數控機床工作原理圖(數控機床工作原理圖講解)

1. 數控機床工作原理圖講解

數控機床的主軸性能是在很寬范圍內轉速連續可調，恒功率范圍寬。

當要求機床有螺紋加工功能、準停功能和恒線速加工等功能時，則需要對主軸進行進給控制和位置控制。此時，主軸驅動系統也可稱為主軸伺服系統，主軸電動機裝配有編碼器或者在主軸上安裝外置式的編碼器，作為主軸位置檢測。

主軸驅動變速目前主要有兩種形式：

一是主軸電動機帶齒輪換擋，目的在于降低主軸轉速，增大傳動比，以適應切削的需要；

二是主軸電動機通過同步齒形帶或v帶驅動主軸，該類主軸電動機又稱寬域電動機或強切削電動機，具有恒功率寬的特點。由于無需機械變速，主軸箱內省卻了齒輪和離合器，主軸箱實際上成為主軸支架，簡化了主傳動系統，從而提高了傳動鏈的可靠性。

由于交流驅動系統保持了直流驅動系統的優越性，而且交流電動機無須維護，便于制造，不受惡劣環境影響，所以目前直流驅動系統已被交流驅動系統所取代。初期是采用模擬式交流伺服系統，而現在伺服系統的主流是數字式交流伺服系統。交流伺服驅動系統走向數字化，驅動系統中的電流環、速度環的反饋控制已全部數字化，系統的控制模型和動態補償均由高速微處理器實時處理，增強了系統自診斷能力，提高了系統的快速性和精度。

1、帶有變速齒輪的主傳動

大、中型數控機床采用這種變速方式。通過少數幾對齒輪降速，擴大輸出轉矩，以滿足主軸低速時對輸出轉矩特性的要求

2、通過帶傳動的主傳動

主要應用于轉速較高、變速范圍不大的機床。電動機本身的調速就能滿足要求，可以避免齒輪傳動引起的振動與噪音

3、用兩個電機分別驅動主軸

上述兩種方式的混合傳動，高速時帶輪直接驅動主軸，低速時另一個電機通過齒輪減速后驅動主軸

4、內裝電動機主軸傳動結構

大大簡化主軸箱體與主軸的結構，有效提高主軸部件的剛度，但主軸輸出轉矩小，電動機發熱對主軸影響較大.

