Моделирование схем счетчиков импульсов

 

Цель работы: приобрести навыки создания проекта моделирования счетчиков импульсов на основе триггеров и интегральных микросхем; научиться получать результаты моделирования и проводить их анализ.

 

Основные положения

 

1.1. Общие сведения о счетчиках

 

Счетчиком называется функциональный узел устройства обработки информации, предназначенный для подсчета числа импульсов, поступающих на его вход.

Счет числа поступающих импульсов производится в двоичной системе счисления. Обычно простые счетчики разделяются на: суммирующие, вычитающие и реверсивные.

Суммирующий счетчик предназначен для выполнения счета в прямом направлении, т. е. для сложения. С поступлением очередного импульса на вход счетчика его показание увеличивается на единицу.

Вычитающий счетчик служит для осуществления счета в обратном направлении, т. е. для вычитания. Каждый импульс, поступающий на вход вычитающего счетчика, уменьшает его показание на единицу.

Реверсивный счетчик предназначен для операции счета, как в прямом, так и в обратном направлении, т. е. он может работать в режиме сложения и вычитания.

Основными показателями счетчиков являются коэффициент счета и быстродействие.

Коэффициент счета К _сч определяет число импульсов, которое может быть сосчитано счетчиком. К _сч определяется числом разрядов двоичного числа n: К _сч =2ⁿ.

Быстродействие счетчика характеризуется максимальной частотой следования счетных импульсов и связанным с ней временем установки счетчика. Время установки определяется максимальным временем протекания переходных процессов во всех разрядах счетчика при поступлении на вход очередного счетного импульса.

Для хранения одного разряда двоичного числа применяется один триггер. Поэтому счетчик можно рассматривать как «связанную цепочку» n триггеров. Связи определяются типом применяемых триггеров.

 

1.2. Модель схемы 4-х разрядного счетчика на JK -триггерах

Принцип моделирования 4-х разрядного счетчика на JK-триг-герах рассмотрим на примере схемы, приведенной на рисунке 1.

Заметим, что в модели каждого триггера имеется три входа J1, J2, J3 и три входа К1, К2, К3 объединяются через два элемента (находящихся в микросхеме), реализующих логическую операцию 3И. Поэтому на схеме (рис. 1) входы J1, J2, J3 и входы К1, К2, К3 объединены. Информация передается на входы J и входы К при перепаде тактового импульса с высокого уровня напряжения на низкий (при отрицательном фронте тактового импульса).

Перед поступлением счетных импульсов JK – триггеры U1, U2, U3, U4 должны быть установлены в состояние ‘0’. Для этого после вычерчивания схемы и задания профиля моделирования Transient с основным параметром Run to Time: 72 us следует открыть страницу с вкладкой Options, в разделе Category выбрать пункт Gate-level Simulation (Уровень узла моделирования), а затем в пункте Initialize all flip-flops to (Установить все переключения в) установить ‘0’.

При поступлении 1-го тактового импульса на вход CLK триггера U1, по его заднему фронту (по отрицательному фронту) триггер U1 переходит в состояние ‘1’. Задний фронт 2-го тактового импульса переводит U1 в состояние ‘0’, а отрицательный фронт на его выходе Q переводит триггер U2 в состояние ‘1’. Задний фронт 3-го тактового импульса переводит U1 в состояние ‘1’ и т. д.

Временные диаграммы, характеризующие работу счетчика, приведенные на рисунке 2, получены для профиля моделирования Transient с параметрами Run to Time: 72us, Maximum step size:
0,07 us.

Задание 1. Создайте папку с именем Lab_rab4, имеющую путь доступа C:\Ivanov\Lab_rab4, а в ней создайте папки Zadanie1, Zadanie2 и запустите редактор Capture.

Начертите схему, представленную на рисунке 1, зная что:

– JK – триггер хранится в библиотеке 7400;

– размещение портов связи HI приведено в лабораторной работе № 3.

Отредактируйте свойства источников сигналов V1 и DSTM1, которые приведены на рисунке 1.

Создайте профиль моделирования Transient со следующими параметрами: Run to time: 72 us, Start saving data after: 0, Maximum step size: 0,07 us и сохраните его.

