NUMARATOARE - Numaratoarele sunt structuri secventiale

NUMARATOARE

1. SCOPUL  LUCRARII

In lucrare se face prezentare a tipurilor de numaratoare in vederea cunoasteri modulu de lucru si de operare cu aceste circuite. Ca aplicatii practice se studiaza metode de realizare a divizoarelor de frecventa.

2. CONSIDERENTE TEORETICE

Numaratoarele sunt structuri secventiale care pot parcurge un numar de N stari distincte ca urmare a aplicarii unor impulsuri la intrarea de numarare, notata de regula prin CK sau F. Numarul N, reprezinta capacitatea numaratorului si este dependent de numarul bistabililor ce formeaza circuitul precum si de modalitatea de codare a starilor.

Deci, numaratoarele sunt alcatuite dintr-un numar de bistabili, conectati intre ei in mod convenabil astfel incat, pe ansamblu, sa rezulte functia de numarare.

Clasificarea numaratoarelor:

Dupa sensul de numarare:

- inainte (sens direct);

- inapoi (sens invers);

- bidirectionale sau reversibile (pot numara fie inainte fie inapoi)

- cu doua intrari de numarare;

- cu o intrare de numarare si o intrare de sens.

Dupa codul utilizat:

- in cod binar natural;

- in cod zecimal codat binar (BCD);

- in cod Gray;

- in cod zecimal;

- in inel.

Dupa modul de comutare a bistabililor:

- asincrone, iesirea unui bistabil comanda pe urmatorul;

- sincrone, fiecare bistabil este comandat direct de catre semnalul de ceas.

Numaratoare binare asincrone

Caracteristici generale

Prezinta cele mai simple scheme de realizare, motiv pentru care pretul lor este redus.

Sunt realizate prin cascadarea unor celule divizoare cu 2 a frecventei. Aceste celule provin din configurarea corespunzatoare a unor anumite tipuri de bistabili (vezi fig.1)

Numarul starilor este:.

Semnalul de numarare se aplica numai primului bistabil al structurii. Comanda celorlalti bistabili se face dinspre bistabilul p spre bistabilul p +1.

La numaratoarele asincrone, datorita modului de realizare al acestora, trecerea de la numarul i la i+1 nu se face direct, asa cum ar fi de dorit, ci se face print-o serie de stari intermediare de scurta durata. Spre exemplu, trecerea de la numarul binar 1111 la 0000 se face prin lantul de stari intermediare 1111

Numarul starilor intermediare este cu atat mai mare cu cat numaratorul bistabililor din structura este mai mare.

Starile intermediare sunt fenomene nedorite de care trebuie sa se tina seama la proiectarea circuitelor comandate de catre iesirile numaratorului. Daca iesirile numaratorului sunt conectate, spre exemplu, la un circuit decodor acesta genereaza "ciocuri" la anumite iesirei pe durata starilor intermediare ale numaratorului.

Aceste structuri sunt utilizate indeosebi la realizarea integrata a numaratoarelor de capacitati mari: 10, 12, 14 sau chiar 20 de biti.

Fig. 1. Celule de divizarea cu doi a frecventei unui semnal digital

Exemplu

In fig.2 se prezinta schema de realizare si simbolul unui numarator binar asincron pe 4 biti constituit din bistabili JK activi pe tranzitia negativa a semnalului de ceas. Structuri asemanatoare se pot realiza si cu bistabili de alt tip configurati ca in fig.1.

Pentru acest caz, avem urmatoarea semnificatie a semnalelor:

- F intrare de numarare, sensibila (activa) la tranzitia negativa a semnaluluui aplicat;

-intrare de RESET, de aducere la zero a numaratorului, activa pe nivelul LOW al semnalului aplicat acestei intrari;

- Qd, Qb, Qc, Qa - iesirile de numarare a caror stare locica, citite in ordinea indicata, idica in cod binar starea numaratorului (numarul impulsurilor acumulate). Iesirea Qd, indica cel mai semnificativ bit al starii numaratorului iar Qa pe cel mai putin semnificativ.

Fig. 2 Exemplu de numarator binar asincron pe 4 biti realizat cu bistabili JK

Fig. 3. Forma ideala a semnalelor pentru un numarator binar pe 4 biti

Fig. 4. Eemplificarea modului de trecere de la o stare la alta pentru un numarator asincron

Observatii

Dupa starea maxima, in cazul de fata 1111, la urmatorul impuls numaratorul trece de la sine in starea zero si contina numararea.