電氣上模擬主軸由CNC給出0---+10V的模擬電壓，去控制變頻器無極調速。

伺服主軸由CNC發出轉速指令去控制主軸驅動器，實現速度或位置控制。

不是無級調速的主軸，由CNC發出M代碼控制主軸電機，和離合器或齒輪變檔。

2. 數控機床的原理及組成

數控系統是數字控制系統的簡稱,根據計算機存儲器中存儲的控制程序,執行部分或全部數值控制功能,并配有接口電路和伺服驅動裝置的專用計算機系統。計算機數控（CNC）系統是用計算機控制加工功能，實現數值控制的系統。CNC系統根據計算機存儲器中存儲的控制程序，執行部分或全部數值控制功能，并配有接口電路和伺服驅動裝置的專用計算機系統。CNC系統由數控程序、輸入裝置、輸出裝置、計算機數控裝置（CNC裝置）、可編程邏輯控制器（PLC）、主軸驅動裝置和進給（伺服）驅動裝置（包括檢測裝置）等組成。CNC系統的核心是CNC裝置。由于使用了計算機，系統具有了軟件功能，又用PLC代替了傳統的機床電器邏輯控制裝置，使系統更小巧，其靈活性、通用性、可靠性更好，易于實現復雜的數控功能，使用、維護也方便，并具有與上位機連接及進行遠程通信的功能?；緲嫵赡壳笆澜缟系臄悼叵到y種類繁多，形式各異，組成結構上都有各自的特點。這些結構特點來源于系統初始設計的基本要求和工程設計的思路。例如對點位控制系統和連續軌跡控制系統就有截然不同的要求。對于T系統和M系統，同樣也有很大的區別，前者適用于回轉體零件加工，后者適合于異形非回轉體的零件加工。對于不同的生產廠家來說，基于歷史發展因素以及各自因地而異的復雜因素的影響，在設計思想上也可能各有千秋，使之有利于系統工作的可靠性，促使系統的平均無故障率不斷提高。 數控系統的基本原理和構成都是十分相似。 數控系統一般整個數控系統由三大部分組成，即控制系統，伺服系統和位置測量系統。 控制系統按加工工件程序進行插補運算，發出控制指令到伺服驅動系統；伺服驅動系統將控制指令放大，由伺服電機驅動機械按要求運動；測量系統檢測機械的運動位置或速度，并反饋到控制系統，來修正控制指令。這三部分有機結合，組成完整的閉環控制的數控系統。 控制系統主要由總線、CPU、電源、存貯器、操作面板和顯示屏、位控單元、可編程序控制器邏輯控制單元以及數據輸入/輸出接口等組成。還包括一個通訊單元，它可完成CNC、PLC的內部數據通訊和外部高次網絡的連接。 伺服驅動系統主要包括伺服驅動裝置和電機。位置測量系統主要是采用長光柵或圓光柵的增量式位移編碼器。 硬件結構：數控系統的硬件由數控裝置、輸入/輸出裝置、驅動裝置和機床電器邏輯控制裝置等組成，這四部分之間通過I/O接口互連。數控裝置是數控系統的核心，其軟件和硬件來控制各種數控功能的實現。數控裝置的硬件結構按CNC裝置中的印制電路板的插接方式可以分為大板結構和功能模塊（小板）結構；按CNC裝置硬件的制造方式，可以分為專用型結構和個人計算機式結構；按CNC裝置中微處理器的個數可以分為單微處理器結構和多微處理器結構。 （1）大板結構和功能模板結構 數控系統 1）大板結構 　　大板結構CNC系統的CNC裝置由主電路板、位置控制板、PC板、圖形控制板、附加I/O板和電源單元等組成。主電路板是大印制電路版，其它電路板是小板，插在大印制電路板上的插槽內。這種結構類似于微型計算機的結構。 　　 2）功能模塊結構 　　 （2）單微處理器結構和多微處理器結構 　　1）單微處理器結構 　　在單微處理器結構中，只有一個微處理器，以集中控制、分時處理數控裝置的各個任務。 　　2）多微處理器結構 　　隨著數控系統功能的增加、數控機床的加工速度的提高，單微處理器數控系統已不能滿足要求，因此，許多數控系統采用了多微處理器的結構。若在一個數控系統中有兩個或兩個以上的微處理器，每個微處理器通過數據總線或通信方式進行連接，共享系統的公用存儲器與I/O接口，每個微處理器分擔系統的一部分工作，這就是多微處理器系統。 軟件結構：CNC軟件分為應用軟件和系統軟件。CNC系統軟件是為實現CNC系統各項功能所編制的專用軟件，也叫控制軟件，存放在計算機EPROM內存中。各種CNC系統的功能設置和控制方案各不相同，它們的系統軟件在結構上和規模上差別很大，但是一般都包括輸入數據處理程序、插補運算程序、速度控制程序、管理程序和診斷程序。 　　 （1）輸入數據處理程序：它接收輸入的零件加工程序，將標準代碼表示的加工指令和數據進行譯碼、數據處理，并按規定的格式存放。有的系統還要進行補償計算，或為插補運算和速度控制等進行預計算。通常，輸入數據處理程序包括輸入、譯碼和數據處理三項內容。 　　 （2）插補計算程序：CNC系統根據工件加工程序中提供的數據，如曲線的種類、起點、終點等進行運算。根據運算結果，分別向各坐標軸發出進給脈沖。這個過程稱為插補運算。進給脈沖通過伺服系統驅動工作臺或刀具作相應的運動，完成程序規定的加工任務。CNC系統是一邊插補進行運算，一邊進行加工，是一種典型的實時控制方式，所以，插補運算的快慢直接影響機床的進給速度，因此應該盡可能地縮短運算時間，這是編制插補運算程序的關鍵。 　　 (3)速度控制程序：速度控制程序根據給定的速度值控制插補運算的頻率，以保預定的進給速度。在速度變化較大時，需要進行自動加減速控制，以避免因速度突變而造成驅動系統失步。 　　(4)管理程序：管理程序負責對數據輸入、數據處理、插補運算等為加工過程服務的各種程序進行調度管理。管理程序還要對面板命令、時鐘信號、故障信號等引起的中斷進行處理。 　　 (5)診斷程序 ：診斷程序的功能是在程序運行中及時發現系統的故障，并指出故障的類型。