Halkalı Sayaçlar 1000

Transkript

1 Halkalı Sayaçlar Bir kaydıran yazmacın çıkışı girişine verilirse halkalı sayaçlar oluşur. Sayaçtaki veri deseni saat darbeleri uygulandığı sürece dolanacaktır. Mesela aşağıdaki şekilde veri deseni kendini her dört saat darbesinde tekrar edecektir. Fakat bir veri deseni yüklememiz gerekir. Bütün 0 lar ve bütün 1 ler sayılmaz. Böyle bir durumdaki devamlı mantık seviyesi kullanışlımıdır? Aşağıda halkalı sayaç olarak biçimlendirilmiş paralel-giriş/seri-çıkışı olan bir kaydıran yazmaca veri yüklemesi için gerekli hazırlığı yaparız. Rasgele herhangi bir desen yüklenebilir. En çok kullanışlı olan desen tek bir 1 dir. Yukarıdaki halkalı sayaca ikili 1000 ı kaydırmadan önce yüklemek görünebilir bir desen oluşturur. Tek bir basamaktaki veri deseni bizim dört basamaklı örneğimizde her dört saat darbesinde kendini tekrar eder. Her dört basamak için dalga formları aynı görünür sadece bir basamaktan diğerine bir saat zaman gecikmesi haricinde. Aşağıdaki şekle bakınız.

2 Yukarıdaki devre 4 e bölme sayacıdır. Saat girişini çıkışlardan herhangi biri ile karşılaştırırsan 4:1 oranında bir frekans elde ederiz. 10 a böle halkalı sayacı için kaç basamağa ihtiyacımız vardır? On basamak her 10 saat darbesinde 1 i çevirir. Yukarıda halkalı sayacı 1000 durumuna getirecek alternatif bir metot gösterilmiştir. Kayan dalga formları yukarıdaki ile aynıdır ve her dört saat darbesinde kendini tekrar eder. Sıfırlama ihtiyacı bir halkalı sayacın diğer sıradan sayaçlara göre bir dezavantajıdır. En azından başlama esnasında sıfırlanmış olması gerekir çünkü flip-flop ların başlangıçta hangi durumda olacağını tahmin etmenin bir yolu yoktur. Teoride tekrar sıfırlama gerekmez. Gerçek uygulamada flip-flop lar gürültü ile veri desenini bozabilir. Sıradan eşzamanlı ikili sayaç benzeri bir "kendinden düzeltmeli" sayaç daha güvenli olur.

3 Yukarıdaki ikili eşzamanlı sayaç sadece iki kademeye ihtiyaç duyar fakat çözücü kapılar gerektirir. Halkalı sayaçta daha fazla basamak var fakat kendisi çözdüğü için yukarıdaki çözücü kapılara ihtiyaç kalmaz. Halkalı sayaçların bir diğer dezavantajı da "kendi kendine başlatılamamalarıdır". Eğer çözülmüş çıkışlara ihtiyacımız olursa halkalı sayaç daha kullanışlıdır, özellikle mantığın çoğu tek bir kaydıran yazmaç paketinin içinde ise. Eğer değilse sıradan ikili sayaç çözücüsü olmadığı için daha basittir. Eşzamanlı ikili sayaçtan çözülen dalga formları az önceki halkalı sayaç dalga formları ile benzerdir. Sayaç düzeni (Q A Q B ) = ( ) dir. Johnson sayaçları Johnson sayacı olarak da bilinen anahtar-kuyruklu halka sayacı halkalı sayacın bir takım sınırlamalarının üstesinden gelir. Bir halkalı sayaç gibi Johnson sayacı da kendi üzerine beslenen bir kaydıran sayaçtır. Verilen bir bölme oranı için halkalı sayacın yarısı kadar basamağa ihtiyaç duyar. Eğer bir halkalı sayacın tümleyen çıkışı gerçek çıkış yerine girişe geri beslenirse bir Johnson sayacı elde edilir. Bir halkalı sayaç ile Johnson sayacı arasındaki fark son basamağın hangi çıkışının geri

