2015-06-26
2417
Устройство отображения цифровой информации с использованием семисегментного индикатора
К элементам устройства ЦИ относятся счетчик, подсчитывающий количество импульсов с ГТИ, дешифратор, переводящий двоичный код в десятичный, семисегментный индикатор, предназначенный для непосредственного отображения десятичных цифр.
Структурная схема устройства
На рис. 11 приведена структурная схема устройства, собранного на элементах ТТЛ-логики серии К155.
Структурная схема состоит из: датчика (мультивибратора МВ); двоично-десятичного счетчика на три декады СТ20..2; дешифраторов DC1..3, преобразующих двоичный код в десятичный; промежуточных усилителей УС1..30 и цифровых семисегментных индикаторов на три десятичных разряда УИ1..3.
В данной работе, при исследовании устройства в динамическом режиме, используется мультивибратор МВ в качестве генератора, задающего проверочный режим работы. При использовании устройства в статическом режиме ввод информации в двоично-десятичный счетчик осуществляется посредством ключей управления S1, S2, S3.
|
|
|
Фиксирование и счет количества импульсов осуществляется двоично-десятичным счетчиком. Для воспроизведения на индикаторе троичного числа необходимы три таких счетчика СТ20..22. Дешифратор собран на трех субблоках DC1..3. Для выравнивания уровня сигналов от дешифратора используются инвенторы серии К155ЛН1.
Регистрируемая в цифровой форме информация визуально наблюдается на индикаторе УИ в десятичной системе счисления, состоящем из трех цифровых семисегментных индикаторов АЛС324.
Рис.11. Структурная схема устройства ЦИ
Общее описание работы семисегментного индикатора
Для отображения десятичных и шестнадцатеричных цифр часто используется семисегментный индикатор. Изображение семисегментного индикатора и название его сегментов приведено на рис. 12.
Рис. 12. Изображение семисегментного индикатора и название его сегментов
Для изображения на таком индикаторе цифры 0 достаточно зажечь сегменты a, b, c, d, e, f. Для изображения цифры 1 зажигают сегменты b и c; для цифры 2 – a, b, d, e, g; для цифры 3 – a, b, c, d, g; для цифры 4 – b, c, f, g; для цифры 5 – a, c, d, f, g; для цифры 6 – a, c, d, e, f, g; для цифры 7 – a, b, c; для цифры 8 – все; для цифры 9 – a, b, c, d, f, g. Все комбинации таких изображений получили название семисегментного кода.
Принцип работы устройства цифровой индикации
Рассмотрим работу устройства. В начале счета все четыре триггерные ячейки каждой декады счетчика находятся в исходном (нулевом) состоянии. Это состояние задается шиной «сброс». При подаче сигнала в виде положительного импульса на шину «сброс» на всех триггерных ячейках счетчика записывается «0» (на левых выходах триггеров появляется положительный потенциал, а на правых – отрицательный) и на входы дешифратора подается комбинация сигналов 0000.0000.0000. При такой комбинации сигналов на нулевых выходах дешифраторов (Q 0) появляются рабочие сигналы. Сигнал поступает на схему из комбинации логических элементов 2ИЛИ и 2ИЛИ-НЕ, тем самым, проходя через последний, инвентируется, и уже логический «0» поступает на вход семисегментного индикатора и гасит сегмент, который не используется при отображении нуля (0) в десятичной системе счисления. В данном случае это сегмент «g». Таким образом, на индикаторах мы получаем десятичную трехразрядную комбинацию 0.0.0. После прихода первого положительного импульса с мультивибратора первая триггерная ячейка переходит в единичное состояние. Все остальные триггерные ячейки остаются в исходном (нулевом) состоянии. При этом на вход дешифратора поступает комбинация сигналов 0000.0000.0001., и на выходе (Q 1) дешифратора DC1 появится рабочий сигнал, который при поступлении на индикатор гасит сегменты a, d, e, f, g. Таким образом, на цифровом индикаторе высвечивается число 0.0.1. Второй положительный импульс с МВ переводит первую триггерную ячейку первой декады в нулевое состояние и вторую триггерную ячейку этой декады – в единичное состояние. Все остальные триггерные ячейки остаются в исходном (нулевом) состоянии. На вход дешифратора поступает комбинация сигналов 0000.0000.0010., и на выходе (Q 2) дешифратора DC1 появится рабочий сигнал. При поступлении на индикатор он гасит сегменты c, f. На индикаторе высветится число 0.0.2. и так деле. При приходе 10-ого импульса происходит сброс всех триггерных ячеек первой декады на нулевое состояние и запись единицы в первую триггерную ячейку второй декады. На индикаторе высвечивается число 0.1.0. Следующий 11-й импульс записывает единицу в первую триггерную ячейку первой декады и на индикаторе высвечивается число 0.1.1. и т.д. При поступлении 100-ого импульса все триггерные ячейки первой и второй декады переходят в нулевое состояние, и в первой триггерной ячейке третьей декады записывается единица. На индикаторе высвечивается число 1.0.0.