也可以在運行前或故障發生后，檢查系統各主要部件（CPU、存儲器、接口、開關、伺服系統等）的功能是否正常，并指出發生故障的部位。 基本分類運動軌跡分類： （1）點位控制數控系統 ： 數控系統控制工具相對工件從某一加工點移到另一個加工點之間的精確坐標位置,而對于點與點之間移動的軌跡不進行控制，且移動過程中不作任何加工。這一類系統的設備有數控鉆床、數控坐標鏜床和數控沖床等。 　　 （2）直線控制數控系統 ：不僅要控制點與點的精確位置，還要控制兩點之間的工具移動軌跡是一條直線，且在移動中工具能以給定的進給速度進行加工，其輔助功能要求也比點位控制數控系統多，如它可能被要求具有主軸轉數控制、進給速度控制和刀具自動交換等功能。此類控制方式的設備主要有簡易數控車床、數控鏜銑床等。 　　 （3）輪廓控制數控系統 ：這類系統能夠對兩個或兩個以上坐標方向進行嚴格控制，即不僅控制每個坐標的行程位置，同時還控制每個坐標的運動速度。各坐標的運動按規定的比例關系相互配合，精確地協調起來連續進行加工，以形成所需要的直線、斜線或曲線、曲面。采用此類控制方式的設備有數控車床、銑床、加工中心、電加工機床和特種加工機床等。 伺服系統分類；　　 按照伺服系統的控制方式，可以把數控系統分為以下幾類： 　　 （1）開環控制數控系統 ：這類數控系統不帶檢測裝置，也無反饋電路，以步進電動機為驅動元件。CNC裝置輸出的指令進給脈沖經驅動電路進行功率放大，轉換為控制步進電動機各定子繞組依此通電／斷電的電流脈沖信號，驅動步進電動機轉動，再經機床傳動機構(齒輪箱，絲杠等)帶動工作臺移動。這種方式控制簡單，價格比較低廉，被廣泛應用于經濟型數控系統中。 ?。?）半閉環控制數控系統 ：位置檢測元件被安裝在電動機軸端或絲杠軸端，通過角位移的測量間接計算出機床工作臺的實際運行位置(直線位移)，并將其與CNC裝置計算出的指令位置(或位移)相比較，用差值進行控制，其控制框圖如圖4所示。由于閉環的環路內不包括絲杠、螺母副及機床工作臺這些大慣性環節，由這些環節造成的誤差不能由環路所矯正，其控制精度不如閉環控制數控系統，但其調試方便，可以獲得比較穩定的控制特性，因此在實際應用中，這種方式被廣泛采用。 　　 （3）全閉環控制數控系統 ：位置檢測裝置安裝在機床工作臺上，用以檢測機床工作臺的實際運行位置(直線位移)，并將其與CNC裝置計算出的指令位置(或位移)相比較，用差值進行控制。這類控制方式的位置控制精度很高，但由于它將絲杠、螺母副及機床工作臺這些大慣性環節放在閉環內，調試時，其系統穩定狀態很難達到。 功能水平分類：　　 （1）經濟型數控系統 ：又稱簡易數控系統，通常僅能滿足一般精度要求的加工，能加工形狀較簡單的直線、斜線、圓弧及帶螺紋類的零件，采用的微機系統為單板機或單片機系統，如：經濟型數控線切割機床，數控鉆床，數控車床，數控銑床及數控磨床等。 　　 （2）普及型數控系統 ：通常稱之為全功能數控系統，這類數控系統功能較多，但不追求過多，以實用為準。 　　 （3）高檔型數控系統 ：指加工復雜形狀工件的多軸控制數控系統，且其工序集中、自動化程度高、功能強、具有高度柔性。用于具有5軸以上的數控銑床，大、中型數控機床、五面加工中心，車削中心和柔性加工單元等。 工作流程：　　 1、輸入：零件程序及控制參數、補償量等數據的輸入，可采用光電閱讀機、鍵盤、磁盤、連接上級計算機的DNC 接口、網絡等多種形式。CNC裝置在輸入過程中通常還要完成無效碼刪除、代碼校驗和代碼轉換等工作。 2、譯碼：不論系統工作在MDI方式還是存儲器方式，都是將零件程序以一個程序段為單位進行處理，把其中的各種零件輪廓信息(如起點、終點、直線或圓弧等)、加工速度信息(F 代碼)和其他輔助信息(M、S、T代碼等)按照一定的語法規則解釋成計算機能夠識別的數據形式，并以一定的數據格式存放在指定的內存專用單元。在譯碼過程中，還要完成對程序段的語法檢查，若發現語法錯誤便立即報警。 3、刀具補償：刀具補償包括刀具長度補償和刀具半徑補償。通常CNC裝置的零件程序以零件輪廓軌跡編程，刀具補償作用是把零件輪廓軌跡轉換成刀具中心軌跡。目前在比較好的CNC裝置中，刀具補償的工件還包括程序段之間的自動轉接和過切削判別，這就是所謂的C刀具補償。 4、進給速度處理： 編程所給的刀具移動速度，是在各坐標的合成方向上的速度。速度處理首先要做的工作是根據合成速度來計算各運動坐標的分速度。在有些CNC裝置中，對于機床允許的最低速度和最高速度的限制、軟件的自動加減速等也在這里處理。 5、插補：插補的任務是在一條給定起點和終點的曲線上進行“ 數據點的密化 ”。插補程序在每個插補周期運行一次，在每個插補周期內，根據指令進給速度計算出一個微小的直線數據段。通常，經過若干次插補周期后 ，插補加工完一個程序段軌跡，即完成從程序段起點到終點的“數據點密化”工作。 6、位置控制：位置控制處在伺服回路的位置環上， 這部分工作可以由軟件實現， 也可以由硬件完成。它的主要任務是在每個采樣周期內，將理論位置與實際反饋位置相比較， 用其差值去控制伺服電動機。在位置控制中通常還要完成位置回路的增益調整、各坐標方向的螺距誤差補償和反向間隙補償，以提高機床的定位精度。 7、I/0 處理：I/O 處理主要處理CNC裝置面板開關信號，機床電氣信號的輸入、輸出和控制(如換刀、換擋、冷卻等) 。 8、顯示：CNC裝置的顯示主要為操作者提供方便，通常用于零件程序的顯示、參數顯示、刀具位置顯示、機床狀態顯示、報警顯示等。有些CNC裝置中還有刀具加工軌跡的靜態和動態圖形顯示。 9、診斷： 對系統中出現的不正常情況進行檢查、定位，包括聯機診斷和脫機診斷。 數控系統所控制的是位置、角度、速度等機械量和開關量。

