Отличие синхронных счетчиков от асинхронных

АСИНХРОННЫЕ И СИНХРОННЫЕ ТРИГГЕРЫ

Навчально – методичний посібник

для студентів освітньо-кваліфікаційного рівня «бакалавр»

напрямів підготовки «Фізичне виховання», «Здоров’я людини», «Спорт»

Рецензент М.В.Маліков

Відповідальний за випуск Р.В.Клопов

Коректор Н.В. Мацюх

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТНЫЕ СХЕМЫ

ТРИГГЕРЫ.

АСИНХРОННЫЕ И СИНХРОННЫЕ ТРИГГЕРЫ

К последовательностным схемам относятся различные типы логических элементов с двумя или более устойчивыми состояниями и устройства на их основе, функции выходов кото­рых определяются не только комбинацией действующих на входах внешних сигналов, но и в отличие от комбинационных схем некоторыми внутренними сигналами (состояниями), учиты­вающими предыдущие входные воздействия регистры памяти, счетчики импульсов, накапливающие сумматоры, оперативные запоминающие устройства и т. д. Наиболее часто в качестве базовых элементов последовательностных схем используются логические элементы с двумя устойчивыми состояниями, ко­торые в сочетании с двоичными комбинационными схемами обра­зуют элементный базис двоичных цифровых устройств. В мно­гообразии бистабильных логических элементов особенно ши­рокое применение нашли триггеры.

Триггерами называют спусковые или регенеративные уст­ройства с двумя возможными устойчивыми состояниями, в ко­торые они могут устанавливаться управляющими входными сигналами. Существует большое количество разновидностей триггеров, которые различаются по виду входных и выходных сигналов, а также по способу управления состояниями записи информации в триггер.

По виду входных сигналов различают триггеры с импульс­ным и потенциальным управлением. В цифровых вычислительных устройствах в основном применяются триггеры с потенци­альным управлением.

По способу записи информации триггеры подразделяются на асинхронные и синхронные (тактируемые).

У асинхронных триггеров имеются только информационные (логические) входы. Асинхронные триггеры отличает свойство срабатывать непосредственно за изменением сигналов на входах, не считая времени задержки на элементах, образующих триггер. Основной недостаток асинхронных триггеров, ограничивающий их использование в быстродействующей аппаратуре, — незащищенность перед опасными состязаниями сигналов. Явление состязаний, или гонок, состоит в том, что сигналы, поступающие на разные информационные входы триггера, проходят по разным цепям, пройдя различное число элементов. Вследствие задержек распространения между сигналами возможны временные сдвиги, которые будут меняться с колебаниями температуры и по мере старения деталей. Состязание сигналов могут оказаться причиной ложных срабатываний триггера. Тактированием этот недостаток удается устранить. Асинхронный триггер по большей части используют в качестве ключей, прерывателей, делителей частоты, асинхронных счетчиков и т.п.

У синхронных триггеров смены сигналов еще недостаточно для срабатывания. Необходим дополнительный командный импульс, который подается на синхронизирующий, или, как его чаще называют, тактирующий, вход. Синхронизирующие сигналы вырабатываются специальным генератором тактовых импульсов, которые задают частоту смены информации в дискретные моменты времени. В синхронных триггерах момент переключения определяется моментом смены кодовой комбинации на информационных входах. В эти же моменты обновляется информация на выходах триггера, которая поступает на входы последующих устройств. Синхронизация триггеров производится по уровню тактирующего сигнала либо по его положительному или отрицательному фронту. Синхронизация обеспечивает привязку сигналов ко времени и объединяет в общем ритме работу многих узлов аппаратуры. Синхронные триггеры сравнительно с асинхронными обладают также более высокой помехоустойчивостью. Опрокидывание синхронных триггеров происходит только при участии тактовых импульсов, длительность которых гораздо меньше их периода. В остальное время на входные сигналы, равно как и на помехи различного происхождения, триггер не реагирует.

В вычислительной и цифровой технике, связанной с обработкой и преобразованием информации, почти везде используются синхронные системы.