Frecventa semnalelor de iesie scade la jumatate dupa fiecare bistabil.

Numaratorul poate fi utilizat si ca divizor de frecventa a semnalelor digitale.

In mod natural (fara conexiuni suplimentare, altele decat cele necesare cascadarii), factori de divizare in frecventa ai semnalului de intrare sunt puteri ale lui doi.

In fig. 4 se arata, pentru situatia cea mai defavorabila, modul de aparitie a starilor intermediare datorita comenzii succesive a bistabililor si timpului de intarziere t al acestora.

Numaratoarele asincrone lucreaza corect daca intervalul de timp dintre doua tranzitii active ale semnalului de ceas este mai mare decat suma intarzierilor introduse de lantul bistabililor.

Numaratoare binare sincrone

Caracteristici generale:

Au structura de realizare mai complexe in comparatie cu cele asincrone.

Semnalul de ceas se aplica simultan tuturor bistabililor din schema.

Fiecare bistabil comuta sincron cu semnalul de ceas numai atunci cand toti bistabilii anteriori lui sunt in unu logic.

Nu prezinta stari intermediare.

Sechema logica devine din ce in ce mai complexa odata cu cresterea capacitatii numaratorului.

Exemplu

O scheema posibila de numarator binar sincron pe 4 biti este prezentata in fig. 5, pentru care semnalele ce intervin au urmatoares semnificatie:

- F intrare de numarare, sensibila (activa) la tranzitia negativa;

-intrare de stergere a numaratorului, activa pe zero logic;

- Qd, Qb, Qc, Qa - iesirile numaratorului prin care se indica in exterior, in cod binar, numarul impulsurilor inregistrate. Iesirea Qd are semnificatia de cel mai semnificativ bit, iar Qa de cel maiputin semnificativ.

- CE (Count Enable) intrare activa pe unu logic cu rol de validare a numararii. Pentru CE= 0 numararea nu este permisa iar pentru CE=1 se desfasoara in ritmul semnalului aplicat intrarii F

Analizand succesiunea starilor prin care trece numaratorul in cod binar natural, se observa ca schimbarea unui bit se face numai atunci cand toti bitii anteriori lui, de ponderi inferioare, sunt "unu". Pornind de la aceasta observatie se poate concepe o shema in care basculatrea unui bistabil sa se faca numai daca cei anteriori lui sunt in starea Q=1. Schema din fig. 5 este realizata in aceasta idee. Portile AND identifica situatiile in care bisabilii de pondere mai mica sunt "1", situatii in care se permite bascularea bistabilului curent la aparitia tranzitiei active a semnalului F

Fig. 5 Numarator sincron pe 4 biti

In plus, la AND-uri se mai conecteaza intrarea de CE cu scopul de a introduce o facilitate suplimentara - aceea de a valida sau nu procesul de numarare. Daca CE= 0 toate pottile AND au iesirile fortate in "0", fapt ce determina bistabilii T sa fie in regim de memorare a starii anterioare. Cu alte cuvinte, atata timp cat CE= 0 starea numaratorului nu se modifica chiar daca la intrarea F se aplica impulsuri. Pentru CE= 1 procesul de numarare este permis.

Observatii

Din cauza complezitatii mai ridicate, de cele mai multe ori numaratoarele sincrone integrate sunt de capacitati mici 4, 8 biti.

Numaratoare binare reversibile

Numaratoarele reversibile pot face contorizarea impulsurilor aplicate pe intrarea de ceas fie in sens crescator fie in sens descrescator. Aceste circuite pot avea doua intrari de numarare, cate una pentru fiecare sens, sau o intrare de numarare si una de comanda a sensului. Intrarea de comanda a sensului de numarare este denumita SENS sau , ceea ce inseamna ca numararea inainte se face pentru unu logic iar numararea inapoi pentru zero logic.

O structura de numarator bidirectional este formata dintr-un numarator in sens direct la care se mai adauga o logicacare, in functie de sensul de numarare ales, conectaza la iesirile de numarare fie iesirile Q, fie iesirile ale bistabililor din structura.