3. 數控機床的基本原理

數控機床的工作原理為：數控裝置內的計算機對通過輸入裝置以數字和字符編碼方式所記錄的信息進行一系列處理后，再通過伺服系統及可編程序控制器向機床主軸及進給等執行機構發出指令，機床主體則按照這些指令，并在檢測反饋裝置的配合下，對工件加工所需的各種動作，如刀具相對于工件的運動軌跡、位移量和進給速度等項要求實現自動控制，從而完成工件的加工。

擴展資料

數控機床的加工精度一般可達0.05—0.1MM，數控機床是按數字信號形式控制的，數控裝置每輸出一脈沖信號，則機床移動部件移動一具脈沖當量（一般為0.001MM），而且機床進給傳動鏈的反向間隙與絲桿螺距平均誤差可由數控裝置進行曲補償，因此，數控機床定位精度比較高。

數控機床加工前是經調整好后，輸入程序并啟動，機床就能有自動連續地進行加工，直至加工結束。操作者要做的只是程序的輸入、編輯、零件裝卸、刀具準備、加工狀態的觀測、零件的檢驗等工作，勞動強度大降低，機床操作者的勞動趨于智力型工作。另外，機床一般是結合起來，既清潔，又安全。

4. 數控機床工作原理圖講解圖

數控機床加工零件前，首先編制零件的加工程序，即數控機床的工作指令，將加工程序輸入數控裝置，再由數控裝置控制機床執行機構，按照設置的運動軌跡，使其按照給定的圖樣要求進行加工，從而加工出合格的零部件。

5. 數控機床工作原理簡圖

數控機床電器控制柜的原理：

1．數據輸入裝置將指令信息和各種應用數據輸入數控系統的必要裝置。它可以是穿孔帶閱讀機，CNC鍵盤（一般輸入操作）、數控系統配備的硬盤及驅動裝置（用于大量數據的存儲保護）、PC計算機等。

2．數控系統教它將接到的全部功能指令進行解碼、運算，然后有序地發出各種需要的運行指令和各種機床功能的控制指令，直至運行和功能結束。 

3．可編程邏輯控制器是機床各項功能的邏輯控制中心，它將來自CNC的各種運行及功能指令進行邏輯排序，使其能夠準確地、協調有序地安全運行；同時將來自機床的各種信息及工作狀態傳送給CNC．使CNC能及時準確地發出進一步的控制指令，實現對整個機床的控制。

6. 數控機床電路原理圖

數控機床專業有數控加工、汽車制造、機器人、自動化技術等。專業課程有機械制造、數控原理、數控機床、故障診斷與維修、電氣控制、編程技術、專業英語等，物理基礎一定要好。

一般學習從認識、操作入門，然后學習維護、維修和簡單編程，到復雜編程等全面知識，學習方面有明顯的遞進性，CAD/CAM軟件都是基本的制造設計要學的知識，一般本科?？贫紩_設，還有手工、自動編程等技術，這方面的技術在模具行業很吃香。

7. 數控機床工作原理圖講解視頻

S1000 回車鍵 主軸正轉 T1 移動Z向 切削一點 按Z 在移動X向 切削一點 按X 在按 對刀鍵 輸入 X 直徑在按回車鍵 Z0 回車鍵 儲存鍵 在按 操作鍵 就OK了!

