Zpracování signálu sekvenčními logickými obvody

Úloha prezentuje možnosti zpracování signálu z diskrétních senzorů s pulzním výstupem (optické senzory, rotační senzory, Hallova sonda – detekce natočení hřídele, rychlosti kol (ABS) nebo pozice pístů apod.

Zadání

  1. Pomoci J-K klopných obvodů sestavte zapojení čtyřbitového čítače.

  2. Zapojte 7493 jako čtyřbitový čítač.

  3. Pomocí 7493 realizujte děličku pulsů.

  4. Záznam průběhů signálů proveďte s využitím přístroje - Logic Analyzer.

Schéma zapojení

Obr. 1 Zapojení čtyřbitového asynchronního čítače s J-K klopnými obvody

Obr. 2 Zapojení čtyřbitového asynchronního čítače s IO 74LS93

Teoretický rozbor

Binární čtyřbitový asynchronní čítač 7493 obsahuje celkem čtyři klopné obvody typu
J-K. První klopný obvod má spouštěcí vstup CKA a je schopný pracovat samostatně jako dělič dvěma. Následující 3 klopné obvody (spouštěcí vstup CKB) jsou zapojené jako čítač s modulem 8. Čítač má dva nulovací vstupy R0(1) a R0(2), kterými je možné všechny výstupy klopných obvodů vynulovat. Nulování se zajistí přivedením logických jedniček současně na oba vstupy R0(1) a R0(2). Toho lze využít pro zkrácení čítacího cyklu při návrhu čítače. Spojí-li se výstup QA se vstupem CKB lze obvod použít jako asynchronní čítač s modulem 16 v binárním kódu.

Změna logických úrovní na výstupech nastane během sestupné hrany vstupního signálu, který je přiváděn na VSTUP. Vstupní pulsy generujeme pomocí časové základny – TIME BASE. K indikaci výstupu časové základny použijeme statickou logickou sondu – LOG PROBE (bit A0). Stavy výstupních proměnných Q1 až Q4 zobrazíme pomocí statické logické sondy – LOG PROBE.

Obr. 3 Schématická značka čítače 7493 a reálný obvod

Čítače můžeme zapojovat do kaskády, a tak generovat nejen 4 bitové čítače, ale i 8, 12, 16, bitové čítače. Průběhu z jednotlivých výstupů jsou na následujícím obrázku.

Obr. 3 Časové průběhy na vstupu a výstupech binárního asynchronního čtyřbitového čítače

Vnitřní struktura se nejčastěji skládá ze dvou na sebe navazujících klopných obvodů typu D (Master-Slave struktura) nebo ze soustavy hradel NAND/NOR a skládá se z těchto částí:

Obr. 4 Vnitřní struktura J-K klopného obvodu

J-K klopný obvod sestavený se základních typů hradel je implementován jako jedná součástka viz následující obrázek a můžeme se na něj dívat jako na „black box“ s definovanými vstupy a výstupy, které pracují na základě pravdivostní tabulku.

Obr. 5 Schématická značka J-K klopného obvodu

Pravdivostní tabulka pro J-K klopný obvod je na následujícím obrázku společně se stavovým diagramem J-K klopného obvodu.

Obr. 6 Pravdivostní tabulka a stavový diagram J-K klopného obvodu

Obvody mají resetovací a nastavovací vstupy, které lze v libovolném stavu aktivovat, tj. nastavit do aktivního stavu při určité kombinaci výstupů. Tím můžeme vytvářet děličky pulsů (signálů) 2, 3, 4, 5, … . Schéma děličky 6 je na následujícím obrázku (k resetu dochází při kombinaci (0110) bin, tj. (6) dec)

Obr. 8 Realizace děličky pulsů 6 pomocí J-K klopných obvodů

Obr. 9 Zapojení IO 7493 se stavebnici DOMINOPUTER

Postup měření

  1. S využitím stavebnice DOMINOPUTER sestavte postupně obvody na obr. 1 (čítač sestavený pomocí J-K klopných obvodů) a obr. 2 (čítač implementovaný v 7493).

  1. Pro generování signálů CLC, SET a RESET využijte modul s tlačítky (pull-up rezistory jsou již implementovány v modulu).

  2. Připojte sondy z Logic Analyzer A0 – vstup, A1 – A4 výstupy a propojte Logic Analyzer přes USB rozhraní s PC.

  3. Spusťte aplikaci pro Logic Analyzer v PC.

  4. Pro obě zapojení zaznamenejte průběhy signálů (vstup a výstupy). V závěru provedete analýzu průběhů jednotlivých signálů z grafů.

  5. Připojte výstup z IRC snímače na vstup čítače a začněte otáčet s IRC snímačem. Průběhy zaznamenejte a v závěru se k těmto průběhům vyjádřete. Snímač IRC použijte z modulu DC motoru obr. 9 (nutné napájení modulu).

  6. Dle specifikace cvičícího s využitím 7493 vytvořte děličku pulsů 2, 3, 4, 5, … a pomocí Logic Analyzer proveďte záznam průběhů. V závěru se opět vyjádřete ke grafickým průběhům naměřených signálů.

Obr. 9 Modul s DC motory a IRC snímačem (Enkodér)


Kontrolní otázky

  1. Lze využít integrovaný asynchronní čítač 74LS93 jako dělič?

  2. Kolik stavů má čtyřbitový asynchronní čítač?

  3. Nakreslete časové průběhy na vstupu a výstupech binárního asynchronního čtyřbitového čítače.

  4. Jakých klopných obvodů pro realizaci čítače využívá integrovaný čítač 74LS93?

  5. Jaký je rozdíl mezi kombinačním a sekvenčním logickým obvodem?

  6. Co je to TTL logika?