до 32, шести – до 64. Для вычислительной техники оптимальной разрядностью является разрядность, кратная четырем. Это не есть золотым правилом, но все же большинство счетчиков, дешифраторов, буферов и т.п. строятся четырех (до 16) или восьмиразрядными (до 256).

Но поскольку цифровая схемотехника не ограничивается одними ЭВМ, нередко требуются счетчики с самым различным коэффициентом счета: 3, 10, 12, 6 и т.д. К примеру, для построения схем счетчиков минут нам понадобится счетчик на 60, а его несложно получить, включив последовательно счетчик на 10 и счетчик на 6. Может нам понадобиться и большая разрядность. Для этих случаев, к примеру, в КМОП серии есть готовый 14-ти разрядный счетчик (К564ИЕ16), который состоит из 14-ти D-триггеров, включенных последовательно и каждый выход кроме 2 и 3-го выведен на отдельную ножку. Подавай на вход импульсы, подсчитывай и читай при необходимости показания счетчика в двоичном счислении:

микросхема 564ИЕ16

Для облегчения построения счетчиков нужной разрядности некоторые микросхемы могут содержать несколько отдельных счетчиков. Взглянем на К155ИЕ2 – двоично-десятичный счетчик (по-русски – «счетчик до 10, выводящий информацию в двоичном коде»): К155ИЕ2 – двоично-десятичный счетчик

Микросхема содержит 4 D- триггера, причем 1 триггер (одноразрядный счетчик – делитель на 2) собран отдельно – имеет свой вход (14) и свой выход (12). Остальные же 3 триггера собраны так, что делят входную частоту на 5. Для них вход – вывод 1, выходы 9, 8,11. Если нам нужен счетчик до 10, то просто соединяем выводы 1 и 12, подаем счетные импульсы на вывод 14 а с выводов12, 9, 8, 11 снимаем двоичный код, который будет увеличиваться до 10, после чего счетчики обнулятся и цикл повторится. Составной счетчик К155ИЕ2 не является исключением. Аналогичный состав имеет и, к примеру, К155ИЕ4 (счетчик до 2+6) или К155ИЕ5 (счетчик до 2+8):

К155ИЕ5 – структурная схема

К155ИЕ5 – структурная схема

Практически все счетчики имеют входы принудительного сброса в «0», а некоторые и входы установки на максимальное значение. Ну и напоследок я просто обязан сказать, что некоторые счетчики могут считать и туда и обратно! Это так называемые реверсивные счетчики, которые могут переключаться для счета как на увеличение (+1), так и на уменьшение (-1). Так умеет, к примеру, двоично-десятичный реверсивный счетчик К155ИЕ6:

двоично-десятичный реверсивный счетчик К155ИЕ6

При подаче импульсов на вход +1 счетчик будет считать вперед, импульсы на входе -1 будут уменьшать показания счетчика. Если при увеличении показаний счетчик переполнится (11 импульс), то прежде чем вернуться в ноль, он выдаст на вывод 12 сигнал «перенос», который можно подать на следующий счетчик для наращивания равзрядности. То же назначение и у вывода 13, но на нем импульс появится во время перехода счета через ноль при счете в обратном направлении.

Обратите внимание, что кроме входов сброса микросхема К155ИЕ6 имеет входы записи в нее произвольного числа (выводы 15, 1, 10, 9). Для этого достаточно установить на этих входах любое число 0 — 10 в двоичном счислении и подать импульс записи на вход С.

СЧЕТЧИК НА МИКРОСХЕМЕ

Соединив последовательно несколько триггерных схем — делителей частоты на два, получим простейший многоразрядный двоичный делитель. Более общее название для делителей частоты — счетчики. Коэффициент деления счетчика, состоящего из n-триггеров типа Т, составляет 2n; здесь n — число двоичных разрядов счетчика. В настоящее время используется много вариантов счетных схем: асинхронные и синхронные; двоичные и десятичные; однонаправленные, только с увеличением счета, и двунаправленные, счет в которых может увеличиваться или уменьшаться (такие счетчики называют реверсивными). Коэффициент деления счетчика может быть либо постоянным, либо переключаемым.