8. 數控機床的工作原理圖

分水器是將一路進水通過一個容器分為幾路輸出的設備，用于連接各管路的分配、匯集裝置，是各水環路的分合部件，同時它還是金屬部件與塑料管的連接轉換處，以及系統排氣。

它一方面將主干管的水按需要進行流量分配，保證各區域分支環路的流量滿足負荷需要，同時還要將各分支回路的水流匯集，并且輸入回水主干管中，實現循環運行。其回水再利用，可達到更節能的效果。

9. 數控機床構造原理圖工作過程

　　(1)數控刀具的類型、規格和精度等級應能夠滿足cnc車床加工要求。

　　(2)精度高。為適應數控車床加工的高精度和自動換刀等要求，刀具必須具有較高的精度。

　　(3)可靠性高。要保證數控加工中不會發生刀具意外損傷及潛在缺陷而影響到加工的順利進行，要求刀具及與之組合的附件必須具有很好的可靠性及較強的適應性。精密五金加工

　　(4)耐用度高。數控車床加工的刀具，不論在粗加工或精加工中，都應具有比普通機床加工所用刀具更高的耐用度，以盡量減少更換或修磨刀具及對刀的次數，從而提高數控機床的加工效率和保證加工質量。

　　(5)斷屑及排屑性能好。cnc車床加工中，斷屑和排屑不像普通機床加工那樣能及時由人工處理，切屑易纏繞在刀具和工件上，會損壞刀具和劃傷工件已加工表面，甚至會發生傷人和設備事故，影響加工質量和機床的安全運行，所以要求刀具具有較好的斷屑和排屑性能。

10. 數控機床的工作原理框圖

按計數增減分:加法計數器,減法計數器,加/減法計數器.

7.3.1異步計數器

一,異步二進制計數器

1,異步二進制加法計數器

分析圖7.3.1由JK觸發器組成的4位異步二進制加法計數器.

分析方法:由邏輯圖到波形圖(所有JK觸發器均構成為T/觸發器的形式,且后一級觸發器的時鐘脈沖是前一級觸發器的輸出Q),再由波形圖到狀態表,進而分析出其邏輯功能.

2,異步二進制減法計數器

減法運算規則:0000-1時,可視為(1)0000-1=1111;1111-1=1110,其余類推.

注:74LS163的引腳排列和74LS161相同,不同之處是74LS163采用同步清零方式.

(2)CT74LS161的邏輯功能

①=0時異步清零.C0=0

②=1,=0時同步并行置數.

③==1且CPT=CPP=1時,按照4位自然二進制碼進行同步二進制計數.

④==1且CPT·CPP=0時,計數器狀態保持不變.

4,反饋置數法獲得N進制計數器

方法如下:

·寫出狀態SN-1的二進制代碼.

·求歸零邏輯,即求置數控制端的邏輯表達式.

·畫連線圖.

(集成計數器中,清零,置數均采用同步方式的有74LS163;均采用異步方式的有74LS193,74LS197,74LS192;清零采用異步方式,置數采用同步方式的有74LS161,74LS160;有的只具有異步清零功能,如CC4520,74LS190,74LS191;74LS90則具有異步清零和異步置9功能.等等)

試用CT74LS161構成模小于16的N進制計數器

5,同步二進制加/減計數器

二,同步十進制加法計數器

8421BCD碼同步十進制加法計數器電路分析

三,集成同計數器

1,集成十進制同步加法計數器CT74LS160

(1)CT74LS160的引腳排列和邏輯功能示意圖

圖7.3.3CT74LS160的引腳排列圖和邏輯功能示意圖

(2)CT74LS160的邏輯功能

①=0時異步清零.C0=0

②=1,=0時同步并行置數.

③==1且CPT=CPP=1時,按照BCD碼進行同步十進制計數.

④==1且CPT·CPP=0時,計數器狀態保持不變.

2.集成十進制同步加/減計數器CT74LS190

其邏輯功能示意圖如教材圖7.3.15所示.功能如教材表7.3.10所示.