По виду выходных сигналов различают статические и дина­мические триггеры. В статических триггерах устойчивые состо­яния идентифицируются по уровням постоянных напряжений на их выходах. Состояния динамических триггеров определяются по наличию или отсутствию на выходах непрерывной серии им­пульсов. Наибольшее распространение в цифровой схемотехнике получили статические триггеры.

Функционально триггер можно представить в виде элемента памяти со схемой управления (рис. 6.1).

Элемент памяти хранит информацию о результате предыдущего воздействия на триггер. Схема управления реализует правила реагирования триггера на различные входные сигналы и их комбинации. В конечном счете, схема управления вырабатывает сигналы, которые обеспечивают хранение и информации в запоминающем элементе, подтверждение состояния либо переключение запомина­ющего элемента в новое состояние. В двоичном триггере для смены состояний запоминающего элемента достаточно выработать сигналы установки в единичное состояние (Установка «1») и в нулевое (Установка «0»). Отсутствие сигналов установки соответствует режиму хранения информации, а их одновремен­ное действие приводит к неопределенному результату, поэтому такое управление обычно не используется.

По реакции триггера на входные управляющие воздействия различают следующие виды входов:

S — вход для установки (Set — установка) триггера в состояние «1» (на основном или прямом выходе триггера Q устанавливается сигнал «логическая «1», т. e. Q = 1);

R — вход для сброса (Reset — сброс, возврат) триггера в состояние «0» (Q = 0);

D — вход для установки триггера в состояние «1» при D = 1 или «0» при D = 0 т. е. задержкой (Delay — задержка) переключе­ния выходов Q, по отношению ко входу D;

Т — вход переключения (Toggle — релаксатор) триггера в противоположное состояние аналогично счету по модулю 2, поэтому вход Т называют счетным;

J, К — входы для установки (Jerk — включение) и сброса (Кill — отключение) триггера в состояние соответственно «1» и «0» аналогично входам S и R, отличие состоит в том, что одно­временное возбуждение входов S и R обусловливает неопреде­ленность перехода триггера в одно из двух возможных состо­яний, а одновременное возбуждение входов J и К вызывает однозначно смену состояния триггера аналогично входу Т;

С — вход синхронизации (Clock — часы) для точного за­дания моментов переключения состояний триггера;

V — вход для разрешения или запрета реагирования триггера на соответствующие управляющие входы.

Обычно триггеры содержат лишь часть из перечисленных типов входов, причем некоторые из них являются кратными. По совокупности управляющих входов различают:

RS-триггеры с раздельными входами установки в состояние «0» и «1»; RS-триггеры бывают асинхронными и синхронны­ми, если кроме S и R имеется вход С;

D-триггеры с записью информации по одному входу D и мо­менты времени, определяемые синхроимпульсами С;

Т-триггеры со счетным входом;

JK-триггеры — универсальные триггеры, в которых вхо­ды J и К в отдельности реализуют раздельное управление, а совместно — счетный режим.

Кроме названных типов существует много разновидностей триггеров с комбинированным управлением названными типами входов, с блокировкой каких-либо информационных входов или без нее. Триггеры, синхронизируемые уровнем синхроимпульса, могут в течение действия синхроимпульса многократно переключаться управляющими сигналами. В паузе между синхроимпульсами их состояния не изменяются независимо от управляющих сигналов.

Триггеры, синхронизируемые фронтом, изменяют состо­яния лишь в момент переключения уровней синхроимпульса из «0» в «1» (положительный фронт) или из «1» в «0» (отрицатель­ный фронт). При любых постоянных уровнях синхроимпульса триггер сохраняет состояние при всевозможных изменениях управляющих сигналов. Следовательно, синхронизируемый фронтом триггер за время действия синхроимпульса любой дли­тельности может переключиться только один раз.

Триггеры описываются совокупностью статических и ди­намических параметров.

Важнейшим из статических параметров, аналогично логическим элементам, являются коэффициент объединения по входу — К_об, коэффициент разветвления по выходу — К_раз, входные и выходные уровни напряжения «0» — и «1» — , входные и вы­ходные токи «0» — и «1» — .

