Электроника:Цифровая электроника/Сдвиговые регистры/Кольцевые счётчики

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak)
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Кольцевые счётчики[1]

Если выход в сдвиговом регистре подать обратно на вход, то получим кольцевой счётчик. Шаблон данных, содержащийся в сдвиговом регистре, будет циркулировать, пока применяются тактовые импульсы.

Например, на рисунке 1 ниже шаблон данных будет повторяться каждые четыре тактовых импульса. Однако, для начала эти данные потребуется загрузить.

Не будем учитывать шаблоны, состоящие исключительно из нулей или только из единиц. Ввиду того, что с практической точки зрения гонять по кругу 00002 или 11112 – занятие, по большому счёту, бессмысленное.

Рис. 1. Пока есть тактовые импульсы, данные будут циркулировать в сдвиговом регистре.
Рис. 1. Пока есть тактовые импульсы, данные будут циркулировать в сдвиговом регистре.

На рисунке 2 ниже изображён сдвиговый регистр с параллельным входом и последовательным выходом, сконфигурированный как кольцевой счётчик. В нём предусмотрена загрузка данных.

Можно загрузить произвольный шаблон. Наиболее часто используемый паттерн для обычного кольцевого счётчика – одиночная 1.

Рис. 2. Сдвиговый регистр с параллельным входом и последовательным выходом, сконфигурированный как кольцевой счётчик и с предусмотренной загрузкой данных.
Рис. 2. Сдвиговый регистр с параллельным входом и последовательным выходом, сконфигурированный как кольцевой счётчик и с предусмотренной загрузкой данных.

Загрузка двоичного кода 10002 в кольцевой счётчик, показана на рисунке 2 выше. Шаблон показан непосредственно перед сдвигом.

Шаблон данных для одного этапа повторяется каждые четыре тактовых импульса в нашем примере с 4-мя этапами.

Волны сигналов для всех четырёх этапов выглядят одинаково, за исключением временно́й задержки в один такт от одного этапа к другому:

Рис. 3. Сигналы для всех этапов выглядят одинаково, за исключением временно́й задержки в один такт.
Рис. 3. Сигналы для всех этапов выглядят одинаково, за исключением временно́й задержки в один такт.

Схема с графиками на рисунке 3 выше разделена на 4 счётчика (для каждого выхода отдельно). Сравнение тактового входа с любым из выходов показывает соотношение частот 4:1.

Вопрос: Сколько этапов в обычном кольцевом счётчике нам понадобится для работы с десятичными числами?

Ответ: Десять этапов, потому что они будут повторять 1 каждые 10 тактовых импульсов.

Рис. 4. Альтернативный метод инициализации кольцевого счётчика.
Рис. 4. Альтернативный метод инициализации кольцевого счётчика.

Альтернативный метод инициализации кольцевого счётчика до шаблона 10002 показан на рисунке 4 выше. Волны сигналов сдвига идентичны приведённым выше и повторяются каждый четвертый тактовый импульс.

Требование инициализации является недостатком кольцевого счётчика по сравнению с обычным счётчиком.

Как минимум, он должен быть инициализирован при включении питания, так как невозможно предсказать, в каком состоянии находятся триггеры при включении.

Теоретически инициализация делается только при включении и не требуется в дальнейшем. На практике состояние триггеров могут в конечном итоге оказаться некорректными из-за «шума», разрушающего структуру данных.

«Самокорректирующийся» счётчик, вроде обычного синхронного двоичного счётчика, является более надёжным.

Рис. 5. Более надёжный «самокорректирующийся» счётчик – обычный синхронный двоичный счётчик.
Рис. 5. Более надёжный «самокорректирующийся» счётчик – обычный синхронный двоичный счётчик.

Вышеупомянутому двоичному синхронному счётчику требуется только два этапа, но для него также потребуются вентили декодера.

У реальных кольцевых счётчиков обычно больше этапов, и чтобы он был самодекодирующим, нужны вентили декодирования, как на рисунке 5 выше.

Ещё одним недостатком обычных кольцевых счётчиков является то, что он не является «самозапускающимся».

Если нам нужны декодированные выходы, кольцевой счётчик является предпочтительным вариантом, в частности, если большая часть логики находится в одном пакете сдвиговых регистров. Если же нет, сойдёт и обычный двоичный счётчик, менее сложный ввиду отсутствия декодера.

Рис. 6. Сигналы, декодированные синхронным двоичным счётчиком.
Рис. 6. Сигналы, декодированные синхронным двоичным счётчиком.

Сигналы, декодированные синхронным двоичным счётчиком, идентичны предыдущим сигналам кольцевого счётчика.

Последовательность счётчика (QA QB) = (00 01 10 11).

Счётчики Джонсона

Кольцевой счётчик с инвертированным выходом, также известный как счётчик Джонсона, преодолевает некоторые ограничения простейших кольцевых счётчиков.

Подобно кольцевому счётчику, счётчик Джонсона представляет собой сдвиговый регистр, возвращающий данные сам себе. Для произвольного коэффициента деления требуется половина этапов сопоставимого кольцевого счётчика (то есть, для работы с 10-ю разрядами понадобится не 10 этапов, а только 5).

Если инвертированный выход кольцевого счётчика подать обратно на вход вместо истинного выхода, то это счётчик Джонсона.

Разница между обычным кольцевым счётчиком и счётчиком Джонсона заключается в том, какой выход последнего этапа возвращается (Q или Q').

Внимательно сравните приведённое на рисунке 7 ниже подключение обратной связи с предыдущим кольцевым счётчиком.

Рис. 7. Это «обратное» соединение обратной связи оказывает кардинальное влияние на поведение счётчика.
Рис. 7. Это «обратное» соединение обратной связи оказывает кардинальное влияние на поведение счётчика.

