Цифровые счетчики импульсов (стр. 3 из 3). Счетчик импульсов водосчетчика
Счетчик импульсов на дин рейку
Счетчик имеет два варианта исполнения, первый для снятия показаний со счетчиков с низкочастотным выходом импульсов, например водосчетчики, а второй для снятия показаний с электросчетчиков с импульсным выходом, где частота импульсов может достигать 16000 импульсов на 1 кВт⋅ч.
Первый вариант:
Счетчик имеет два входа. После С16 и С13 сигнал поступает на аналоговый коммутатор сигналов MM74HC4066, он коммутириует входные сигналы для разных типов датчиков. Например для датчиков системы NAMUR, если датчик используется герконовый или транзисторный например, то коммутатор коммутирует входы на триггер шмитта SN74LVC1G14DBVR для формирования сигнала с четким фронатами.
Далее сигнал поступает на цифровые или аналоговые (в случае NAMUR) входы микроконтроллера Atmega328, который и ведет подсчет импульсов. Счетчик имеет связь с внешним миром через Ethernet выполненного на микросхеме W5500 или WiFi (при установке на плату счетчика ESP8266) по протоколу MQTT.
Принципиальная схема счетчикаПри пропадании питания подсчитанные импульсы записываются в энергонезависимую память EEPROM микроконтроллера и при подачи питания счет продолжается.
Входные цепи счетчикаСхема импульсного выхода счетчика воды ValtecСчетчик собран в корпусе фирмы меандр и представляет собой одномодульный (в соответствии с международным стандартом DIN 43-880) пластмассовый корпус для электронной аппаратуры, способ сборки без винтовой (на защёлках). Материал корпуса — ABS пластик светло серого цвета (RAL7035). Крепление корпуса на DIN рейку (35мм) или на ровную поверхность.
Код счетчика в открытом доступе на GitHub. Счетчик имеет несколько конфигурируемых параметров. Изменение параметров через топики MQTT:
Создаваемые топики MQTT
| Топик MQTT | Значения | Описание |
| namur | true/false | Переключает входы счетчика на тип — NAMUR. |
| polling | 500 — 4294967295 мс | Интервал публикации изменений данных в миллисекундах, т.е. данные счетчика публикуются только по изменению состояния, но не чаще заданного периода. |
| correction | 0;0 | Для ручного задания текущих показаний счетчика, данные отправляются с разделителем «;» |
| ratio | 1 — 32767 | Множитель, лучше использовать не на счетчике, а непосредственно в IoBroker |
| namur_lvl_1 / namur_lvl_2 | 0 — 1023 | Значение аналогового входа, для типа NAMUR, выше которого будет считаться как срабатывание датчика. |
| namur_brk_1 / namur_brk_2 | 0 — 1023 | Значение аналогового входа, для типа NAMUR, ниже которого будет выдаваться ошибка на обрыв кабеля. |
| interrupt_1 / interrupt_2 | 1, 2 , 3 | 1 — CHANGE прерывание вызывается при смене значения на порту, с LOW на HIGH и наоборот.2 — RISING прерывание вызывается только при смене значения на порту с LOW на HIGH.3 — FALLING прерывание вызывается только при смене значения на порту с HIGH на LOW. |
| bounce | 0 — 5000 мс | Задержка в миллисекундах для программного подавления дребезга |
| save | true/false | При записи значения true происходит сохранение данных и параметров в энергонезависимую память EEPROM |
| A_1 / A_2 | 0 — 1023 | Отображает текущие значения аналоговых входов при активном режиме NAMUR. Для облегчения конфигурации параметров — namur_lvl_x и namur_brk_x |
| count_1 / count_2 | 0 — 4 294 967 295 | Значения счетчика. |
Второй вариант:
Схема счетчика отличается только входной и программной частью. Входная часть сделана на отдельном микроконтроллере Atmega328 которая занимается подсчетом импульсов, расчетом текущей нагрузки, замером тока и выводит значения на UART порт.
Код для второго варианта так же на моей странице GitHub.
После отключения питания счетчик автоматически сохраняет текущие показания в энергонезависимой памяти EEPROM.
Публикуемые топики MQTT, счетчика импульсов| Топик MQTT | Значения | Описание |
| count | 0 — 4 294 967 295 кВт. | Значения счетчика. |
| power | 0 — 32767 Вт | Текущее значение мощности нагрузки |
| amp | 0 -100 А. | Ток нагрузки (требует подключения трансформатора тока) |
| polling | 1000 — 32767 мс | Интервал публикации изменений данных в миллисекундах, т.е. данные счетчика публикуются только по изменению состояния, но не чаще заданного периода. |
| bounce | 0 — 10000 мс | Задержка в миллисекундах для программного подавления дребезга |
| num | 0 — 32767 | Значение передаточного числа счетчика. Количество импульсов на 1 кВт*ч |
| save | true/false | При записи значения true происходит сохранение данных и параметров в энергонезависимую память EEPROM |
| correction | 0 — 4 294 967 295 | Для ручного задания текущих показаний счетчика |
| reset | true/false | Перезагрузка устройства с сохранением текущих значений |
| RAW | count;power;amp;bounce;num;error | Вывод сырых данных одной строкой. |
Блок питания счетчика собран на микросхеме MC
MC34063, которая имеет широкий диапазон входных напряжений от 5.5 до 40 Вольт.
Корпус 151 Меандрblog.instalator.ru
Счетчики импульсов
Счетчик – устройство, предназначенное для счета числа электрических импульсов, поступающих на его вход. Счетчики импульсов выполняются на основе триггеров.
Наиболее простым счетчиком является двоичный счетчик, осуществляющий счет поступающих импульсов в двоичной системе счисления. Такой счетчик (рис. 10) состоит из «n» триггеров (регистров) со счетным запуском. Максимальное число импульсов, которое может сосчитать счетчик при последовательном соединении триггеров составитN= 2n- 1. Для четырехразрядного счетчика (рис. 10)N= 24- 1 = 15. Временная диаграмма состояний счетчика приведена на рис. 11.
