Делители частоты, счетчики, линии задержки сдвиговые регистры, сумматоры, компараторы в средствах автоматизации

ЛЕКЦИЯ 5

Делитель частоты — устройство, которое при подаче на его вход периодической последовательности импульсов формирует на выходе такую же последовательность, но имеющую частоту повторения им­пульсов, в некоторое число раз меньшую, чем частота импульсов вход­ной последовательности.

Отличие делителей частоты от счетчиков состоит в следующем. В счетчике каждая комбинация состояний триггеров определяете некото­рой системе счисления число импульсов, поступивших к данному мо­менту времени. В делителе частоты последовательность состояний может быть выбрана произвольной, важно лишь обеспечить заданный период цикла N. Последовательность состояний выбирается из сообра­жений обеспечения при заданном N наибольшей простоты межтриггерных связей. Эти связи должны выполняться непосредственным соединением выходов одних триггеров со входами других без логичес­ких элементов. Счетчик, имеющий то же значение Ny может исполнять роль делителя частоты, однако следует иметь в виду, что такое решение будет неэкономичным.

В сумматоре определяется цифра суммы путем сложения по модулю 2 цифр слагаемых и поступающего в данный разряд переноса и формиру­ется перенос, передаваемый в следующий разряд. Эти действия реализу­ются одноразрядным двоичным сумматором. Символическое изображение такого сумматора показано на рис.. Он имеет три входа для подачи цифр разрядов слагаемых a b и переноса на выходах формируются сумма и перенос pi предназначенный дня передачи в следующий разряд.

Асинхронные декадные суммирующие счетчики считают от 0 до 9. Если необходимо считать дальше, нужен вто­рой суммирующий счетчик. С двумя счет­чиками этого вида можно считать до 99. Каж­дый счетчик считает одну декаду. Три счетчи­ка считают до 999. Декадные счетчики чаще всего строятся на двух или большем числе суммирующих счетчиков. Каждый счетчик имеет четыре вы­хода, на которых действует двоичное число, соответствующее десятичной цифре. Соедине­ние счетчиков показано на рис.

Если верхний счетчик сбрасывается на нуль, сигнал QD изменяется с 1 на 0. Обрат­ный фронт управляет нижним счетчиком. Ниж­ний счетчик переключается, если верхний счет­чик сбрасывается в нуль. Он отвечает за пере­ход во вторую декаду. Асинхронные делители частоты с фиксированным коэффициентом пересчета К.Любой асинхронный двоичный счетчик может быть использован как дели­тель частоты с фиксированным коэффициентом пересчета.

Рассмотрим схему и временную диаграмму 3-битового двоичного сум­мирующего счетчика на рис.. Первый триггер счетчика делит на два частоту входного сигнала Е. Второй триггер делит пополам уже разделен­ную частоту еще раз. Третьим триггером частота делится еще раз на два. 3-битовый двоичный суммирующий счетчик работает как делитель частоты с частотным соотношением 8:1.

Двоичные вычитающие счетчики также могут быть применены в каче­стве делителей частоты. Они применяются в шаговых двигателях для перемещение заготовки или лазера по трем координатам. Разделенные сигналы имеют лишь иную фазу, чем в двоичных суммирующих счетчиках.

Рис. Делитель частоты с коэффициентом пересчета 10:1 и временная диаграмма.

Элементы задержки. Логические элементы задержки, как следует из назва­ния, задерживают прохождение сигнала. Если на входе элемента задержки происходит переход сигнала с 0 на 1, то через определенное время выход элемента меняет со­стояние с 0 на 1. Изменение сигнала с 1 на 0 на входе вызывает через время t2 изменение сигнала с 1 на 0 на выходе. Условное обозначение элемента задержки при­ведено на рис.. Используется например при управление лазером который включается спустя определенное время заданное микросхемой после прихода детали в исходное положение.

Рис. 1 Условное обозначение элемен­та задержки.