Это «обратное» соединение обратной связи оказывает существенное влияние на поведение подобных схем.

Циркуляция одной 1 по кольцевому счётчику делит входные тактовые входы на коэффициент, равный количеству этапов.

При этом стоит учесть, что счётчик Джонсона делит на коэффициент, равный удвоенному количеству этапов.

Например, четырёхэтапный обычный кольцевой счётчик работает с 4-мя разрядами. Четырёхэтапный счётчик Джонсона – с 8-мью.

Запустите счётчик Джонсона, очистив все этапы до нулей перед первым тактом. Часто это происходит во время включения питания.

Ссылаясь на рисунок 8 ниже, первый такт сдвигает три нуля от (QA QB QC) вправо до (QB QC QD). На выходе QD' возникает 1 (дополнение к Q), которая сдвигается обратно в QA.

Таким образом, мы начинаем сдвигать единицы вправо, заменяя их на нули. В то время как обычный кольцевой счётчик рециркулирует одну единицу, четырёхэтапный счётчик Джонсона рециркулирует сначала четыре нуля, затем четыре единицы для 8-битного шаблона, а затем всё повторяется.

Рис. 8. Четырёхэтапный счётчик Джонсона повторяет четыре нуля, затем четыре единицы для 8-битного шаблона, а затем всё повторяется.
Рис. 8. Четырёхэтапный счётчик Джонсона повторяет четыре нуля, затем четыре единицы для 8-битного шаблона, а затем всё повторяется.

Приведённые выше волны сигналов показывают, что многофазные прямоугольные волны можно генерировать посредством счётчика Джонсона.

Четырёхэтапный блок, описанный выше, генерирует четыре перекрывающихся фазы с рабочим циклом 50%. Сколько этапов потребуется для генерации набора трёхфазных сигналов?

Например, трёхэтапный счётчик Джонсона, управляемый тактовым генератором с частотой 360 Гц, будет генерировать три прямоугольных сигнала с фазой 120° и частотой 60 Гц.

Выходы триггеров в счётчике Джонсона легко декодировать в единое состояние.

Ниже, например, восемь состояний четырёхэтапного счётчика Джонсона декодируются не более чем двумя входными элементами для каждого из состояний.

В нашем примере восемь из двух входных вентилей декодируют состояния для нашего примера счётчика Джонсона.

Рис. 9. Восемь из двух входных вентилей декодируют состояния счётчика Джонсона.
Рис. 9. Восемь из двух входных вентилей декодируют состояния счётчика Джонсона.

Независимо от того, как долго работает счётчик Джонсона, необходимы только вентили декодера с двумя входами.

Обратите внимание, что мы могли бы использовать неинвертированные входы для вентилей И, изменив входы вентиля с истинных на инвертированные в триггере, Q на Q' (и наоборот).

Тем не менее, мы пытаемся сделать приведённую выше диаграмму максимально близкой к техническому описанию для CD4022B.

Рис. 10. Использованы неинвертированные входы для вентилей И, изменив входы вентилей с истинных на инвертированные.
Рис. 10. Использованы неинвертированные входы для вентилей И, изменив входы вентилей с истинных на инвертированные.

Выше наши четыре фазированных прямоугольных сигнала от QA до QD декодируются в восемь сигналов (от G0 до G7), активных в течение одного тактового периода из полного 8-тактового цикла.

Например, G0 активен на «высоком» уровне, когда и QA, и QD находятся на «низком» уровне. Таким образом, пары выходов различных регистров определяют каждое из восьми состояний нашего примера со счётчиком Джонсона.

Рис. 11. Пары выходов различных регистров определяют каждое из восьми состояний счётчика Джонсона.
Рис. 11. Пары выходов различных регистров определяют каждое из восьми состояний счётчика Джонсона.

Выше представлена наиболее полная детализированная схема счётчика Джонсона CD4022B. Незначительные детали опущены в листе технических данных производителя.

Основным новым дополнением к диаграмме по сравнению с предыдущими рисунками является детектор запрещённого состояния, состоящий из двух вентилей ИЛИ-НЕ.

Взгляните на таблицу состояний вставки. Существует 8 допустимых состояний, перечисленных в таблице.

Поскольку наш сдвиговый регистр имеет четыре триггера, всего имеется 16 состояний, из которых 8 — запрещённые. Они как раз и не указаны в таблице.

Теоретически мы не попадём ни в одно из запрещённых состояний, пока в сдвиговом регистре действует СБРОС перед первым использованием.

Однако в «реальных условиях» после многих дней непрерывной работы из-за непредвиденных «шумов», помех в линии электропередач, близких ударов молнии и т. д. счётчик Джонсона может попасть в одно из запрещённых состояний.

В приложениях с высокой надёжностью необходимо предусмотреть возможность этого маловероятного события. Более серьёзным является случай, когда цепь не размыкается при выключении.

В этом случае невозможно узнать, какое из 16 состояний будет при включении схемы.

Оказавшись в запрещённом состоянии, счётчик Джонсона не вернётся ни в одно из допустимых состояний без вмешательства. Это предназначение вентиля ИЛИ-НЕ.

Найдите в таблице последовательность (QA QB QC) = (010). Нигде эта последовательность не фигурирует в таблице разрешённых состояний.

Поэтому (010) не допускается. Это никогда не должно происходить. Если всё-таки произошло, то счётчик Джонсона находится в запрещённом состоянии, из которого ему необходимо выйти в любое разрешённое.

Предположим, что (QA QB QC) = (010). Второй логический элемент ИЛИ-НЕ заменит QB = 1 на 0 на входе D на триггере QC.