Перед поступлением входных импульсов все разряды счетчика устанавливаются в состояние «0» (Q1=Q2=Q3=Q4=0) подачей импульсов на вход «установка нуля». После поступления первого счетного импульса первый разряд переходит в соcтояниеQ1 = 1. В счетчик записывается число 1. По окончании второго импульса первый разряд счетчика переходит в состояние «0», второй – «1». В счетчике записывается число 2 с двоичным кодом 0010. Подобным же образом осуществляется работа счетчика при последующих счетных импульсах (см. рис. 11 и табл. 6). При поступлении 15-го импульса все разряды счетчика устанавливаются в состояние «1», а 16-м импульсом все разряды обнуляются.
Таблица 6
| № имп. | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
| Q1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| Q2 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| Q3 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| Q4 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
В процессе работы двоичного счетчика частота следования импульсов на выходе каждого последующего триггера уменьшается вдвое по сравнению с частотой его исходных импульсов (см. рис. 11). Это свойство схемы используют для построения делителей частоты.
В большинстве электронных устройств необходимо отображать показания счетчика в десятичной форме счисления. Для этих целей создаются двоично-десятичные счетчики. Их особенностью является счет до 10 с последующим сбросом. Построение такого счетчика возможно на базе 4-разрядного двоичного счетчика с исключением избыточных состояний. Для этого в схему счетчика вводят дополнительные связи (см. рис. 10 пунктир).Состояния разрядов двоично-десятичного счетчика приведены в табл. 7.
Таблица 7.
| № имп. | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| Q1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| Q2 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| Q3 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| Q4 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 |
До девятого импульса счет идет как у двоичного счетчика. Десятый импульс через дополнительные связи обеспечивает нулевое «0» исходное состояние всех разрядов счетчиков.
studfiles.net
Цифровые счетчики импульсов - часть 3
На рисунке показаны схема и графики работы делителя с коэффициентом счета 5, построенного на JK-триггерах Здесь уже знакомый вам трехразрядный двоичный счетчик дополнен логическим элементом 2Й-НЕ DD4.1, который и задает коэффициент счета 5. Происходит это так. При первых четырех входных импульсах (после установки триггеров в нулевое состояние кнопкой SB1 «Уст. 0») устройство работает как обычный двоичный счетчик импульсов. При этом на одном или обоих входах элемента DD4.1 действует низкий уровень напряжения, поэтому элемент находится в единичном состоянии.
По спаду же пятого импульса на прямом выходе первого и третьего триггеров, а значит, и на обоих входах элемента DD4.1 появляется высокий уровень напряжения, переключающий этот логический элемент а нулевое состояние. В этот момент на его выходе формируется короткий импульс низкого уровня, который через диод VD1 передается на вход R всех триггеров и переключает их в исходное нулевое состояние.
С этого момента начинается следующий цикл работы счетчика. Резистор R1 и диод VD1, введенные в этот счетчик, необходимы для того, чтобы исключить замыкание выхода элемента DD4.1 на общий провод.
Действие такого делителя частоты можете проверить, подавая на вход С первого его триггера импульсы, следующие с частотой 1... 2 Гц, и подключив к выходу триггера DD3 световой индикатор.
На практике функции счетчиков импульсов и делителей частоты выполняют специально разработанные микросхемы повышенной степени интеграции. В серии К155, например, это счетчики К155ИЕ1, К155ИЕ2, К155ИЕ4 и др.
В радиолюбительских разработках наиболее широко используют микросхемы К155ИЕ1 и К155ИЕ2. Условные графические обозначения этих микросхем-счетчиков с нумерацией их выводов показаны на рис. 47.
Микросхему К155ИЕ1 (рис. 47,а) называют декадным счетчиком импульсов, т. е. счетчиком с коэффициентом счета 10. Он содержит четыре триггера, соединенных между собой последовательно. Выход (вывод 5) микросхемы — выход ее четвертого триггера. Устанавливают все триггеры в нулевое состояние подачей напряжения высокого уровня одновременно на оба входа R (выводы 1 и 2), объединенные по схеме элемента И (условный символ «&»). Счетные импульсы, которые должны иметь низкий уровень, можно подавать на соединенные вместе входы С (выводы 8 и 9), также объединенные по И. или на один из них, если в это время на втором будет высокий уровень напряжения. При каждом десятом входном импульсе на выходе счетчик формирует равный по длительности входному импульс низкого уровня. Микросхема К155ИЕ2 (рис.48,б)
—двоично-десятичный четырехразрядный счетчик. В нем также четыре триггера, но первый из них имеет отдельные вход С1 (вывод 14) и отдельный прямой выход (вывод 12). Три других триггера соединены между собой так, что образуют делитель на 5. При соединении выхода первого триггера (вывод 12) со входом С2 (вывод 1) цепи остальных триггеров микросхема становится делителем на 10 (рис. 48, а), работающем в коде 1-2-4-8, что и символизируют цифры у выходов графического обозначения микросхемы. Для установки триггеров счетчика в нулевое состояние подают на оба входа R0 (выводы 2 и 3) напряжение высокого уровня.
Два объединенных входа R0 и четыре разделительных выхода микросхемы К155ИЕ2 позволяют без дополнительных элементов строить делители частоты с коэффициентами деления от 2 до 10. Так, например, если соединить между собой выводы 12 и 1, 9 и 2, 8 н 3 (рис. 48,6), то коэффициент счета будет 6, а при соединении выводов 12 и 1, 11,. 2 и 3 (рис. 48,в) коэффициент счета станет 8. Эта особенность микросхемы К155ИЕ2 позволяет использовать ее и как двоичный счетчик импульсов, и как делитель частоты.