Основой любой из этих схем служит линейка из нескольких триггеров. Рассмотренные варианты счетчиков различаются схемой управления этими триггерами. Между триггерами добавляются логические связи, назначение которых — запретить прохождение в цикле счета лишним импульсам, К примеру, четырехтриггерный счетчик может делить исходную частоту на 16, так как 2 4 = 16. Получим минимальный выходной код 0000, а максимальный 1111. Чтобы построить счетчик-делитель на 10, трех триггеров недостаточно (10 2 3 ), поэтому десятичный счетчик содержит в своей основе четыре триггера, но имеет обратные связи, останавливающие счет при коде 9 = 1001.

Таким обазом, удобно выпускать четырехтриггерные счетчики в двух вариантах: двоичном и десятичном. Примеры таких микросхем — пары: ИЕ6 и ИЕ7, ИЕ16 и ИЕ17. Расширять функции счетчиков можно; видоизменяя их цепи управления. Первоначально счетчики были асинхронными. В асинхронном режиме предыдущий триггер вырабатывает для последующего тактовые импульсы. Такие счетчики иногда называют счетчиками пульсаций.

В синхронном счетчике все триггеры получают тактовый импульс одновременно, поскольку тактовые входы их соединяются параллельно. Поэтому Триггеры переключатся практически одновременно. В счетчике пульсаций каждый триггер, вносит в процесс счета определенную задержку, поэтому младшие разряды результирующего кода появляются на выходах триггеров неодновременно, т. е. несинхронно с соответствующим тактовым импульсом. Например, для четырехразрядного счетчика пульсаций выходной параллельный код 1111 появится на выходах триггеров уже после того, как поступит шестнадцатый тактовый импульс, кроме того, эти четыре единицы сформируются неодновременно.

Синхронная схема значительно сложнее асинхронной. На ее выходах данные от каждого разряда появляются одновременно и строго синхронно с последним входным импульсом. В синхронный счетчик разрешается синхронная (с тактовым импульсом) параллельная (в каждый триггер) загрузка начальных данных. Триггерная линейка синхронного счетчика снабжается специальным шифратором, который называется схемой ускоренного переноса (СУП).

Внутренние логические элементы управления, которыми часто снабжаются счетчики, позволяют сделать процесс счета реверсивным. Согласно команде, подаваемой на вход управления счетом больше/ меньше , можно либо, увеличивать либо уменьшать на единицу содержимое счетчика при каждом очередном тактовом импульсе. У некоторых счетчиков тактовые входы на увеличение и на уменьшение отдельные.

Сброс данных счетчика, чтобы на всех выходах установился нулевой код, у одних схем асинхронный R, у других синхронный SR, происходит одновременно е приходом тактового импульса. Имеются счетчики с переменным коэффициентом деления. Устанавливаемый коэффициент деления зависит от кода, набранного на входах управления.

Читайте также  ЗАМЕНА СХЕМЫ СВЕТОДИОДНОГО ФОНАРЯ

Рассмотрим микросхемы КМОП среднего уровня интеграции, необходимых для счета импульсов и деления частот. Счетчики-делители составляют несколько групп. Например, счетчики ИЕ3 ИЕ5 предназначены для построения схем электронных секундомеров, часов, таймеров. Их можно использовать, например, для обслуживания индикаторов цифровых мультиметров, термометров. Счетчики ИЕ8 и ИЕ9 имеют дешифрованные выходы (10 и 8 соответственно). Счетчики ИЕ11 и ИЕ14 однотипные четырехразрядные, реверсивные. Разнообразные возможности деления частот открывает применение счетчиков выполненых на микросхемах КМОП: ИЕ2, ИЕ10, ИЕ16 и ИЕ19. Имеются счетчики асинхронные, синхронные, разрядные и даже 14-разрядный — ИЕ16.

Цифровые микросхемы — начинающим (занятие 8) – Счетчики-делители

На прошлом занятии мы рассмотрели работу двоичного четырехразрядного счетчика на примере микросхемы К561ИЕ10. Но на практике редко бывает достаточно четырех разрядов, возможно именно по этому микросхема К561ИЕ10 содержит два одинаковых четырехразрядных счетчика, так, чтобы можно было их включить последовательно и получить восьмиразрядный (восьмибитный, как говорят «компьютерщики»), который будет считать до 256-ти. Как это сделать показано на рисунке 1.