Основными динамическими параметрами триггера являются:

t_раз — разрешающее время, определяемое как минимальный период следования входных сигналов при котором триггер сохра­няет работоспособность, разрешающее время определяет максималь­ную частоту переключения f_тax =1/t_раз;

— длительность задержки распространения сигнала, из­меряемая на выходах триггера по отношению к каждому из входов;

t_вх — минимальная длительность входного cигнала, при кото­рой триггер адекватно реагирует на управляющее воздействие.

Технические реализации триггеров отличаются типом ис­пользуемых активных компонентов и способом их включения. Прежде всего, это относится к собственно запоминающему эле­менту триггера. Для обеспечения переключения состояний запоминающего элемента с максимальной скоростью в нем исполь­зуется так называемый регенеративный режим, который имеет место, если в схеме действует положительная обратная связь.

Синхронные счётчики

Теперь возникает вопрос того, что делать со входами J и K? Мы знаем, что нам необходимо поддерживать принцип деления частоты на два для каждого последующего разряда, и что такое деление частоты легче всего создать с помощью триггеров, работающих в режима переключения между двумя устойчивыми состояниями, следовательно, на входы J и K должен подаваться сигнал высокого уровня. Однако, если мы просто соединим все входы J и K с положительной шиной питания (как в случае асинхронного счётчика), то такая схема не будет работать, поскольку изменение состояний триггеров будет происходить одновременно: по каждому новому синхроимпульсу.

Давайте ещё раз посмотрим на последовательность двоичных чисел и попробуем выявить ещё одну закономерность, с помощью которой можно было бы предсказать момент изменения состояния битов. Принцип действия асинхронных счётчиков основан на том факте, что смена состояния триггеров происходит в тот момент, когда предыдущий триггер переходит с высокого уровня на низкий (с 1 на 0). Поскольку в схеме синхронного счётчика невозможно тактировать триггер, исходя из перемены состояния предыдущего триггера, нам следует найти другую закономерность в последовательности двоичных чисел:

При изучении последовательности четырёхразрядных двоичных чисел, можно обнаружить ещё одну закономерность. Обратите внимание, что непосредственно перед сменой состояния триггера, все предыдущие триггеры находятся в состоянии высокого логического уровня:

Эту закономерность можно использовать при разработке схемы счётчика. Если сделать так, чтобы каждый J-K-триггер менял своё состояние исходя из того, находятся ли выходы (Q) предыдущих триггеров в состоянии единицы, то мы сможем получить схему, в которой все триггеры будут тактироваться одновременно:

Первый триггер (слева) меняет состояние по каждому синхроимпульсу; второй триггер меняет состояние, только когда на Q – сигнал высокого логического уровня; третий триггер меняет состояние, только если на Q и Q₁ – сигнал высокого логического уровня; последний триггер меняет состояние, только если на Q и Q₁ и Q₂ – сигнал высокого логического уровня.

Такова схема четырёхразрядного синхронного счётчика. Каждый из триггеров старшего разряда готов к изменению состояния (на входах J и K высокий уровень), если выходы Q всех предыдущих также находятся на высоком уровне. В противном случае, на входах J и K будет сигнал низкого уровня, что переведёт их в режим «защёлки», и они будут сохранять текущее состояние до следующего синхроимпульса. Поскольку триггер, соответствующий самому младшему разряду должен изменять состояние по каждому синхроимпульсу, его входы J и K соединены с Vcc или Vdd, благодаря чему на них всегда будет подаваться логическая единица. Для изменения своего состояния следующий триггер должен лишь «распознать», что на выходе Q первого триггера высокий логический уровень, поэтому здесь не требуется логический элемент И. Тем не менее, остальные триггеры должны быть готовы к перемене состояния только в тот момент, когда на всех предыдущих триггерах высокий логический уровень, и здесь необходимо использовать логические элементы И.