Вывод
Цифровой счетчик импульсов - это цифровой узел, который осуществляет счет поступающих на его вход импульсов. Результат счета формируется счетчиком в заданном коде и может храниться требуемое время. Счетчики строятся на триггерах, при этом количество импульсов, которое может подсчитать счетчик определяется из выражения N = 2n - 1, где n - число триггеров, а минус один, потому что в цифровой технике за начало отсчета принимается 0. Счетчики бывают суммирующие, когда счет идет на увеличение, и вычитающие - счет на уменьшение. Если счетчик может переключаться в процессе работы с суммирования на вычитание и наоборот, то он называется реверсивным.
Список используемой литературы
1. И.И. Бобров «Импульсные и цифровые устройства», Пермь 2005г.
2. Справочник «Интегральные микросхемы» Б.В. Тарабрин, Л.Ф. Лунин, Ю.Н. Смирнов и др., Радио и связь, Москва 1984г.
3. В Л. Шило «Популярные цифровые микросхемы», Радио и связь, Москва 1987г.
4. А.С. Партин, В.Г. Борисов «Введение в цифровую технику», Радио и связь, Москва 1987г.
5. Б.И. Горошков «Элементы радиоэлектронных устройств», Радио и связь, Москва 1988г.
6. Методические рекомендации «Синтез счётчиков сигналов» Ю. В. Панов, Т. С. Леготкина, Пермь 1990г.
7. Также использованы материалы сайта www.qrz.ru и электронный «Справочник по цифровым логическим микросхемам ТТЛ, ТТЛШ, ЭСЛ типов, 1 часть».
mirznanii.com
Счетчики импульсов.
Последовательностные устройства
В сложных электронных устройствах вместе с комбинационными схемами применяются и такие, у которых есть "память". Значения их выходных сигналов зависят не только от того, какие сигналы действуют в данный момент времени на входе, но и от того, каково было внутреннее состояние схемы ранее. В качестве элементов памяти, как правило, используются триггеры. Схемы, содержащие и логические элементы, и элементы памяти, называются последовательностными.
Триггеры
Триггер – это устройство, имеющее два устойчивых состояния, способное под воздействием управляющего сигнала скачком переходить из одного состояния в другое и хранить это состояние сколь угодно долго. Способность хранить состояние сколь угодно долго и определяет "память" триггера.
Триггеры классифицируются:
- по числу информационных входов: с одним входом, с двумя входами и более;
- по моменту срабатывания: асинхронные и синхронные триггеры;
- по функциональному назначению:
триггеры с раздельным запуском (RS-типа),
счетные (Т-типа), комбинированные (RST-типа), универсальные (JK-типа), задержки (D-триггер) и др.;
- по типу входного воздействия: триггеры со статическими входами, триггеры с динамическими входами.
Статические входы – это такие, по которым входной сигнал оказывает свое воздействие в течение всей его длительности. При динамических входах сигнал воздействует на триггер только на длительности фронта или среза.
Все триггеры имеют два выхода – прямой "Q" и инверсный " 
". Информация на одном выходе является инверсией информации на другом. В основу построения триггеров положено применение логических элементов "ИЛИ-НЕ" или "И-НЕ" и обратных связей.
Схема RS триггера на элементах "ИЛИ-НЕ" приведена на рис.18.1а. На рис. 18.1б показано его условное обозначение. Управление схемой.
 Входы
| прямой выход | |
| S | R | Qn+1 |
| Qn | ||
| Неопреде-ленность |
в)
Рис. 18.1
осуществляется по уровню логической "1". Это значит, что когда на входах присутствует "0", т. е. 
, 
, состояние триггера не меняется. Уровень "0" является нейтральным.
Перед анализом работы схемы приведем логические действия элемента "ИЛИ-НЕ":
(18.1)
Пусть после включения питания на входах и выходах схемы установились состояния: R = 0; S = 0; Q = 1; 
. Уровень "1" с выхода Q поступает на вход С элемента Э2. На входе В по условию присутствует "0". Согласно (18.1) входные сигналы Э2 сформируют на его выходе уровень логического "0".
Этот уровень поступает на вход D элемента Э1. На входе А этого элемента также присутствует "0". Такие состояния, согласно (18.1), формируют на выходе Э1 уровень логической "1". Таким образом, состояние первого элемента поддерживает состояние второго и наоборот, т. е. это устойчивое состояние триггера.
Пусть в некоторый момент времени t1 на вход R поступает сигнал с логическим уровнем "1". Так как на входе D Э1 в это время присутствует уровень "0", то, согласно (18.1), уровень выхода Э1 скачком изменится с "1" до "0", т. е. Q = 0. Теперь на входы С и В элемента Э2 воздействует уровень логического "0". Поэтому выход Э2 скачком изменяет уровень от "0" до "1", т. е. 
.
Новое состояние триггера так же устойчивое. Оно не изменится, когда на вход R будет воздействовать уровень логического "0". При поступлении на вход R новых "1" состояние триггера останется прежним. Оно изменится только в том случае, когда уровень "1" поступит на вход S. Таким образом, RS-триггер управляется поочередно по двум входам.
Таблица возможных состояний триггера приведена на рис. 18.1в. При отсутствии входных сигналов 
триггер сохраняет информацию о последней из поступивших команд, т. е. служит элементом памяти. Сочетание входных сигналов 
является недопустимым. При таком сочетании триггер может принять любое состояние. Потому оно не применяется.
Схема RS-триггера на элементах "И-НЕ" приведена на рис. 18.2. На рис. 18.1б показано его условное обозначение. Собственно триггер собран на элементах Э3 и Э4. Элементы Э1 иЭ2 выполняют роль инверторов. Логические действия для элементов "И-НЕ" имеют вид:
(18.2)
Исполнительным значением двоичного сигнала для элементов "И-НЕ" является "0", нейтральным – "1". Если на А и В присутствует уровень "1", то состояние триггера устойчивое. Пусть, например, А = В = 1, Q = 1, 
. Уровень "1" с выхода Q поступает на вход С, а так как вход В = 1 по условию, то согласно (18.2) на выходе элемента Э4 формируется уровень логического "0". Этот уровень поступает на вход D элемента Э3. Вход А этого элемента равен "1" по условию. По (18.2) эти уровни сформируют на выходе элемента Э3 логическую "1". Таким образом, состояние элемента Э3 поддерживает состояние элемента Э4 и наоборот, т. е. это устойчивое состояние триггера.
