可逆計(jì)數(shù)器的時(shí)序控制電路

周冬亮,閆海霞,楊斌,李鋼

（黑龍江省原子能研究院，黑龍江哈爾濱 150086）

1 引言

在核物理測(cè)量和自動(dòng)控制中，經(jīng)常需要在一定的測(cè)量時(shí)間范圍內(nèi)測(cè)量出脈沖信號(hào)的數(shù)目，這一過(guò)程叫計(jì)數(shù)，單位時(shí)間的計(jì)數(shù)稱(chēng)作計(jì)數(shù)率。

用來(lái)記錄和顯示脈沖數(shù)目的儀器或組件稱(chēng)作定標(biāo)器。從功能來(lái)看，定標(biāo)器至少要由計(jì)數(shù)與顯示電路、定時(shí)電路和控制電路組成。計(jì)數(shù)與顯示電路用來(lái)記錄被測(cè)脈沖數(shù)目并顯示出來(lái)，這就需要控制電路來(lái)啟動(dòng)開(kāi)始計(jì)數(shù)和停止計(jì)數(shù)；定時(shí)電路用來(lái)給出精確的定時(shí)時(shí)間即測(cè)量時(shí)間，通過(guò)控制電路同步啟動(dòng)開(kāi)始計(jì)數(shù)和開(kāi)始定時(shí)，當(dāng)定時(shí)時(shí)間一到又通過(guò)控制電路同步停止計(jì)數(shù)和停止計(jì)時(shí)；控制電路是定標(biāo)器的核心，起著協(xié)調(diào)和控制功能。為適應(yīng)不同的要求，定標(biāo)器的電路組成和結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，有簡(jiǎn)有繁，可有很大不同。

當(dāng)前的定標(biāo)器幾乎都是加計(jì)數(shù)，沒(méi)有減計(jì)數(shù)。例如，F(xiàn)H463B型智能定標(biāo)器、BH1220型自動(dòng)定標(biāo)器、FH1093B型三路定標(biāo)器以及各種類(lèi)型的頻率計(jì)都只能進(jìn)行加計(jì)數(shù)運(yùn)算。既無(wú)預(yù)置功能又無(wú)減法計(jì)數(shù)功能。因此根據(jù)工作需要，研究和設(shè)計(jì)了一種可逆計(jì)數(shù)器的控制電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)加減雙時(shí)鐘的控制與轉(zhuǎn)換，既可完成加計(jì)數(shù)又可完成減計(jì)數(shù)，并可實(shí)現(xiàn)減加的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。該控制電路與探測(cè)器、高壓電源、線(xiàn)性脈沖放大器以及定時(shí)電路等相組合可構(gòu)成一個(gè)完整的應(yīng)用電路系統(tǒng)。

2 可逆計(jì)數(shù)器的單元電路

圖1是一位的計(jì)數(shù)顯示電路，它由可逆計(jì)數(shù)器40192、BCD-7段鎖存/譯碼/驅(qū)動(dòng)器4511、LED共陰顯示器LC5011和四輸入或非門(mén)4002組成。按照器件的功能表進(jìn)行鏈接[1]?？赡嬗?jì)數(shù)器器件具有預(yù)置數(shù)設(shè)置、復(fù)位、加/減雙時(shí)鐘輸入和進(jìn)位/錯(cuò)位輸出的特點(diǎn)。

圖1 計(jì)數(shù)譯碼顯示電路

可逆計(jì)數(shù)器的四個(gè)預(yù)置輸入端A、B、C、D 通過(guò)電阻接地而處于0 電平。當(dāng)需要預(yù)置時(shí)通過(guò)二進(jìn)制撥盤(pán)開(kāi)關(guān)進(jìn)行十進(jìn)制數(shù)預(yù)置，按8、4、2、1編碼的四個(gè)輸入端中會(huì)有相應(yīng)的位端處于高電平。在(低電平有效）作用下，預(yù)置的十進(jìn)制數(shù)會(huì)反映在可逆計(jì)數(shù)器的四個(gè)輸出端(Q）的狀態(tài)上，經(jīng)譯碼器也會(huì)出現(xiàn)在LED顯示器上。

加計(jì)數(shù)輸入端CPU(+）和減計(jì)數(shù)端CPD(-）由控制電路通過(guò)計(jì)數(shù)門(mén)來(lái)控制加計(jì)數(shù)或減計(jì)數(shù)。進(jìn)位輸出端接下級(jí)的CPU，借位輸出端接下級(jí)的CPD。