Для того чтобы собрать синхронный счётчик, осуществляющий обратный счёт, необходимо сделать схему, которая бы опознавала соответствующие последовательности битов, которые предсказывают моменты переключения при обратном счёте. Не удивительно, что при изучении последовательности двоичных чисел, мы видим, что все предыдущие разряды находятся на низком логическом уровне перед переменой состояния (если смотреть на последовательность в обратном порядке):

На каждом триггере имеется выход Q’, который можно использовать для разрешения переключения состояния каждого следующего триггера, когда на этих выходах будет сигнал высокого логического уровня (что происходит каждый раз, когда на соответствующих выходах Q присутствует сигнал низкого логического уровня).

Первый триггер (слева) меняет состояние по каждому синхроимпульсу; второй триггер меняет состояние, только когда на Q‘ – сигнал высокого логического уровня; третий триггер меняет состояние, только если на Q‘ и Q‘₁ – сигнал высокого логического уровня; последний триггер меняет состояние, только если на Q‘ и Q‘₁ и Q‘₂ – сигнал высокого логического уровня.

Эту схему можно улучшить и собрать счётчик с возможностью выбора между счётом в прямом и обратном направлении. Для этого необходимо собрать две линии из элементов И, которые будут обнаруживать соответствующие состояния триггеров, а затем используем элементы ИЛИ для объединения и подачи сигналов с выходов элементов И на входы J и K каждого следующего триггера:

Эта схема не так сложна, как это может показаться на первый взгляд. Управляющая линия прямого/обратного счёта включает либо верхнюю либо нижнюю цепь элементов И, вследствие чего на следующие триггеры поступают сигналы с выходов Q/Q’. Если на линии управления прямого/обратного счёта сигнал высокого уровня, то будут включены верхние элементы И, а схема будет работать также как и первая схема, показанная в этой статье. Если на линии управления прямого/обратного счёта сигнал низкого уровня, то будут включены нижние элементы И, — схема будет работать также как и вторая схема, показанная в этой статье (обратный счёт).

Для наглядной иллюстрации на схеме ниже (счёт в прямом направлении) отключённая часть схемы изображена серым цветом:

На этой схеме показан режим обратного счёта (отключённая часть схемы также изображена серым цветом):

Счётчики прямого/обратного счёта — очень полезные устройства. Такие счётчики часто применяются в системах управления перемещением машин, в которых устройство под названием кодер или круговой датчик положения вала преобразует механическое вращение в серию электрических импульсов, которые применяются в качестве синхроимпульсов для отслеживания суммарного перемещения:

При передвижении машины происходит вращение вала кодера, в ходе чего образуется или прерывается луч света между светодиодом и фототранзистором, что позволяет генерировать синхроимпульсы, используемые для тактирования счётчика. Таким образом, счётчик накапливает значение суммарного перемещения вала, выступая электронным указателем значения смещения машины. Если нам требуется лишь отследить суммарное значение перемещения и нет необходимости принимать во внимание изменение направления движения, то мы можем воспользоваться показанной выше . Однако, если мы желаем, чтобы счётчик увеличивал значение при движении в одном направлении и уменьшал его при движении в противоположном направлении, то необходимо использовать счётчик прямого/обратного счёта, а также схему кодер/декодер с возможностью различения направлений движения.

Если мы будем использовать кодеры с двумя наборами пар светодиодов/фототранзисторов, так чтобы их прямоугольные импульсные сигналы были сдвинуты по отношению друг к другу на 90 o , то мы получим кодер с квадратурным выходом (квадратурными сигналами называются два сигнала со сдвинутыми по отношению друг к другу на 90° прямоугольными импульсами). Схема определения последовательности фаз может быть собрана с помощью D-триггера, что необходимо для различения последовательности импульсов при вращении в ту или иную сторону:

Когда кодер вращается по часовой стрелке, прямоугольный сигнал входа «D» будет опережать сигнал входа «C», то есть он будет находиться на высоком логическом уровне при переходе кривой сигнала «С» с низкого уровня на высокий, при этом D-триггер будет находиться в состоянии SET (выход Q будет в состоянии логической единицы) при каждом новом синхроимпульсе. При логической единице на выходе Q счётчик будет переведён в режим счёта в прямом направлении, и при каждом синхроимпульсе, получаемом с кодера (с двух светодиодов) выходное значение будет увеличиваться. И наоборот, когда направление вращения кодера меняется на противоположное, сигнал входа «D» будет отставать от формы кривой «C», то есть он будет находиться на низком логическом уровне при переходе кривой «С» с низкого уровня на высокий, при этом D-триггер будет сброшен в исходное состояние (выход Q будет в состоянии логического нуля) при каждом новом синхроимпульсе. Этот сигнал низкого уровня отдаёт команду на уменьшение значения при каждом синхроимпульсе с кодера.