Совершенно аналогично можно показать, что состояние А = В = 1, Q = 0, так же устойчиво. Включение инверторов Э1 и Э2 позволяет изменить исполнительный уровень входных сигналов, т. е. для входов S и R исполнительным уровнем является "1", а нейтральным "0". Поэтому возможные состояния схемы рис. 18.2 соответствуют таблице рис. 18.1в. Согласно этой таблице состояние входов S = R = 0 является нейтральным и позволяет триггеру сохранять память о последней из поступивших команд. Чтобы изменить состояние выходов триггера, необходимо на вход S или R подать "1". Состояние S = R = 1 недопустимо.
Триггеры по рис. 18.1а и 18.2 переходят в новое состояние сразу после поступления входного сигнала и поэтому называются асинхронными.
Синхронные RS-триггеры.
Во многих устройствах необходимо синхронизировать во времени переключение триггеров. Дело в том, что неодновременное переключение может привести к появлению непредусмотренных состояний устройства и к срыву его работы. Синхронные триггеры имеют дополнительный вход для подачи на него синхронизирующего (тактового) импульса определенной длительности.
Синхроимпульс своим исходным (нулевым) значением блокирует (закрывает) информационные входы S и R. В этом случае триггер не реагирует на входные сигналы, сохраняя предыдущее состояние. Триггер воспринимает информацию на входах, когда значение синхронного импульса равно "1" и переходит в новое состояние на интервале среза синхроимпульса.
Схема синхронного RS-триггера приведена на рис. 18.3а. На рис. 18.3б – его условное обозначение. Во всех случаях, когда С = 0 на выходах элементов Э1 и Э2 уровни 
, т. е. нейтральны для элементов Э3 и Э4 не зависимо от состояния входных сигналов S и R. В этом и заключается эффект блокирования входов.
При С = 1 на выходах элементов Э1 и иЭ2 сигналы становятся инверсными по отношению к исходным S и R. Их комбинация вызовет реакцию триггера в соответствии с таблицей рис. 18.1в.
Например:
- если S = R = 0, то , триггер сохраняет «память» о предыдущем состоянии;
- если S = 1, а R = 0, то 
; 
, триггер переходит в состояние "1", т. е. 
;
- если S = 0, а R = 1, то 
, триггер переходит в состояние "0", т. е. 
Пример наглядно показывает, что для входов S, R и С исполнительным уровнем является "1".
Кроме синхронных входов R и S синхронный триггер снабжается асинхронными входами SAи RA. Асинхронные входы позволяют задать триггеру определенное исходное состояние перед началом работы в синхронном режиме. При синхронном управлении триггером на входах SAи RA должен поддерживаться нейтральный уровень, т. е. "1".
JK-триггеры – это универсальные синхронные триггеры. Работа JK-триггера описывается таблицей рис. 18.4а. Входы триггера 
. Как и RS-триггер, он сохраняет свое состояние при J = K = 0. Когда J = 1, триггер переходит в состояние 
. При R = 1 – в состояние 
. При J = K = 1 начальное состояние триггера меняется на противоположное, т. е. 
. Это основное отличие JK от RS-триггера.
Условное обозначение JK-триггера показано на рис. 18.4б, а временные диаграммы, поясняющие его работу на рис. 18.4в. Во время действия тактового
| Входы | Прямой выход | |
| J | K |  |
 | ||
 |
а)
Рис. 18.4
импульса С = 1 на интервале 
вход J = 1. Поэтому в момент среза импульса С триггер переходит в состояние Q = 1. На интервале 
С = 0. Триггер не воспринимает входную информацию. На интервале второго тактового импульса 
вход К = 1. Поэтому в момент t4 триггер переключается: Q = 0. Во время действия третьего синхроимпульса J = 0; K = 0. Поэтому он не меняет своего состояния.
Обычно JK-триггеры снабжаются установочными входами R и S. Эти входы асинхронные. При S = 1 триггер устанавливается в состояние 
. При R = 1 – 
.
Схема JK-триггеров достаточно сложна и в лекции не рассматривается. Схемное усложнение позволило ликвидировать состояние неопределенности и увеличить число входов J и K (обычно по 3).
 |
D-триггер запоминает входную информацию в момент фронта синхроимпульса и хранит ее до следующего тактового импульса. D-триггер может быть выполнен на основе JK-триггера, при включении на входе элемента "НЕ", обеспечивающего условие 
. Отсюда следует, что D-триггер имеет тактовый вход С и вход D. Его работа описывается второй и третьей строкой таблицы рис. 18.4а, т. е. 
. Поэтому D-триггер является элементом памяти и находит широкое применение, в том числе в регистрах. Условное обозначение D-триггера и временные диаграммы, поясняющие его работу, приведены на рис. 18.6.
 |
В микросхемном исполнении триггеры выпускаются в составе многих серий цифровых интегральных микросхем. Для условного обозначения им присвоены следующие индексы:
RS-триггеры – ТР;
JK-триггеры – ТВ;
D-триггеры – ТМ.
Например, микросхема К555 ТР2 содержит 4 RS-триггера.
Микросхемы К555 ТВ6 и К555 ТВ9 включают в свой состав по два IK триггера каждая. Микросхемы позволяют путем внешних коммутационных изменений получить схемы, выполняющие функции RS, D и Т-триггеров.
Счетчики импульсов.
Одной из наиболее распространенных операций в устройствах дискретной обработки информации является счет импульсов (таймеры ЭСЧ, цифровые измерительные приборы, АЦП и т. п.). Эту операцию выполняют счетчики, которые по назначению делятся на простые (выполняющие операцию суммирования и вычитания) и реверсивные.
