可逆计数器的时序控制电路

2022-04-26周冬亮闫海霞杨斌李钢

自动化技术与应用 2022年4期

周冬亮,闫海霞,杨斌,李钢

（黑龙江省原子能研究院，黑龙江哈尔滨 150086）

1 引言

在核物理测量和自动控制中，经常需要在一定的测量时间范围内测量出脉冲信号的数目，这一过程叫计数，单位时间的计数称作计数率。

用来记录和显示脉冲数目的仪器或组件称作定标器。从功能来看，定标器至少要由计数与显示电路、定时电路和控制电路组成。计数与显示电路用来记录被测脉冲数目并显示出来，这就需要控制电路来启动开始计数和停止计数；定时电路用来给出精确的定时时间即测量时间，通过控制电路同步启动开始计数和开始定时，当定时时间一到又通过控制电路同步停止计数和停止计时；控制电路是定标器的核心，起着协调和控制功能。为适应不同的要求，定标器的电路组成和结构形式是多种多样的，有简有繁，可有很大不同。

当前的定标器几乎都是加计数，没有减计数。例如，FH463B型智能定标器、BH1220型自动定标器、FH1093B型三路定标器以及各种类型的频率计都只能进行加计数运算。既无预置功能又无减法计数功能。因此根据工作需要，研究和设计了一种可逆计数器的控制电路，实现对加减双时钟的控制与转换，既可完成加计数又可完成减计数，并可实现减加的自动转换。该控制电路与探测器、高压电源、线性脉冲放大器以及定时电路等相组合可构成一个完整的应用电路系统。

2 可逆计数器的单元电路

图1是一位的计数显示电路，它由可逆计数器40192、BCD-7段锁存/译码/驱动器4511、LED共阴显示器LC5011和四输入或非门4002组成。按照器件的功能表进行链接[1]。可逆计数器器件具有预置数设置、复位、加/减双时钟输入和进位/错位输出的特点。

图1 计数译码显示电路

可逆计数器的四个预置输入端A、B、C、D 通过电阻接地而处于0 电平。当需要预置时通过二进制拨盘开关进行十进制数预置，按8、4、2、1编码的四个输入端中会有相应的位端处于高电平。在(低电平有效）作用下，预置的十进制数会反映在可逆计数器的四个输出端(Q）的状态上，经译码器也会出现在LED显示器上。

加计数输入端CPU(+）和减计数端CPD(-）由控制电路通过计数门来控制加计数或减计数。进位输出端接下级的CPU，借位输出端接下级的CPD。

可逆计数器的四个输出端与译码器的对应输入端相连，7 段译码器的7 个输出端a、b、c、d、e、f、g 通过限流电阻分别与LED显示器的相应笔画相连。

可逆计数器的四个输出端与四输入或非门4002的输入端相连。当输出为0 时产生加减控制的中间信号C1，C1=如果采用四位计数器，当输出为全0 时，再通过四输入与非门4012，便可产生低电平的加减转换控制信号，去控制辅助双稳态和计数门，式中C2、C3、C4分别为第二、三、四位的或非门输出。

3 时序控制电路

控制系统用来协调计数显示系统和定时系统的同步工作，可执行手动操作和自动与半自动操作，它是定标器的指挥控制的神经中枢。

控制电路由主控与辅控RS 双稳态触发器、定时门、双时钟计数门、时序门、秒信号发生器、时序分配器和手动开关等组成。

控制系统的核心单元是RS 双稳态触发器，由两个三输入与非门交叉连接组成[2]。它的置位端S是手启动和自动启动的输入端，对应的输出端为Q；它的复位端R 是手停止和自动停止的输入端，对应的输出端为。置位和复位均为低电平有效。RS 触发器的两个输出端Q 和的电位高低相反，有两种状态(图2）。

图2 时序控制简图

主控双稳态用于启动和协调计数显示系统和定时系统的工作。当手启动或自动启动时，置位输出端Q 为高电平，同时开启计数门和定时门，使计数脉冲和定时时钟CP通过，使计数和定时同步工作。当设定的定时时间一到，定时系统便给出一个低电平的定时结束信号，并用来使主控双稳态复位，这时，Q 为低电平，关闭计数门和定时门，使计数和定时停止工作为高电平，开启时序门，使秒信号通过，开始停止后的时序。

辅控双稳态用于控制双时钟，选通加减计数门，以执行加计数或减计数。计数门受主控双稳态Q 和辅控双稳态和的双重控制，主控双稳态Q 同时控制加计数门和减计数门，辅控双稳态的置位输出端Q 控制减计数门，复位输出端Q控制加计数门。当可逆计数器没有预置数时，输出端全为0，启动瞬间后由于加减转换控制信号为低电平并使辅控双稳态复位为高电平，开启加计数工作。当有预置数时，为高电平，启动后，主、辅双稳态之Q端均为高电平，开启减计数。当预置数减至0 时，为低电平，使辅控双稳态复位，开加计数门，自动转至加计数。

计数定时停止后，按以下时序进行控制：

启动→计数定时→停止→显示→清零复位→预置→自动启动

4 加减控制电路的应用

如果用数字量来表示被测物理量，由于被测量与计数率具有一定的相关性，往往可通过累积计数率的方式来显示被测量。当被测物理量(P）和计数率(n）具有线性关系时，则线性函数的通式为：

P=B+nt

式中，B 和t 为标定常数，可通过实验标定来确定，B 的几何意义为截距，相当于预置数或被减数；t的几何意义是斜率，相当于测量时间；n为自变量，物理意义为计数率。

对于负斜率和截距为正B＞0 时，P=nt-B，由于P＞0，则有B-nt＞0或B＞nt，所以，启动测量时，可逆计数器一直作减计数[3]。当定时结束时，预置数的剩余数即为所求(图3a）。

对正斜率和截距为负B＜0 时，P=nt-B 并且nt-B＞0或nt＞B，所以启动测量时，可逆计数器先做减计数，当减至全零时，再自动转为加计数。当定时结束时，累加的数即为所求(图3b）。

图3 正负斜率的线性函数

以煤质分析为例，包括灰分、水分、含碳量、挥发分、发热量等，其中灰分和水分是在线控制指标。煤炭的成分很复杂，可看成是二元组分，一元是有机可燃的轻物质组分，有效原子序数Z≈6；另一元是不可燃烧的矿物质重成分，有效原子序数Z≈14。煤燃烧后的剩余物叫灰分。如采用低能γ 射线反散射方法[4]，反散射强度与原子序数密切相关，反散射计数率与灰分负相关。通过实验测量和化验比对，拟合出标定常数。当灰分高时，在确定时间内的累计计数就低，剩余数就高；当有机质高灰分低时，累计计数就高，剩余数就低。当用中子慢化法测量水分时，慢中子的强度与含氢量成正比，慢中子计数率与水分正相关。但是煤炭水分仅指内在水分和外在水分，不含结晶水，因此需扣除负截距的结构氢的影响，再累加的计数才是煤炭水分。