Исследование двоичных счетчиков

Целью работы является изучение универсального двоичного счётчика и приобретение навыков в построении и экспериментальном исследовании счётчиков.

Счётчик – устройство для подсчёта числа входных импульсов.

Параметры счётчика:

• модуль счёта М – число устойчивых состояний;
• ёмкость Е – максимальное число, которое может быть записано в счётчик (Е=М-1);
• быстродействие (скорость перехода из состояния «все 1» в состояние «все 0» и наоборот).

Классификация:

1. По направлению счёта:

• суммирующие;
• вычитающие;
• реверсивные;

1. По способу построения цепи переноса:

• с последовательным переносом;
• с параллельным переносом;
• с комбинированным переносом;

1. По способу переключения триггера:

• синхронные;
• асинхронные.

2.1 Простейший суммирующий асинхронный счётчик

Счётчик представляет собой несколько последовательно включенных счётных триггеров. Напомним, что по каждому входному импульсу счётный триггер изменяет своё состояние на противоположное.

Рисунок 2.1 – Простейший суммирующий асинхронный счётчик

Если вход синхроимпульса триггера отмечен как «», то опрокидывание триггера происходит по заднему фронту, если как «/» — то по переднему.

Рисунок 2.2 – Временная диаграмма работы суммирующего асинхронного счётчика

Для того чтобы разобраться, как работает схема двоичного счётчика, воспользуемся временными диаграммами сигналов на входе и выходах этой схемы, приведёнными на рисунке 2.2.

Пусть первоначальное состояние всех триггеров счётчика будет нулевым. Это состояние мы видим на временных диаграммах. Запишем его в таблицу 2.1. После поступления на вход счётчика тактового импульса (который воспринимается по заднему фронту) первый триггер изменяет своё состояние на противоположное, то есть единицу.

Запишем новое состояние выходов счётчика в ту же самую таблицу. Так как по приходу первого импульса изменилось состояние первого триггера, то этот триггер содержит младший разряд двоичного числа (единицы).

Таблица 2.1 – Изменение уровней на выходе суммирующего двоичного счётчика при поступлении на его вход импульсов

Подадим на вход счётчика ещё один тактовый импульс. Значение первого триггера снова изменится на прямо противоположное. На этот раз на выходе первого триггера, а значит и на входе второго триггера сформируется задний фронт. Это означает, что второй триггер тоже изменит своё состояние на противоположное. Это отчётливо видно на временных диаграммах, приведённых на рисунке 2.2. Запишем новое состояние выходов счётчика в таблицу 2.1. В этой строке таблицы образовалось двоичное число 2. Оно совпадает с номером входного импульса.

Продолжая анализировать временную диаграмму, можно определить, что на выходах приведённой схемы счётчика последовательно появляются цифры от 0 до 7. Эти цифры записаны в двоичном виде. При поступлении на счётный вход счётчика очередного импульса, содержимое его триггеров увеличивается на 1. Поэтому такие счётчики получили название суммирующих двоичных счётчиков. Если информацию снимать с инверсных выходов триггеров, то получится вычитающий счётчик.

2.2 Простейший вычитающий асинхронный счётчик

Рассмотрим схему счётчика на триггерах, опрокидывающихся по переднему фронту входных импульсов рисунок 2.3

Рисунок 2.3 – Вычитающий счётчик Рисунок 2.4 – Временная диаграмма

Из временной диаграммы видим, что получился вычитающий счётчик. Если информацию снимать с инверсных выходов триггеров, то получится суммирующий счётчик.

2.3 Счётчик с произвольным модулем счёта

Для построения такого счётчика можно использовать двоичный счётчик, у которого модуль счёта М должен быть больше модуля счёта разрабатываемого счётчика с произвольным модулем счёта.

Пусть нужно сделать счётчик с М= 10.

У 4-х разрядного счётчика модуль счёта равен 16 (больше 10).

Схема счётчика представляет собой 4 последовательно включённых счётных триггера, у которых есть вход сброса R.

Число 10 в двоичной системе счисления представляется 1010. Когда на выходах счетчика будет код 1010, на выходе элемента «И» появится логическая единица, которая запустит схему гашения. Длительность импульса на выходе схемы гашения должна быть достаточна для надёжного сброса всех триггеров счётчика в 0. Разряды числа 1010, равные 1 подаются на схему «И» с прямых выходов триггеров, а равные 0 — с инверсных. Таким образом, как только счётчик досчитает до 10, произойдёт обнуление всех триггеров и счёт продолжится с кода 0000.