На прошлом занятии мы рассмотрели работу двоичного четырехразрядного счетчика на примере микросхемы К561ИЕ10. Но на практике редко бывает достаточно четырех разрядов, возможно именно по этому микросхема К561ИЕ10 содержит два одинаковых четырехразрядных счетчика, так, чтобы можно было их включить последовательно и получить восьмиразрядный (восьмибитный, как говорят «компьютерщики»), который будет считать до 256-ти. Как это сделать показано на рисунке 1.<!—more—>

Первый счетчик D2.1 включен как обычно, а второй — D2.2 получает импульсы с выхода «8» первого. Причем эти импульсы поступают на вход СР. Из прошлого занятия мы знаем, что счетчики микросхемы К561ИЕ10 имеют по два счетных входа CP и CN, при этом на CP подаются положительные импульсы, а счетчик будет переключаться по спадам этих положительных импульсов. Так оно и происходит. Во время пока D2.1 считает до 8-и на вход CP счетчика D2.2 поступает нуль (поскольку D2.1 еще не досчитал до 8-и, и следовательно на его выходе «8» будет пока нуль). Как только счетчик D2.1 досчитает до 8-и на вход CP D2.2 поступит единица, но этот счетчик еще не сработает, поскольку он срабатывает по спаду импульса на этом входе, то есть не в момент перепада от нуля на единицу (это фронт положительного импульса), а в момент последующего перепада с единицы на нуль (это спад положительного импульса). Таким образом D2.2 после того как D2.1 досчитает до 8-и «подготовится и будет ждать» того момента, когда логический уровень на выходе «8» D2.1 сменится на нулевой. А произойдет это тогда когда D2.2 досчитает до 16-ти и в этот момент сбросится в нуль.

Получается так, что счетчик D2.2 считает сколько раз D2.1 отработал по полному кругу (то есть отсчитал от нуля до 16-ти). Но счетчик D2.2 также считает до 16-ти. Вот и получается, что они вместе считают до 16 х 16 = 256 (16 раз по 16 или 162). Так, что единица возникнет на выходе «8» D2 только после 128-го импульса, поступившего на вход D2.1. а сменится на нуль только после 256-го импульса. Выходит, что полный цикл работы 8- и разрядного счетчика будет 256.

Можно усложнить схему и таким же образом подключить еще один четырехразрядный счетчик, тогда уже получим 12-ти разрядный счетчик, а считать он будет до 4096 (16 х 16 х16 или 163). Если соберем систему на двух микросхемах К561ИЕ10 используя все четыре счетчика получится 16-ти разрядный (16-ти битный) счетчик, который будет считать уже до 65536 (164), ну и далее таким же образом. Выходит, если, например частота импульсов, поступавших на вход такого 16-ти разрядного счетчика будет 65,536 кГц, то на его последнем выходе их частота составит всего 1 Гц. В общем, входную частоту делим на коэффициент деления на соответствующем выходе.

Как это происходит можно проследить «прослушав» счетчик на небольшой динамик, собрав схему по рисунку 4. Здесь на двух элементах D1.1 и D1.2 собран мультивибратор, которые вырабатывает импульсы звуковой частоты (их частота зависит от параметров R1 и С1). Эти импульсы поступают на вход 8-и разрядного счетчика на D2, а при помощи импульсного усилителя (попросту, — ключа) на VT1 и динамика В1 их можно прослушать. И что интересно, переставляя гибкий провод, идущий от R2 начиная с самого младшего разряда (выход «1й D2.1), постепенно перебирая все остальные разряды по степени старшинства до самого старшего (выход «8» D2.2) можно наблюдать постепенно понижение тона звука, то есть постепенное уменьшение частоты. Причем каждый раз с каждым более старшим разрядом частота будет уменьшатся в два раза по сравнению с предыдущим более младшим разрядом. На схеме отмечено на сколько на каждом выходе D2 делится входная .частота «F» (частота импульсов мультивибратора на D1).

Именно так работают делители частоты, используемые в цифровой технике. Например, в электронных часах чтобы получить импульсы частотой 1 Гц (период — одна секунда) используют кварцевый генератор на 32768 Гц и счетчик-делитель на 32768.

Как вы уже заметили, двоичные счетчики делят частоту входных импульсов на строго фиксированные числа, равные удвоенным «весовым» числам их выходов. Но на практике, часто требуется какой-то коэффициент деления, не равный этим числам. Например, нам нужно получить частоту 1 Гц из частоты 50 Гц. То есть нужно создать счетчик, который будет считать только до 50-ти, а затем с окончанием 50-го импульса сбрасываться в нуль, а затем считать снова так же по кругу.

Принципиальная схема такого счетчика с ограничителем счета показана на рисунке 2.