Другими словами, запрещённое 010 заменяется на 000. И 000, который присутствует в таблице, будет сдвинут вправо.

В таблице есть последовательности тройных нулей. Именно так вентили ИЛИ-НЕ переводят счётчик Джонсона из запрещённого состояния в разрешённое.

Не все запрещённые состояния содержат последовательность 010. Однако через некоторое количество тактов эта последовательность появится, так что любые запрещённые состояния в конечном итоге будут экранированы.

Если при включении схемы не задействовать СБРОС, выходы будут непредсказуемыми в течение нескольких тактов, пока не будет достигнуто разрешённое состояние.

Если для конкретного приложения это проблема, обязательно выполните СБРОС при включении питания.

Устройства со счётчиками Джонсона

Доступна пара счётчиков Джонсона на интегральных схемах с декодированными выходными состояниями.

Мы уже рассматривали внутреннюю логику CD4017 при обсуждении счётчиков Джонсона.

Устройства серии 4000 могут работать от источников питания от 3 до 15 В. Часть «74HC», разработанная для совместимости с ТТЛ (транзисторно-транзисторной логики), может работать от источника питания от 2 В до 6 В, она быстрее считывает и имеет большую выходную мощность.

Для получения полных спецификаций устройств на сайте производителя следует обратиться к страницам этих устройств:

  • CD4017 счётчик Джонсона с 10-ю декодированными выходами
  • CD4022 счётчик Джонсона с 8-ю декодированными выходами
  • 74HC4017 счётчик Джонсона с 10-ю декодированных выходами
Рис. 12. ANSI-обозначения для счётчиков Джонсона CD4017 и CD4022.
Рис. 12. ANSI-обозначения для счётчиков Джонсона CD4017 и CD4022.

ANSI-обозначения для счётчиков Джонсона, работающих с 10-ю (по модулю 10) и 8-ю (по модулю 8) разрядами показаны на рисунке 12 выше.

Эта форма приобретает характеристики именно счётчика, а не только производной от регистра сдвига, каковым он и является.

Формы сигналов для CD4022 по модулю 8 и их работа были показаны ранее. Декадный (по модулю 10) счётчик CD4017B/74HC4017 представляет собой 5-этапный счётчик Джонсона с десятью декодированными выходами.

Работа и волны сигналов аналогичны CD4017. Фактически, CD4017 и CD4022 подробно описаны в одном и том же листе данных.

74HC4017 — более современная версия декадного счётчика.

Эти устройства используются там, где требуются декодированные выходы вместо двоичных или двоично-десятичных выходов, имеющихся в обычных счётчиках.

Под декодированием мы подразумеваем, что одна строка из десяти активна одновременно для «4017» вместо четырёхбитного двоично-десятичного кода из обычных счётчиков.

См. предыдущие волны сигналов для декодирования 1 из 8 для счётчика «4022» компании Octal Johnson.

Практическое применение

Рис. 13. Декодированный кольцевой счётчик по очереди приводит в действие светодиоды.
Рис. 13. Декодированный кольцевой счётчик по очереди приводит в действие светодиоды.

Благодаря приведённому на рисунке 13 выше счётчику Джонсона происходит смещение загорающегося светодиода каждую пятую долю секунды по кольцу из десяти LED.

Обратите внимание, что 74HC4017 используется вместо «40017», потому что имеет более высокую пропускную способность.

Из таблицы данных известно, что он работает при VКК = 5 В, VOH = 4,6 В при 4 мА.

Другими словами, выходы могут подавать 4 мА при напряжении 4,6 В для управления светодиодами. Имейте в виду, что светодиоды обычно управляются током от 10 до 20 мА.

Хотя светодиодный свет видим вплоть до 1 мА. Эта простая схема иллюстрирует применение HC4017.

Нужна яркая витрина? Используйте инвертирующие буферы для управления катодами светодиодов, подключённые к источнику питания с помощью анодных резисторов с меньшим значением.

555-таймер (о нём будет подробно рассказано в следующем томе V «Эксперименты»), выполняющий роль нестабильного мультивибратора, вырабатывает тактовую частоту, определяемую R1 R2 C1.

Это приводит в движение 74HC4017, выполняется шаг за такт, о чём свидетельствует очередной светодиод, загорающийся на кольце лампочек.

Имейте в виду: если 555-таймер не может надёжно управлять тактовым выводом «4015», его тогда стоит пропустить через одиночный буферный каскад между 555 и «4017».

Переменная R2 может изменять скорость шага. Ёмкость развязывающего конденсатора С2 не критична. Аналогичный конденсатор следует подключить к контактам питания и заземления для «4017».

Рис. 14. Трёхфазный генератор прямоугольной синусоидальной волны.
Рис. 14. Трёхфазный генератор прямоугольной синусоидальной волны.

Счётчик Джонсона генерирует 3-фазные прямоугольные волны, сдвинутые по фазе на 60° относительно (QA QB QC).

Приведённый выше счётчик Джонсона генерирует 3-фазные прямоугольные волны, сфазированные на 60° или разнесённые по отношению к (QA QB QC).

Однако нам нужно фазные сигналы на 120° для силовых приложений (см. Том II, «Переменный ток»).

Выбор P1 = QA P2 = QC P3 = QB' даёт желаемую фазировку 120°. См. рисунок 15 ниже.

Если на (P1 P2 P3) отфильтровать низкие частоты до синусоидальных волн и усилить их, это можно интерпретировать как начало 3-фазного источника питания.

Например, что, если нужно привести в действие небольшой трёхфазный авиационный двигатель с частотой 400 Гц?

Тогда подайте 6 × 400 Гц на вышеуказанную схему ТАКТОВЫЙ ВХОД. Обратите внимание, что все эти сигналы имеют рабочий цикл 50%.