Простые счетчики осуществляют переходы от предыдущего состояния к последующему только в одном направлении, т. е. могут или суммировать или вычитать импульсы. Реверсивные счетчики имеют переходы в двух направлениях – прямом и обратном. В зависимости от системы счисления счетчики делятся на двоичные и десятичные. Синхронизация счета бывает двух типов – синхронная (по фронту импульса) и асинхронная (по импульсу). В основу построения счетчиков положено применение Т-триггеров. Максимальное число, которое может быть записано в счетчике равно 
, где n – число разрядов счетчика. Каждый разряд двоичного счетчика представляет собой триггер.
Схема четырехразрядного счетчика на сумму приведена на рис. 18.7а. На рис. 18.7б приведены эпюры, поясняющие принцип его работы. На схеме "Т" – счетный вход счетчика, 
- выходы разрядов, "УСТ" – установка состояния. Связь между триггерами – по прямым входам. Перед началом счета все триггеры устанавливаются в нулевое состояние - 
. Для этого достаточно подать единичный потенциал по шине "УСТ". Счетные импульсы поступают на вход "Т" первого триггера и переключаю его срезом каждого импульса (диаграмма Q1). Срезом импульсов выхода Q1 переключается триггер Т2 (диаграмма Q2). Триггеры Т3 и Т4 переключаются по аналогичному алгоритму.
Все состояния триггеров счетчика отражаются таблицей состояний 18.1. Нетрудно видеть, что состояние разрядов счетчика представляет собой запись числа поступивших на данный момент импульсов в двоичном коде. После записи максимального числа счетчик автоматически обнуляется, т. е. устанавливается исходное состояние . Далее начинается новый цикл счета. При необходимости увеличить число N достаточно подключить к выходу счетчика дополнительные разряды (триггеры).
Аналогично суммирующему счетчику строится счетчик на вычитание. Схема такого счетчика приведена на рис. 18.7в. В этой схеме связь между триггерами выполнена по инверсным выходам, а шина "УСТ" объединяет установочные входы триггеров "S".
Перед началом счета все триггеры устанавливаются в состояние 
. С поступлением на вход Т счетных импульсов происходит изменение состояний триггеров на вычитание. Все состояния триггеров приведены в таблице 18.2. Таблица представляет собой двоичную запись линейно убывающих чисел.
Часто возникает необходимость в счетчиках, которые могли бы поочередно выполнять сложение и вычитание поступающих импульсов. Такие счетчики называются реверсивными. Реверсивные счетчики снабжаются системой коммутации связей между триггерами (с прямых на инверсные и обратно) и двумя счетными входами. При подаче импульса на вход "+1" между триггерами устанавливается связь по прямым выходам, при этом код, записанный в счетчике, устанавливается на единицу. При поступлении импульса на вход "-1" происходит обратная коммутация триггеров и код, записанный в счетчике, уменьшается на единицу. Условное обозначение реверсивного счетчика показано на рис. 18.8.
Таблица 18.1 Таблица 18.2
В ряде случаев возникает необходимость вернуть счетчик в исходное состояние после записи некоторого числа 
. Для создания такого счетчика достаточно ввести в него цепь ОС. Например, декадные счетчики выполняются на основе четырехразрядных двоичных счетчиков. Но счет необходимо выполнять от 0 до 9, т. е. после записи цифры 9 необходимо возвратить триггеры в исходное состояние. Значит, цепь ОС должна выделить двоичную комбинацию числа 10. Наиболее просто она может быть образована с использованием логического элемента "И" (рис. 18.9).
Промышленность выпускает счетчики в виде интегральных микросхем, в том числе двоичные (на сложение и вычитание), двоично-десятичные (декады), реверсивные, с программируемым коэффициентом счета. Например:
К555 ИЕ10 – синхронный, четырехразрядный двоичный счетчик;
К555 ИЕ9 – четырехразрядный двоично-десятичный счетчик;
К555 ИЕ6; ИЕ7 – двоично-десятичный и двоичный реверсивные
четырехразрядные счетчики;
К555 ИЕ14 – асинхронный счетчик-делитель с программируемым
коэффициентом деления.
Регистры.
Регистрами называют функциональные узлы, предназначенные для хранения n-разрядных двоичных чисел (слов). Основными видами регистров являются параллельный и последовательный.
Схема четырехразрядного параллельного регистра приведена на рис. 18.10. В этой схеме четыре D триггера объединены по входам С. Входами регистра являются входы D-триггеров. Выходы регистра могут иметь ключевую развязку посредством логических элементов "И".
В регистр информация поступает в виде параллельного кода по n проводам. Входы обозначены по разрядам кодовой комбинации 
. Одновременно на входы С всех триггеров подается логический сигнал "1" – "Запись". Во время фронта импульса С срабатывают все триггеры, принимая состояние входов. Для считывания информации достаточно на входы 1 всех логических элементов "И" подать уровень логической "1". Информация присутствует на выходах 
; 
; 
; 
в виде параллельного кода на интервале длительности импульса "считывание".
Схема четырехразрядного последовательного (сдвигающего) регистра приведена на рис. 18.11а. На рис. 18.11б приведены временные диаграммы, поясняющие его работу.
Для построения регистра применяются D-триггеры. Схема имеет один вход – "x" и выходы каждого разряда - 
. Тактовые входы всех триггеров объединены по шине "СС" – сигнал сдвига. На вход первого разряда регистра поступает цифровой сигнал записываемого числа. На вход каждого следующего разряда поступает сигнал с выхода предыдущего разряда. Работой схемы управляет тактовая последовательность импульсов СС. Важно, чтобы период следования СС был равен длительности разряда записываемого кодового числа.
Пусть перед записью все D-триггеры находятся в состоянии . Пусть также на вход Х последовательно во времени поступают разряды кодового числа 1011 (диаграмма х). С поступлением первого импульса СС по его фронту в первый D-триггер записывается первый разряд кодового слова – "1". Во все остальные D-триггеры регистра будет записан "0". Эта информация будет храниться до прихода следующего импульса СС.