集成計數器小結:

集成十進制同步加法計數器74160,74162的引腳排列圖,邏輯功能示意圖與74161,74163相同,不同的是,74160和74162是十進制同步加法計數器,而74161和74163是4位二進制(16進制)同步加法計數器.此外,74160和74162的區別是,74160采用的是異步清零方式,而74162采用的是同步清零方式.

74190是單時鐘集成十進制同步可逆計數器,其引腳排列圖和邏輯功能示意圖與74191相同.74192是雙時鐘集成十進制同步可逆計數器,其引腳排列圖和邏輯功能示意圖與74193相同.

7.3.3利用計數器的級聯獲得大容量N進制計數器

計數器的級聯是將多個計數器串接起來,以獲得計數容量更大的N進制計數器.

1,異步計數器一般沒有專門的進位信號輸出端,通?？梢杂帽炯壍母呶惠敵鲂盘栻寗酉乱患売嫈灯饔嫈?即采用串行進位方式來擴展容量.

舉例:74LS290

(1)100進制計數器

(2)64進制計數器

2,同步計數器有進位或借位輸出端,可以選擇合適的進位或借位輸出信號來驅動下一級計數器計數.同步計數器級聯的方式有兩種,一種級間采用串行進位方式,即異步方式,這種方式是將低位計數器的進位輸出直接作為高位計數器的時鐘脈沖,異步方式的速度較慢.另一種級間采用并行進位方式,即同步方式,這種方式一般是把各計數器的CP端連在一起接統一的時鐘脈沖,而低位計數器的進位輸出送高位計數器的計數控制端.

舉例:74161

(1)60進制

(2)12位二進制計數器(慢速計數方式)

12位二進制計數器(快速計數方式)

7.4寄存器和移位寄存器

寄存器是由具有存儲功能的觸發器組合起來構成的.一個觸發器可以存儲1位二進制代碼,存放n位二進制代碼的寄存器,需用n個觸發器來構成.

按照功能的不同,可將寄存器分為基本寄存器和移位寄存器兩大類.基本寄存器只能并行送入數據,需要時也只能并行輸出.移位寄存器中的數據可以在移位脈沖作用下依次逐位右移或左移,數據既可以并行輸入,并行輸出,也可以串行輸入,串行輸出,還可以并行輸入,串行輸出,串行輸入,并行輸出,十分靈活,用途也很廣.

7.4.1基本寄存器

概念:在數字電路中,用來存放二進制數據或代碼的電路稱為寄存器.

1,單拍工作方式基本寄存器

無論寄存器中原來的內容是什么,只要送數控制時鐘脈沖CP上升沿到來,加在并行數據輸入端的數據D0～D3,就立即被送入進寄存器中,即有:

2.雙拍工作方式基本寄存器

(1)清零.CR=0,異步清零.即有:

(2)送數.CR=1時,CP上升沿送數.即有:

(3)保持.在CR=1,CP上升沿以外時間,寄存器內容將保持不變.

7.4.2移位寄存器

1.單向移位寄存器

四位右移寄存器:

時鐘方程:

驅動方程:

狀態方程:

右移位寄存器的狀態表:

輸入

現態

次態

說明

DiCP

1↑

1↑

1↑

1↑

0000

1000

1100

1110

1000

1100

1110

1111

連續輸入4個1

單向移位寄存器具有以下主要特點:

單向移位寄存器中的數碼,在CP脈沖操作下,可以依次右移或左移.

n位單向移位寄存器可以寄存n位二進制代碼.n個CP脈沖即可完成串行輸入工作,此后可從Q0～Qn-1端獲得并行的n位二進制數碼,再用n個CP脈沖又可實現串行輸出操作.

若串行輸入端狀態為0,則n個CP脈沖后,寄存器便被清零.

2.雙向移位寄存器

M=0時右移M=1時左移

3.集成雙向移位寄存器74LS194

CT74LS194的引腳排列圖和邏輯功能示意圖:

CT74LS194的功能表:

工作狀態

0×××

100×

101↑

110↑

111×

異步清零

保持

右移

左移

并行輸入

7.4.3移位寄存器的應用

一,環形計數器

1,環形計數器是將單向移位寄存器的串行輸入端和串行輸出端相連,構成一個閉合的環.

結構特點:,即將FFn-1的輸出Qn-1接到FF0的輸入端D0.

工作原理:根據起始狀態設置的不同,在輸入計數脈沖CP的作用下,環形計數器的有效狀態可以循環移位一個1,也可以循環移位一個0.即當連續輸入CP脈沖時,環形計數器中各個觸發器的Q端或端,將輪流地出現矩形脈沖.