Схема уже знакомая по прошлому занятию, когда ограничивали счет 4-х разрядного счетчика до 10-ти (ж. Радиоконструктор 07- 2000 стр. 42 рис.5). В общем, почти тоже самое, вычисляем выходы, на которых при числе «50» будут единицы, а затем эти единицы через логическую схему на элементах «Ии подаем на входы R, чтобы сбросить оба счетчика в нуль. Расчет делаем так : ищем самое больше весовое число выхода счетчика, которое можно вычесть из 50-ти , — это будет 32. Вычитаем 50-32 = 18. Теперь вычитаем из 18-ти самое близкое число, которое можно вычесть : 18-16=2, далее из 2 — 2 = 0. Получается, что при числе 50 единицы будут на трех выходах D2, а именно на выходе с весом 2 (выход 2 D2.1), на выходе с весом 16 (выход 1 D2.2) и на выходе с весом 32 (выход 2 D2.2). Теперь нужно сделать так, чтобы в тот момент, когда будут единицы на всех этих трех выходах одновременно счетчик обнулился. Эта работа возложена на микросхему D3, содержащую элементы 3-И-НЕ (логику работы таких элементов изучали на занятии №1 в январском номере РК за этот год).

Выходные импульсы, частота которых будет в 50 раз ниже входных, можно снимать с вывода 12 D2.2 (его выход 2).

Проверьте работу счетчика, подав на его вход 50 импульсов при помощи кнопки S1 он вернется автоматически в нулевое состояние.

Ограничитель счета можно сделать и на простых диодах и резисторе, так как это показано на рисунке 3.

Обратите внимание — пока счетчик не досчитал до 50-ти, хотя бы один из его диодов открыт. Но в тот момент, когда он досчитает до 50-ти все три диода оказываются закрытыми логическим единицами, и на входы R счетчиков поступает высокий логический уровень от источника питания через резистор R3.

На рисунке 5 показано то как можно сделать дешифратор на нескольких логических элементах (две микросхемы D3 и D4). Для простоты используются только два младших разряда счетчика D2 (К561ИЕ10). В таком виде счетчик считает до 3-х (0 = 00, 1= 01, 2 = 10, 3 = 11) и с поступлением четвертого импульса переходит в нулевое состояние (на остальные два старших разряда не смотрим). Назначение .схемы на микросхемах D3 и D4 сделать так, чтобы имелось четыре выхода, и единица устанавливалась на одном из этих выходов, в зависимости от двоичного числа на выходе счетчика. Так, если на выходе счетчика 00 (0) то единица будет на выходе D3.1, если на счетчике 01 (1) то единица на выходе D3.3, если на счетчике 10 (2) то единица на выходе D4.3, а если на выходе счетчика код 11 (3) то единица будет на выходе 03.4. Таким образом двоичный код чисел от 0 до 3 преобразуется в десятичный.

Теперь проследим по схеме как это происходит. Установим кнопкой S2 счетчик D2 в нулевое состояние. При этом на обеих его выходах будут логические нули. Эти нули поступают на оба входа элемента D3.1 — ИЛИ- НЕ. По логике работы этого элемента (наше первое занятие в январском номере журнала), на его выходе (когда на оба входа поступают нули) будет единица.

Теперь нажмем один раз на S1, — на вход счетчика поступит один импульс и на его выходе 1 будет единица, а на выходе 2 — 0. На один из входов элемента D3.1 поступит единица, и по логике действия ИЛИ-НЕ. на его выходе будет ноль. Единица с выхода 1 D2 так же поступает на один из входов элемента И-НЕ D4.1, при этом на его второй вход поступает единица с выхода элемента D4.4 (поскольку на один из входов элемента И-НЕ DD4.4 поступает нуль, на его выходе будет единица). Таким образом на оба входа D4.1 поступают единицы, значит на его выходе будет нуль, а на выходе инвертора D3.3 — единица.

Нажмем на S1 еще раз, и счетчик установится в положение 10 (1 на выходе 2, а 0 на выходе 1). Теперь тоже самое что происходило с элементом D4.1 произойдет с элементом D4.2 (на оба его входа поступят единицы) и единица появится на выходе инвертора D4.3.

При следующем нажатии на S1 счетчик установится в состояние «3», когда единицы будут на его обеих выходах. Это привет к тому, что на выходе элемента D4.4 установится нуль, а на выходе инвертора D3.4 будет единица.