К моменту поступления второго импульса СС на вход первого D-триггера воздействует второй разряд кодового слова. Он равен "0". На вход второго D-триггера воздействует сигнал 
. На вход третьего и четвертого D-триггеров воздействует "0". По фронту второго импульса СС эта информация и записывается в соответствующий триггер. Первый разряд кодового слова сдвинулся во второй разряд регистра, а в первый разряд регистра записан второй разряд кодового слова.
Далее процессы повторяются. Каждый импульс СС продвигает записываемую информацию по разрядам регистра от входа к выходу. Поэтому последовательный регистр часто называют регистром сдвига. Фронтом четвертого импульса СС все разряды кодового числа расположатся в разрядах регистра как показано на рис. 18.11б. В общем случае для записи n разрядов кодового числа потребуется п импульсов СС.
Поступивший на вход Х последовательный код может быть считан с выходов 
как параллельный, т. е. последовательный регистр позволяет преобразовать последовательный код в параллельный.
Информация, записанная в последовательном регистре, может быть считана с выхода старшего разряда в виде последовательного кода. Для этого достаточно подать n импульсов СС.
Промышленность выпускает регистры в виде интегральных микросхем как параллельные, так и последовательные. Например:
К555 ИР15 – четырехразрядный параллельный регистр;
К555 ИР8 – восьмиразрядный последовательный регистр;
К555 ИР10 – восьмиразрядный сдвиговый регистр, осуществляет
параллельно-последовательную запись информации.
Похожие статьи:
poznayka.org
Счетчик импульсов: назначение и применение
На производстве, где есть линии автоматизации, всегда существует необходимость что-то посчитать. Это может быть количество продукции, длина материала, время выполнения какого-либо техпроцесса, станочной операции или действия конкретного механизма, энергоресурсы. Со всем этим может справиться автоматическое устройство подсчета импульсов.
Что такое счетчики импульсов
Прибор, который может подсчитывать импульсы, является определенным автоматическим модулем и используется как элемент управления линиями автоматизированного типа различными механизмами.
Счетчики способны вести счет в прямом, обратном и реверсивном направлении отсчета импульсов и осуществлять подключение/отключение управляющих цепей над внешними устройствами в момент достижения необходимого количества сигналов.
Лицевая панель устройств подсчета прямоугольных сигналов снабжена индикатором знакоотображающего типа и органами управления – кнопками. Конструктивно приборы выполнены таким образом, что могут быть легко установлены в шкафы управления, их панель на переднем плане.
Цепи внешние коммутируются со счетчиком через разъем-клеммник на задней части корпуса прибора.
Как работают устройства счета
Принцип работы счетчика импульсов основан на следующем:
- При помощи кнопочных органов оператор набирает заданную установку подсчета, которая имеет отображение на табло прибора, а также фиксируется автономной памятью, питающейся за счет отдельного энергоснабжения.
- Поступающий на счетный вход сигнал (импульс) производит прибавление либо отнимание единичного значения от установленного заранее параметра, что также отображается на табло.
- В момент совпадения значений посчитанного и заданного управляющий сигнал подается на реле, где происходит смена положения контактной группы.
- Когда на вход сброса приходит сигнал, устройство подсчета импульсов входит в состояние обнуления.
Функция обнуления через вход сброса имеется не у всех схем счетчиков. В некоторых этот процесс автоматически происходит при совпадении значений установки и подсчета. При этом одновременно происходит подача импульса на реле, которое переключает контакты на некоторый заданный промежуток времени.
Универсальные счетчики могут иметь одновременно и прямой, и обратный счет, который может управляться при помощи фазировки импульсов на входе устройства. Такая возможность прибора позволяет применять последний для станков намотки при подсчете числа витков.
Назначение регистратора
Счетчик импульсов-регистратор создан для мониторинга использования воды в горячем и холодном состоянии, энергоресурсов и газа. Устройство работает вместе с обычными счетчиками электричества, газа и воды, где присутствует специальный импульсный выход для телеметрических задач. Также регистратор может дистанционно отслеживать потребление энергетических ресурсов и вести другие операции по учету.
В зависимости от того, сколько каналов имеет регистратор, он может обслуживать такое же количество число-импульсных каналов. Приборы этого типа, как правило, являются механизмами преобразования вторичного порядка. Преобразователями первичного порядка выступают счетные устройства расхода воды, природного газа или энергии, в которых установлен телеметрический выход. Примером регистратора на отечественном рынке может служить счетчик импульсов «Пульсар»
Регистратор кроме схемы счета имеет еще схему памяти, которая не зависит от внешнего питания. Эта память содержит архив, где хранятся все данные по учету. Информацию можно передавать в сеть при помощи специального интерфейса.
Счетчик импульсов «ОВЕН»
Представленный счетчик является микропроцессорной системой, которую применяют для целей подсчета на движущейся транспортерной ленте количества готовых изделий, а также длины полимерной пленки, полученной методом экструзии, кабеля, наматываемого на бабину. Также его используют, решая разные вопросы сортирования продукции, определения общего ее количества и номеров партии.
Встроенное в счетчик импульсов СИ8 таймерное устройство дает возможность задействовать прибор при выполнении функций расходомера, вычисления быстроты кручения вала, счетчика наработки. Цифровое устройство имеет корпусное исполнение трех видов: один настенный вариант и два щитовых. Счетчик может обеспечить следующие функции:
- посчитать импульсы в обратном, прямом и реверсном варианте;
- определить с какой скоростью вращаются узлы и элементы механики, а также направление этого вращения;
- осуществить подсчет расхода в суммарном и текущем варианте;
- измерить сколько длиться технологический процесс;
- определить какова наработка станков и оборудования;
- используя два выходных устройства, управлять нагрузкой;
- хранить в памяти результаты измерений;
- передавать данные по интерфейсу.
