مقاله اندازه‌گیری الکتریکی در 29 صفحه ورد قابل ویرایش

کنتورهای همگام و همزمان

ساختن کنتور ناهمگام یا ضربه ای (ripple) ، بسیار ساده است، اما به خاطر کار بسیار بالا، محدودیتی در این مورد وجود دارد. این نقطه ضعف، در کنتورهای همگام با راه اندازی مدار دو ضربه ای هماهنگ با ساعت برطرف شده است. لذا دراین کنتور زمان قرار دادن مدار، برابر است با زمان تأخیر انتشار یک مدار دو ضربه ای یک طرفه زمانیکه این کنتور هر مدار دو ضربه ای، همزمان و هماهنگ با ساعت قرار داده شود آن کنتور همگام یا همزمان نامیده می شود.

نمودار مدار کنتور همگام 3 ضربه ای در شکل نشان داده می شود. در این کنتور دو دریچة AND با سه مدار دو ضربه ای T مورد استفاده قرار می گیرد. کلیة مدارهای دو ضربه ای، توسط سیگنال ساعت C به قرار داده می شود. پایانه ورودی T مداد دو ضربه ای A ، با سیگنال سطح بالا تکلمیل می شود، لذا مدار دو ضربه ای A به انتهای هر ضربه (پالس) متصل می شود. ورودی T مدار دو ضربه ای A بالاست و تنها در این مدت، مدار دو ضربه این B متصل می شود. مدار دو ضربه ای C به با دریچه AZ AND تأمین می شود. دریچه AZ AND تنها در زمانیکه خروجی های مدار دو ضربه ای B و دریچه A AND بالا باشند، روشن می شود و تنها در طول این مدت مدار دو ضربه ای C متصل می گردد.





شکل : نمودار مدار کنتور همگام 3 ضربه ای

در ابتدا کلیه مدارهای دو ضربه ای، در صفر تنظیم می شوند، بنابراین خروجی ها عبارتند از: QC Q­B QA = 000 اما تنها در پایان اولین ضربه ای ادواری مدار دو ضربه ای A متصل می شود وخروجی QA از 0 منطقی با 1 منطقی تغییر می‌کند و همچنین دریچه AI AND را نیز روشن می‌کند. این امر هیچ تغییری در وضعیت خروجی مدار دو ضربه ای B و مدار دو ضربه ای C ایجاد نمی کند، زیرا ترمینال های ورودی T مدارها دو ضربه ای C,B قبل از رسیدن اولین ضربه ای ادواری در logic 0 منطقی بودند. بنابر این QC Q­B QA ، 001 می شود، البته پایان اولین ضربه ادواری ترمینال های ورودی T مدارهای دو ضربه ای B,A در ligic 1 هستند. البته قبل از رسیدن دومین ضربة ادواری بنابراین آنها فقط در پایان دومین ضربه ادواری متصل می شوند. لذا دریچه A1 AND خاموش می شود و دریچه AZ خاموش میماند. بنابراین در انتهای دومین دومین ضربه ادواری، خروجی QC Q­B QA 010 می شود. تنها در پایان سومین ضربة ادواری، مدار و ضربه ای A متصل می شود و خروجی آن به logic 1 تغییر می یابد. آن، دریچه A1 AND را روشن می‌کند و همچنین AZ AND نیز روشن می شود زیرا حالا ورودی دریچة AZ AND بالا هستند. لذا فقط در پایان ضربة سوم خروجی=011 QC Q­B QA تنها در پایان چهارمین ضربة ادواری،‌ ورودیهای T کلیة مدارهای دو ضربه ای بالاست بنابراین کلیه مدارهای دو ضربه ای، متصل هستند و خروجی QC Q­B QA از 011 به 100 تغییر می‌کند و همچنین هر دو دریچة A2 , A1 AND را خاموش می‌کند. تنها در پایان پنجمین ضربة ادواری، مدار دو ضربه ای A متصل می شود و خروجی QC Q­B QA ، 101 می شود. این پروسه با هر ضربه ادواری جدید،‌ طبق جدول ادامه می یابد. درست در پایان ضربة هفتم، خروجی هر مدار دو ضربه ای در logic 1 است و درست در پایان ضربة هشتم کلیه مدارهای دو ضربه ای مجدداً تنظیم می شوند و خروجی QC Q­B QA ، 000 می شود این چرخه مجدداً تکرار می گردد.

نکته شایان ذکر در این مدار این است ه درست در پایان هشتمین ضربة ادواری، کلیة مدارهای دو ضربه ای در یک زمان تنظیم مجدد می شوند و لذا نصب کنتور برابر است با زمان تأخیر انتشار هر مدار دو ضربه ای. این امر نشان می‌دهد که کنتور همگام می تواند با سیگنال ادواری فرکانس بالاتر عمل کند و راه اندازی شود.