Часто необходимы так называемые элементы задержки на включение. Эти элементы задерживают на определенное время tx передний фронт сиг­нала. Обратный фронт проходит без запаздывания t2 = 0.

Кроме элементов задержки на включение имеются также элементы за­держки на выключение. Они задерживают на определенное время t2 обрат­ный фронт сигнала. Передний фронт проходит без запаздывания tx = 0. Элементы задержки производятся в виде интегральных микросхем. Они также могут строиться на моностабильных ячейках и связующих логиче­ских элементах.

Если необходима задержка на включение и выключение, то можно со­единить последовательно элементы задержки на включение и выключение Желаемых времен задержки можно достигнуть применением моностабильных ячеек с внешними пассивными элементами

Схему асинхронного триггера можно представить как схему, полу­ченную из логической схемы, у которой, по крайней мере, один из выходов соединен со входом. Триггеры называют также последовательностными схемами или конечными автоматами. Поведение тригге­ра зависит как от значений входных переменных в данной момент времени например от температуры в печи, так и от входных переменных Х -внешних воздействий. Поэтому он может хранить информацию. Хранящаяся информация называется параметрами состояния, здесь они обозна­чаются через Z.

Рис. 2 Асинхронный триггер:

Для развязки входов и выходов асинхронных триггеров требу­ется введение элемента задержки в цепь обратной связи (исключение явления "гонки"). Триггеры, в которых тактовый сигнал управляет развязанными буферными накопителями в цепи обратной связи, называют синхронными триг­герами. Вследствие задержки между входом и выходом рациональ­ным является рассмотрение параметров состояния в два различных момента времени обозначенных индексами n и n + 1. Рассматри­ваться должны только входные сигналы Xi, которые изменяют свои значения в дискретные моменты времени. Интервал между двумя изменениями входного сигнала должен быть настолько большим, чтобы в промежутке на всех соединительных линиях установились фиксированные значения сигналов. Например включение лазера должна быть подачи охлаждаемой среды. Это называют «работой в основ­ном режиме».

В триггер всегда входит логическая схема, которая имеет цепь обратной связи с элементом, вносящим задержку. Но триггер имеет также выходы, сигналы на которых могут быть выявлены двумя различными способами. В автомате Мура (Moore's Automaton) выходные переменные у вычисляются только на основе параметров состояния Z. В случае же автомата Мили (Mealy's Automaton), напротив, в составе логической схемы SN2 применяются не только па­раметры состояния Zm, но также и входные переменные, служащие входными величинами

Синхронный драйвер (управляющая схема, запускающая схема, воз­будитель, автомат) может быть образован из асинхронной логиче­ской схемы, путем встраивания в цепь обратной связи буферных запоминающих блоков, управляемые тактовым сигналом CLK.

Рис. 3. Синхронный драйвер Мили (Mealy) с тактовым входом CLK.

Преимущество синхронного драйвера заключается в том, что выход­ной сигнал логической схемы влияет на поведение драйвера только в со­стоянии переходного процесса. Поэтому здесь не является существен­ным риск ложного срабатывания. Кроме того, не могут возникнуть «гонки» (races) при переключении, так как вход и выход логической схемы развязаны благодаря введению запоминающих элементов.

Цифровые счетчики представляют собой асинхронные или синхрон­ные драйверы, которые состоят, как правило, из соединенных цепоч­кой триггеров. Содержание регистров интерпретируется как счет­ное состояние счетчика. Асинхронные счетчики представляют собой асинхронные драйве­ры, для которых не требуются тактовые сигналы. Входной сигнал с последовательностью подлежащих счету импульсов подводиться прямо к тактовому входу первого триггера. Тактовые входы сле­дующих триггеров подключены к выходам предыдущих триггеров. В последующем в качестве примеров будут представлены две про­стые схемы.