Таким образом работает простой дешифратор, преобразующий двоичный двухразрядный код в десятичное числа.

Существует целое подразделение микросхем — «дешифраторы», логика действия которых состоит в том, что на их входы подают двоичный код числа, а на их выходах, при этом, появляется представление этого числа в десятичной или какой-то другой системе исчисления (в зависимости от типа дешифратора).

Логика действия этой микросхемы проста : на её четыре входа подаются любые двоичные числа от 0000 до 1001 (от «0» до «9»), при этом единица будет на одном из десяти выходов этой микросхемы, обозначенных цифрами от «0» до «9». Таким образом, эта микросхема преобразует двоичный код в десятичный.

Для того чтобы проанализировать логику работы микросхемы К561ИД1 (или К176ИД1), что практически одно и то же) можно собрать схему, показанную на рисунке 8..

S1-S4 R1-R4 на любое сопротивление из диапазона 10-100 кОм

При помощи тумблеров S1-S4 (замкнутое состояние — единица, разомкнутое — ноль) устанавливайте последовательно двоичные коды от «0000» (0) до «1111» (15). Интересно то, что дешифратор будет работать только в пределах от «0000» (0) до «1001» (9), а при подаче кодов чисел более 9-ти (более 1001) на его всех выходах будут нули. Дело в том, что микросхема К561ИД1 (К176ИД1) двоично- десятичный дешифратор, и она воспринимает входные коды чисел от 0 до 9-ти.

Читайте также  БЕСТРАНСФОРМАТОРНЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ

На следующем занятии рассмотрим дешифраторы, предназначенные для работы с семисегментными цифровыми индикаторами, и микросхемы, содержащие счетчик и дешифратор в одном корпусе.

Обзор и устройство современных счётчиков электроэнергии

За последнее время на смену индукционным счётчикам электроэнергии пришли электронные. В данных счётчиках счётный механизм приводится во вращение не с помощью катушек напряжения и тока, а с помощью специализированной электроники. Кроме того, средством счёта и отображения показаний может являться микроконтроллер и цифровой дисплей соответственно. Всё это позволило сократить габаритные размеры приборов, а также, снизить их стоимость.

В состав практически любого электронного счётчика входит одна или несколько специализированных вычислительных микросхем, выполняющие основные функции по преобразованию и измерению. На вход такой микросхемы поступает информация о напряжении и силе тока с соответствующих датчиков в аналоговом виде. Внутри микросхемы данная информация оцифровывается и преобразуется определённым образом. В результате, на выходе микросхемы формируются импульсные сигналы, частота которых пропорциональна текущей потребляемой мощности нагрузки, подключенной к счётчику. Импульсы поступают на счётный механизм, который представляет собой электромагнит, согласованный с зубчатыми передачами на колёсики с цифрами. В случае с более дорогостоящими счётчиками с цифровым дисплеем применяется дополнительный микроконтроллер. Он подключается к вышесказанной микросхеме и к цифровому дисплею по определённому интерфейсу, ведёт накопление результата измерения электроэнергии в энергонезависимую память, а также, обеспечивает дополнительный функционал прибора.

Рассмотрим несколько подобных микросхем и моделей счётчиков, которые мне попадались под руку.

Ниже на рисунке в разобранном виде изображён один из наиболее дешёвых и популярных однофазных счётчиков «НЕВА 103». Как видно из рисунка, устройство счётчика довольно простое. Основная плата состоит из специализированной микросхемы, её обвески и узла стабилизатора питания на основе балластового конденсатора. На дополнительной плате размещён светодиод, индицирующий потребляемую нагрузку. В данном случае – 3200 импульсов на 1 кВт*ч. Также есть возможность снимать импульсы с зелёного клеммника, расположенного вверху счётчика. Счётный механизм состоит из семи колёсиков с цифрами, редуктора и электромагнита. На нём отображается посчитанная электроэнергия с точностью до десятых кВт*ч. Как видно из рисунка, редуктор имеет передаточное отношение 200:1. По моим замечаниям, это означает «200 импульсов на 1 кВт*ч». То есть, 200 импульсов, поданных на электромагнит, поспособствуют прокрутке последнего красного колёсика на 1 полный оборот. Это соотношение кратно соотношению для светодиодного индикатора, что весьма не случайно. Редуктор с электромагнитом размещён в металлической коробке под двумя экранами с целью защиты от вмешательства внешним магнитным полем.

В данной модели счётчика применяется микросхема ADE7754. Рассмотрим её структуру.

