Чарльз Платт – Электроника для начинающих (2-е издание) (страница 64)

Учтите следующее:

• Это логическая микросхема на 5 В. Не упустите из виду стабилизатор напряжения.

• Обратите внимание на то, что между выводом питания таймера и заземлением находится конденсатор емкостью 0,1 мкФ. Он предназначен для подавления скачков напряжения, которые может генерировать таймер. Появление таких выбросов может привести к сбою счетчика.

Номиналы элементов времязадающей цепочки выбраны так, что таймер будет работать на частоте 0,75 Гц. Другими словами, между началом одного импульса и началом следующего промежуток составит чуть более 1 секунды. Вы можете увидеть это, наблюдая за желтым светодиодом на выходе таймера. Если желтый светодиод ведет себя иначе, значит, вы где-то ошиблись при сборке схемы.

Четыре красных светодиода, обозначенные латинскими буквами А, В, С и D, будут отображать состояния выходов счетчика. Если вы подключили все правильно, они будут загораться в последовательности, показанной на рис. 4.137, где более темный кружок указывает, что светодиод не горит, а более светлый кружок обозначает светящийся светодиод.

Рис. 4.134. Схема установки для исследования десятичного счетчика 74НС393

Теперь я собираюсь рассказать вам кое-что о двоичной и десятичной арифметике. Действительно ли вам необходимо это знать? Да, эта информация пригодится. Многие микросхемы, такие как дешифраторы, шифраторы, мультиплексоры и сдвиговые регистры, используют двоичную арифметику, и, конечно же, она является незыблемой основной практически для любого компьютера, который когда-либо был создан.

Рис. 4.135. Макет установки со счетчиком 74НС393

Рис. 4.136. Расположение и номиналы компонентов

Рис. 4.137. Последовательность на выходах двоичного счетчика

Двоичный код

Как вы видите из рис. 4.137, всякий раз, когда светодиод в столбце А гаснет, светодиод из столбца В меняет свое состояние с включенного на выключенное или с выключенного на включенное. Всякий раз, когда светодиод из столбца В гаснет, он меняет состояние светодиода из столбца С на противоположное, и т. д. Одним из следствий этого правила является то, что каждый светодиод мигает в два раза быстрее, чем его сосед слева.

Строка светодиодов представляет двоичное число, т. е. такое число, которое записано только двумя цифрами: 0 и 1 (белые цифры внутри кружков на рис. 4.137). Эквивалентное десятичное число показано черным шрифтом слева.

Светодиоды могут рассматриваться как двоичные цифры, которые обычно называются битами.

Правило вычислений в двоичной арифметике очень простое. В крайнем правом столбце начните с 0, а затем прибавьте 1. После этого, поскольку вы можете считать только нулями и единицами, то когда вы захотите прибавить еще 1, вы должны обратить текущий разряд в О и перенести 1 в следующий столбец слева.

А что если в следующем столбце слева уже стоит единица? Измените ее на 0 и перенесите 1 в следующий столбец. И так далее.

Крайний справа светодиод представляет младший значащий бит четырехразрядного двоичного числа. Крайний слева светодиод показывает нам самый старший значащий бит.

Фронт и спад

Когда вы запустите проверку, заметьте, что каждое изменение состояния крайнего справа красного светодиода (либо с включенного на выключенное, либо с выключенного на включенное) происходит всегда, когда желтый светодиод гаснет. Почему это так?

Большинство счетчиков запускается по перепаду. Это означает, что восходящий (фронт импульса) или нисходящий перепад уровня (спад импульса) переводит счетчик на следующее значение в серии, если импульс подается на тактирующий вход. Поведение светодиодов четко показывает вам, что счетчик 74НС393 запускается по спаду. В эксперименте 19 мы использовали счетчик, который активировался по фронту. Тип счетчика зависит от вашего конкретного устройства.

Счетчик 74НС393 также имеет вывод сброса, подобно микросхеме 4026В из эксперимента 19.

Замечание

В некоторых технических паспортах вывод сброса описывается как вывод «главного сброса», который может обозначаться как MR (master reset). Некоторые производители называют вывод сброса выводом «стирания», что может быть сокращено до CLR (clear).

Как бы он ни назывался, результат работы вывода сброса всегда одинаков. Он заставляет все выходы счетчика перейти в низкое состояние – в данном случае это означает двоичное число 0000.

Для сброса необходимо подать отдельный импульс. Но когда происходит сброс: когда импульс возникает или же когда он заканчивается?

Давайте выясним. Если вы собрали схему правильно, то на выводе сброса поддерживается низкий уровень благодаря резистору 10 кОм. Но здесь присутствует также и кнопка, которая может соединять вывод сброса напрямую с положительной шиной. Нажатие кнопки переводит вывод сброса в высокое состояние.