Двоичный счетчик по модулю 8 можно построить из JK-триггеров с управлением по отрицательному фронту, как это показано на рис.. J- и К-входы JK-триггеров установлены в состояние 1. При каждом отрицательном фронте на входе состояние на выходе первого триг­гера изменяется. Точно также ведут себя выходы следующих триг­геров.

Рис. 5 Двоичный счетчик по модулю 8, состоящий из трех JK-триг- геров.

После результата счета 111 счетчик опять возвращается в нулевое состояние. Его называют счетчиком по мо­дулю 8, так как он может периодически показывать 8 различных результатов счета. Такие счетчики могут применяться для подсчета числа вращений детали например при термообработки поверхности.

Рис. 6 Принцип построения синхронного счетчика

Синхронный счетчик является синхронным драйвером. Рис. иллюстрирует принцип построения синхронного счетчика с D-триггерами. Могут также быть использованы RS- или JK-триггеры. В синхронных счетчиках каждый регистр переключается почти од­новременно. В каждый тактовый период запомненные в регистрах состояния воспроизводятся из старых состояний в логической схеме

В средствах автоматики находят применение сдвиговые регистры, которые состоят из цепочки триггеров, в которых пе­редача информации осуществляется как в «пожарной цепочке». Они могут быть построены, например, из D-триггеров или из JK-триггеров. На рис. показан пример регистра с четырьмя JK-триггерами. Для того, чтобы информация передава­лась одновременно по всей цепочке, применяются триггеры с упра­влением фронтом.

01 02 03 04

Рис. 7 Цепочка сдвигового регистра из четырех JK-триггеров.

Представленный сдвиговый регистр имеет последовательный вход Es и последовательный выход As. Параллельные выходы обозначе­ны как Qi. Функция этого сдвигового регистра со сдвигом вправо описывается следующими уравнениями. Информация (последовательность состояний например: включение - выключение плазматорона) заносится с пульта оператора и записывается в тригеры. А затем с помощь тактового импульса последовательно появляются на выходе последнего тригера. Таким образом можно задать различную последовательность управления устровкой нагрева.

Сдвиговые регистры находят применение в цен­тральных процессорах (CPU) компьютеров при проведении опера­ций умножения и деления. Они также применяются для последова­тельно-параллельного и параллельно-последовательного преобразо­ваний кодов. Кроме того, они служат как ЗУ на основе «пожарных цепочек» (first-in first-out, FIFO, обратного магазинного типа).

Сдвиговые регистры могут обладать следующими свойствами:

способностью переключения между сдвигом влево и сдвигом вправо

наличием параллельных входов для одновременной установки триггеров

наличием параллельных выходов

наличием последовательных входов и выходов

Логическая схема, которая про­изводит сложение двоичных чисел, называется полным сумматором. Перенос из предыдущего разряда и оба слагаемых суммируются, после чего вы­даются сумма и перенос к следующему разряду. Полный сумматор выполняет переключательные функции для суммирующего выхода Fi и перенос (carty) к следующей ступению.

Компараторы сравнивают два слова одинаковой дли­ны, показывая при этом, какое число больше. Компараторы вводят, например, в компьютеры, чтобы тестировать условия перехода. В средствах контроля при термообработки применяется для формирование выходного сигнала при достижении температуры в печи заданной на установчных входа компаратора. Реализация компараторов, как правило, требует очень больших схемотехнических затрат, которые также, как и для сумматоров, увеличиваются в сильной степени при возрастании числа разрядов при заданном времени задержки. Поэтому при большой длине слов используются каскадируемые компараторы. В цифровой технике часто нужно сравнить цифровые данные друг с дру­гом. Самая простая схема сравнения, так называемый компаратор, сравни­вает состояние двух переменных друг с другом.

Пусть переменные обозначены А и В. А и В могут быть равны. А может быть больше, чем В и наоборот. Компаратор имеет для этих трех возмож­ных вариантов три выхода. Они обозначаются X, Y и Z

Рис. 5 Структурная схема 2-битового компаратора.

Дата добавления: 2014-12-10