На пины 5 и 6 поступает аналоговый сигнал с токового шунта, который расположен на первой и второй клеммах счётчика (на фотографии в этом месте видно повреждение). На пины 8 и 7 поступает аналоговый сигнал, пропорциональный напряжению в сети. Через пины 16 и 15 есть возможность устанавливать усиление внутреннего операционного усилителя, отвечающий за ток. Оба сигнала с помощью узлов АЦП преобразуются в цифровой вид и, проходя определённую коррекцию и фильтрацию, поступают на умножитель. Умножитель перемножает эти два сигнала, в результате чего, согласно законам физики, на его выходе получается информация о текущей потребляемой мощности. Данный сигнал поступает на специализированный преобразователь, который формирует готовые импульсы на счётное устройство (пины 23 и 24) и на контрольный светодиод и счётный выход (пин 22). Через пины 12, 13 и 14 конфигурируются частотные множители и режимы вышеперечисленных импульсов.

Стандартная схема обвески практически представляет собой схему рассматриваемого счётчика.

Общий минусовой провод соединён с нулём 220В. Фаза поступает на пин 8 через делитель на резисторах, служащий для снижения уровня измеряемого напряжения. Сигнал с шунта поступает на соответствующие входы микросхемы также через резисторы. В данной схеме, предназначенной для теста, конфигурационные пины 12-14 подключены к логической единице. В зависимости от модели счётчика, они могут иметь разную конфигурацию. В данном кратком обзоре эта информация не столь важна. Светодиодный индикатор подключен к соответствующему пину последовательно вместе с оптической развязкой, на другой стороне которой подключается клеммник для снятия счётной информации (К7 и К8).

Из этого же семейства микросхем существуют похожие аналоги для трёхфазных измерений. Вероятнее всего, они встраиваются в дешёвые трёхфазные счётчики. В качестве примера на рисунке ниже представлена структура одной из таких микросхем, а именно ADE7752.

Вместо двух узлов АЦП, здесь применено их 6: по 2 на каждую фазу. Минусовые входы ОУ напряжения объединены вместе и выводятся на пин 13 (ноль). Каждая из трёх фаз подключается к своему плюсовому входу ОУ (пины 14, 15, 16). Сигналы с токовых шунтов по каждой фазе подключаются по аналогии с предыдущим примером. По каждой из трёх фаз с помощью трёх умножителей выделяется сигнал, характеризующий текущую мощность. Эти сигналы, кроме фильтров, проходят через дополнительные узлы, которые активируются через пин 17 и служат для включения операции математического модуля. Затем эти три сигнала суммируются, получая, таким образом, суммарную потребляемую мощность по всем фазам. В зависимости от двоичной конфигурации пина 17, сумматор суммирует либо абсолютные значения трёх сигналов, либо их модули. Это необходимо для тех или иных тонкостей измерения электроэнергии, подробности которых здесь не рассматриваются. Данный сигнал поступает на преобразователь, аналогичный предыдущему примеру с однофазным измерителем. Его интерфейс также практически аналогичен.

Стоит отметить, что вышеописанные микросхемы служат для измерения активной энергии. Более дорогие счётчики способны измерять как активную, так и реактивную энергию. Рассмотрим, например, микросхему ADE7754. Как видно из рисунка ниже, её структура намного сложнее структуры микросхем из предыдущих примеров.

Микросхема измеряет активную и реактивную трёхфазную электроэнергию, имеет SPI интерфейс для подключения микроконтроллера и выход CF (пин 1) для внешней регистрации активной электроэнергии. Вся остальная информация с микросхемы считывается микроконтроллером через интерфейс. Через него же осуществляется конфигурация микросхемы, в частности, установка многочисленных констант, отражённых на структурной схеме. Как следствие, данная микросхема, в отличие от предыдущих двух примеров, не является автономной, и для построения счётчика на базе этой микросхемы требуется микроконтроллер. Можно зрительно в структурной схеме пронаблюдать узлы, отвечающие по отдельности за измерение активной и реактивной энергии. Здесь всё гораздо сложнее, чем в предыдущих двух примерах.

В качестве примера рассмотрим ещё один интересный прибор: трёхфазный счётчик «Энергомера ЦЭ6803В Р32». Как видно из фотографии ниже, данный счётчик ещё не эксплуатировался. Он мне достался в неопломбированном виде с небольшими механическими повреждениями снаружи. При всё при этом он находился полностью в рабочем состоянии.

