Индикация состояния цифровых устройств

Простейшими приборами отображения информации в цифровых устройствах являются дискретные светодиоды.

Рисунок 4.2 – Схемы включения светодиодов: а) низким уровнем, б) высоким уровнем

На рис. 4.2 а приведена типичная схема управления светодиодом низким уровнем на выходе схемы ТТЛ серии 155 (ЛА1, ЛА2, ЛА3 и др.). Хорошая видимость для большинства светодиодов обеспечивается при прохождении через него прямого рабочего тока mA. Следовательно, схема рис. 4.2 а практически всегда обеспечивает нормальный режим работы логического элемента ( mA). Сопротивление R в этой схеме рассчитывается по формуле и составляет 200…400 W. На один из свободных входов схемы рис. 4.2 б можно подать сигнал импульсного генератора с регулируемой скважностью импульсов и тем самым управлять яркостью светодиода (бланкирование).

Для управления светодиодом высоким уровнем на выходе схемы ТТЛ типа его подключение непосредственно или через резистор к шине «земля» не используется, так как при этом режим работы логического элемента не соответствует паспортному ( mA). В этом случае используются схемы с открытым коллектором, например, К155ЛА8 или К155ЛА7 рис. 4.2 б. Для данной схемы .

Линейные шкалы являются аналогами щитовых измерительных приборов и служат для отображения непрерывно изменяющихся величин. Они могут быть установлены на приборном щите автомобиля или самолета, на пульте управления технологическим процессом. Удобно с помощью шкальных индикаторов, расположенных рядом, сопоставлять значения измеряемых величин в многоканальной системе. Положительным свойством таких шкал является наглядность представления информации, при этом оператором затрачивается меньше усилий при контроле за ее работой.

Линейная шкала на основе светоизлучающих диодов представляет собой интегральную микросхему, состоящую из последовательно размещенных диодов и необходимых электрических соединений. Они изготовляются на основе тех же полупроводниковых материалов, что и светодиоды, и имеют те же параметры ( mA, V). Например, линейные шкалы АЛС317 имеют по 5 светодиодов в корпусе, причем у схем АЛС317А, Б объедены катоды, а у схем АЛС317В, Г, Д объедены аноды. Линейные шкалы АЛС345 имеют в корпусе 8 диодов с объединенными катодами. Простые шкальные индикаторы можно создать из отдельных светодиодов, размещая их вблизи друг друга.

При работе со шкальными индикаторами можно реализовать два метода отображения информации. При одном методе в каждый момент времени светится только один светодиод, а значение входного сигнала отображается положением этого светодиода относительно начала шкалы – индикатор с движущейся точкой. При другом методе светодиоды высвечиваются последовательно друг за другом (без гашения предыдущих), образуя светящуюся полосу, длина которой соответствует измеряемой величине – полосковый (ленточный) индикатор.

На рис. 4.3 а приведена схема индикатора с движущейся точкой, содержащая дешифратор (например, К155ИД3) и шкальный индикатор на светодиодах с объединенными анодами. В этой схеме необходим только один токоограничивающий резистор R = 150…300 W, так как одновременно работает только один светодиод.

На рис. 4.3, б изображена схема шкального полоскового индикатора. Здесь количество светящихся точек, начиная сверху, равно числу, поданному на входы дешифратора.

Рисунок 4.3 – Схемы линейных индикаторов: а) с движущейся точкой, б) ленточный

В схемах рис. 4.3 при входном коде, равном 0, ни один светодиод не светится. Если такая индикация необходима, схемы могут быть дополнены светодиодом, подключенным к выходу нуля дешифратора.

При построении шкальных индикаторов может быть полезным использование двоично-десятичного дешифратора К155ИД10, преобразующего четырехразрядный двоичный код в код «1 из 10», выходы которого выполнены с открытым коллектором и повышенным напряжением до 15 V, а также К155ИД13, имеющий три входа и восемь выходов и обеспечивающего сдвиг двух точек при изменениях входного слова.

Простой счетчик со шкальным индикатором может быть организован на базе кольцевого сдвигающего регистра, в котором выход последнего разряда соединен со входом последовательной записи первого разряда, счетные импульсы подаются на вход сдвига, а перед началом счета импульсом начальной установки в первый разряд записывается логический 0, а в остальные разряды – логические 1. В этом счетчике число поступивших импульсов определяется номером выхода, на котором присутствует 0. Использование этой схемы вместо дешифратора на рис. 4.3 позволяет индицировать состояние счетчика движущейся точкой или наполнением шкалы. Как известно, включение инвертора в цепь обратной связи кольцевого сдвигающего регистра превращает эту схему в счетчик Джонсона, емкость которого в два раза больше по сравнению со счетчиком на кольцевом регистре. Подключение шкального индикатора к такому счетчику позволяет эффективно контролировать его состояния, причем в процессе счета полоска индикатора сначала наполняется единицами, а начиная с «освобождается» от них (заполняется нулями).