Acest mod de lucru este posibil deoarece in codul binar natural exista o legatura de complementa-ritate intre starile parcurse de numarator in sens direct si cele parcurse in sens invers. Asa dupa cum se remarca din tabelul alaturat, prima stare de la numararea inainte este complementarea bit cu bit a primei stari de la numararea inapoi.

Din consideratiile anterioare se poate deduce modul de functionare al schemei din fig.6, schema rezultata prin modificarea celei din fig.5 prin adaugarea multiplexoarelor 2:1. Rolul multiplexoarelor este de a dirija spe iesirile numaratorului iesirile Q sau ale bistabililor.

Fig. 6. Structura de numarator bidirectional pe 4 biti

Numaratoare binare presetabile

Spre deosebire de numaratoarele prezentate pana in prezent, cele presetabile prezinta suplimentar facilitatea de a starta numararea de la o anumita valoare ce se incarca in prealabil in mod paralel. Simbolurile utilizate pentru aceste circuite sunt prezentate in fig. 7.

Caracteristici generale:

Sunt structuri sincrone de o complexitate ceva mai mare decat celelalte tipuri de numaratoare;

Prezinta o intrare de comanda a incarcarii paralele a datelor, de regula activa pe nivel logic zero, denumita si prescurtata prin . La activarea acestei intrari, in numarator, se incarca paralel informatia binara din acel moment prezenta pe intrarile paralele D, C, B, A. Procesul de numarare este inhibat pe durata intervaluli de timp in care intrarea este activa. Dupa dezactivarea intrariinumararea continua pornind de la noua stare ce tocmai a fost incarcata paralel.

Intrarea de incarcare paralela poate sa fie asincrona - incarcarea numarului binar de pe intrarile D, C, B, A se face la trecerea in zero a acestei intrari, sau sincrona -incarcarea noi stari se face la prima tranzitie activa a semnalului de ceas dupa ce intrarea a fost activata.

Intrarea de RESET (R), poate fi asincrona sau sincrona in functie de structura interna a circuitului.

Aceste structuri sunt de regula bidirectionale. Ele prezinta fie doua intrari de ceas - una pentru numararea inainte COUNT UP (CU), si alta pentru numararea inapoi COUNT DOWN (CD), fie o intrare de ceas si o intrare de sens UP/DOUN (U/D).

Circuitele prezinta o iesire de transport, denumita (), de regula activa in zero logic, care semnalizeaza momentele in care numaratorul trece prin starea maxima. Aceasta iesire se activeaza numai la numararea inainte si este folosita pentru cascadarea circuitelor.

Circuitele prezinta o iesire de imprumut, denumita (), de regula activa in zero logic, care semnalizeaza momentele in care numaratorul trece prin starea mimima. Aceasta iesire se activeaza numai la numararea inapoi si este folosita pentru cascadarea circuitelor.

3. DESFASURAREA LUCRARII

3.1. Se extrag din foile de catalog structura interna si configuratia pinilor pentru circuitele 7490 7492, 7493.

Intrebari:

Care sunt asemanarile si deosebirile dintre aceste circuite ?

Cum se folosesc cele doua intrari de numarare ale acestor circuite ?

Cum se realizeaza resetul (stergerea) acestor circuite ?

Care este rolul intrarilor si la circuitul 7490 ?

3.2. Realizati pe macheta de test schema de mai jos dupa care vizualizati cu ajutorul osciloscopului cu doua canale formele de unda de la intrarea si iesirile numaratorului. Desenati corelat in timp aceste semnale.

Intrebari:

Care este tranzitia activa, de numarare, a acestui circuit ?

Care sunt starile prin care trece numaratorul ?

Ce factor de divizare in frecventa realizeaza aacest circuit ? Ce observatii puteti face referitor la factorul de umplere al semnalelor de la iesirile numaratorului ?

Ce se modifica in functionarea schemei daca se intrerupe legarura de la Qb la R01?

3.3. Folosind circuitul 7493 se cere realizarea unor divizoare de frecventa cu urmatorii factori: a) divizare cu 5; b) divizare cu 9; c) divizare cu 10; c) divizare cu 13;

Pentru cele patru cazuri se cer schemele electrice si formele de unda de la iesirile Qd.

3.4. Care este factorul de divizare in frecventa si factorul de umplere al semnalului de la iesirea Y a schemei de mai jos.

