Устройство динамической цифровой индикации

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Учреждение образования

«ВЫСШИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОЛЛЕДЖ СВЯЗИ»

ФАКУЛЬТЕТ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ

КАФЕДРА ИНФОРМАТИКИ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Пояснительная записка к курсовому проекту

по дисциплине: Цифровые и микропроцессорные устройства

Устройство динамической цифровой индикации

Минск 2008

Содержание

Введение

1. Описание принципа работы заданной функциональной электрической схемы устройства

2. Теоретической обоснование и логическое проектирование узлов устройства

2.1 Описание современных типов цифровых индикаторов

2.2 Разработка схемы суммирующего недвоичного счетчика

2.3 Разработка логической схемы дешифратора

2.4 Разработка логической схемы блока управления

3. Анализ и выбор элементной базы

3.1 Построение недвоичного счетчика

3.2 Выбор дешифратора

3.3 Выбор мультиплексора

3.4 Выбор преобразователя кода

3.5 Выбор индикаторов

3.5 Выбор буферных элементов

4. Разработка и описание принципиальной электрической схемы устройства

5. Расчет быстродействия и потребляемой мощности

Введение

На практике всегда была актуальна задача отображения информации в виде, удобном для ее зрительного восприятия. В различных цифровых устройствах используются устройства отображения цифровой информации, построенные с использованием статической или динамической индикации. Цифровые индикаторы нашли широкое применение в промышленности в области измерительных приборов и вычислительной техники (калькуляторы, мультиметры, электронные осциллографы, вольтметры, амперметры, панельные цифровые индикаторы для различных датчиков и др.)

Сущность динамической индикации заключается в поочерёдном циклическом подключении каждого индикатора к источнику информации через общую цепь преобразования кода. Достоинство способа заключается в экономии микросхем преобразователей кода и соединительных проводов. Последнее является весьма существенным при удалении блока индикации от источника информации. Преимущества этого способа особо ощутимы при числе индицируемых знаков, большем 4…6. Схема с динамической индикацией потребляет меньший ток, имеет меньшие габариты и меньшую стоимость. Из цифровых индикаторов более широкое распространение получили семисегментные индикаторы.

Многоразрядные индикаторы часто устроены по матричному принципу, т.е. аноды сегмента «A» всех разрядов соединены и образуют один вывод; в каждом из разрядов катоды также соединены и образуют один вывод. Чтобы выводить информацию на такой индикатор, управляющая микросхема должна циклически подавать ток на катоды всех разрядов, в то время как на аноды ток подаётся в зависимости от того, зажжён ли данный сегмент в данном разряде. Таким образом, чтобы получить десятиразрядный экран микрокалькулятора, нужны всего восемнадцать выводов (8 анодов и 10 катодов) -- а не 81. Сходным образом сканируется клавиатура калькулятора. Существуют специальные семисегментные дешифраторы, переводящие четырёхбитный код в его семисегментное представление. Иногда их встраивают прямо в индикатор.

Всё вышеперечисленное даёт основания считать, что устройства цифровой динамической индикации крайне актуальны в сферах создания измерительных и контрольных, а также вычислительных приборов, когда не требуется отображение сложной текстовой или графической информации.

1. Описание принципа работы заданной функциональной электрической схемы устройства

В различных цифровых устройствах используются устройства отображения цифровой информации, построенные с использованием статической и динамической индикации.

Способ статической индикации заключается в постоянной подсветке индикатора от одного источника информации. Достоинством статической индикации является простота схемы. К недостаткам относятся большие аппаратурные затраты.

Сущность динамической индикации заключается в поочерёдном циклическом подключении каждого индикатора к источнику информации через общую цепь преобразования кода. Достоинство способа заключается в экономии микросхем преобразователей кода и соединительных проводов. Последнее является весьма существенным при удалении блока индикации от источника информации. Преимущества этого способа особо ощутимы при числе индицируемых знаков, большем 4…6.

Функциональная схема устройства динамической цифровой индикации представлена на рисунке 1.

Четырёхканальный мультиплексор Y1 передаёт четырёхразрядный двоичный код 8421 от одного из n источников информации на входы преобразователя кода Y3, преобразующего этот код в семипозиционный для управления работой семисегментных светодиодных индикаторов Y6, Y7,…,Yn+5.