برخی تفاوتهای جزئی در زمان تأخیر انتشار مدارهای دو ضربه ای و تأخیر ایجاد شده توسط دریچه های AND مورد استفاده در مدار ممکن است،‌موجب انحراف از همگامی شود، اما این انحراف آنقدر اندک و جزئی است که می توان آنرا نادیده گرفت. در این کنتور، دریچه های AND بر خلاف کنتور ناهمگام مورد استفاده قرار می گیرند، لذا می توان گفت که افزایش سرعت با افزایش هزینة سخت افزار حاصل می گردد.

در کنترهای ناهمگام، در زمان رمز گشایی دریچه ها، از آنها استفاده می‌شود، به تأخیر زمانی بین سیگنال ادواری و خروجی، سیگنال های QAبین خروجی QA و خروجی QB و بین خروجی QB و خروجی QC ممکن است در خروجی رمز گشایی دریچه های نقایص جزئی را ایجاد سازد، این نقایص و عیوب جزئی، در خروجی رمز گشایی دریچه ها و تنها به مدت چند نانو ثانیه می شوند و حتی نمی توانند روی اسیلوسکوپ دیده شوند. زمانیکه کنتور تنها برای شمارش ضربات مورد استفاده قرار می گیرد، این نقایص جزئی هیچ مسئله و مشکلی ایجاد نمی کنند، اما زمانیکه رمز گشایی دریچه ها برای حرکت دادن مدارهای منطقی دیگر به کار رود این نقایص ممکن است بواسطه واکنش سریع دستگاه های TTL مورد استفاده در مدارهای منطقی، نتایج نادرستی را ایجاد سازند.

این مسئله نقایص جزئی در کنتور همگام بر طرف شده اند، زیرا در این کنتور کلیة مدارهای دو ضربه ای دریک زمان و هماهنگ با ساعت نصب می شوند و لذا هیچ تأخیر زمانی بین سیگنال های خروجی QC Q­B QA وجود ندارد.


کنتورها یا شمارنده های حلقه ای

در این کنتور، همانطور که از نامشان پیداست، خروجی Q مدار دو ضربه ای و ورودی D مدار دو ضربه ای ردیفی، به طریقی متصل می شود که به شکل یک حلقه به نظر می رسد. نمودار مداری یک کنتور حلقه ای در شکل نشان داده می شود. برای آغاز به کنتور حلقه ای، سیگنال Reset برای کنتور به کار می رود که مدار دو ضربه ای A را از پیش تنظیم می‌کند و مدارهای دو ضربه ای دیگر مجدداً تنظیم می‌کند. حالا خروجی مدار دو ضربه ای برای QA بالاست و خروجی های دیگر، پائین هستند، لذا خروجی 0001 = QC Q­B QA QD حالا قبل از رسیدن ضربة ادواری اول تنها ورودی مدار دو ضربه ای B ، یعنی DB بالاست و کلیة ورودیهای دیگر، پائین هستند. در طول انتقال اولین ضربة ادواری، کلیة سیگنالهای ورودی مدارهای دو ضربه ای به خروجی هایشان منتقل می شوند، لذا خروجی QC Q­B QA QD ، 0010 می شود، طول انتقال دومین ضربة ادواری، مجدداً کلیه سیگنالهای ورودی مدارهای دو ضربه ای به خروجی هایشان منتقل می شوند، لذا خروجی QC Q­B QA QD ،0100 می شود، این امر در مورد ضربة ادواری بعدی ادامه می یابد و سیگنال ضربة بالا،‌ از اولین مدار دو ضربه ای به آخرین مدار دو ضربه ای و از آخرین مدار دو ضربه ای به اولین مدار دو ضربه ای و مجدداً به آخرین مدار دو ضربه ای حرکت می‌کند.

(طبق Truth Table در مورد کنترل حلقه ای).

سری CMOS

1- سری 14000/4000: سری CMOS 4000 ارائه شده توسط CRA و سری COME 4000 ارائه شده توسط Motorola اولین سریهای CMOS بودند در حال حاضر سری 4000 با علامت A 4000 به نام سری معمولی (Convrntional) ارائه می شود. و سری B 4000 با تغییرات پیشرفته نیرو وجود دارد که دارای قابلیتهای جریان خروجی بالاتر بوده و دستگاه نوع buffered نامیده می شود. این سریها، موارد استفاده گسترده ای داشته و دارای کاربردهای بسیاری هستند که در سریهای دیگر قابل دسترس نیستند. نقطه ضعف اصلی این سریها این است که در آنها پین به پین و کاربرد به کابرد سازگار با دستگاههای TTL وجود ندارد.