3.5. Analizati functionarea circuituli de mai jos care reprezinta o alta modalitate de obtinere a divizoarelor de frecventa cu factori mari de divizare. Dupa realizarea schemei pe macheta de test, la intrare se aplica un semnal TTL cu o frecventa de aproximativ 100 Khz. Pe un canal al osciloscopului se vizualizeaza semnalul de intrare, iar pe celalalt canal se aplica succesiv semnalele din punctele A, B, C. Se deseneaza corelat in timp semnalul de intrare si semnalele din punctele A, B, C.

Intrebari:

Care este rolul portii AND ?

Care este factorul de divizare al fiecarui circuit in parte si care este factorul de divizare global obtinut la iesirea C ?

Care este avantajul acestei scheme comparativ cu cea anterioara ?

Ce factor de umplere au semnalele din punctele A si B ? Se modifica functionarea schemei daca factorul de umplere al celor doua semnale (din A si B) este altul ? Exemplificati pe un caz concret.

3.6. Se extrag din foile de catalog structura interna si configuratia pinilor pentru circuitele 74192, 74193.

Intrebari:

Care sunt asemanarile si deosebirile dintre aceste circuite ?

Cum se folosesc cele doua intrari de numarare ale acestor circuite ?

Cum se realizeaza resetul (stergerea) acestor circuite ?

Care este rolul intrarilor A, B, C, D si ?

Care este rolul iesirilorsi ?

3.7. Se realizeaza pe macheta de test schema de mai jos dupa care se vizualizeaza formele de unda de la iesirile numaratorului. Se reface schema insa semnalul de intrare se aplica la intrarea CD iar CU este mentinut in unu logic.

Intrebari:

Care sunt conditiile de activare ale iesirilor de si si cat este durata activa ?

Ce se intampla cu procesul de numarare daca intrarea de incarcare paralela este activata pentru un numar de perioade de ceas ? Dar atunci cand se activeaza intrarea de reset ?

De unde se incepe numararea, pentu cazul schemei considerate, dupa activarea intrarii ? Dar dupa activarea intrarii R ?

3.8. Vizualizati formele de unda din punctele P si Q pentru cele doua circuite prezentate in figura de mai jos. Se va desena corelat in timp semnalul de intrare si cele din punctele P si Q.

Intrebari:

Care este factorul de divizare in frecventa al celor doua circuite ? Cum explicati rezultatele obtinute ?

Care va fi noul factor de divizare daca circuitul 74193 se inlocuieste cu 74192 ?

Cum explicati forma de unda de la iesirile Q ale celor doua circuite ?

Care este principiul de functionare al acestor divizoare ?

Cum se poate modifica factorul de divizare a montajelor anterioare?

Care este schema electrica, in cele doua variante, pentru realizarea unor divizoare de frecventa cu 11?

3.9. Un alt procedeu de realizare a divizoarelor de frecventa este ilustrat in figura ce urmeaza. Se aplica la intrarea acestui circuit un semnal TTL cu o frecventa de circa 100 Khz dupa care se vizualizeaza cu un osciloscop cu doua spoturi semnalul de intrare si cel de la iesirea P a schemei. Desenati corelat in timp aceste semnale.

Intrebari:

Cum functioneaza aceasta schema ?

Care este factorul de divizare in frecventa realizat de aceasta schema ?

Care este factorul de umplere al semnalului din punctul P ? Cine impune acest factor ?

Se modifica divizarea daca se intrerupe legatura intre iesirea Q a bistabilului si intrarea D a numaratorului ? Daca da, care este noul factor de divizare ?

Ce se modifica in functionarea schemei daca circuitul 74193 este inlocuit cu 74192 ?

3.10. Pentru a pune in evidenta o deosebire fundamentala intre numaratoarele asincrone si cele sincrone, realizati pe macheta de test schema din figura de mai jos. La o analiza pur teoretica, semnalele obtinute la iesirile celor doua circuite 7442 ar trebui sa fie identice insa practic comportarea este putin diferita. Vizualizati comparativ, cu ajutorul unui osciloscop cu doua canale, semnalele de la iesirile similare ale celor doua decodoare.

Intrebari:

Care sunt iesirile decodoarelor la care apar diferente de semnal ? Cum se explica aceste diferente ?