可逆計(jì)數(shù)器的四個(gè)輸出端與譯碼器的對(duì)應(yīng)輸入端相連，7 段譯碼器的7 個(gè)輸出端a、b、c、d、e、f、g 通過(guò)限流電阻分別與LED顯示器的相應(yīng)筆畫(huà)相連。

可逆計(jì)數(shù)器的四個(gè)輸出端與四輸入或非門(mén)4002的輸入端相連。當(dāng)輸出為0 時(shí)產(chǎn)生加減控制的中間信號(hào)C1，C1=如果采用四位計(jì)數(shù)器，當(dāng)輸出為全0 時(shí)，再通過(guò)四輸入與非門(mén)4012，便可產(chǎn)生低電平的加減轉(zhuǎn)換控制信號(hào)，去控制輔助雙穩(wěn)態(tài)和計(jì)數(shù)門(mén)，式中C2、C3、C4分別為第二、三、四位的或非門(mén)輸出。

3 時(shí)序控制電路

控制系統(tǒng)用來(lái)協(xié)調(diào)計(jì)數(shù)顯示系統(tǒng)和定時(shí)系統(tǒng)的同步工作，可執(zhí)行手動(dòng)操作和自動(dòng)與半自動(dòng)操作，它是定標(biāo)器的指揮控制的神經(jīng)中樞。

控制電路由主控與輔控RS 雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、定時(shí)門(mén)、雙時(shí)鐘計(jì)數(shù)門(mén)、時(shí)序門(mén)、秒信號(hào)發(fā)生器、時(shí)序分配器和手動(dòng)開(kāi)關(guān)等組成。

控制系統(tǒng)的核心單元是RS 雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，由兩個(gè)三輸入與非門(mén)交叉連接組成[2]。它的置位端S是手啟動(dòng)和自動(dòng)啟動(dòng)的輸入端，對(duì)應(yīng)的輸出端為Q；它的復(fù)位端R 是手停止和自動(dòng)停止的輸入端，對(duì)應(yīng)的輸出端為。置位和復(fù)位均為低電平有效。RS 觸發(fā)器的兩個(gè)輸出端Q 和的電位高低相反，有兩種狀態(tài)(圖2）。

圖2 時(shí)序控制簡(jiǎn)圖

主控雙穩(wěn)態(tài)用于啟動(dòng)和協(xié)調(diào)計(jì)數(shù)顯示系統(tǒng)和定時(shí)系統(tǒng)的工作。當(dāng)手啟動(dòng)或自動(dòng)啟動(dòng)時(shí)，置位輸出端Q 為高電平，同時(shí)開(kāi)啟計(jì)數(shù)門(mén)和定時(shí)門(mén)，使計(jì)數(shù)脈沖和定時(shí)時(shí)鐘CP通過(guò)，使計(jì)數(shù)和定時(shí)同步工作。當(dāng)設(shè)定的定時(shí)時(shí)間一到，定時(shí)系統(tǒng)便給出一個(gè)低電平的定時(shí)結(jié)束信號(hào)，并用來(lái)使主控雙穩(wěn)態(tài)復(fù)位，這時(shí)，Q 為低電平，關(guān)閉計(jì)數(shù)門(mén)和定時(shí)門(mén)，使計(jì)數(shù)和定時(shí)停止工作為高電平，開(kāi)啟時(shí)序門(mén)，使秒信號(hào)通過(guò)，開(kāi)始停止后的時(shí)序。

輔控雙穩(wěn)態(tài)用于控制雙時(shí)鐘，選通加減計(jì)數(shù)門(mén)，以執(zhí)行加計(jì)數(shù)或減計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)門(mén)受主控雙穩(wěn)態(tài)Q 和輔控雙穩(wěn)態(tài)和的雙重控制，主控雙穩(wěn)態(tài)Q 同時(shí)控制加計(jì)數(shù)門(mén)和減計(jì)數(shù)門(mén)，輔控雙穩(wěn)態(tài)的置位輸出端Q 控制減計(jì)數(shù)門(mén)，復(fù)位輸出端Q控制加計(jì)數(shù)門(mén)。當(dāng)可逆計(jì)數(shù)器沒(méi)有預(yù)置數(shù)時(shí)，輸出端全為0，啟動(dòng)瞬間后由于加減轉(zhuǎn)換控制信號(hào)為低電平并使輔控雙穩(wěn)態(tài)復(fù)位為高電平，開(kāi)啟加計(jì)數(shù)工作。當(dāng)有預(yù)置數(shù)時(shí)，為高電平，啟動(dòng)后，主、輔雙穩(wěn)態(tài)之Q端均為高電平，開(kāi)啟減計(jì)數(shù)。當(dāng)預(yù)置數(shù)減至0 時(shí)，為低電平，使輔控雙穩(wěn)態(tài)復(fù)位，開(kāi)加計(jì)數(shù)門(mén)，自動(dòng)轉(zhuǎn)至加計(jì)數(shù)。