Схемы счетчиков на основе регистров обладают известным недостатком: при изменении состояния какого-либо триггера регистра под воздействием помехи нормальная работа счетчика возможна только после установки начальных условий. От этого недостатка свободна схема счетчика на основе незамкнутого сдвигающего регистра с установкой начальных условий по входу параллельной записи информации в конце каждого цикла счета.

Рисунок 4.4 – Счетчик на основе сдвигающего регистра

На рис. 4.4 представлена схема такого счетчика на основе ИС К155ИР1. При на входе V – единица, что разрешает запись в регистр информации с которая осуществляется по спаду очередного тактового (счетного) импульса на объединенных входах C1 и C2. При этом, если а на входе последовательной записи информации присутствует 1, то в регистр будет записан код 0111, счетные импульсы будут осуществлять сдвиг одного нуля в сторону старших разрядов (так как теперь =0), заполняя младшие разряды единицами (за счет =1). Через четыре такта цикл повторится. Если к выходам регистра подключить светодиодную сборку с общим анодом и одним ограничивающим резистором, то будет организована индикация состояний счетчика движущейся светящейся точкой.

Если в схеме рис. 4.4 установить а , то схема работает как счетчик с и при подключении светодиодной сборки с индивидуальными ограничивающими резисторами его состояния будут индицироваться полосковым индикатором с заполнением единицами.

Рассмотренные выше дискретные светодиоды и шкальные сборки позволяют представлять наблюдателю двоичную информацию, используя для этого светящееся или несветящееся состояние, или же сигнальную информацию, используя для этого местоположение светящейся точки на шкале. В отличие от них знаковые индикаторы позволяют отображать все десять цифр, некоторые легко распознаваемые буквы (в некоторых случаях – полный алфавит), а также специальные символы.

Среди знаковых индикаторов наибольшее распространение имеют полупроводниковые семисегментные индикаторы на светодиодах и жидких кристаллах. В этих индикаторах стилизованное изображение цифр (и некоторого набора букв) составляется из семи линейных сегментов, расположенных в виде цифры 8. Высвечивание выбираемого сегмента из группы сегментов при получении изображения знака обеспечивается включением их в цепь прохождения тока.

Рисунок 4.5 – Семисегментный индикатор АЛС324А

Индикаторы на светодиодах выпускаются с одним из двух типов соединений сегментных светодиодов по схеме с «общим анодом» или по схеме с «общим катодом». Для примера на рис. 4.5 представлен внешний вид семисегментного индикатора на светодиодах АЛС324А с размером знака 7,5 х 5 mm позволяющего индицировать также децимальную (десятичную) точку. Сегменты индикаторов имеют примерно такие же электротехнические параметры, что и дискретные светоизлучающие диоды, т.е. номинальный ток 5…20 mА, напряжение 2…4 V, и хорошо согласуются со схемами ТТЛ.

Для управления семисегментными индикаторами на светодиодах разработаны схемы дешифраторов, преобразующих двоичный входной код в семисегментный на выходе. На рис. 4.6 приведены условное обозначение и схема подключения дешифратора К514ИД1 к индикатору АЛС324А.

Рисунок 4.6 – Схема подключения дешифратора К514ИД1 к семисегментному индикатору

На дешифратор подаются входные сигналы уровней ТТЛ. Сигнал Г служит для гашения индикатора (напряжением низкого уровня). При нормальной работе Г=1. Дешифратор К514ИД1 подключается к индикаторам, имеющим раздельные аноды, без токоограничивающих резисторов (они имеются в корпусе схемы). В отличие от этого, дешифратор К514ИД2 подключается к индикаторам, имеющим свободные катоды, через токоограничивающие резисторы (200…400 W). Свечение сегментов индикатора соответствует состояниям логического нуля на выходе микросхемы. В остальном схемы дешифраторов идентичны.

Вопросы для самопроверки

1. Сравните преимущества и недостатки цифрового и аналогового способов индикации.

2. Объясните принцип работы линейных индикаторов.