4 beslendiğidir (Q veya Q'). Aşağıdaki geri besleme bağlantısıyla daha önceki halkalı sayacı dikkatlice karşılaştırın. Bu "ters çevrilmiş" geri besleme bağlantısı normalde birbirine benzeyen bu devreler üzerinde çok derin bir etkiye sahiptir. Bir halkalı sayacının etrafında tek bir 1 i döndürmek giriş saatini aşama sayısına böler. Fakat bir Johnson sayacı aşama sayısının iki katına böler. Mesela 4-aşamalı bir halkalı sayaç 4 e böler. 4-aşamalı bir Johnson sayacı 8 e böler. Bir Johnson sayacına ilk saatten önce tüm aşamaları temizleyip 0 a eşitleyerek başlayın. Bu genellikle başlatma zamanında yapılır. Aşağıdaki şekle bakarsak ilk saat ( Q A Q B Q C ) den üç tane 0 ı ( Q B Q C Q D ) ye gönderir. Q D ' (Q nun tümleyeni) deki 1 Q A ya geri gönderilir. Böylece 1 leri sağa kaydırmaya 0 ları yerine yerleştirmeye başlarız. Halkalı bir sayaç tek bir 1 döndürürken 4-aşamalı Johnson sayacı 8-bitlik bir desen için dört tane 0 ve dört tane 1 döndürür ve sonra kendini tekrar eder. Yukarıdaki dalga formu çok-fazlı kare dalgaların Johnson sayaçları tarafından oluşturulduğunu gösterir. Yukarıdaki 4-basamaklı ünite bir iş döngüsünün %50 sinde üst üste binmiş dört faz üretir. Üç fazlı dalga formu kümesi üretmek için kaç aşama gerekir? Örneğin, üç aşamalı bir Johnson sayacı 360 Hertz lik bir saat ile beslenirse 60 Hertz de üç tane 120 o fazda kare dalgası üretir. Bir Johnson sayacındaki flip-flop çıkışlarının tek bir duruma çözülmesi kolaydır. Aşağıda 4-aşamalı bir Johnson sayacının sekiz durumu her bir durum için en fazla iki giriş geçidi ile çözülmüştür. Bizim Johnson sayacımızda sekiz giriş geçidinden ikisi durumları çözer.

5 Johnson sayacı ne kadar uzun olursa olsun sadece 2-girişli çözücü geçit gerekir. FF (Q dan Q' ya veya tersine) lerdeki geçit girişlerini doğrudan tersine değiştirerek AND geçitlerine evirilmemiş girişleri kullanabilirdik. Fakat pratikte yukarıdaki diyagramın CD4022B nin veri tablosuna mümkün olduğunca uyması için uğraşıyoruz. Yukarıda Q A dan Q D olan dört fazlı kare dalgalarımız G 0 dan G 7 ye sekiz sinyale çözülür, bu sinyaller bütün 8-saat döngüsü içinde bir saat zamanında aktiftir. Örneğin G 0 hem Q A hem de Q D

6 düşükken aktiftir. Böylece çeşitli yazmaç çıkış çiftleri Johnson sayacı örneğimizdeki sekiz durumdan her birini tanımlar. Yukarıda CD4022B Johnson sayacının tam bir dahili diyagramı vardır. İhmal edilen küçük noktalar için üreticinin veri tablosuna bakınız. Daha önceki şekillerde bu diyagrama yapılan yeni eklenti iki NOR geçidinden oluşan izin verilmemiş durum algılayıcısı dır. Şekil içindeki durum tablosuna bakınız. Tabloda listelendiği gibi 8-izinli durum vardır. Bizim kaydıranımızın dört flip-flop u vardır toplamda 16-durum vardır, bunlardan 8 tanesi izin verilmemiş durumlardır. Bunlar tabloda gösterilmemiş olan durumlardır. Teoride ilk kullanımdan önce kaydıran yazmaç RESET edildiyse bu izin verilmemiş durumlarla karşılaşmayız. Fakat "gerçek hayatta" günlerce süren devamlı kullanım sonucunda gürültü, güç hattındaki dalgalanmalar, yakınlara yıldırım düşmesi gibi sebeplerle Johnson sayacı bu izin verilmeyen durumlardan birine girebilir. Yüksek kararlılık gerektiren uygulamalarda bu küçük ihtimali de göz önünde bulundurup planlarımızı buna göre yapmalıyız. Daha önemli bir durum ise başlatma esnasında devrenin temizlenmemiş olmalısıdır. Bu durumda devrenin 16-durumdan hangisi ile başlayacağını bilmemizin bir yolu yoktur. Bu izin verilmeyen durumlardan birine girerse