|
|
|
После заполнения всех декад с приходом 1000-ого импульса происходит сброс счетчика в исходное (нулевое) состояние.
Перевод счетчика из любого состояния в исходное (нулевое) состояние осуществляется подачей положительного импульса на шину «сброс».
На рис. 19 показана функциональная схема устройства цифровой индикации на семисегментном индикаторе.
На рис. 20 показаны временные диаграммы работы первого десятичного разряда устройства цифровой индикации. Здесь показаны также эпюры напряжений с выхода мультивибратора (МВ), с выходов триггеров первой десятичной декады счетчика СТ2, с выходных шин дешифратора DC.
Синтез счетчика с произвольным коэффициентом счета
Один из методов проектирования счетчиков с заданным коэффициентом счета заключается в построении таблицы переходов, в первых столбцах которой будут отражены текущие состояния триггеров счетчиков, а в последующих – следующие за ними состояния. Анализ таблицы позволяет установить те переходы, которые должны быть “ сделаны” триггерами, входящими в состав счетчика. Затем с помощью управляющей таблицы соответствующего триггера находятся значения логических функций на управляющих входах триггеров, позволяющие осуществить эти переходы.
Рассмотрим пример синтеза синхронного двоично-десятичного счетчика на базе JK -триггеров. На рис. 13 показан граф, поясняющий последовательность переходов десятичного счетчика, в таблице 2 – таблица переходов.
Рис. 13. Граф переходов двоично-десятичного счетчика
В правой части таблицы 2 приведены значения входных сигналов четырех триггеров. Для поиска этих значений должны быть проанализированы и реализованы переходы, а затем определены соответствующие значения “ J ” и “ K ” входов триггеров.
|
|
|
| Состояния | Q40 Q30 Q20 Q10 | Q4 Q3 Q2 Q1 | J4 K4 | J3 K3 | J2 K2 | J1 K1 |
| 0 0 0 0 | 0 0 0 0 | 0 ~ | 0 ~ | 0 ~ | 1 ~ | |
| 0 0 0 1 | 0 0 1 0 | 0 ~ | 0 ~ | 1 ~ | ~ 1 | |
| 0 0 1 0 | 0 0 1 1 | 0 ~ | 0 ~ | ~ 0 | 1 ~ | |
| 0 0 1 1 | 0 1 0 0 | 0 ~ | 1 ~ | ~ 1 | ~ 1 | |
| 0 1 0 0 | 0 1 0 1 | 0 ~ | ~ 0 | 0 ~ | 1 ~ | |
| 0 1 0 1 | 0 1 1 0 | 0 ~ | ~ 0 | 1 ~ | ~ 1 | |
| 0 1 1 0 | 0 1 1 1 | 0 ~ | ~ 0 | ~ 0 | 1 ~ | |
| 0 1 1 1 | 1 0 0 0 | 1 ~ | ~ 1 | ~ 1 | ~ 1 | |
| 1 0 0 0 | 1 0 0 1 | ~ 0 | 0 ~ | 0 ~ | 1 ~ | |
| 1 0 0 1 | 0 0 0 0 | ~ 1 | 0 ~ | 0 ~ | ~ 1 |
Таблица 2
Рис. 14. Карты Карно для функций комбинационной логики двоично-десятичного счетчика
На рис. 14 приведены матрицы Карно (диаграммы Вейтча) для логических функций, которым должны соответствовать сигналы, присутствующие на управляющих входах триггеров (нулевые значения функций в клетки матрицы Карно не записаны).