Одноканальный счетчик
Счетчик импульсов СИ модели СИ1-8 является восьмиразрядным одноканальным устройством, которое может работать совместно с различными датчиками. Его основное назначение осуществлять контроль технологических процессов широкого спектра производства. Заявленный счетчик также имеет возможность работать совместно с энкодером.
Технические возможности прибора позволяют последнему считать импульсы, приходящие на его вход, и подсчитывать объем полученной продукции, используя любые единицы измерения. Основные функции схемы такие:
- счет входных импульсов автоматически;
- любой вариант подсчета - от нуля к установленному пределу, обратно и режимом реверса;
- вычисление наработки часов оборудованием;
- возможность применения различных коэффициентов программновводимых в устройство;
- функции расходомера;
- отображение результатов измерений наглядно;
- возможность управлять исполнительным устройством, находящимся вовне;
- сохранение данных в памяти и передача их сети;
- возможность программного воздействия на счетчик.
Установка показаний
Чтобы ввести установку подсчета на типовом счетчике импульсов, необходимо произвести следующие действия:
- включить кнопку «ввод» - прибор перейдет в состояние мигающего наименьшего разряда установки;
- выбрать нужную величину числа;
- перейти на следующую позицию разряда при помощи кнопки «выбор»;
- так устанавливая величины каждой позиции дойти до самого наивысшего разряда.
Принципы классификации приборов
Есть множество модификаций устройств для подсчета импульсов, которые разработаны решать разные производственные задачи. Все они имеют следующую классификацию по:
- используемому питающему напряжению;
- амплитуде подсчитываемых импульсов;
- степени быстродействия схемы;
- разрядности;
- системе управления подсчетом, как в счетчике импульсов регистраторе "Пульсар";
- количеством схем, объединенных одним устройством;
- универсальности в плане возможности обратного, реверсивного и прямого счета;
- функциональности выхода;
- типу выхода;
- виду корпусной оболочки.
От чего питаются устройства
Разные типы счетчиков импульсов могут питаться разным напряжением, в основном это:
- переменное либо постоянное электричество величиной от 18.0 до 36.0 вольт;
- переменное либо постоянное электричество величиной от 85.0 до 240.0 вольт.
Сигналы, приходящие на вход устройств, могут иметь амплитуды в тех же пределах, что и питающее напряжение.
Касаемо выходного контакта счетчика, напряжение на нем может доходить до 250.0 вольт с силой тока до 3.0 ампер. Это не относится к счетчикам, имеющим высокое быстродействие. У них выходом есть электронный ключ, собранный на транзисторной логике.
загрузка...
worldfb.ru
Цифровые счетчики импульсов - часть 2
Недостаток последовательного счетчика – при увеличении разрядности пропорционально увеличивается время установки (tуст) данного счетчика. Достоинством является простота реализации.
Рис. 3 - Реверсивный счетчик
Для счетных импульсов предусмотрены два входа: "+1" - на увеличение, "-1" - на уменьшение. Соответствующий вход (+1 или -1) подключается ко входу С. Это можно сделать схемой ИЛИ, если влепить ее перед первым триггером (выход элемента ко входу первого триггера, входы - к шинам +1 и -1). Непонятная фигня между триггерами (DD2 и DD4) называется элементом И-ИЛИ. Этот элемент составлен из двух элементов И и одного элемента ИЛИ, объединенных в одном корпусе. Сначала входные сигналы на этом элементе логически перемножаются, потом результат логически складывается.
Число входов элемента И-ИЛИ соответствует номеру разряда, т. е. если третий разряд, то три входа, четвертый - четыре и т. д. Логическая схема является двухпозиционным переключателем, управляемым прямым или инверсным выходом предыдущего триггера. При лог. 1 на прямом выходе счетчик отсчитывает импульсы с шины "+1" (если они, конечно, поступает), при лог. 1 на инверсном выходе - с шины "-1". Элементы И (DD6.1 и DD6.2) формируют сигналы переноса. На выходе >7 сигнал формируется при коде 111 (число 7) и наличии тактового импульса на шине +1, на выходе <0 сигнал формируется при коде 000 и наличии тактового импульса на шине -1.
Все это, конечно, интересно, но красивей смотрится в микросхемном исполнении:
Рис. 4 Четырехразрядный двоичный счетчик
Вот типичный счетчик с предустановкой. СТ2 означает, что счетчик двоичный, если он десятичный, то ставится СТ10, если двоично-десятичный - СТ2/10. Входы D0 - D3 называются информационными входами и служат для записи в счетчик какого-либо двоичного состояния. Это состояние отобразится на его выходах и от него будет производится начало отсчета. Другими словами, это входы предварительной установки или просто предустановки. Вход V служит для разрешения записи кода по входам D0 - D3, или, как говорят, разрешения предустановки. Этот вход может обозначаться и другими буквами. Предварительная запись в счетчик производится при подаче сигнала разрешения записи в момент прихода импульса на вход С. Вход С тактовый. Сюда запихивают импульсы. Треугольник означает, что счетчик срабатывает по спаду импульса. Если треугольник повернут на 180 градусов, т. е. задницей к букве С, значит он срабатывает по фронту импульса. Вход R служит для обнуления счетчика, т. е. при подаче импульса на этот вход на всех выходах счетчика устанавливаются лог. 0. Вход PI называется входом переноса. Выход p называется выходом переноса. На этом выходе формируется сигнал при переполнении счетчика (когда на всех выходах устанавливаются лог. 1). Этот сигнал можно подать на вход переноса следующего счетчика. Тогда при переполнении первого счетчика второй будет переключаться в следующее состояние. Выходы 1, 2, 4, 8 просто выходы. На них формируется двоичный код, соответствующий числу поступивших на вход счетчика импульсов. Если выводы с кружочками, что бывает намного чаще, значит они инверсные, т. е. вместо лог. 1 подается лог. 0 и наоборот. Более подробно работа счетчиков совместно с другими устройствами будет рассматриваться в дальнейшем.