Рис. 15. 3-этапный счётчик Джонсона генерирует трёхфазную волну сигнала.
Рис. 15. 3-этапный счётчик Джонсона генерирует трёхфазную волну сигнала.

Приведённая на рисунке 16 ниже схема создаёт 3-фазные неперекрывающиеся сигналы с рабочим циклом менее 50% для управления 3-фазными шаговыми двигателями.

Рис. 16. Схема: 3-х этапный (а фактически 6-этапный) счётчик Джонсона декодирует сигналы для трёхфазного шагового двигателя.
Рис. 16. Схема: 3-х этапный (а фактически 6-этапный) счётчик Джонсона декодирует сигналы для трёхфазного шагового двигателя.

На рисунке 16 выше мы декодируем перекрывающиеся выходы QA QB QC в неперекрывающиеся выходы P0 P1 P2, как показано и на рисунке 17 ниже.

Эти сигналы управляют 3-фазным шаговым двигателем после соответствующего усиления от уровня миллиампер до уровня доли ампер с использованием драйверов ULN2003, показанных выше, или драйвера пары Дарлингтона на дискретных компонентах, показанного в следующей схеме.

Не считая драйвера двигателя, для этой схемы требуется три корпуса ИС (интегральных схем): два корпуса с триггерами двойного типа «D» и счетверённый логический элемент И-НЕ.

Рис. 17. Графики: 3-х этапный (а фактически 6-этапный) счётчик Джонсона декодирует сигналы для трёхфазного шагового двигателя.
Рис. 17. Графики: 3-х этапный (а фактически 6-этапный) счётчик Джонсона декодирует сигналы для трёхфазного шагового двигателя.
Рис. 18. Последовательность Джонсона досрочно завершается сбросом в Q3, который в течении наносекунд является «высоким».
Рис. 18. Последовательность Джонсона досрочно завершается сбросом в Q3, который в течении наносекунд является «высоким».

Одиночный CD4017, показанный на рисунке 18 выше, генерирует необходимые 3-фазные шаговые сигналы в схеме на рисунке 18 выше, очищая счётчик Джонсона на счёте 3.

Счёт 3 сохраняется менее микросекунды, прежде чем будет очищен. Остальные отсчёты (Q0 = G0 Q1 = G1 Q2 = G2) остаются в том же состоянии каждый на полный тактовый период.

Драйверы биполярных транзисторов Дарлингтона, показанные выше, заменяют внутреннюю схему ULN2003.

Разработка драйверов выходит за рамки этой главы, посвящённой цифровой электронике. Любой драйвер может использоваться с любой схемой генератора сигналов.

Рис. 19. Волны сигналов имеют наибольший смысл в контексте внутренней логики CD4017.
Рис. 19. Волны сигналов имеют наибольший смысл в контексте внутренней логики CD4017.

Приведённые на рисунке 19 выше волны имеют наибольший смысл в контексте внутренней логики CD4017, показанной ранее в этом разделе.

Тем не менее, показаны логические уравнения И для внутреннего декодера. Сигналы QA QB QC представляют собой выходные сигналы регистра прямого сдвига счётчика Джонсона, недоступные на выводах.

Волна QD показывает сброс «4017» каждые три такта. Q0 Q1 Q2 и т. д. являются декодированными выходами, которые фактически доступны на выходных контактах.

Рис. 20. Счётчик Джонсона приводит в действие однополюсный шаговый двигатель.
Рис. 20. Счётчик Джонсона приводит в действие однополюсный шаговый двигатель.

На рисунке 20 выше мы генерируем сигналы для управления однополярным шаговым двигателем, для которого требуется только одна полярность управляющего сигнала.

То есть нам не приходится менять полярность привода на обмотке. Это упрощает схему силового привода между «4017» и двигателем.

Пары Дарлингтона из предыдущей схемы можно заменить на ULN3003.

Рис. 21. Волны сигналов счётчика Джонсона однополюсного шагового двигателя.
Рис. 21. Волны сигналов счётчика Джонсона однополюсного шагового двигателя.

Опять же, CD4017B генерирует необходимые волны сигналов со сбросом после отсчёта на выводе.

Декодированные выходы Q0 Q1 Q2 Q3 последовательно управляют обмотками шагового двигателя, при этом Q4 сбрасывает счётчик в конце каждой группы из четырёх импульсов.