2- سری C 74: این سری توسط National Semi – Conductor Coporation ارائه شد و پین به پین و کاربرد به کاربرد (تابع به تابع) سازگار با دستگاههای TTL دارای مشابه می باشد. لذا این مورد جایگزین دستگاههای TTL با دستگاههای CMOS معادل را امکانپذیر می سازد. ویژگیهای عملکرد این سری، مثل ویژگیهای سری 4000 می باشد.

3- سری C 54: این سری به سری C 74 شباهت دارد با این استثنا که این دستگاهها می توانند در دماهای بسیاری به کار می روند. این سری معولاً بواسطه هزینه بالاتر به مقاصد بازرگانی مورد استفاده قرار نمی گیرد. این دستگاهها معمولاً دارای کاربردهای نظامی و فضایی هستند.

4- سری HC74 : این سری، شکل پیشرفتة سری C 74 می باشد. زمان تأخیر انتشار این سری در مقایسه با سری C 74 کمتر است، از اینرو این سری می تواند در مورد فرکانس بالاتر مورد استفاده قرار گیرد. سرعت این سری با سرعت سیری LSTTL 74 سازگار است. مزیت دیگر این است که دارای قابلیت جریان خروجی بالاتری می باشد.

5- سری HCT 74: این سری نیز یک سری CMOS سرعت بالاست – تفاوت عمده میان این سری و سری HC74 این است که این سری دارای ولتاژ سازگار با دستگاههای TTL می باشد. لذا این دستگاهها می توانند مستقماً توسط دستگاههای TTL راه اندازی شود.

ویژگیهای سری CMOS

برخی از ویژگیهای عملکردی و عملیاتی سری CMOS به شرح زیر می باشند:

1- ولتاژ منبع : سری 4000 و سری C74 با منبع نیروی 3 تا 15 ولت، و سری
HC 74 و HCT74 با منبع 2 تا 6 ولت عمل می‌کنند.

زمانیکه سری TTL , CMOS با هم مورد استفاده قرار می گیرند، معمولاً ولتاژ منبع، 5 ولت است، طوریکه یک منبع نیرو می تواند برای هر دو نوع دستگاه به کار رود.

2- گسترة گرما : سری C 74 در دمای محیط با گستره ای از تا به خوبی کار می‌کنند و این امر برای اغلب کاربردهای بازرگانی مناسب است. اما سری می توانند در دمایی با گستره ای از تا عمل کنند.

3- مصرف (اتلاف) نیرو‌: زمانیکه مدار منطقی CMOS در وضعیت ثابتی باشد، مصرف نیرو در این سری، بسیار کم است، التبه در زمانیکه در هر یک از وضعیتهای خروجی دریچه، مقاومت بالا بین زمین و منبع موجود باشد. لذا مصرف نیروی CMOS تنها NW 5/2 در هر دریچه است. بهمین دلیل CMOS بسیار کاربرد دراد. زمانیکه یک خروجی CMOS از وضعیت پائین به وضعیت بالا یا بالعکس تغییر می‌کنند مصرف نیروی میانگین افزایش می یابد، ضمن اینکه در طول انتقال بین دو وضعیت، هر دو MOSFET در یک دورة کوتاه جریان می یابند و این امر Spike (سیگنال الکتریکی گذرا) جریان منبع ایجاد می‌کند. در طول این انتقال یک جریان متغییر، ظرفیت باری را تأمین می‌کند که متشکل از ظرفیت ورودی مرکب هر یک از بارهای حرکت داده شده و ظرفیت خروجی خود دستگاه می باشد. بدیهی است ضمن اینکه فرکانس راه اندازی افزایش می یابد، در هر ثانیه، Spike های جریان بیشتری وجود خواهد داشت. لذا جریان میانگین حاصل از منبع نیرو افزایش می یابد. یک دریچه CMOS NAND همیشه نیروی nw10 را با جریان بیرون می کشد (draw) و نیروی mw 1/0 را در زمانی draw می‌کند که در فرکانس KH2100 عمل می‌کند. بنابراین CMOS در فرکانس بالاتر، برخی از مزایایش بر TTL را از دست می‌دهد.

4- زمان تأخیر انتشار: یک دریچه CMOS استاندارد، دارای زمان تأخیر اتنشار تقریباً 25 تا 100 نانو ثانیه بسته به ولتاژ عملیاتی و عوامل دیگر می باشد. دریچه NAND سری 4000 دارای سازمان تأخیر انتشار ns 50 در =VDD 5 ولت و ns 25در 107 VDD = می باشد. این امر نشان می‌دهد که VDD باید جهت عمل در فرکانس بالاتر، حتی الامکان بالا باشد اما این امر مصرف نیرو را در دستگاه افزایش خواهد داد.

دریچة NAND سری HCT74 یا HC74 دارای زمان تأخیر انتشار 8ns در 57 VDD= می باشد، که قابل مقایسه با سرعت سری LS74 است.