Блок управления, состоящий из счётчика Y2 и дешифратора Y4, обеспечивает подготовку одного из n индикаторов к высвечиванию информации от соответствующего источника. Коэффициент пересчёта счётчика K=n определяется числом индицируемых знаков. Код с выходов счётчика Y2 одновременно подаётся на адресные входы мультиплексора Y1 и дешифратора Y4. Тем самым обеспечивается поочерёдное подключение каждого индикатора к соответствующему источнику информации через мультиплексор Y1 и преобразователь кода Y3. Разрядность выходного кода m счётчика Y2 определяется из соотношения: .

Усилители Y5 необходимы в тех случаях, когда дешифратор Y4 не обладает достаточной нагрузочной способностью, поскольку через его выходы протекают токи от всех семи элементов (сегментов) подключённого индикатора.

Тип выходов преобразователя кода Y3 и дешифратора Y4 (прямые или инверсные) зависит от типа используемых индикаторов (общие катоды или общие аноды). Для уточнения этого вопроса необходимо проследить цепь прямого тока одного из сегментов индикатора Y6.

Рисунок 1 - Устройства динамической цифровой индикации на n знаков. Схема электрическая функциональная

Время свечения каждого индикатора определяется периодом сигнала синхронизации Uс. Индикаторы работают циклически. Длительность цикла Тц определяется числом индикаторов n и периодом сигнала синхронизации Тс, т.е.

Для устранения заметности мелькания изображения на индикаторах время цикла Тц должно быть не более 10 мс. Исходя из этого требования следует выбирать минимальную частоту сигнала синхронизации Fс.

Например, если индикатор содержит пять знаков, то период сигнала синхронизации

а частота

Построение знаковых табло для воспроизведения расширенного набора знаков (цифры и буквы русского и латинского алфавитов) требует применения многосегментных индикаторов, например 16-сегментных, и связано с увеличением разрядности кодовых слов от источника информации и на выходах преобразователя кода [1].

2. Теоретическое обоснование и логическое проектирование узлов устройства

2.1 Описание современных типов цифровых индикаторов

Для общения с оператором ЦУ могут снабжаться средствами визуальной индикации символьных данных. Среди них имеются и сложные устройства, такие как экранные дисплеи, и простые, такие как светодиодные индикаторы или матрицы. Здесь рассмотрим только простейшие индикаторы символов.

Светодиоды изготовляются на основе полупроводниковых материалов (арсенида галлия, фосфида галлия, арсенид-фосфида галлия и др.), пропускание тока через которые вызывает их свечение. Яркость свечения светодиода непосредственно зависит от величины тока. Обычно достаточны токи от единиц до приблизительно двадцати миллиампер при падении напряжения на диоде около 1...2 В. Как правило, последовательно со светодиодом включается резистор, задающий и стабилизирующий ток диода.

Из нескольких диодов составляются индикаторы и матрицы, отображающие буквы и цифры. Широко применяются семисегментные индикаторы, в которых семь сегментов-диодов расположены так, что при зажигании определённой их комбинации высвечивается та или иная цифра или буква (рисунок 2).

Рисунок 2 - Семисегментный индикатор и отображаемые им символы

Рисунок 3 - Семисегментные полупроводниковые индикаторы. Схема электрическая принципиальная с общими анодами (а) и общими катодами (б)

Выпускаются семисегментные индикаторы (ССИ) с общими анодами или общими катодами (рисунок 3).

Для зажигания сегмента в схеме с общими анодами, подключённого к источнику питания UИ.П, нужно снизить напряжение на его катоде (зажигание сигналом логического нуля). Для зажигания сегмента в схеме с общими катодами, подключенного к общей точке схемы, необходимо повысить напряжение на его аноде (зажигание сигналом логической единицы). ССИ выпускаются в виде микросхем с различным цветом свечения и различными размерами знаков. Выпускаются микросхемы многоразрядных ССИ, в которых количество цифр может быть от трёх (АЛС329Д) до девяти (АЛС318А).

Для управления сегментами удобны элементы с открытым коллектором (ОК), поскольку при их использовании имеется внешняя цепочка с резистором, сопротивление которого можно задать с учётом характеристик применяемых светодиодов.

В схеме на рисунке 4, а) показано управление одним из сегментов ССИ с помощью инвертора с ОК. Диод зажигается, когда на выходе управляющего элемента напряжение равно U0.

Через диод будет протекать ток

,

следовательно для его задания требуется условие

.

Для этой схемы требуются ССИ с общим анодом и необходим управляющий элемент с достаточно большим выходным током в нулевом состоянии ().