См.также

Партнерские ресурсы
Криптовалюты
Магазины
Хостинг
Разное

Внешние ссылки

  1. ↑ www.allaboutcircuits.com - Ring Counters
Теория по электронике
Постоянный ток
Основные концепты электричества • Статическое электричество • Проводники, диэлектрики и поток электронов • Что такое электрические цепи? • Напряжение и электроток • Сопротивление • Напряжение и электроток в реальной цепи • Условный ток и поток электронов
Закон Ома • Закон Ома – Как напряжение, сила тока и сопротивление связаны друг с другом • Аналогия для закона Ома • Мощность в электрических цепях • Расчёт электрической мощности • Резисторы • Нелинейная проводимость • Построение цепи • Полярность перепада напряжения • Компьютерная симуляция электрических цепей
Правила электробезопасности • Важность правил электробезопасности • Воздействие электричества на психологическое состояние • Путь, который ток проходит перед ударом • Закон Ома (снова!) • Техника безопасности • Первая медицинская помощь при ударе током • Распространённые источники опасности • Проектирование электроцепей с учётом требований безопасности • Безопасное использование приборов для измерения электрических показателей • Данные о влиянии удара током на тело человека
Экспоненциальная запись и метрические приставки • Экспоненциальная запись • Арифметические операции для экспоненциальной записи • Метрические обозначения • Преобразование метрических приставок • Используем ручной калькулятор • Экспоненциальная форма в программе SPICE
Последовательные и параллельные электрические цепи • Что такое «последовательные» и «параллельные» электрические цепи • Простая последовательная цепь • Простая параллельная цепь • Электропроводность • Рассчитываем мощность • Правильно используем закон Ома • Анализ отказов компонентов цепи • Строим простые резистивные цепи
Схемы с делителями напряжения и правила Кирхгофа • Схемы с делителем напряжения • Правило напряжений Кирхгофа (ПНК) • Цепи – делители тока и формула делителя тока • Правило Кирхгофа для силы тока (ПКТ)
Комбинированные последовательно-параллельные схемы • Что такое последовательно-параллельная цепь • Методы анализа последовательно-параллельных резисторных цепей • Перерисовываем избыточно усложнённые схемы • Анализ отказов компонентов (продолжение) • Построение простых резисторных цепей
Измерения в электрических цепях постоянного тока • Что такое измеритель? • Как устроен вольтметр • Как вольтметр влияет на измеряемую цепь • Как устроен амперметр • Как амперметр влияет на измеряемую цепь • Как устроен омметр • Высоковольтный омметр • Мультиметры • Кельвиновское 4-проводное измерение сопротивления • Мостовые схемы • Как устроен ваттметр • Как самостоятельно сделать ручной калибратор
Сигналы электрического оборудования • Аналоговые и цифровые сигналы • Системы сигналов напряжения • Системы сигналов силы тока • Тахогенераторы • Теромопары • Измерения pH • Тензодатчики
Анализ сети постоянного тока • Что такое сетевой анализ? • Метод токов ветвей • Аналитический метод контурных токов • Метод узловых потенциалов • Введение в сетевые теоремы • Теорема Миллмана • Теорема о суперпозиции • Теорема Тевенена • Теорема Нортона • Эквивалентность схем Тевенена и Нортона • И вновь о теореме Миллмана • Теорема о передаче максимальной мощности • Δ-Y и Y-Δ преобразования
Батареи и системы питания • Поведение электронов при химических реакциях • Батарейные конструкции • Рейтинг батарей • Батареи специального назначения • Практические рекомендации при использовании батарей
Физика проводников и диэлектриков • Введение в физику проводников и диэлектриков • Размеры проводов• Допустимые токовые нагрузки на провода • Предохранители • Удельное сопротивление • Температурный коэффициент сопротивления • Сверхпроводимость • Пробивное напряжение диэлектрика
Конденсаторы • Электрическое поле и ёмкость • Конденсаторы и дифференциальное исчисление • Факторы, влияющие на ёмкость конденсатора • Последовательное и параллельное соединение конденсаторов • Практические соображения - Конденсаторы
Магнетизм и электромагнетизм • Постоянные магниты • Электромангетизм • Единицы измерения магнитных величин • Магнитная проницаемость и насыщение • Электромагнитная индукция • Взаимная индукция
Катушки индуктивности • Магнитные поля и индуктивность • Катушки индуктивности и дифференциальное исчисление • Факторы, влияющие на индуктивность • Катушки индуктивности в последовательных и параллельных соединениях • Практические соображения – Катушки индуктивности
Постоянные времени в RC и L/R цепях • Переходные процессы в электрических цепях • Переходные процессы в цепях с конденсатором • Переходные процессы в цепях с катушкой индуктивности • Расчёт напряжения и силы тока • Почему L/R, а не LR? • Комплексные расчёты напряжения и тока • Сложные схемы • Расчёт неизвестного времени
Переменный ток
Основы теории переменного тока • Что такое переменный ток? • Формы волн переменного тока • Измерение величин переменного тока • Расчёт простейшей цепи переменного тока • Фаза переменного тока • Принципы радио
Комплексные числа • Введение в комплексные числа • Векторы и волны переменного тока • Сложение простых векторов • Сложение сложных векторов • Полярная и алгебраическая запись комплексных чисел • Арифметика комплексных чисел • И ещё по поводу полярности переменного тока • Несколько примеров с цепями переменного тока
Реактанс и импеданс – Индуктивность • Резистор в цепи переменного тока (Индуктивность) • Катушка индуктивности в цепи переменного тока • Последовательные резистивно-индуктивные цепи • Параллельные резистивно-индуктивные цепи • Особенности катушек индуктивности • Что такое «скин-эффект»?
Реактанс и импеданс – Ёмкость • Резистор в цепи переменного тока (Ёмкость) • Конденсатор в цепи переменного тока • Последовательные резистивно-ёмкостные цепи • Параллельные резистивно-ёмкостные цепи • Особенности конденсаторов