7 Johnson sayacının dışarıdan müdahale olmaksızın tekrar izin verilen durumlara dönmesi mümkün değildir. NOR geçitlerinin amacı budur. (Q A Q B Q C ) = (010) düzeni için oluşturulmuş tabloyu inceleyin. İzin verilen durumların tablosunda bu düzen hiç bir yerde gözükmez. Bu yüzden (010) izin verilmemiş durumdur. Hiçbir zaman meydana gelmemelidir. Eğer meydana gelirse Johnson sayacı izin verilmemiş bir durumda demektir ve izin verilen durumlardan birine çıkması gerekir. (Q A Q B Q C ) = (010) olduğunu varsayalım. İkinci NOR geçidi FF Q C nin D girişindeki Q B = 1 i 0 la değiştirir. Başka bir ifadeyle problemli 010 durumu 000 la değiştirilmiş olur ve tabloda görünen 000 sağa doğru kayar. Tabloda üç-0 lı bir çok dizi var. Bu şekilde NOR geçitleri Johnson sayaçlarını izin verilmeyen durumlardan izin verilen duruma geçirir. Bütün izin verilmeyen durumlar 010 dizisi içermezler. Fakat birkaç saat zamanı sonra bu dizi ortaya çıkar ve diğer izin verilmeyen durumlardan kaçınılmış olur. Eğer devre RESET lenmeden başlatılırsa çıkışlar geçerli bir duruma ulaşana kadar birkaç saat zamanı boyunca tahmin edilemez olur. Eğer bu belirli bir uygulama için bir sorun oluşturacak ise açmadan önce RESET yapın. Johnson sayaç cihazları Çıkış durumları çözülmüş olarak entegre devre halinde Johnson sayacı cihazları bulunabilir. Johnson sayaçlarıyla ilgili CD4017 dahili mantığını daha önce görmüştük seri cihazlar 3V ila 15V arasındaki güç kaynakları ile çalışabilir. 74HC' parçası TTL uyumlu olarak tasarlanmıştır 2V dan 6V a kadar kaynakla çalışabilir, daha hızlı sayar ve daha çok çıkış besleme yeteneği vardır. Cihazın tam bir veri tablosu için aşağıdaki bağlantıları izleyiniz. CD çözülmüş çıkışlı Johnson sayacı, CD çözülmüş çıkışlı Johnson sayacı [*] 74HC çözülmüş çıkışlı Johnson sayacı [*] Yukarıda modulo-10 (10 a bölme) ve modulo-8 Johnson sayaçları için ANSI sembolleri gösterilmiştir. Sembol bir kaydıran yazmaçtan ziyade bir sayaç karakteristiği taşır çünkü zaten bir sayaçtır. CD4022 modulo-8 in dalga formları ve çalışması daha önce gösterilmişti. CD4017B/ 74HC4017 onlu sayacı 5-basamaklı ve on çözücü çıkışlı bir Johnson sayacıdır. Çalışması ve dalga

8 formları CD4017 ye benzerdir. Gerçekte CD4017 ve CD4022 aynı veri tablosunda gösterilmiştir, yukarıdaki bağlantılara bakınız. 74HC4017 onlu sayaçların daha modern bir sürümüdür. Bu cihazlar normal sayaçlarda bulunan ikili veya BCD (İkili Kodlanmış Onlu (Binary Coded Decimal)) çıkış yerine çözülmüş çıkış gerekli olan yerlerde kullanılır. Çözülmüş ile, sıradan sayaçlardaki dört bitlik BCD kodu yerine 4017 de bir anda on hattan birinin aktif olmasını kastediyoruz Sekizli Johnson sayacı için 8-e-1 çözümlemeyi gösteren dalga formlarına bakınız. Pratik uygulamalar Yukarıdaki Johnson sayacı yanan bir LEDi on saniyelik bir döngünün her beş saniyesinde kaydırır. Burada yerine 74HC4017 kullanılmıştır çünkü 74HC4017 nin daha fazla akım sürme yeteneği vardır. Yukarıda bağlantıda verilen veri tablosundan V CC = 5V ve 4mA de V OH = 4,6V olduğu görülür. Diğer bir deyişle çıkışlar LED leri beslemek için 4,6 V da 4 ma verebilir. Normalde LED lerin 10 ila 20 ma arası akımla çalıştığını akılda bulundurun. Buna rağmen 1 ma e kadar görülebilir. Bu basit devre HC4017 nin bir uygulamasını gösterir. Bir sergi için parlak bir ışığa mı ihtiyacınız var? Öyle ise LED lerin katotlarını beslemek için düşük değerli anot dirençleri tarafından güç kaynağı seviyesine yükseltilmiş evirilmiş tamponlar kullanılır. 555 zamanlayıcı kararsız bir çok katlı titreşici olarak görev yapar ve R 1 R 2 C 1 tarafından belirlenen bir saat frekansı üretir. Bu çevrimdeki tek bir LED in yanmasıyla gösterildiği gibi 74HC4017 yi her bir saat başına bir adım besler. Eğer in saat pinini güvenilir şekilde beslemezse 555 ile 4017 arasında tek bir tampon basamağından geçirin. Değişken bir R 2 basamak oranı değiştirebilir. Ayrıştırıcı C 2 sığasının değeri önemli değildir. Benzer bir sığa 4017 nin güç ve toprak pinleri arasında uygulanmalıdır.