實現環形計數器時,必須設置適當的初態,且輸出Q3Q2Q1Q0端初始狀態不能完全一致(即不能全為"1"或"0"),這樣電路才能實現計數,環形計數器的進制數N與移位寄存器內的觸發器個數n相等,即N=n

2,能自啟動的4位環形計數器

狀態圖:

由74LS194構成的能自啟動的4位環形計數器

時序圖

二,扭環形計數器

1,扭環形計數器是將單向移位寄存器的串行輸入端和串行反相輸出端相連,構成一個閉合的環.

實現扭環形計數器時,不必設置初態.扭環形計數器的進制數

N與移位寄存器內的觸發器個數n滿足N=2n的關系

結構特點為:,即將FFn-1的輸出接到FF0的輸入端D0.

狀態圖:

2,能自啟動的4位扭環形計數器

7.4.4順序脈沖發生器

在數字電路中,能按一定時間,一定順序輪流輸出脈沖波形的電路稱為順序脈沖發生器.

順序脈沖發生器也稱脈沖分配器或節拍脈沖發生器,一般由計數器(包括移位寄存器型計數器)和譯碼器組成.作為時間基準的計數脈沖由計數器的輸入端送入,譯碼器即將計數器狀態譯成輸出端上的順序脈沖,使輸出端上的狀態按一定時間,一定順序輪流為1,或者輪流為0.前面介紹過的環形計數器的輸出就是順序脈沖,故可不加譯碼電路即可直接作為順序脈沖發生器.

一,計數器型順序脈沖發生器

計數器型順序脈沖發生器一般用按自然態序計數的二進制計數器和譯碼器構成.

舉例:用集成計數器74LS163和集成3線-8線譯碼器74LS138構成的8輸出順序脈沖發生器.

二,移位型順序脈沖發生器

◎移位型順序脈沖發生器由移位寄存器型計數器加譯碼電路構成.其中環形計數器的輸出就是順序脈沖,故可不加譯碼電路就可直接作為順序脈沖發生器.

◎時序圖:

◎由CT74LS194構成的順序脈沖發生器

見教材P233的圖7.4.6和圖7.4.7

7.5同步時序電路的設計(略)

7.6數字系統一般故障的檢查和排除(略)

本章小結

計數器是一種應用十分廣泛的時序電路,除用于計數,分頻外,還廣泛用于數字測量,運算和控制,從小型數字儀表,到大型數字電子計算機,幾乎無所不在,是任何現代數字系統中不可缺少的組成部分.

計數器可利用觸發器和門電路構成.但在實際工作中,主要是利用集成計數器來構成.在用集成計數器構成N進制計數器時,需要利用清零端或置數控制端,讓電路跳過某些狀態來獲得N進制計數器.

寄存器是用來存放二進制數據或代碼的電路,是一種基本時序電路.任何現代數字系統都必須把需要處理的數據和代碼先寄存起來,以便隨時取用.

寄存器分為基本寄存器和移位寄存器兩大類.基本寄存器的數據只能并行輸入,并行輸出.移位寄存器中的數據可以在移位脈沖作用下依次逐位右移或左移,數據可以并行輸入,并行輸出,串行輸入,串行輸出,并行輸入,串行輸出,串行輸入,并行輸出.

寄存器的應用很廣,特別是移位寄存器,不僅可將串行數碼轉換成并行數碼,或將并行數碼轉換成串行數碼,還可以很方便地構成移位寄存器型計數器和順序脈沖發生器等電路.

在數控裝置和數字計算機中,往往需要機器按照人們事先規定的順序進行運算或操作,這就要求機器的控制部分不僅能正確地發出各種控制信號,而且要求這些控制信號在時間上有一定的先后順序.通常采取的方法是,用一個順序脈沖發生器來產生時間上有先后順序的脈沖,以控制系統各部分協調地工作.

順序脈沖發生器分計數型和移位型兩類.計數型順序脈沖發生器狀態利用率高,但由于每次CP信號到來時,可能有兩個或兩個以上的觸發器翻轉,因此會產生競爭冒險,需要采取措施消除.移位型順序脈沖發生器沒有競爭冒險問題,但狀態利用率低.

由JK觸發器組成的4位異步二進制減法計數器的工作情況分析略.

二,異步十進制加法計數器

由JK觸發器組成的異步十進制加法計數器的由來:在4位異步二進制加法計數器的基礎上經過適當修改獲得.

有效狀態:0000——1001十個狀態;無效狀態:1010～1111六個狀態.