Как только вы нажмете кнопку, все выходы станут темными, и они будут оставаться такими, пока вы не отпустите кнопку. Очевидно, функция сброса в микросхеме 74НС393 запускается и удерживается с помощью высокого состояния.

Коэффициент пересчета

Выключите питание, отсоедините нагрузочный резистор и кнопку от вывода сброса (вывод 2) и замените провод, как показано на рис. 4.138. Все предыдущие соединения обесцвечены. Новый провод, черный, соединяет четвертый разряд, от выхода D, с выводом сброса. На рис. 4.139 показан измененный вариант на макетной плате. Новая перемычка установлена слева от микросхемы.

Как вы думаете, что произойдет?

Запустите счетчик снова. Он ведет счет от 0000 до 0111. Следующим двоичным значением на выходе было бы 1000, но как только четвертый разряд переходит от 0 к 1, высокое состояние распознается выводом сброса, который заставляет счетчик обнулиться.

Можно ли заметить мигание крайнего левого светодиода, прежде чем счетчик сбросится?

Вряд ли, поскольку счетчик реагирует меньше чем за миллионную долю секунды.

Прежде чем запустить автоматический повтор, счетчик теперь считает от 0000 до 0111. Поскольку счет от 0000 до 0111 в двоичной системе эквивалентен счету от 0 до 7 в десятичной, теперь у нас есть счетчик-делитель на 8. (Ранее он был счетчиком-делителем на 16.)

Предположим, вы переключили провод сброса от четвертого разряда к третьему. Теперь у вас счетчик-делитель на 4.

Рис. 4.138. Добавлен автоматический сброс счетчика

Рис. 4.139. Увеличенный фрагмент измененного варианта на макетной плате

Замечание

Вы можете легко подключить почти любой 4-разрядный двоичный счетчик так, чтобы он сбрасывался после 2,4 или 8 входящих импульсов.

Количество состояний выхода счетчика, прежде чем он начнет повторный счет, называется коэффициентом пересчета (в англоязычных описаниях – модуль счета, часто сокращается как «mod»). Счетчик mod-8 повторяет счет после восьми импульсов (которые нумеруются от 0 до 7).

Изменение коэффициента пересчета

Как это связано с нашим устройством генерации значений электронных игральных костей? Перехожу к нему. Поскольку кубик имеет шесть сторон, мне кажется, что нам необходимо подключить счетчик так, чтобы он повторял счет после шести состояний.

В двоичном коде последовательность значений на выходе будет выглядеть следующим образом: 000, 001, 010, 011, 100, 101. Мы можем проигнорировать старший бит, в столбце D, поскольку при шести состояниях он нам не нужен. Необходимо, чтобы счетчик сбрасывался после значения 5 в десятичной системе, которое соответствует числу 101 в двоичной.

Почему 5, а не 6? Потому что мы начинаем считать с 0. Для наших целей было бы удобнее, если бы счетчик начинал работать с 1, но он так не делает.

Какое следующее выходное значение после двоичного числа 101? Ответ – 110 в двоичной системе.

Есть ли что-то характерное для числа 110? Если вы изучите последовательность, то увидите, что число 110 является первым в ряду чисел, которые начинаются с двух единиц.

Как мы можем сказать счетчику: «Когда в столбце В появится 1 и в столбце С также будет 1, необходимо сброситься до 0000?» Слово «и» здесь должно дать вам подсказку. Логический элемент И выдает высокий уровень на выходе, тогда и только тогда, когда на двух его входах высокие уровни. Именно это нам и нужно.

Можем ли мы воспользоваться этим прямо сейчас? Разумеется, поскольку все микросхемы серии 74НСхх можно легко комбинировать друг с другом. На рис. 4.140 вы видите, что я добавил элемент И. Конечно, на макетной плате вам придется добавить соответствующую микросхему – 74НС08. Она содержит четыре элемента И, из которых нам нужен только один. Поэтому, помимо подвода питания, необходимо заземлить неиспользуемые входы. Это непросто, но я покажу вам, как это сделать, после того как мы реализуем несколько дополнений и улучшений. (Неиспользуемые выходы должны остаться без подключения.)

Замечание

Изменить коэффициент пересчета счетчика можно с помощью логической микросхемы (или логической комбинации микросхем), отыскав характерную конфигурацию выходных состояний и направив сигнал обратно на вывод сброса.

Рис. 4.140. Добавлен элемент И для настройки счетчика таким образом, чтобы его цикл счета состоял лишь из шести состояний вместо обычных шестнадцати

Отказ от семисегментного дисплея

Для отображения значений игральных костей я мог бы использовать семисегментный дисплей, который считает от 1 до 6. Но здесь есть проблема, поскольку счетчик считает от 0 до 5. Я не знаю простого способа преобразовать двоичное число 000 в семисегментную цифру 1, число 001 – в цифру 2, и т. д.