計(jì)數(shù)定時(shí)停止后，按以下時(shí)序進(jìn)行控制：

啟動(dòng)→計(jì)數(shù)定時(shí)→停止→顯示→清零復(fù)位→預(yù)置→自動(dòng)啟動(dòng)

4 加減控制電路的應(yīng)用

如果用數(shù)字量來(lái)表示被測(cè)物理量，由于被測(cè)量與計(jì)數(shù)率具有一定的相關(guān)性，往往可通過(guò)累積計(jì)數(shù)率的方式來(lái)顯示被測(cè)量。當(dāng)被測(cè)物理量(P）和計(jì)數(shù)率(n）具有線(xiàn)性關(guān)系時(shí)，則線(xiàn)性函數(shù)的通式為：

P=B+nt

式中，B 和t 為標(biāo)定常數(shù)，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定來(lái)確定，B 的幾何意義為截距，相當(dāng)于預(yù)置數(shù)或被減數(shù)；t的幾何意義是斜率，相當(dāng)于測(cè)量時(shí)間；n為自變量，物理意義為計(jì)數(shù)率。

對(duì)于負(fù)斜率和截距為正B＞0 時(shí)，P=nt-B，由于P＞0，則有B-nt＞0或B＞nt，所以，啟動(dòng)測(cè)量時(shí)，可逆計(jì)數(shù)器一直作減計(jì)數(shù)[3]。當(dāng)定時(shí)結(jié)束時(shí)，預(yù)置數(shù)的剩余數(shù)即為所求(圖3a）。

對(duì)正斜率和截距為負(fù)B＜0 時(shí)，P=nt-B 并且nt-B＞0或nt＞B，所以啟動(dòng)測(cè)量時(shí)，可逆計(jì)數(shù)器先做減計(jì)數(shù)，當(dāng)減至全零時(shí)，再自動(dòng)轉(zhuǎn)為加計(jì)數(shù)。當(dāng)定時(shí)結(jié)束時(shí)，累加的數(shù)即為所求(圖3b）。

圖3 正負(fù)斜率的線(xiàn)性函數(shù)

以煤質(zhì)分析為例，包括灰分、水分、含碳量、揮發(fā)分、發(fā)熱量等，其中灰分和水分是在線(xiàn)控制指標(biāo)。煤炭的成分很復(fù)雜，可看成是二元組分，一元是有機(jī)可燃的輕物質(zhì)組分，有效原子序數(shù)Z≈6；另一元是不可燃燒的礦物質(zhì)重成分，有效原子序數(shù)Z≈14。煤燃燒后的剩余物叫灰分。如采用低能γ 射線(xiàn)反散射方法[4]，反散射強(qiáng)度與原子序數(shù)密切相關(guān)，反散射計(jì)數(shù)率與灰分負(fù)相關(guān)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和化驗(yàn)比對(duì)，擬合出標(biāo)定常數(shù)。當(dāng)灰分高時(shí)，在確定時(shí)間內(nèi)的累計(jì)計(jì)數(shù)就低，剩余數(shù)就高；當(dāng)有機(jī)質(zhì)高灰分低時(shí)，累計(jì)計(jì)數(shù)就高，剩余數(shù)就低。當(dāng)用中子慢化法測(cè)量水分時(shí)，慢中子的強(qiáng)度與含氫量成正比，慢中子計(jì)數(shù)率與水分正相關(guān)。但是煤炭水分僅指內(nèi)在水分和外在水分，不含結(jié)晶水，因此需扣除負(fù)截距的結(jié)構(gòu)氫的影響，再累加的計(jì)數(shù)才是煤炭水分。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用了主輔兩個(gè)雙穩(wěn)態(tài)RS 觸發(fā)器，可同步控制計(jì)數(shù)和定時(shí)系統(tǒng)的啟動(dòng)與停止，可自動(dòng)進(jìn)行加/減雙時(shí)鐘轉(zhuǎn)換，并用時(shí)序譯碼器自動(dòng)控制工作時(shí)序。該控制電路工作穩(wěn)定可靠，使用方便靈活。該邏輯控制電路與其它單元組件相配組成的測(cè)量電路系統(tǒng)可用于線(xiàn)性函數(shù)的數(shù)字求解。