Устройство динамической цифровой индикации

КР Ус-во динам. цифр. индикации.doc

МИНИСТЕРСТВО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
Учреждение образования
«ВЫСШИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОЛЛЕДЖ СВЯЗИ»
ФАКУЛЬТЕТ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ
КАФЕДРА ИНФОРМАТИКИ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
УСТРОЙСТВО ДИНАМИЧЕСКОЙ ЦИФРОВОЙ
Пояснительная записка
«ЦИФРОВЫЕ И МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ УСТРОЙСТВА»
Описание принципа работы заданной функциональной электрической схемы устройства7
Теоретической обоснование и логическое проектирование узлов устройства10
1 Описание современных типов цифровых индикаторов10
2 Разработка схемы суммирующего недвоичного счетчика14
3 Разработка логической схемы дешифратора18
4 Разработка логической схемы блока управления21
Анализ и выбор элементной базы22
1 Построение недвоичного счетчика22
2 Выбор дешифратора26
3 Выбор мультиплексора27
4 Выбор преобразователя кода29
5 Выбор индикаторов30
5 Выбор буферных элементов31
Разработка и описание принципиальной электрической схемы устройства33
Расчет быстродействия и потребляемой мощности36
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.
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.
Cхема 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].
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И ЛОГИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ УЗЛОВ УСТРОЙСТВА
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 4а) 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 4б) 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 рисунке5.
Рисунок 5 – Схемы электрические принципиальные управления сегментом инди-
катора 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 10мА а дешифратора – 80мА 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 15В. 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 7×5 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 7×5 и отображаемые им символы
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
Уровни сигналов на входах
Примечание – Знак "X" означает произвольный уровень сигнала (0или1)
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
Номер входного импульса
По данным таблицы 3 можно составить карты Карно выражающие зависимость вида Jn=f(Q1Q2Q3) и Kn=f(Q1Q2Q3). 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:
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
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 трехраз-
рядный 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
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.
АНАЛИЗ И ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ
Выбор схемотехники и серий микросхем для синтеза устройства динамической цифровой индикации произведем в соответствии в заданным вариантом при этом не забывая о том что актуальность любого цифрового устройства в первую очередь определена использованной при его создании элементной базой. Из серии ТТЛШ-микросхем наибольшую актуальность имеют серии 1533 (КР1533) также можно применить некоторые элементы серий КР1531 К555 и К514.
1 Построение недвоичного счетчика
Устройство динамической цифровой индикации имеет 5 семисегментных индикаторов что требует применения недвоичного счетчика с коэффициентом пересчета Kпер=5. Однако на практике недвоичные счетчики рациональнее получить на базе двоичного счетчика применив цепь обратной связи для исключения «лишних» состояний. В качестве цепи обратной связи применяется конъюнктор подключение и разрядность которого определяются коэффициентом пересчета требуемого недвоичного счетчика.
Для того чтобы определить число входов ЛЭ И и схему его подключения к выходам счетчика преобразуем Kпер=5 в четырехразрядный двоичный код. 5(10)=0101(2). Таким образом требуется конъюнктор на два входа.
В качестве двоичного счетчика целесообразно применить микросхему К555ИЕ5 а в качестве конъюнктора – 1533ЛИ1. УГО цоколевка и электрические параметры данных микросхем приведены ниже:
Рисунок 12 – УГО и цоколевка счетчика К555ИЕ5
Таблица 4 – Таблица состояний счетчика К555ИЕ5
Таблица 5 – Основные электрические параметры микросхем [4]
Обозначение микросхемы
Рисунок 13 – УГО и цоколевка ЛЭ 1533ЛИ1
Таблица 6 – Таблица истинности ЛЭ 1533ЛИ1
Рассмотрим подключение конъюнктора к выходам счетчика К555ИЕ5 для получения коэффициента пересчета Kпер=5. Переведем Kпер=5 в трехразрядный двоичный код:
Количество единиц в полученном числе – две поэтому необходим конъюнктор на два входа. Так как для работы счетчика как трехразрядного необходимо подавать последовательность входных импульсов на вход C1 при этом рабочими будут выводы 9 8 и 11 (соответственно выходы Q1 Q2 и Q3) то подключение конъюнктора будет производится к выходам Q3 и Q1 счетчика (в данном случае имеющим весовые коэффициенты 4 и 1 соответственно):
Рисунок 14 – Счетчик с Kпер=5 на базе двоичного счетчика К555ИЕ5
Следует отметить что для того чтобы выход сброса счетчика мог быть использован для непосредственного сброса счетчика в нулевое состояние внешним сигналом необходимо использовать дизъюнктор на 2 входа 1 вход которого соединяется с цепью обратной связи а второй – с внешним источником; выход соединяется со входом сброса счетчика (как это показано на рисунке 14).
В качестве дизъюнктора применим ЛЭ К555 ЛЛ1 представляющий собой микросхему состоящую из четырех двухвходовых ЛЭ ИЛИ в одном корпусе. Основные электрические параметры данной микросхемы приведены в таблице 5 на странице 23.
Рассмотрим УГО и таблицу истинности данного элемента:
Рисунок 15 – УГО и цоколёвка ЛЭ К555ЛЛ1
Таблица 7 – Таблица истинности ЛЭ 1533ЛИ1
Принцип работы счетчика с обратной связью хорошо понятен из временной диаграммы работы счетчика (причем выход Q0 не используется и на диаграмме не отображен):
Рисунок 16 – Временная диаграмма работы недвоичного счетчика с Kпер=5
Когда на выходах счетчика появляется комбинация 101 на выходе конъюнктора формируется высокий уровень сигнала который подается на вход асинхронного сброса R счетчика. Формирование сигнала в конъюнкторе и восприятие его счетчиком происходит не мгновенно а через некоторый промежуток времени называемый временем задержки распространения обратной связи. Таким образом на выходах счетчика при поступлении каждого пятого импульса синхронизации устанавливается кратковременное и нежелательное состояние 101 на время равное tЗД.Р.ОС и только после этого устанавливается требуемое состояние 000. Задержки вносимые обратной связью определяются параметрами используемых в ней элементов а также параметрами счетчика.