三,集成異步計數器CT74LS290

為了達到多功能的目的,中規模異步計數器往往采用組合式的結構,即由兩個獨立的計數來構成整個的計數器芯片.如:

74LS90(290):由模2和模5的計數器組成;

74LS92:由模2和模6的計數器組成;

74LS93:由模2和模8的計數器組成.

1.CT74LS290的情況如下.

(1)電路結構框圖和邏輯功能示意圖

(2)邏輯功能

如下表7.3.1所示.

注:5421碼十進制計數時,從高位到低位的輸出為.

2,利用反饋歸零法獲得N(任意正整數)進制計數器

方法如下:

(1)寫出狀態SN的二進制代碼.

(2)求歸零邏輯(寫出反饋歸零函數),即求異步清零端(或置數控制端)信號的邏輯表達式.

(3)畫連線圖.

舉例:試用CT74LS290構成模小于十的N進制計數器.

CT74LS290則具有異步清零和異步置9功能.講解教材P215的[例7.3.1].

注:CT74LS90的功能與CT74LS290基本相同.

7.3.2同步計數器

一,同步二進制計數器

1.同步二進制加法計數器

2,同步二進制減法計數器

3,集成同步二進制計數器CT74LS161

(1)CT74LS161的引腳排列和邏輯功能示意圖

注:74LS163的引腳排列和74LS161相同,不同之處是74LS163采用同步清零方式.

(2)CT74LS161的邏輯功能

①=0時異步清零.C0=0

②=1,=0時同步并行置數.

③==1且CPT=CPP=1時,按照4位自然二進制碼進行同步二進制計數.

④==1且CPT·CPP=0時,計數器狀態保持不變.

4,反饋置數法獲得N進制計數器

方法如下:

·寫出狀態SN-1的二進制代碼.

·求歸零邏輯,即求置數控制端的邏輯表達式.

·畫連線圖.

(集成計數器中,清零,置數均采用同步方式的有74LS163;均采用異步方式的有74LS193,74LS197,74LS192;清零采用異步方式,置數采用同步方式的有74LS161,74LS160;有的只具有異步清零功能,如CC4520,74LS190,74LS191;74LS90則具有異步清零和異步置9功能.等等)

試用CT74LS161構成模小于16的N進制計數器

5,同步二進制加/減計數器

二,同步十進制加法計數器

8421BCD碼同步十進制加法計數器電路分析

三,集成同計數器

1,集成十進制同步加法計數器CT74LS160

(1)CT74LS160的引腳排列和邏輯功能示意圖

圖7.3.3CT74LS160的引腳排列圖和邏輯功能示意圖

(2)CT74LS160的邏輯功能

①=0時異步清零.C0=0

②=1,=0時同步并行置數.

③==1且CPT=CPP=1時,按照BCD碼進行同步十進制計數.

④==1且CPT·CPP=0時,計數器狀態保持不變.

2.集成十進制同步加/減計數器CT74LS190

其邏輯功能示意圖如教材圖7.3.15所示.功能如教材表7.3.10所示.

集成計數器小結:

集成十進制同步加法計數器74160,74162的引腳排列圖,邏輯功能示意圖與74161,74163相同,不同的是,74160和74162是十進制同步加法計數器,而74161和74163是4位二進制(16進制)同步加法計數器.此外,74160和74162的區別是,74160采用的是異步清零方式,而74162采用的是同步清零方式.

74190是單時鐘集成十進制同步可逆計數器,其引腳排列圖和邏輯功能示意圖與74191相同.74192是雙時鐘集成十進制同步可逆計數器,其引腳排列圖和邏輯功能示意圖與74193相同.

7.3.3利用計數器的級聯獲得大容量N進制計數器

計數器的級聯是將多個計數器串接起來,以獲得計數容量更大的N進制計數器.

1,異步計數器一般沒有專門的進位信號輸出端,通?？梢杂帽炯壍母呶惠敵鲂盘栻寗酉乱患売嫈灯饔嫈?即采用串行進位方式來擴展容量.

舉例:74LS290

(1)100進制計數器

(2)64進制計數器

2,同步計數器有進位或借位輸出端,可以選擇合適的進位或借位輸出信號來驅動下一級計數器計數.同步計數器級聯的方式有兩種,一種級間采用串行進位方式,即異步方式,這種方式是將低位計數器的進位輸出直接作為高位計數器的時鐘脈沖,異步方式的速度較慢.另一種級間采用并行進位方式,即同步方式,這種方式一般是把各計數器的CP端連在一起接統一的時鐘脈沖,而低位計數器的進位輸出送高位計數器的計數控制端.