Рисунок 4 - Схемы электрические принципиальные управления сегментом индикатора с общими анодами (а) и общими катодами (б)

В схеме на рисунке 4, б) диод зажигается, когда выходной транзистор управляющего элемента запирается. Через диод течёт ток

,

откуда следует

.

Для этой схемы требуется ССИ с общим катодом. Выход управляющего элемента должен удовлетворять условию

.

Если выходные токи управляющих элементов недостаточны для управления диодом, между выходом элемента и сегментом индикатора можно включить буферный каскад на транзисторе. Примеры приведены на рисунке 5.

Рисунок 5 - Схемы электрические принципиальные управления сегментом индикатора с общими анодами (а) и общими катодами (б) с использованием усилительных каскадов

Для устройств индикации на микросхемах схемотехники КМОП вместо дискретных транзисторов в схеме на рисунке 5 могут быть применены микросхемы четырёхканальных формирователей IN74AC240 либо IN74AC244. Микросхемы формирователей могут иметь прямые и инверсные выходы, что позволяет использовать их с микросхемами ССИ с общими катодами и общими анодами соответственно [3].

Для устройств индикации на микросхемах ТТЛШ для этой же цели можно использовать буферные элементы АП2 - АП6.

Для логического управления ССИ имеются стандартные интегральные микросхемы - преобразователи двоичного кода в семисегментный: К514ИД1-4 (ТТЛ), К561ИД4-5, IW4511B (КМОП) и др. Имеются разновидности этих микросхем для включения ССИ по схеме с общим анодом и общим катодом.

Для управления многоразрядными ССИ с общими катодами разработана микросхема К564ИК2, позволяющая в динамическом режиме управлять работой пятиразрядного ССИ. В структуру этой микросхемы входят преобразователь двоично-десятичного кода 8421 в семиэлементный код управления сегментами разрядов индикатора; счётчик с коэффициентом пересчёта Кпер = 5; дешифратор для выборки разряда индикатора. Выходы преобразователя кода обеспечивают ток, равный 10 мА, а дешифратора - 80 мА, т. е. обладают повышенной нагрузочной способностью [2].

Второй тип семисегментных индикаторов, имеющих обычные для микросхем уровни управляющих сигналов, - жидкокристаллические (ЖКИ). Ранее они применялись преимущественно в электронных часах, калькуляторах и измерительных приборах. С появлением портативных компьютеров с автономным питанием энергетическая экономичность жидкокристаллических индикаторов стала особенно важной, и с их использованием стали делать дисплеи - сложные периферийные устройства отображения информации ЭВМ.

Так как ЖКИ не излучают света, то для считывания с них цифровой информации необходимо либо естественное освещение, либо дополнительный источник света. Принцип действия подобного индикатора основан на изменении степени прозрачности органического вещества, заполняющего индикатор, при приложении электрического поля. Вследствие этого увеличивается контрастность изображения, и оно становится различимым.

Все ЖКИ работают на переменном токе, их рабочее напряжение управления составляет 4...15 В. Ток индикатора, как правило, не превышает сотен микроампер, что позволяет использовать их в малогабаритных экономичных устройствах.

Если достоинством семисегментного индикатора можно считать его относительную простоту управления, то существенным недостатком его является риск, что единственная ошибка в управляющем коде или неисправность одного сегмента приводит практически к полной невозможности чтения данного символа. Более надёжными в этом смысле являются матричные индикаторы.

На основе светодиодов или жидкокристаллических индикаторов получаются как семисегментные изображения символов, так и более сложные, отображаемые возбуждением определённых сегментов из поля матрицы. Число строк и столбцов матрицы может быть различным. Для примера на рисунке 6 показано поле размерностью 7 Ч 5 и изображения символов. Принципы формирования изображения при управлении сегментами матрицы те же, что и при управлении ССИ, а именно: входные коды специальным дешифратором преобразуются в сигналы возбуждения отдельных сегментов.

Рисунок 6 - Матричный индикатор 7 Ч 5 и отображаемые им символы

2.2 Разработка схемы суммирующего недвоичного счетчика

Для создания блока управления, состоящего из счетчика и дешифратора, применим синхронный суммирующий счетчик с параллельным сквозным переносом на базе JK-триггеров.

Коэффициент переcчета счетчика определяется числом цифровых индикаторов n=5, таким образом Кпер=5, что означает наличие пяти состояний счетчика. Из условия 2mКпер найдем разрядность счетчика m=3, т.е. необходимо 3 JK-триггера. Для определения условий состояний на выходах JK-триггеров рассмотрим таблицу переходов JK-триггера.