Как можно заметить, глядя на основную плату, прибор состоит из трёх одинаковых узлов (справа), цепей питания и микроконтроллера. С нижней стороны основной платы расположены три одинаковых модуля на отдельных платах по одному на каждый узел. Данные модули представляют собой микросхемы AD71056 с минимальной необходимой обвеской. Эта микросхема является однофазным измерителем электроэнергии.

Модули запаяны вертикально на основную плату. Витыми проводами к данным модулям подключаются токовые шунты.

За пару часов удалось срисовать электрическую схему прибора. Рассмотрим её более детально.

Справа на общей схеме изображена схема однофазного модуля, о котором говорилось выше. Микросхема D1 этого модуля AD71056 по назначению похожа на микросхему ADE7755, которая рассматривалась ранее. На четвёртый контакт модуля поступает питание 5В, на третий – сигнал напряжения. Со второго контакта снимается информация в виде импульсов о потребляемой мощности через выход CF микросхемы D1. Сигнал с токовых шунтов поступает через контакты X1 и X2. Конфигурационные входы микросхемы SCF, S1 и S0 в данном случае расположены на пинах 8-10 и сконфигурированы в «0,1,1».

Каждый из трёх таких модулей обслуживает соответственно каждую фазу. Сигнал для измерения напряжения поступает на модуль через цепочку из четырёх резисторов и берётся с нулевой клеммы («N»). При этом стоит обратить внимание, что общим проводом для каждого модуля является соответствующая ему фаза. А вот, общий провод всей схемы соединён с нулевой клеммой. Данное хитрое решение по обеспечению питанием каждого узла схемы расписано ниже.

Каждая из трёх фаз поступает на стабилитроны VD4, VD5 и VD6 соответственно, затем на балластовые RC цепи R1C1, R2C2 и R3C3, затем – на стабилитроны VD1, VD2 и VD3, которые соединены своими анодами с нулём. С первых трёх стабилитронов снимается напряжение питания для каждого модуля U3, U2 и U1 соответственно, выпрямляется диодами VD10, VD11 и VD12. Микросхемы-регуляторы D1-D3 служат для получения напряжения питания 5В. Со стабилитронов VD1-VD3 снимается напряжение питания общей схемы, выпрямляется диодами VD7-VD9, собирается в одну точку и поступает на регулятор D4, откуда снимается 5В.

Общую схему составляет микроконтроллер (МК) D5 PIC16F720. Очевидно, он служит для сбора и обработки информации о текущей потребляемой мощности, поступающей с каждого модуля в виде импульсов. Эти сигналы поступают с модулей U3, U2 и U1 на пины МК RA2, RA4 и RA5 через оптические развязки V1, V2 и V3 соответственно. В результате на пинах RC1 и RC2 МК формирует импульсы для механического счётного устройства M1. Оно аналогично устройству, рассматриваемому ранее, и также имеет соотношение 200:1. Сопротивление катушки высокое и составляет порядка 500 Ом, что позволяет подключать её непосредственно к МК без дополнительных транзисторных цепей. На пине RC0 МК формирует импульсы для светодиодного индикатора HL2 и для внешнего импульсного выхода на разъёме XT1. Последний реализуется через оптическую развязку V4 и транзистор VT1. В данной модели счётчика соотношение составляет 400 импульсов на 1 кВт*ч. На практике при испытании данного счётчика (после небольшого ремонта) было замечено, что электромагнитная катушка счётного механизма срабатывает синхронно со вспышкой светодиода HL2, но через раз (в два раза реже). Это подтверждает соответствие соотношений 400:1 для индикатора и 200:1 для счётного механизма, о чём говорилось ранее.

Слева на плате расположено место для 10-пинового разъёма XS1, который служит для перепрошивки, а также, для UART интерфейса МК.

Таким образом, трёхфазный счётчик «Энергомера ЦЭ6803В Р32» состоит из трёх однофазных измерительных микросхем и микроконтроллера, обрабатывающий информацию с них.

В заключение стоит отметить, что существует ряд моделей счётчиков куда более сложней по своей функциональности. К примеру, счётчики с удалённым контролем показаний по электролинии, или даже через модуль мобильной связи. В данной статье я рассмотрел только простейшие модели и основные принципы построения их электрических схем. Заранее приношу извинения за возможно неправильную терминологию в тексте, ибо я старался излагать простым языком.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: