Общие понятия устройств, используемых в структурной и электрической принципиальной схемах устройства цифровой индикации

1) Мультивибратор – релаксационный генератор электрических колебаний разрывного типа, содержащий два усилителя, охваченных взаимной междукаскадной положительной обратной связью. Мультивибратор применяют в качестве генераторов импульсов, делителей частоты, формирователей импульсов, бесконтактных переключателей и т.п. в устройствах автоматики, вычислительной и измерительной техники, в том числе в реле времени, задающих устройствах.

В цифровых устройствах подсчет импульсов выполняется с помощью счетчиков. В общем случае счетчик представляет собой устройство, которое может переходить из одного состояния в другое под действием входных импульсов, подлежащих счету. Это означает, что если счетчик должен считать до 10, то он должен иметь как минимум 10 различных состояний. При этом каждый 10-ый импульс должен возвращать счетчик в исходное состояние, которое может быть любым из них.

2) Счетчик – это функциональный узел, назначение которого – хранение информации и операция счета. Основные параметры счетчика – модуль счета и быстродействие. Модель счета – это число устойчивых состояний счетчика, т.е. предельное число импульсов, которое может быть подсчитано счетчиком. Максимальное число, которое может быть зафиксировано в счетчике – емкость счетчика. Реверсивные счетчики выполняют и операцию сложения, и операцию вычитания. Эти режимы реализуются под воздействием управляющего сигнала или при смене точки подачи входных сигналов (2 счетных входа).

После поступления числа импульсов, равного модулю счета, счетчик возвращается в исходное состояние. Счетчик также может иметь входы сброса R, позволяющие предварительно установить счетчик в исходное состояние, и входы установки в «1» - S.

Счетчики бывают синхронные (параллельные) и асинхронные (последовательные). В синхронных счетчиках счетные импульсы поступают на синхровходы С триггеров во всех разрядах. При увеличении модуля счета в параллельных счетчиках возрастает количество логических элементов и триггеров, усложняется система межсоединений. Поэтому параллельные счетчики с модулем счета больше 8 применяются редко. Когда требуется получить большой модуль счета, используют асинхронные счетчики. В счетчиках этого типа счетные импульсы подаются только на вход триггера первого разряда. Для каждого из последующих разрядов сигналы переключения поступают с выхода предыдущих разрядов счетчика. В результате получается последовательное переключение разрядов счетчика.

3) Дешифратор – это устройство для расшифровки (декодирования) сообщения и перевода содержащейся в нем информации на язык (в код) воспринимающей системы. В общем случае дешифратор имеет n входов и m выходов. Поступающая на входы дешифратора информация преобразуется – дешифрируется, – и на соответствующем выходе (группе выходов) выделяется сигнал, указывающий признак (или содержание) входной информации. Любому сигналу или комбинации сигналов на входах дешифратора соответствует определенный сигнал или комбинация сигналов на выходах дешифратора. Это соответствие задается структурой дешифратора при его проектировании. Дешифраторы применяют в различных устройствах обработки и передачи информации: в телемеханике, в вычислительной технике (декодирующие устройства, преобразователи представления величин), в радиотехнике и измерительной технике (детекторы, демодуляторы), в системах телефонной и телеграфной связи. Назначение предопределяет структуру, число входов и выходов дешифратора, форму и последовательность входных и выходных сигналов.

Дешифраторы расшифровывают сообщения (их коды) по структурам принимаемых сигналов. Структура сигналов создается приданием импульсам, образующим сигналы, различных качеств – признаков. Такими признаками являются полярность, частота и порядок следования, количество, длительность и амплитуда импульсов, группировка импульсов различного качества и т.д.

4) Усилитель – это устройство, в котором осуществляется увеличение энергетических параметров входного (управляющего) сигнала (воздействия) за счет использования энергии вспомогательного (управляемого) источника. В усилителе, в отличие от преобразователя, связь между выходными и входными сигналами непрерывная и однозначная. По виду энергии управляющего сигнала и управляемого источника различают усилители электрические, магнитные, гидравлические, пневматические, механические.

Устройство отображения цифровой информации с использованием проекционного цифрового индикатора. Структурная схема

На рис. 1 приведена структурная схема устройства, собранного на типовых полупроводниковых логических элементах.

23 22 21 … 1 0 ГТИ

29 28 27 … 1 0

Д – датчик

УС1 – предварительный усилитель

ДДС – двоично-десятичный счетчик

ГТИ – генератор тактовых импульсов

ДШ – матричный дешифратор

УС – промежуточный усилитель

ЦИ – цифровой индикатор

Рис. 1. Структурная схема отображения цифровой информации

В качестве датчика в данной работе, при исследовании устройства в динамическом режиме, используется генератор тактовых импульсов.

В качестве предварительного усилителя используется субблок УС1, который усиливает сигнал, поступающий на вход устройства. Фиксирование и счет количества импульсов осуществляется счетчиком ДДС, собранным на субблоках ДК-1. Для воспроизведения на индикаторе троичного числа необходимы три таких субблока. Матричный дешифратор ДШ преобразуют двоичный код в десятичный, собранный на трех субблоках Д-3. Для усиления сигналов от матричного дешифратора используются субблоки УС.

Регистрируемая в цифровой форме информация визуально наблюдается на ЦИ в десятичной системе исчисления.

В данном устройстве применен проекционный ЦИ с общим экраном.

Общее описание работы проекционного ЦИ

Один блок-индикатор состоит из неподвижного цифрового шаблона (рис. 2). С обратной его стороны, около каждой цифры, расположены носители (конденсаторы) пучка света и 10 лампочек накаливания с параметрами: напряжение питания 2.5 В; ток потребления 0.068 А.

Проекционные ЦИ основаны на принципе проектирования освещенной цифры через увеличивающую оптическую систему на матовое стекло.

Проектирование осуществляется следующим образом: от лампочки луч света проходит через систему линз и диаграмму с изображением цифры, которая проектируется на матовый экран. Для получения цифры в центре матового экрана все потоки направлены в одну его точку.

В данном устройстве для воспроизведения трехзначного числа применяются три таких блок-индикатора.

Принцип работы устройства цифровой индикации

Рассмотрим работу устройства ЦИ. В начале счета (рис. 9) все четыре триггерных ячейки каждой декады ДК-1 счетчика ДДС находятся в исходном (нулевом) состоянии. Это состояние задается шиной “сброс”. При подаче сигнала в виде положительного импульса на шину “сброс” на всех триггерных ячейках 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 трех выходных шинах 0 ДШ появляются рабочие сигналы в виде отрицательного потенциала, которые усиливаются промежуточными усилителями УС, а затем подаются на индикатор, где высвечивается десятичное число 0.0.0.

Первый положительный импульс с выхода УС1, поступая на вход первой триггерной ячейки первой декады, переводит ее в единичное состояние. Все остальные триггерные ячейки остаются в исходном состоянии. При этом на вход ДШ поступает комбинация сигналов 0000.0000.0001., и на первой выходной шинке 1 ДШ появляется рабочий сигнал. На цифровом индикаторе высвечивается число 0.0.1.

Второй положительный импульс с выхода УС1 переводит первую триггерную ячейку первой декады в нулевое состояние (0) и вторую триггерную ячейку этой декады – в единичное состояние (1). Все остальные триггерные ячейки остаются в исходном (нулевом) состоянии (0). На входы ДШ поступает комбинация сигналов 0000.0000.0010., и на первой выходной шине 2 ДШ появится рабочий сигнал. На индикаторе высветится число 0.0.2. и т.д.

При переходе 10-го импульса происходит сброс всех триггерных ячеек первой декады на нулевое состояние и запись 1 в первую триггерную ячейку второй декады. Следующий 11-й импульс записывает 1 в первую триггерную ячейку второй декады и т.д. При поступлении 1100-го импульса все триггерные ячейки первой и второй декады переходят в нулевое состояние, и в первой триггерной ячейке третьей декады записывается 1. После заполнения всех трех декад с приходом 1000-го происходит сброс счетчика ДДС в исходное (нулевое) состояние. Перевод счетчика ДДС из любого состояния осуществляется подачей положительного импульса на шину “сброс”.

На рис. 10 показана временная диаграмма работы первого десятичного разряда устройства цифровой индикации. Здесь показаны эпюры напряжений с выхода ГТИ, с выходов триггеров первой десятичной декады счетчика ДДС, с выходных шинок дешифратора ДШ и с выхода усилителей УС.

Принципиальная схема генератора тактовых импульсов и временные диаграммы его работы

На рис. 3 и рис. 4 приведены принципиальная схема генератора тактовых импульсов и временные диаграммы его работы.

Рис. 3. Принципиальная схема ГТИ

Рис. 4. Временные диаграммы работы ГТИ

При U_х = U_о генератор находится в исходном состоянии. В момент времени t₁ на вход х подается положительный перепад напряжения, при t > t₁ и U_х = U₁ в схеме возникают автоколебания. Рассмотрим работу генератора в течение одного периода автоколебаний в установившемся режиме (интервал от t₂ до t₄) и определим параметры.