Эта схема, или очень похожая на неё, является главной частью любой системы для определения местоположения на импульсном датчике-кодере. Подобные схемы широко распространены в робототехнике, станках с ЧПУ, и других системах, где необходимо измерение двустороннего механического перемещения.

Синхронные счётчики с асинхронным переносом

Синхронные счётчики в отличие от асинхронных переключение разрядов идёт без задержки, то есть параллельно. Эта параллельность достигается за счёт более сложной внутренней связи между триггерами. Но также это привело к тому, что управлять данными счётчиками несколько сложнее, чем асинхронными. Зато возможностей у синхронных счётчиков значительно больше. Для увеличения разрядности синхронных счётчиков в данных типах счётчиков используется специальные выходы. От принципа формирования сигнала на этих выходах синхронные счётчики делятся на счётчики с асинхронным (последовательным) переносом и счётчики с синхронным (параллельным) переносом.

Основная суть работы синхронных счётчиков с асинхронным переносом заключается в следующем: переключение разрядов осуществляется одновременно, а сигнал переноса вырабатывается с некоторой задержкой. Быстродействие данных счётчиков выше, чем асинхронных, но ниже чем чисто синхронных. Типичными представителями синхронных счётчиков с асинхронным переносом являются микросхемы К555ИЕ6 и К555ИЕ7.

Синхронные счётчики с асинхронным переносом: слева направо ИЕ6, ИЕ7.

Микросхемы ИЕ6 и ИЕ7 полностью одинаковы различие заключается в том, что ИЕ6 является двоично-десятичным счётчиком, а ИЕ7 – полностью двоичным. Данные счётчики являются реверсивными, то есть могут работать как на увеличения числа, так и на уменьшение, для этого они имеют счётные входы: +1 (увеличение по положительному фронту) и -1 (уменьшение по положительному фронту). Для выхода сигнала переноса при прямом счёте используется выход CR, а при обратном счёте вывод BR. Вход R является входом обнуления счётчика. Также есть возможность предварительной установки выходного кода параллельным переносом с входов D1, D2, D4, D8 при низком логическом уровне на входе WR.

После сброса счётчик начинает считать с нуля, либо с числа, которое установлено параллельным переносом. Двоично-десятичный счётчик считает до десяти, потом обнуляется и вырабатывает сигнал переноса на выходе CR или BR при обратном счёте. Двоичный счётчик же считает до 15 и происходит обнуление.

Синхронные счётчики с асинхронным переносом нашли более широкое применение, чем асинхронные счётчики: делители частоты, подсчёт импульсов, измерение интервалов времени, формировать последовательности импульсов и другое.

Синхронные счётчики

Данные типы счётчиков являются наиболее быстродействующими, однако это обуславливает самое сложное управление среди всех типов счётчиков. Одной из особенностей синхронных счётчиков является то, что сигнал переноса вырабатывается тогда, когда все выходы счётчика устанавливаются в единицу (при прямом счёте) или в нуль (при обратном). Также при включении нескольких счётчиков для увеличения разрядности, тактовые входы С объединяются, а сигнал переноса подается на вход разрешения счёта каждого последующего счётчика.

В серии микросхем входят несколько типов синхронных счётчиков, которые различаются способом счёта (двоичные или двоично-десятичные, реверсивные или нереверсивные) и управляющими сигналами (отсутствие или наличие сигнала сброса). Все счётчики данного типа имеют входы переноса и каскадирования.

Синхронные счётчики: слева направо ИЕ9(ИЕ10) и ИЕ12(ИЕ13).