Реактанс и импеданс – R/L/C-цепи • Обзор R, X и Z (сопротивление, реактанс и импеданс) • Последовательные R/L/C-цепи • Параллельные R/L/C-цепи • Последовательно-параллельные R/L/C-цепи • Реактивная проводимость и адмиттанс • R/L/C-цепи – что в итоге?
Резонанс • Электрический маятник • Простой параллельный резонанс (колебательный контур) • Простой последовательный резонанс • Применение резонанса • Резонанс в последовательно-параллельных цепях • Добротность и полоса пропускания резонансной цепи
Сигналы переменного тока смешанной частоты • Сигналы переменного тока смешанной частоты - Введение • Прямоугольные волновые сигналы • Другие волновые формы • Подробнее о спектральном анализе • Эффекты в электрических цепях
Фильтры • Что такое фильтр? • Низкочастотные фильтры • Высокочастотные фильтры • Полосовые фильтры • Полосно-заграждающие фильтры • Резонансные фильтры • Подводя итоги по фильтрам
Трансформаторы • Взаимная индуктивность и основные операции • Повышающие и понижающие трансформаторы • Электрическая изоляция • Фазировка • Конфигурации обмотки • Регулировка напряжения • Специальные трансформаторы и приложения • Практические соображения – Трансформаторы
Многофазные цепи переменного тока • Однофазные системы питания • Трёхфазные системы питания • Чередование фаз • Устройство многофазного двигателя • Трёхфазные Y- и дельта-конфигурации • Трёхфазные цепи с трансформатором • Гармоники в многофазных энергосистемах • Гармонические фазовые последовательности
Коэффициент мощности • Мощность в резистивных и реактивных цепях переменного тока • Истинная, реактивная и полная мощность • Расчёт коэффициента мощности • Практическая коррекция коэффициента мощности
Измерение цепей переменного тока • Вольтметры и амперметры переменного тока • Измерение частоты и фазы • Измерение мощности • Измерение качества электроэнергии • Мостовые схемы переменного тока • Измерительные преобразователи переменного тока
Двигатели переменного тока • Введение в двигатели переменного тока • Синхронные двигатели • Синхронный конденсатор • Двигатель с магнитным сопротивлением • Шаговые двигатели • Бесщёточный двигатель постоянного тока • Многофазные асинхронные двигатели Теслы • Асинхронные двигатели с фазным ротором • Однофазные асинхронные двигатели • Прочие специализированные двигатели • Сельсин-двигатели (синхронизированные двигатели) • Коллекторные двигатели переменного тока
Линии передачи • Кабель на 50 Ом? • Электрические цепи и скорость света • Характеристический импеданс • Линии передачи конечной длины • «Длинные» и «короткие» линии передачи • Стоячие волны и резонанс • Преобразование импеданса • Волноводы
Полупроводники
Усилители и активные устройства • От электрики к электронике • Активные и пассивные устройства • Усилители • Коэффициент усиления • Децибелы • Абсолютные дБ-шкалы • Аттенюаторы
Теория твердотельных приборов • Введение в теорию твердотельных устройств • Квантовая физика • Валентность и кристаллическая структура • Зонная теория твёрдых тел • Электроны и «дырки» • P-N-переход • Полупроводниковые диоды • Транзисторы с биполярным переходом • Полевые транзисторы • Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET) • Тиристоры • Методы производства полупроводников • Сверхпроводящие устройства • Квантовые устройства • Полупроводниковые приборы в SPICE
Диоды и выпрямители • Диоды и выпрямители – Введение • Проверка диодов мультиметром • Номинальные характеристики диодов • Схемы выпрямителей • Пиковый детектор • Схемы ограничителей напряжения • Схемы фиксаторов уровня • Умножители напряжения (удвоители, утроители, учетверители и т.д.) • Схемы коммутации индуктивных нагрузок • Диодные схемы коммутации • Что такое диод Зенера (стабилитрон)? • Диоды специального назначения • Прочие диодные технологии • Модели диодов в SPICE
Биполярные транзисторы • Транзисторы с биполярным переходом (ТБП) – Введение • Транзистор с биполярным переходом (ТБП) как переключатель • Проверка транзистора с биполярным переходом (ТБП) с помощью мультиметра • Активный режим работы транзистора с биполярным переходом (ТБП) • Усилительный каскад с общим эмиттером • Усилительный каскад с общим коллектором • Усилительный каскад с общей базой • Каскодный усилитель • Методы смещения для транзисторов с биполярным переходом (ТБП) • Расчёт смещения для транзисторов с биполярным переходом (ТБП) • Взаимодействие входа и выхода в транзисторах с биполярным переходом (ТБП) • Обратная связь в транзисторах с биполярным переходом (ТБП) • Импеданс усилителя • Токовые зеркала в транзисторах с биполярным переходом (ТБП) • Параметры и корпуса транзисторов с биполярным переходом (ТБП) • Особенности транзисторов с биполярным переходом (ТБП)
Полевые транзисторы • Полевые транзисторы (JFET) – Введение • Полевой транзистор (JFET) как переключатель • Проверка полевого транзистора (JFET) с помощью мультиметра • Активный режим работы полевого транзистора (JFET)
Полевые транзисторы с изолированным затвором • Полевые транзисторы с изолированным затвором – Введение • Обедняющие полевые транзисторы с изолированным затвором • Биполярные транзисторы с изолированным затвором
Тиристоры • Гистерезис • Газоразрядные лампы • Диод Шокли (динистор) • DIAC (симметричный динистор) • Управляемый кремниевый выпрямитель (SCR-тиристор) • TRIAC (симметричный тринистор, триак) • Оптотиристоры • Однопереходной транзистор • Управляемый кремниевый коммутатор (SCS-тиристор) • Тиристоры с полевым управлением
Операционные усилители • Операционные усилители (ОУ) – Введение • Несимметричные и дифференциальные усилители • «Операционный» усилитель • Отрицательная обратная связь • Делитель напряжения в цепи обратной связи • Аналогия для делителя напряжения в цепи обратной связи • Преобразование сигнала напряжения в сигнал тока • Схемы усреднителя и сумматора • Построение дифференциальных усилителей • Инструментальный (измерительный) усилитель • Схемы дифференциатора и интегратора • Положительная обратная связь • Практические аспекты ОУ • Модели операционных усилителей