После упрощения с помощью матриц Карно полученные логические выражения, используемые для управления входами “ J ” и “ K ”, выглядят
J4 = Q1Q2Q3
J3 = Q1Q2
К4 = Q1
K3 = Q1 Q2
K2 = Q1
Просмотр столбцов J 1 и К 1 в табл. 2 показывает, что все значения либо “~”, либо “1”. Так как безразличные состояния могут также участвовать в процессе упрощения, то все клетки матриц Карно для J 1 и К 1 оказываются заполненными символами “ ~ ”, “1” и “α”. Следовательно, J 1 = К 1 = 1.
Рис. 15. Схема реализации двоично-десятичного синхронного счетчика
Временные диаграммы счетчика, заданного графом переходов и таблицей переходов, приведены на рис. 16.
Рис. 16. Временные диаграммы двоично-десятичного синхронного счетчика на JK – триггерах
Синтез дешифратора, преобразующего двоичный код в семисегментный
Составим таблицу истинности дешифратора, который позволит преобразовывать двоичный код в семисегментный. Пусть сегменты зажигаются логической единицей. Подав питание на индикатор, мы добьемся того, что будут гореть все сегменты. И при определенных сигналах с дешифратора, мы будем гасить сегменты, которые не участвуют в отображении той или иной цифры. Тогда таблица истинности семисегментного дешифратора примет вид, приведенный в таблице 3.
|
|
|
| Входы | выходы | |||||||||
| a | b | c | d | e | f | g | ||||
Таблица 3
В соответствии с принципами построения произвольной таблицы истинности получим принципиальную схему семисегментного декодера. Эта схема приведена на рис. 17.
Рис. 17. Принципиальная схема семисегментного декодера
Для облегчения понимания принципов работы схемы на выходе логических элементов “И” показаны номера строк таблицы истинности, реализуемые ими. Например, на выходе сегмента a логический ноль появится только при подаче на вход комбинации двоичных сигналов 0001 (1) и 0100 (4). Это осуществляются объединением соответствующих цепей элементом “2ИЛИ - НЕ”. На выходе сегмента b логический ноль появится только при подаче на вход комбинации двоичных сигналов 0101 (5) и 0110 (6), и так далее.
В настоящее время семисегментные дешифраторы выпускаются в виде отдельных микросхем или используются в составе других микросхем. Условно-графическое обозначение микросхемы семисегментного дешифратора приведено на рис. 18.
Рис. 18. Условно-графическое обозначение семисегментного дешифратора
В качестве примера семисегментных дешифраторов можно назвать такие микросхемы отечественного производства, как К176ИД3. В современных цифровых интегральных схемах семисегментные дешифраторы являются составной частью для вывода необходимой информации на индикаторы.
Функциональная схема устройства цифровой индикации на семисегментном индикаторе и временные диаграммы работы первого десятичного разряда устройства
На рис. 19 и рис. 20 приведены функциональная схема и временные диаграммы работы устройства цифровой индикации на семисегментном индикаторе.
Рис. 19. Функциональная схема устройства ЦИ
Рис. 20. Временные диаграммы работы устройства ЦИ
