Интегральные счеты

Наши предки научились считать еще в незапамятные времена, и с тех пор эта замечательная способность стала для человека одной из самых необходимых. Да только вот беда, наши возможности производить вычисления в уме ограничены. Поэтому люди на протяжении столетий пытались придумать различные механические приспособления, помогающие человеку быстро и точно выполнять математические операции. Первыми из них были обыкновенные конторские счеты.

Проходили годы, в мире появились различные хитроумные вычислительные приборы, а конторские счеты еще до недавнего времени оставались самым простым и надежным инструментом. Но как ни удобны они, кроме простейших арифметических действий, никакие другие математические операции на счетах не выполнишь. А как, скажем, решить уравнение, в которое входит несколько десятков переменных? Такое по силам лишь электронно-вычислительной машине.

Но вот что интересно, оказывается, любой конечный результат вычислений в ЭВМ представляется в виде некой последовательности импульсов электрического сигнала, который надо преобразовать в привычную нам цифровую запись. А для этого импульсы надо сначала сосчитать. Ясно, что без электронного подобия конторских счетов здесь не обойтись.

Вероятно, вам уже известно, что электронные «счеты» есть в каждом вычислительном устройстве, начиная от карманного микрокалькулятора и кончая сложнейшей электронно-вычислительной машиной. И название у них подходящее — счетчики: каждому понятно, какую функцию выполняют эти приборы. Только подсчет результата в электронном счетчике производится не передвижением «костяшек», как в конторских счетах, а суммированием электрических импульсов. И, конечно же, быстродействие его значительно выше.

Простейший счетчик можно собрать, например, на четырех уже знакомых вам D-триггерах (см. «М-К», 1990, № 9, «О чем помнит микросхема»). Информационный вход D каждого триггера (рис. 1) соединен с собственным инверсным выходом, а прямой выход подключен к записывающему входу С следующего триггера. Установочные выводы R соединены с «плюсовой» шиной питания через постоянный резистор R1. Такой счетчик имеет один счетный вход, четыре выхода и один вход установки прибора в «нулевое» состояние.

Разберемся, как он действует, воспользовавшись временными диаграммами сигналов (рис. 2). Предположим, что на вход устройства непрерывно поступают счетные импульсы (рис. 2а). В начальный момент все триггеры находятся в «нулевом» состоянии, то есть на выходах 1—4 присутствует напряжение низкого логического уровня. Первый импульс, пришедший на вход такого счетчика, переключит триггер DD1 в «единичное» состояние, и на выходе 1 появится напряжение высокого логического уровня (рис. 2б). С приходом второго импульса триггер DD1 вернется выходное состояние, а DD2 переключится в «единичное» (рис. 2в). Третий импульс вновь переклинит DD1 в «единичное» состояние, и теперь уже напряжение высокого логического уровня окажется на выходах 1 и 2 первых двух триггеров. После четвертого импульса они одновременно вернутся в «нулевое» состояние, а логическая 1 окажется уже на выходе элемента DD3. Пятый импульс не изменит состояния триггеров DD2 и DD3, но переключит DD1. После.шестого импульса на выходах DD1 и DD2 появится логический 0, а на выходе DD3 информация не изменится. С приходом седьмого импульса первые три триггера окажутся в «единичном» состоянии. И наконец, восьмой импульс приведет к появлению на выходе DD4 напряжения высокого логического уровня, а DD1 — DD3 вернутся в исходное состояние (рис. 2г).

Далее счет импульсов будет происходить до тех пор, пока на вход устройства не поступит шестнадцатый импульс. После этого информация на выходах всех триггеров примет значение логического нуля, и процесс счета начнется заново. Вероятно, вы обратили внимание — переключение триггеров в таком счетчике происходит по спаду импульса на его входе, то есть триггер переключается только по окончании импульса. Конструируя различные приборы с применением счетчиков, помните об этом.

А что произойдет, если в произвольный момент времени прекратить подачу сигнала на вход счетчика? Тогда информация на выходах триггеров «зафиксируется», то есть в данном случае счетчик будет выполнять роль ячейки памяти, способной хранить любое число от 0 до 15 (вспомните, об этом уже говорилось в статье «Что хранится в багаже», «М-К», 1990 № 7). Способность суммировать электрические импульсы и подолгу хранить в своей памяти результат вычисления — главные достоинства счетчиков.

Теперь разберемся, как действует вход «установка 0». Пока на него через резистор R1 подано напряжение высокого логического уровня, подсчет импульсов идет обычным порядком. Но стоит только подать на этот вход логический 0, вся информация, накопленная счетчиком, «сотрется» из его памяти. Более того, до тех пор, пока на входе «уст.0» вновь не появится логическая 1, счет импульсов будет заблокирован.

Каждый приходящий на вход счетчика импульс соответствует единице в десятичной системе счисления. А поскольку цифровой счетчик работает в двоичном коде, то любое число — сумма импульсов, поступивших на вход,— на выходе счетчика представляется также в двоичном коде. Если, к примеру, просуммировано 13 импульсов, то на выходе 1 будет логическая 1, на выходе 2 — логический 0, на выходе 3 — 1 и на выходе 4 — тоже 1. Такую информацию принято отображать комбинацией 1101 — это и будет число 13, записанное в двоичной форме.

Как и большинство современных логических устройств, цифровые счетчики создают на основе интегральной технологии. Счетчик-микросхему на электрической схеме изображают в виде прямоугольника, разделенного на три части. Вверху в центре ставится буквенный код, обозначающий тип микросхемы: СТ2 — двоичный, СТ2/10 — двоично-десятичный счетчик. Слева располагаются информационный и установочные входы, а справа — выходы. Если, например, счетчик имеет четыре выхода (иногда еще говорят — четыре разряда), то первый из них обозначают цифрой 1, второй — 2, третий — 4, а четвертый — 8. Сам счетчик, как и все логические элементы, обозначают буквами DD, после которых ставят порядковый номер ИМС в принципиальной схеме.