Практические аналоговые полупроводниковые схемы • Электростатический разряд • Схемы источников питания • Схемы усилителей • Осцилляторные схемы • Радиосхемы • Вычислительные схемы • Измерительные схемы
Приводы двигателей постоянного тока • Широтно-импульсная модуляция
Электронные лампы • Электронные лампы – Введение • История электронных ламп – с чего всё началось • Триод • Тетрод • Силовой лучевой тетрод • Пентод • Комбинированные электронные лампы • Характеристики электронных ламп • Ионизированные (газовые) электронные лампы • Индикаторные электронные лампы • Микроволновые электронные лампы • Сравниваем электронные лампы и полупроводники
Цифровая электроника
Системы счисления • Числа и способы их выражения • Системы счисления • Сравниваем десятеричные и двоичные числа • Восьмеричная и шестнадцатеричная системы счисления • Восьмеричные и шестнадцатеричные числа преобразовываем в десятеричные • Преобразование из десятеричной системы счисления
Двоичная арифметика • Числа и системы счисления • Двоичное сложение • Отрицательные двоичные числа • Двоичное вычитание • Двоичное переполнение • Наборы битов
Логические вентили • Цифровые сигналы и вентили • Вентили «НЕ» • «Буферные» вентили • Вентили с более чем одним входом • Транзисторно-транзисторная логика вентилей «И-НЕ» и «И» • Транзисторно-транзисторная логика вентилей «ИЛИ-НЕ» и «ИЛИ» • Схемы КМОП-вентилей • Специальные выходы в вентилях • Универсальность вентилей «И-НЕ» и «ИЛИ-НЕ» • Уровни напряжения для «высоких» и «низких» логических сигналов • Вентильные DIP корпусы
Переключатели • Типы переключателей • Как устроены контакты переключателей • «Нормальное» состояние контакта и последовательное замыкание/размыкание • «Дребезжание» контактов
Электромеханические реле • Устройство реле • Контакторы • Реле с задержкой времени • Защитные реле • Твердотельные реле
Релейная логика • «Лестничные» диаграммы • Функции цифровой логики • Разрешающие и блокирующие схемы • Схемы управления двигателем • Отказоустойчивость • Программируемые логические контроллеры (ПЛК)
Булева алгебра • Булева алгебра – Введение • Логическая арифметика • Булевы алгебраические тождества • Булевы алгебраические свойства • Логические правила для упрощения • Примеры упрощения схем • Функция «Исключающее ИЛИ»: вентиль XOR • Законы де Моргана • Преобразование таблиц истинности в логические выражения
Карты Карно • Карты Карно – Введение • Диаграммы Венна и множества • Булевы соотношения на диаграммах Венна • Преобразование диаграмм Венна в карты Карно • Карты Карно, таблицы истинности и логические выражения • Упрощение логики с помощью карт Карно • Бо́льшие карты Карно с 4-мя переменными • Минтермы и макстермы в реализациях • Обозначения сумм и произведений • Поля «безразличия» на картах Карно • Бо́льшие карты Карно с 5-ю и 6-ю переменными
Функции комбинационной логики • Функции комбинационной логики – Введение • Неполный сумматор • Полный сумматор • Декодер • Кодер • Демультиплексоры • Мультиплексоры • Совместное использование множественных комбинационных схем
Мультивибраторы • Цифровая логика с обратной связью • SR-защёлка • Вентильная SR-защёлка • D-защёлка • Защёлки с запуском по фронту сигнала: триггеры • JK-триггер • Триггеры с асинхронными входами • Моностабильные мультивибраторы
Схемы последовательностей • Двоичная счётная последовательность • Асинхронные счётчики • Синхронные счётчики • Конечные автоматы
Сдвиговые регистры • Сдвиговые регистры – Введение • Сдвиговые регистры: последовательный вход, последовательный выход (SISO) • Сдвиговые регистры: параллельный вход, последовательный выход (PISO) • Сдвиговые регистры: последовательный вход, параллельный выход (SIPO) • Универсальные сдвиговые регистры: параллельный вход, параллельный выход (PIPO) • Кольцевые счётчики
Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразования • Цифро-аналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые (АЦП) преобразования – Введение • ЦАП R/2nR: цифро-аналоговый преобразователь с двоично-взвешенным входом • ЦАП R/2R: (цифро-аналоговый преобразователь) • Параллельные АЦП • Цифровые ступенчатые АЦП • АЦП с последовательным приближением • Отслеживающий АЦП • Скатные (интегрирующие) АЦП • Дельта-сигма АЦП • Практические аспекты схем АЦП
Цифровая связь • Цифровая связь – Введение • Сети и шины • Потоки данных • Типы электрических сигналов • Оптическая передача данных • Топология сети • Сетевые протоколы • Практические аспекты цифровой связи
Цифровое хранилище (память) • Почему «цифровое»? • Понятия и концепции цифровой памяти • Современная немеханическая память • Устаревшие немеханические технологии памяти • Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) • Память с движущимися частями: «Приводы»
Принципы цифровых вычислений • Двоичный сумматор • Таблицы поиска • Конечные автоматы • Микропроцессоры • Микропроцессорное программирование
Справочные материалы
Полезные уравнения и коэффициенты пересчёта • Уравнения и законы для цепей постоянного тока • Правила последовательных цепей • Правила параллельных цепей • Эквивалентные значения компонентов в последовательных и параллельных цепях • Уравнение ёмкости конденсатора • Уравнение катушки индуктивности • Уравнения постоянной времени • Уравнения цепей переменного тока • Уравнения для децибел • Метрические приставки и преобразования единиц измерения
Цветовая маркировка • Цветовая маркировка резисторов • Цветовая маркировка проводки • Инфографика цветовой маркировки проводки
Таблицы проводников и диэлектриков • Таблица калибров медной проволоки • Таблица допустимых нагрузок для медного провода • Коэффициенты удельного сопротивления • Таблица температурных коэффициентов сопротивления • Критические температуры для сверхпроводников • Диэлектрическая прочность изоляторов