Рисунок 2.5 – Счётчик с модулем счета М=10

Рассмотрим счётчик с М=11 на основе двоичного счётчика в одной микросхеме (без инверсных выходов).
11₁₀=1011₂

Рисунок 2.6 – Счётчик с модулем счёта М=11

В качестве схемы гашения может быть RS-триггер.

Рисунок 2.7 – Счётчик с модулем счёта М=17

В этой схеме М=10001₂ = 17₁₀

Сигнал на входе К счётчика будет действовать в течение одного периода входных импульсов

Что означает Т1, Т2, Т3 в электросчётчике?

В энергопотреблении сутки разделены на тарифные зоны, каждая из которых имеет своё обозначение и временной интервал. Если Вы используете 3-х тарифные счётчики электроэнергии, то время тарифов по ним рассчитывается по-иному, чем у двухтарифных. Разберём более подробно каждый из них.

Обозначение Т1

Первая тарификация — это утреннее время суток часа пика, около 7:00 до 10:00 часов утра, и пиковое вечернее время с 17:00 до 21:00. В данный период тарификация считается дорогой по сравнению с Т3 и может возрастать в 0,7 раз.

Обозначение Т2

Это самая экономичная ставка, которая называется “Ночной тариф”. Если показатели Т1 и Т3 разделены на два периода, то ночное время суток — один период с 23:00 до 7:00 утра.

Из-за пониженной ставки многие люди в будни предпочитают давать большую нагрузку на энергосеть именно в период действия тарифа Т2.

Обозначение Т3

Полупиковый тариф считается в следующем временном интервале:

• с 10:00 до 17:00;
• с 21:00 до 23:00.

Данная ставка часто приравнивается к тарифу Т1, то есть является самой дорогой. Поэтому большая часть потребителей старается исключить включение мощных бытовых приборов, чтобы снизить плату за коммунальные платежи.

Что важно учесть при выборе электросчётчика?

Количество фаз. Однофазный электросчётчик подходит для электросетей с напряжением 220 В. Чаще всего используется в квартирах, загородных домах, киосках или офисных помещениях. Трёхфазный счётчик используется в трёхфазных сетях, например, на промышленных заводах и предприятиях. Такие устройства подключаются к сети с напряжением 380 В.

Тарификация. Однотарифный счётчик учитывает электроэнергию вне зависимости от времени суток. Платить придётся по единому дневному тарифу. Многотарифный счётчик электроэнергии учитывает потребление электричества в дневное и ночное время отдельно. При этом ночью энергия дешевле, поэтому все электроприборы с высоким потреблением лучше включать после 22.00.

Максимальный и номинальный ток. Если вы меняете старый электросчётчик на новый, необходимо узнать величину максимального тока на панели. Новый счётчик лучше брать с небольшим запасом на случай непредвиденного скачка энергии. Например, для сетей до 40 А оптимален счётчик на 60 А, а для выше 40 А – 100 А.

Перед установкой нового счётчика в пустое помещение, необходимо рассчитать сумму энергопотребления всех приборов, а затем получившееся число увеличить в два раза. Вы можете сделать это самостоятельно или обратиться за проектом к специалистам. Если рабочий ток превысит максимальный, то электросчётчик выйдет из строя.

Класс точности. Для жилых помещений подходят аппараты второго класса точности, для офисов и предприятий – первого. Уровень точности старых индукционных счётчиков ниже второго класса, поэтому они подлежат замене.

Соответствие ГОСТу. Все счётчики должны быть внесены в Государственный реестр средств измерений РФ. Без сертификата соответствия энергосбытовая организация не примет показания электроэнергии и выставит счёт по фиксированному тарифу.

Способ крепления. Корпус счётчика может крепиться либо на DIN-рейку либо с помощью болтов. Счётчик на DIN-рейку позволяет быстро расположить прибор внутри щита отдельно или вместе с оборудованием. Крепление с помощью болтов считается более надёжным, защищено от смещений и потери контакта и используется при установке аппарата в наружный щиток.

Класс защиты IP. Первая цифра означает защищённость корпуса от попадания внутрь предметов или частиц пыли (0 – защиты нет, 6 – пыленепроницаемость). Вторая цифра говорит о защите от воды (0 – нет защиты, 9 – полностью герметичен и защищён от горячих струй воды). Чем выше цифра, тем лучше защита.

IP21, IP31 или IP32 подойдёт для квартиры, офиса или дачи. Эти электросчётчики не боятся пыли и влаги.

IP54, IP65 и IP66 подходит для улицы. Такой корпус оснащён резиновыми вставками на дверце и герметичными вводами для проводов.