Для маркировки счетчиков выбран буквенный код ИЕ, который ставится после номера серии микросхемы. Характеризуются они теми же параметрами, что и остальные логические элементы, уже знакомые вам.

***

Практическое знакомство с интегральными счетчиками начнем с микросхемы К155ИЕ5, выполненной на основе ТТЛ — транзисторно-транзисторной логики. Ее «начинка» — полупроводниковый кристалл с микроэлементами — помещается в стандартном пластмассовом корпусе с четырнадцатью выводами. Схема подключения выводов — на рисунке 3. Работоспособность ИМС К155ИЕ5 обеспечивается при подключении входа С2 (вывод 1) к выходу 1 (вывод 12). Счет импульсов происходит по входу С1, при этом на установочные входы & и R0 необходимо подать напряжение низкого логического уровня. Если же на выводах 2 и 3 появится логическая 1, счет прекратится, а накопленная информация «сотрется» из памяти микросхемы. К155ИЕ5 — двоичный счетчик, на это указывает буквенное обозначение вверху в центре его графического изображения. Напряжение питания ИМС 5 В, потребляемый ток 53 мА, выходное напряжение логического 0 не более 0,4 В, логической 1 — не менее 2,4 В, время переключения из одного устойчивого состояния в другое — не более 135 нс.

С возможностями счетчика К155ИЕ5 познакомьтесь на примере простой электронной игрушки. Представьте, что у вас в руках небольшая пластмассовая коробка, на верхней крышке которой установлена клавиша кнопочного переключателя и четыре накальные лампы с цифрами 1, 2, 3, 4, которые слабо горят, когда игрушка включена. Стоит нажать на клавишу, и срабатывает скрытая в корпусе автоматика: в результате одни лампы полностью погаснут, а другие, наоборот, ярко вспыхнут. Просуммируйте загоревшиеся цифры — это и будет итогом вашей попытки. Теперь пусть то же самое проделает ваш товарищ. Сравните итоги попыток — у кого больше, тот и победитель. Так как загорание той или иной лампы носит случайный характер, заранее нельзя предугадать, каким будет результат соревнования.

Кроме того, автомат может выполнять роль электронных «кубиков» в различных играх. Каждое нажатие на кнопку «стоп» имитирует бросок кубиков. Суммарный результат — количество ходов, которое необходимо сделать фишке по игровому полю.

Принципиальная схема игрушки на рисунке 4. Она состоит из низкочастотного генератора, собранного на микросхеме DD1, счетчика DD2 и транзисторных ключей VT1 — VT4, к выходам которых подсоединены накальные лампы HL1 — HL4. Питается устройство от батареи GB1 напряжением 4,5 В.

После включения питания низкочастотный генератор начинает вырабатывать импульсы, длительность и частота следования которых определяются сопротивлением резистора R1 и емкостью конденсатора С1, стоящих в цепи обратной связи. Импульсы поступают на вход С1 двоичного счетчика DD2, при этом логический код на его выходах непрерывно меняется. В результате транзисторы VT1 — VT4 периодически открываются и закрываются, вызывая тем самым слабое мерцание накальных ламп HL1 — HL4. После каждого шестнадцатого импульса информация, накопленная счетчиком, стирается, и процесс счета начинается заново.

После нажатия кнопки SB1 «стоп» конденсатор C1 закорачивается и генерация прекращается. При этом па выходах счетчика зафиксируется код, соответствующий числу импульсов, просуммированных до остановки генератора. Транзисторы, подсоединенные к выходам счетчика, на которых оказалось напряжение логической 1, откроются, и, следовательно, загорятся лампы, включенные в их коллекторные цепи. Остальные транзисторы окажутся запертыми, а соединенные с ними лампы гореть не будут. Если, например, на выходе счетчика после остановки генератора логический код примет значение 1001, то загорятся лампы HL1 и HL4. Если не горит ни одна из ламп, это означает, что на выходах счетчика логический код принял значение 0000, а если горят сразу все, то код имеет значение 1111.

Монтаж элементов игрушки лучше всего выполнить на плате размером 50X30 мм, изготовленной из фольгированного гетинакса или текстолита толщиной 1 — 2 мм (рис. 5).

В игровом автомате можно использовать следующие детали. Микросхемы: DD1 — К155ЛА4, КМ155ЛА4 или К133ЛА4, DD2 — К155ИЕ5, КМ155ИЕ5 или К133ИЕ5. Транзисторы — КТ315 с любыми буквенными индексами. Оксидный конденсатор — марки K50-12, ЭТО или ЭМ-М. Резисторы — типа ВС, МЛТ, ОМЛТ, С2-23, С2-33. Накальные лампы — малогабаритные СМН6,3-20. Тумблер — любого типа, например МТ, МТД или ПДМ, кнопка — ГІ2К. Батарея питания — на напряжение 4,5 В, например «Планета», «Рубин» или три гальванических элемента по 1,5 В «Прима», «Орион», «Сатурн».

Элементы игрушки разместите в пластмассовом корпусе с габаритами 90X65X50 мм (рис. 6). На верхней панели установите тумблер, кнопку и накальные лампы, около которых цветным лаком изобразите цифры 1, 2, 3 и 4. Баллоны ламп покройте краской красного или зеленого цвета.

Игровой автомат не нуждается в налаживании. При правильном монтаже п исправных деталях он начинает работать сразу после включения питания.

В. ЯНЦЕВ