Принцип действия данного счетчика заключается в том, что входной сигнал, содержащий счетные импульсы, подается одновременно на все разряды данного счетчика. А установкой счетчика в состояние лог.0 или лог.1 управляет схема управления. Схема данного счетчика показана на рис.6
Рис. 4 Суммирующий счетчик параллельного действия
Разряды счетчика – триггеры DD1, DD2, DD3.
Схема управления – элемент DD4.
Достоинство данного счетчика – малое время установки, не зависящее от разрядности счетчика.
Недостаток – сложность схемы при повышении разрядности счетчика.
Для повышения быстродействия применяют способ одновременного формирования сигнала переноса для всех разрядов. Достигается это введением элементов И, через которые тактовые импульсы поступают сразу на входы всех разрядов счетчика.
Рис. 2 - Счетчик с параллельным переносом и графики, поясняющие его работу
С первым триггером все понятно. На вход второго триггера тактовый импульс пройдет только тогда, когда на выходе первого триггера будет лог. 1 (особенность схемы И), а на вход третьего - когда на выходах первых двух будет лог. 1 и т. д. Задержка срабатывания на третьем триггере такая же, как и на первом. Такой счетчик называется счетчиком с параллельным переносом. Как видно из схемы, с увеличением числа разрядов увеличивается число лог. элементов И, причем чем выше разряд, тем больше входов у элемента. Это является недостатком таких счетчиков.
Формирователь импульсов – устройство, необходимое для устранения дребезга контактов, возникающего при замыкании механических контактов, который может привести к неправильной работе схемы.
На рисунке 9 приведены схемы формирователей импульсов от механических контактов.
Рис. 9 Формирователи импульсов от механических контактов.
Блок индикации
Для отображения результата счёта необходимо использовать светодиоды. Чтобы осуществить такой вывод информации можно воспользоваться простейшей схемой. Схема блока индикации на светодиодах приведена на рисунке 10.
Рис. 10 Блок индикации на светодиодах.
Разработка КСУ (комбинационной схемы управления)
Для реализации данного счётчика из серии ТТЛШ микросхем К555 я выбрал:
две микросхемы К555ТВ9 (2 JK-триггера с установкой)
одну микросхему К555ЛА4 (3 элемента 3И-НЕ)
две микросхемы К555ЛА3 (4 элемента 2И-НЕ)
одну микросхему К555ЛН1 (6 инверторов)
Данные микросхемы обеспечивают минимальное количество корпусов на печатной плате.
Структурная схема – совокупность блоков счётчика, выполняющих какую-либо функцию и обеспечивающих нормальную работу счётчика. На рисунке 7 показана структурная схема счётчика.
Рис. 7 Структурная схема счётчика
Блок управления выполняет функцию подачи сигнала и управления триггерами.
Блок счёта предназначен для изменения состояния счетчика и сохранения этого состояния.
Блок индикации выводит информацию для зрительного восприятия.
Функциональная схема – внутренняя структура счётчика.
Определим оптимальное количество триггеров для недвоичного счётчика с коэффициентом счёта Кс=10.
M = log 2 (Кс) = 4.
M = 4 значит для реализации двоично-десятичного счётчика необходимо 4 триггера.
Простейшим одноразрядным счетчиком импульсов может быть JK-триггер и D-триггер, работающий в счетном режиме. Он считает входные импульсы по модулю 2—каждый импульс переключает триггер в противоположное состояние. Один триггер считает до двух, два соединенных последовательно считают до четырех, п триггеров—до 2n импульсов. Результат счета формируется в заданном коде, который может храниться в памяти счетчика или быть считанным другим устройством цифровой техники—дешифратором.
На рисунке показана схема трехразрядного двоичного счетчика импульсов, построенного на JK-триггер ax K155TB1. Смонтируйте такой счетчик на макетной панели и к прямым выходам триггеров подключите светодиодные (или транзисторные — с лампой накаливания) индикаторы, как это делали ранее. Подайте от испытательного генератора на вход С первого триггера счетчика серию импульсов с частотой следования 1 ... 2 Гц и по световым сигналам индикаторов постройте графики работы счетчика.
Если в начальный момент все триггеры счетчика находились в нулевом состоянии (можно установить кнопочным выключателем SB1 «Уст.0», подавая на вход R триггеров напряжение низкого уровня), то по спаду первого же импульса (рис. 45,6) триггер DD1 переключится в единичное состояние—на его прямом выходе появится высокий уровень напряжения (рис. 45,в). Второй импульс переключит триггер DD1 в нулевое состояние, а триггер DD2—B единичное (рис. 45,г). По спаду третьего импульса триггеры DD1 и DD2 окажутся в единичном состоянии, а триггер DD3 все еще будет в нулевом. Четвертый импульс переключит первые два триггера в нулевое состояние, а третий в единичное (рис. 45,д). Восьмой импульс переключит все триггеры в нулевое состояние. По спаду девятого входного импульса начнется следующий цикл работы трехразрядного счетчика импульсов.
Изучая графики, нетрудно заметить, что каждый старший разряд счетчика отличается от младшего удвоенным числом импульсов счета. Так, период импульсов на выходе первого триггера в 2 раза больше периода входных импульсов, на выходе второго триггера — в 4 раза, на выходе третьего триггера — в 8 раз. Говоря языком цифровой техники, такой счетчик работает в весовом коде 1-2-4. Здесь под термином «вес» имеется в виду объем информации, принятой счетчиком после установки его триггеров в нулевое состояние. В устройствах и приборах цифровой техники наибольшее распространение получили четырехразрядные счетчики импульсов, работающие в весовом коде 1-2-4-8. Делители частоты считают входные импульсы до некоторого задаваемого коэффициентом счета состояния, а затем формируют сигнал переключения триггеров я нулевое состояние, вновь начинают счет входных импульсов до задаваемого коэффициента счета и т. д.
mirznanii.com