Запустите процесс моделирования, по окончанию которого отобразите временные диаграммы сигналов DSTM:1, U1:Q, U2:Q, U3:Q, U4:Q.

Занесите в отчет схему модели, приведенной на рисунке1, и полученные временные диаграммы.

 

 

Рис. 1. Модель 4-х разрядного счетчика на JK – триггерах

 

Рис. 2. Временные диаграммы, характеризующие работу схемы,

приведенной на рисунке 1

 

1.3. Модель синхронного реверсивного программируемого

4-х разрядного счетчика

Модель синхронного реверсивного программируемого 4-х разрядного счетчика имеет имя 74191 и хранится в библиотеке 7400. Условное графическое изображение счетчика и схема его подключения к источнику тактовых сигналов и источникам напряжения приведена на рисунке 3.

Для работы компонента в режиме суммирующего счетчика необходимо:

– на вход  (Загрузка данных) подать напряжение высокого уровня;

– на вход CTEN (Разрешение счета) подать напряжение низкого уровня;

– на вход D / (Down/  (Вычитание/суммирование)) подать напряжение низкого уровня;

Эти напряжения подаются на указанные выходы компонента от источников постоянного напряжения V1, V2 через порты: HI – высокий уровень, LO – низкий уровень.

Импульсы, число которых подсчитывается, подаются от генератора тактовых сигналов DSTM1, имеющего свойства, указанные на рисунке 3.

Перед началом моделирования (после вычерчивания схемы и задания профиля моделирования) необходимо на странице с вкладкой Options выбрать раздел Category, в нем выбрать пункт Gate-level Simulation, а затем в пункте Initialize all flip-flops to установить ‘0’.

 

Таблица 1 – Режимы работы компонента 74191

 

Вход				Выполняемая функция
	CTEN	D/	CLK
1	0	0		Суммирование
1	0	1		Вычитание
0	X	X	X	Загрузка
1	1	X	X	Нет изменений

Результаты моделирования, полученные для профиля моделирования Transient с параметрами Run to time: 10 us, Start saving data after: 0, Maximum step size: 0.01us, приведены на рисунке 4.

 

 

Рис. 3. Модель схемы подключения счетчика к источнику тактовых сигналов и источникам напряжения

 

 

Рис. 4. Временные диаграммы, характеризующие работу схемы,

приведенной на рисунке 3

 

Задание 2. Запустите редактор Capture и начертите схему, представленную на рис. 3. Отредактируйте свойства источников сигналов V1, V2 и DSTM1.

Создайте профиль моделирования Transient со следующими параметрами: Run to time: 10 us, Start saving data after: 0, Maximum step size: 0,01us и сохраните его.

Запустите процесс моделирования, по окончанию которого отобразите временные диаграммы сигналов DSTM:1, U1:QA, U1:QB, U1:QC, U1:QD.

Занесите в отчет схему модели, приведенной на рис. 3, и полученные временные диаграммы.

 

Выполнение работы

1. Включите ПК и запустите редактор OrCad Capture.

2. Последовательно выполните задания 1 и 2, сохраняя проекты соответственно в папках Zadanie1 и Zadanie2.

 

Форма отчетности

Отчет должен содержать:

1. Цель работы и основные положения по пунктам 1.1, 1.2, 1.3.

2. Моделируемые схемы и временные диаграммы каждого задания.

 

Контрольные вопросы

1. Какие виды счетчиков применяются в цифровых схемах?

2. Поясните: последовательность моделирования схемы, приведенной на рис. 1; временные диаграммы, характеризующие её работу.

3. Поясните: последовательность моделирования схемы, приведенной на рис. 3; временные диаграммы, характеризующие её работу.

4. Поясните таблицу истинности компонента 74191.

Литература

1. Хайнеман Р. Визуальное моделирование электронных схем в PSPICE: Пер. с нем. М.: ДМК Пресс, 2008. 336 с.: ил.

2. Новиков Ю. В. Введение в цифровую схемотехнику. Издательство: Интернет-Университет Информационных Технологий; БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. 344 с.: ил., табл. («Основы информационных технологий»).

 

ЛАБОРАТОРНАЯ  РАБОТА  № 5