Таблица 1 - Таблица переходов JK-триггера

Исходя из данных, представленных в таблице 1 можно составить таблицу переходов счетчика с необходимым коэффициентом пересчета (Кпер=5).

Количество состояний счетчика пять, т.е. каждый пятый входной импульс производит сброс счетчика в исходное нулевое состояние. В таблице 2 показаны все возможные переходы состояний счетчика в зависимости от количества поступивших ранее входных импульсов и требуемые для этих переходов уровни сигналов на входах J и K триггеров соответствующих разрядов.

Таблица 2 - Таблица переходов счётчика с коэффициентом пересчёта Kпер=5

По данным таблицы 3 можно составить карты Карно, выражающие зависимость вида Jn=f(Q1,Q2,Q3) и Kn=f(Q1,Q2,Q3). Минимизацию функций с помощью карт Карно проведём в МДНФ.

Рисунок 7 - Карты Карно для счетчика с коэффициентом пересчета К=5

Таким образом по картам Карно получим следующие выражения для функций возбуждения входов J и K всех триггеров счётчика в МДНФ:

(1)

Построим логическую схему по полученным функциям (1):

Рисунок 8 - Логическая схема счётчика на JK-триггерах с коэффициентом пересчёта Kпер=5

Для пояснения принципа работы недвоичного счетчика приведем его временную диаграмму (рисунок 9):

Рисунок 9 - Временная диаграмма работы счетчика с коэффициентом пересчета Kпер=5

2.3 Разработка логической схемы дешифратора

Для преобразования двоичных чисел в небольшие по значению десятичные числа используются дешифраторы. Входы дешифратора предназначаются для подачи двоичных чисел, выходы последовательно нумеруются десятичными числами. При подаче на входы двоичного числа появляется сигнал на определенном выходе, номер которого соответствует входному числу. Другими словами, дешифратор преобразует двоичный код в позиционный.

Разработаем дешифратор на требуемое количество выходов выбрав базис исходя из типа индикаторов в устройстве динамической цифровой индикации (ОК).

Согласно варианту требуется пять выходов, причём выходы должны быть прямые, что определяется типом заданных индикаторов. Для семисегментных светодиодных индикаторов с общим катодами n=5 дешифратор должен иметь три прямых входа (исходя из соотношения ) и пять инверсных выходов. Рассмотрим таблицу истинности такого дешифратора:

Таблица 3 - Таблица истинности дешифратора, преобразующего трехразрядный двоичный код в пятиразрядный позиционный

Запишем логические функции выходов дешифратора в СКНФ. Для построения схемы, реализующей сигнал Y0, достаточно рассмотреть строки, в которых Y0=0. В таблице истинности одна строка, содержащая нуль в выходном сигнале Y0, поэтому в формуле СКНФ будет содержаться одна дизъюнкция входных сигналов:

Аналогично будут выглядеть и функции остальных выходов:

Данные функции не подлежат упрощению, так как не имеют соседних конституент. В то же время они являются тупиковыми формами, так как не имеют лишних аргументов. Данные тупиковые формы упростить нельзя, так как они имеют минимальный для функции трёх аргументов ранг, равный 3. Таким образом функции в МКНФ. Применим правило Де Моргана и преобразуем функции в базис И-НЕ:

По полученным функциям можно построить логическую схему дешифратора в базисе И-НЕ:

Рисунок 10 - Логическая схема дешифратора для преобразования трёхразрядного двоичного кода в пятиразрядный позиционный

2.4 Разработка логической схемы блока управления

Блок управления, состоящий из счётчика Y2 и дешифратора Y4, обеспечивает подготовку одного из пяти индикаторов к высвечиванию информации от соответствующего источника. Коэффициент пересчёта счётчика Kпер=5 и определяется числом индицируемых знаков. Код с выходов счётчика Y2 одновременно подаётся на адресные входы мультиплексора Y1 и дешифратора Y4. Тем самым обеспечивается поочерёдное подключение каждого индикатора к соответствующему источнику информации через мультиплексор Y1 и преобразователь кода Y3. Разрядность выходного кода m счётчика Y2 определяется из соотношения: и равна 3.

Усилители Y5 необходимы в тех случаях, когда дешифратор Y4 не обладает достаточной нагрузочной способностью, поскольку через его выходы протекают токи от всех семи элементов (сегментов) подключённого индикатора. Тип выходов дешифратора Y4 зависит от типа используемых индикаторов, и для индикаторов с общими катодами используются инверсные выходы дешифратора.