Пусть при t = t₂ на выходе появляется сигнал 1, U_вых = U₁, U_с = U_пор – 2U_б.э.а,U_б = U_пор – 2U_б.э.а, где U_б.э.а = 0.7В – напряжение на эмиттерном переходе транзистора, находящегося в активном режиме. Пока U_б < U_пор, U_вых = U₁, U_а = 0, происходит заряд конденсатора С. Напряжение U_с и U_б растут. При t = t₃ U_б становится равным U_пор. Для расчета величины t = t₃ – t₂ примем следующую формулу:

tu = R₃CLn((E – U_б.э.н + 2U_пор) / (E – U_б.э.н – U_пор)),

где U_б.э.н – напряжение на эмиттерном переходе насыщенного транзистора VT₃.

В момент t₃ потенциалы в точках а и б скачком возрастают на величину 2U_б.э.а, начинается процесс разряда конденсатора, причем потенциал в точке а не изменяется, а в точке б уменьшается.

В момент t₄ потенциал в точке б становится равным U_б = U_пор и скачком уменьшается на величину 2U_б.э.а и процесс заряда конденсатора повторяется.

Величину t = t₄ – t₃ можно определить по формуле:

tn = R₉C(2U_б.э.а / E – 3U_б.э.а).

Период автоколебаний управляемого генератора импульсов равен:

T = tu + tn.

При E = 5 В, U_б.э.н = 0.8 В, U_б.э.а = 0.7 В, U_пор = 1.5 В, R₃ = R₉ = R = 43 кОм, f = 360 Гц по формулам получим:

tu = 1/f = 0.41RC, отсюда С₁ = 0.1575 мкФ;

tn = 0.48 RC = 3.2 мс;

Т = 0.89 RC = 8.2 мс.

Моделирование схемы генератора импульсов в MicroCap 8.0

Смоделируем схему генератора импульсов, задающего проверочный режим работы устройства цифровой индикации. Для этого используем программу MicroCap 8.0. Схема генератора импульсов представлена на рис. 5.

Рис. 5. Схема моделирования генератора импульсов

После того, как схема была собрана, можно получить временную диаграмму работы генератора, которая представлена на рис. 6.

Рис. 6. Временная диаграмма работы генератора импульсов

Синтез дешифратора, преобразующего двоичный код в десятичный

Декодеры (дешифраторы) позволяют преобразовывать одни виды двоичных кодов в другие. Преобразование производится по правилам, описанным в таблицах истинности, поэтому построение дешифраторов не представляет трудностей. Для построения дешифратора можно воспользоваться правилами построения схемы для произвольной таблицы истинности.

Рассмотрим пример построения декодера из двоичного кода в десятичный. Десятичный код обычно отображается одним битом на одну десятичную цифру. В десятичном коде десять цифр, поэтому для отображения одного десятичного разряда требуется десять выходов дешифратора. Сигнал с этих выводов можно подать на десятичный индикатор. Таблица истинности такого декодера приведена в таблице 1.

Таблица 1

В соответствии с принципами построения произвольной таблицы истинности получим схему декодера, реализующего таблицу истинности, приведенную в таблице 1. Эта схема приведена на рисунке 7.

Рис. 7. Принципиальная схема двоично-десятичного декодера

Как видно на этой схеме, для реализации каждой строки таблицы истинности потребовалась схема “4И”. Схема “ИЛИ” не потребовалась, так как в таблице истинности на каждом выходе присутствует только одна единица.

Дешифраторы выпускаются в виде отдельных микросхем или используются в составе других микросхем. В настоящее время десятичные или восьмеричные дешифраторы используются в основном как составная часть других микросхем, таких как мультиплексоры, демультиплексоры, ПЗУ или ОЗУ. Условное графическое обозначение микросхемы дешифратора на принципиальных схемах приведено на рис. 8.

Рис. 8. Условно-графическое обозначение двоично-десятичного дешифратора

Полная электрическая принципиальная схема и временные диаграммы работы проекционного цифрового индикатора

На рис. 9 и рис. 10 приведены электрическая принципиальная схема и временные диаграммы работы проекционного цифрового индикатора.

Рис.10. Временная диаграмма работы первого десятичного разряда устройства цифровой индикации

Часть 2

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 (Q₀) 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 (Q₁) 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 (Q₂) 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.

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 J₁ и К₁ 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 J₁ и К₁ оказываются заполненными символами “ ~ ”, “1” и “α”. Следовательно, J₁ = К₁ = 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.

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