Микросхемы К555ИЕ9 (ИЕ10) микросхемы различаются способом счёта ИЕ9 – двоично-десятичная, а ИЕ10 – двоичная. Данные микросхемы имеют счётный вход С, вход сброса R в нуль выходных выводов. Имеется возможность предварительной установки при нулевом уровне напряжения на входе разрешения предварительной установи EWR, вход Е0 – разрешение переноса и вход Е1 – разрешения счёта. Сигнал на выходе CR (сигнал переноса) вырабатывается при достижении максимального счёта и высоком уровне на входе Е0. Для работы счётчика должны быть высокие логические уровни на входах EWR, Е0 и Е1.

Микросхемы К555ИЕ12 (ИЕ13) также имеют одинаковое схемотехническое устройство и различаются способом счёта ИЕ12 – двоично-десятичный счётчик, а ИЕ13 – десятичный. Данные типы счётчиков реверсивные и допускают как прямой счёт, установкой нулевого уровня на входе Е0, так и обратный счёт, установкой высокого логического уровня на Е0, в остальном же входные и выходные выводы идентичны ИЕ9 и ИЕ10.

Синхронные счётчики нашли самое широкое применение в цифровых устройствах, так они могут полностью заменить функционал асинхронных и синхронных с асинхронным переносом счётчиков и к тому же имеют самое высокое быстродействие среди счётчиков.

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ — конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Асинхронные и синхронные двигатели

Содержание

1. Асинхронные и синхронные двигатели
2. Асинхронные и синхронные двигатели: устройство
3. В чем ключевое отличие синхронного двигателя от асинхронного

Чтобы производственные механизмы работали с максимальной эффективностью, необходимо правильно подобрать электрический двигатель, который будет применяться в качестве привода. В этой статье мы рассмотрим, чем отличаются асинхронные и синхронные двигатели с точки зрения конструктивных особенностей, функциональности и экономичности.

Асинхронные и синхронные двигатели: устройство

Электрические двигатели представляют собой агрегаты для преобразования электроэнергии в энергию механическую. Основу конструкции двигателя (как синхронного, так и асинхронного типа) составляют следующие элементы:

• неподвижный (статор);
• вращающийся (ротор).

Статоры электродвигателей обеих категорий имеют схожий принцип устройства. В специальные пазы (осевые прорези) уложены токонесущие проводки из меди или алюминия. Функцией статора является создание вращающегося магнитного поля. Ротор (с обмоткой возбуждения) закреплен на валу двигателя и вращается под воздействием возникающей электродвижущей силы.

В чем ключевое отличие синхронного двигателя от асинхронного

Главное отличие синхронного от асинхронного двигателя заключается в устройстве ротора.

Роторы синхронных двигателей представляют собой постоянные или электрические магниты. Постоянное магнитное поле, создаваемое ими, взаимодействует с вращающимся магнитным полем статора.

В случае с асинхронным двигателем (который также называют индукционным) в пазы ротора вставляются короткозамкнутые металлические пластины. Кроме короткозамкнутой разновидности, применяются также фазные роторы, снабженные контактными кольцами, которые после разбега замыкаются накоротко.

В результате соотношение частоты оборотов двигателя, находящегося под нагрузкой, с частотой вращения, которая присуща магнитному полю статора, для разных типов двигателя следующее:

• равное для агрегатов синхронного типа;
• неравное для асинхронных двигателей (наблюдается постоянное отставание от скорости вращения магнитного поля статора, равное величине скольжения).

На основе понимания того, чем отличается асинхронный двигатель от синхронного, можно сформулировать главные преимущества и недостатки этих двигателей.

Сравнение разных типов двигателей

Двигатели синхронной разновидности сложнее в использовании, поскольку они:

• в отличие от асинхронных моделей нуждаются в дополнительном источнике постоянного тока;
• подвержены более быстрому износу деталей (по причине использования контактных колец со щетками);
• требуют применения вспомогательных механизмов для запуска (индукционный двигатель имеет собственный пусковой момент).

Для асинхронных моделей характерны:

• простота конструкции;
• надежность в эксплуатации.

При этом синхронные двигатели обладают более широкими возможностями с точки зрения коэффициента мощности, а также менее чувствительны к перепадам напряжения, но стоимость таких агрегатов выше, что делает их использование менее выгодным.