9 Yukarıdaki Johnson sayacı (Q A Q B Q C ) ye göre birbirinden 60 o faz farklı 3-fazlı kare dalgalar üretir. Fakat güç uygulamalarında 120 o fazlı dalga formlarına ihtiyacımız vardır. P 1 =Q A P 2 =Q C P 3 =Q B ' seçmek istenen 120 o fazı oluşturur. Aşağıdaki şekle bakınız. Eğer bu (P 1 P 2 P 3 ) ü bir düşük-geçiş filtre edilip sinüs dalgaya dönüştürülür ve güçlendirilirse bu 3-fazlı bir güç kaynağının başlangıcı olabilir. Örneğin 3-fazlı 400 Hz de çalışan küçük bir uçak motorunu mu beslemek istiyorsunuz? Öyle ise yukarıdaki devre SAAT ine 6x 400Hz besleme yapın. Bütün bu dalga formlarının görev döngüsünün %50 sinde çalıştığına dikkat edin.

10 Aşağıdaki devre 3-fazlı üst üste binmeyen %50 den daha az görev döngüsü olan dalga formları üretir, bunlarla 3-fazlı adım motorları beslenebilir. Yukarıda Q A Q B Q C üst üste binen çıkışlarını üst üste binmeyen P 0 P 1 P 2 çıkışlarına aşağıda gösterildiği gibi çözeriz. Bu dalga formları aşağıda gösterildiği gibi ULN2003 sürücüleri yada sonraki devrede gösterilen ayrı bileşenli Darlington çift sürücüsü kullanılarak ma seviyesinden kesirli amper seviyesine uygun şekilde yükseltildikten sonra 3-fazlı adım motorunu besler. Motor sürücüsünü saymazsak bu devre için üç tane entegre devre (IC) paketine ihtiyacımız var: iki tane çift "D" tipi FF paketi ve bir tane dörtlü NAND geçidi.

11 Yukarıdaki tek CD4017 yukarıda gösterilen devrede gerekli olan 3-fazlı adım dalga formlarını Johnson sayacını üçüncü saymada temizleyerek üretir. 3. sayma kendini temizlemeden önce bir mikro saniyeden daha az bir süre devam eder. Diğer sayımların (Q 0 =G 0 Q 1 =G 1 Q 2 =G 2 ) her biri tam bir saat periyodunca var olur. Yukarıda gösterilen Darlington çift kutuplu transistör sürücüleri ULN2003 nin dahili devresi yerine kullanılabilir. Bu sürücülerin tasarımı bu sayısal elektronik konusunun dışındadır. Herhangi bir sürücü herhangi bir dalga formu oluşturan devre ile kullanılabilir. Bu bölümde daha önce gösterilen CD4017 nin dahili mantığı çerçevesinde yukarıdaki dalga formları çok anlamlıdır. Dahili çözücü için AND geçit denklemleri gösterilmiştir. Q A Q B Q C sinyalleri pin-

12 çıkışlarında bulunmayan Johnson sayacının direkt kaydıran yazmaç çıkışlarıdır. Q D dalga formu 4017 nin her üç saatte bir reset olduğunu gösterir. Q 0 Q 1 Q 2 vs. çıkış pinlerinde bulunan çözülmüş çıkışlardır. Yukarıda tek kutuplu adım motorunu beslemek için dalga formları üretiyoruz, bu motor sadece tek kutuplu bir besleme sinyaline ihtiyaç duyar. Yani sarımlara giden beslemenin kutuplanmasını ters çevirmek zorunda değiliz. Bu 4017 ile motor arasındaki güç beslemesini kolaylaştırır. Daha önce diyagramda gösterilen Darlington çiftleri ULN2003 için kullanılabilir. Tekrar, son sayımdan sonucunda bir reset ile CD4017B gerekli dalga formlarını üretir. Q 0 Q 1 Q 2 Q 3 çözülmüş çıkışları adım motoru bobinlerini başarılı bir şekilde besler ve Q 4 her bir dört darbe grubu sonunda sayacı resetler.