Справочник по алгебре • Основные алгебраические тождества • Основные свойства арифметики • Свойства степеней • Извлечение корней • Важные константы • Логарифмы • Формулы сокращённого умножения • Квадратное уравнение • Прогрессии • Факториалы • Решение систем уравнений: метод подстановки и метод сложения
Справочник по тригонометрии • Тригонометрия прямоугольного треугольника • Тригонометрия произвольного треугольника • Тригонометрические формулы • Гиперболические функции
Справочник по исчислению • Формулы вычисления пределов • Производная числа • Общие производные • Производные показательных функций с основанием e • Производные простых тригонометрических функций • Правила вычисления производных • Первообразная (неопределённый интеграл) • Общие первообразные • Первообразные показательных функций от числа e • Правила вычисления первообразных • Определённые интегралы и основная теорема исчисления • Дифференциальные уравнения
Использование программы SPICE для моделирования электрических схем • Программа моделирования электрических цепей SPICE — Введение • История программы SPICE • Основы программирования в SPICE • Интерфейс командной строки • Компоненты электрических схем • Опции для проведения анализа • Странные особенности программы SPICE • Примеры электрических цепей и списков связей
Устранение неполадок – теория и практика • Вопросы, которые следует задать, прежде чем продолжить • Общие советы по устранению неполадок • Конкретные методы устранения неполадок • Вероятные сбои в проверенных системах • Вероятные сбои в непроверенных системах • Возможные ментальные ловушки
Схематические обозначения элементов цепи • Провода и соединения • Источники питания • Типы резисторов • Типы конденсаторов • Катушки индуктивности • Взаимные катушки индуктивности • Переключатели с ручным управлением • Управляемые процессом переключатели • Переключатели с электрическим приводом (реле) • Соединители • Диоды • Биполярные транзисторы • Переходные транзисторы с полевым эффектом (JFET) • Транзисторы с полевым эффектом с изолированным затвором (IGFET или MOSFET) • Гибридные транзисторы • Тиристоры • Интегральные схемы • Электронные лампы
Периодическая таблица химических элементов • Таблица Менделеева
Эксперименты
Введение • Электроника как точная наука • Обустраиваем домашнюю лабораторию
Основные концепции и испытательное оборудование • Использование вольтметра • Использование омметра • Очень простая схема • Использование амперметра при измерении силы тока • Закон Ома • Нелинейное сопротивление • Рассеяние мощности • Цепь с переключателем • Эксперимент по электромагнетизму • Эксперимент с электромагнитной индукцией
Электрические цепи постоянного тока • Электрические цепи постоянного тока – Введение • Последовательные источники питания • Параллельные источники питания • Делитель напряжения • Делитель тока • Потенциометр как делитель напряжения • Потенциометр как реостат • Прецизионный потенциометр • Ограничение диапазона реостата • Термоэлектричество • Мультиметр своими руками • Чувствительный детектор напряжения • Потенциометрический вольтметр • 4-проводное измерение сопротивления • Простейший компьютер • Картошка-батарейка • Зарядка и разрядка конденсатора • Индикатор скорости изменения
Электрические цепи переменного тока • Электрические цепи переменного тока – Введение • Трансформатор – блок питания • Сборка трансформатора • Переменный индуктор • Чувствительный аудиодетектор • Обнаружение магнитных полей переменного тока • Обнаружение электрических полей переменного тока • Альтернатор – автомобильный генератор • Асинхронный двигатель • Асинхронный двигатель побольше • Фазовый сдвиг • Погашение звука • Музыкальный синтезатор как генератор сигналов • ПК-осциллограф • Анализ волновых сигналов • Колебательный контур • Сигнальная связь
Дискретные полупроводниковые схемы • Дискретные полупроводниковые схемы – Введение • Коммутирующий диод • Полупериодный выпрямитель • Двухполупериодный мостовой выпрямитель • Двухполупериодный выпрямитель с центральным отводом • Цепь «выпрямитель/фильтр» • Регулятор напряжения • Транзистор как переключатель • Датчик статического электричества • Датчик импульсного света • Повторитель напряжения • Усилитель с общим эмиттером • Многокаскадный усилитель • Как построить схему токового зеркала • JFET – регулятор тока • Дифференциальный усилитель • Простой операционный усилитель • Аудио осциллограф • Ламповый аудио усилитель
Аналоговые интегральные схемы • Аналоговые интегральные схемы – Введение • Компаратор напряжения • Прецизионный повторитель напряжения • Неинвертирующий усилитель • Высокоимпедансный вольтметр • Интегратор • Аудио осциллограф на таймерной схеме 555 • Наклонный генератор на таймерной схеме 555 • ШИМ-контроллер мощности • Аудиоусилитель класса B
Цифровые интегральные схемы • Цифровые интегральные схемы – Введение • Основная функция вентилей • SR-защёлка на основе вентилей «ИЛИ-НЕ» • SR-защёлка на основе вентиля «И-НЕ» с входом разрешения • SR-триггер на основе вентиля «И-НЕ» • Светодиодный секвенсор • Простейший кодовый замок • 3-битный двоичный счётчик • 7-сегментный дисплей
Таймерные схемы 555 • Интегральный таймер 555 • Триггер Шмитта на интегральном таймере 555 • Гистерезисный осциллограф на интегральном таймере 555 • Моностабильный мультивибратор на интегральном таймере 555 • Минимальное количество комплектующих для КМОП-схемы 555 проблескового прибора длительного действия на красных светодиодах • КМОП-схема 555 проблескового прибора длительного действия на синих светодиодах • КМОП-схема 555 проблескового прибора длительного действия на светодиодах обратного хода • КМОП-схема 555 проблескового прибора длительного действия на красных светодиодах

Источник — http://wikihandbk.com/ruwiki/index.php?title=Электроника:Цифровая_электроника/Сдвиговые_регистры/Кольцевые_счётчики&oldid=2296772