В соответствии с требуемым числом индикаторов n=5 необходим дешиф-ратор минимум на 5 выходов и 3 входа. При построении устройства динамической цифровой индикации воспользуемся дешифратором на 3 входа и 7 выходов.
Тип выходов дешифратора определяется схемой включения световых индикаторов в данном случае – с общими катодами (ОК). Из этого следует что необходим дешифратор с инверсными выходами. В соответствии с требуемой схемотехникой – ТТЛШ – целесообразно применить дешифратор К555ИД7 (превосходящий аналогичный дешифратора на 4 входа и 10 выходов К555ИД10 по потребляемому току и времени задержки распространения)
Микросхема К555ИД7 – это двоично-десятичный дешифратор преобразующий двоичный код поступающий на входы А0 А2 в сигнал низкого уровня на одном из выходов . Дешифрация происходит тогда когда на входах и действует напряжение низкого уровня а на входе E3 – высокого. При иных сочетаниях уровней на входах Ei на всех выходах будет напряжение высокого уровня. Основные электрический параметры микросхемы приведены в таблице 5 на странице 23.
Рассмотрим УГО и цоколевку микросхемы К555ИД7 таблицу истинности:
Рисунок 17 – УГО и цоколевка дешифратора К555ИД7
Таблица 7 – Таблица истинности дешифратора К555 ИД7
3 Выбор мультиплексора
В соответствии с заданным количеством индикаторов n=5 необходимо применение мультиплексора с 5-ю входами данных (так как мультиплексор будет осуществлять выборку для поочередной передачи данных от пяти источников) и следовательно с тремя адресными входами.
Выбор мультиплексора произведём по таким критериям как потребляемая мощность и количество адресных входов. Среди существующих ТТЛШ-микросхем одной из наиболее приемлемых является 1533КП15. Основные электрические параметры микросхемы приведены в таблице 5 на странице 23.
Микросхема 1533КП15 – это восьмивходовый селектор-мультиплексор имеющий восемь входов данных I1 I8 и три адресных входа S0 S2 вывод разрешения выходных данных и прямой Y и инверсный выходы с третьим состоянием – z.
В устройствах динамической цифровой индикации построенных на семисегментных цифровых индикаторах входные данные должны быть четырехразрядными что требует параллельной работы четырех мультиплексоров.
Рассмотрим УГО и таблицу истинности мультиплексора 1533КП15:
Рисунок 18 – УГО и цоколевка мультиплексора 1533 КП15
Таблица 8 – Таблица истинности мультиплексора 1533 КП15
4 Выбор преобразователя кода
Для подключения цифровых семисегментных индикаторов служащих для преобразования информации в форму свечения соответствующих диодов формирующих все цифры десятичной системы счисления существуют преобразователи кода которые преобразуют код 8421 в семипозиционный.
Тип выходов преобразователя кода зависит от схемы включения индикаторов и для заданной схемы включения – с общими катодами – целесообразно применить преобразователь кода К514ИД1. Основные электрические параметры микросхемы приведены в таблице 5 на странице 23.
Рассмотрим УГО и таблицу истинности микросхемы К514ИД1:
Рисунок 19 – УГО и цоколевка преобразователя кода К514ИД1
Таблиц 9 – Таблица истинности 514 ИД1
Для непосредственного отображения информации в устройствах динамической цифровой индикации используются семисегментные индикаторы ЖК-матрицы и др. Заданное устройство требует использования семисегментных индикаторов с общими катодами выбор которых целесообразно осуществить из диапазона индикаторов с малым прямым током (5 – 10 мА). Всего потребуется n=5 индикаторов подключенных анодами к преобразователю кода и катодами к дешифратору.
Для построения устройства динамической цифровой индикации выберем ССИ АЛ304А который отличается низким рабочим напряжением и током.
Рассмотрим принципиальную схему и основные параметры данного индикатора:
Таблица 10 – Основные параметры светоиндикатора АЛ304А
Обозначение цвета свечения
Рисунок 20 – Принципиальная схема АЛ304А
5 Выбор буферных элементов
Из таблицы 5 на странице 23 и таблицы 10 на странице 31 видно что выходной ток высокого уровня преобразователя кода К514ИД1 =4.6 мА меньше номинального рабочего тока ССИ АЛ304А Iпр.=5 мА однако допустимый рабочий ток МС К514ИД1 составляет 7.5 мА [5] что обеспечивает безопасную работу преобразователя кода [7].
Выходной ток низкого уровня дешифратора К555ИД7 =3.8 мА меньше требуемого значения тока протекающего через индикатор АЛ304 Iпр. = 5 мА (что неизбежно повредит дешифратор). Это обуславливает необходимость применения буферных элементов в выходных цепях микросхемы. При этом выходное напряжение высокого уровня К514ИД1 =2.5В и выходное напряжение низкого уровня шинного формирователя КР1533АП6 (который целесообразно применить в качестве буферного элемента) =0.5В обуславливают падение напряжения на светодиодах Uпр.=2В [7] а выходные токи низкого уровня шинного формирователя КР1533АП6 могут достигать значений = 12мА.
При высоком уровне напряжения на входе T сторона A является входом а сторона B – выходом. При высоком уровне напряжения на входе выходы микросхемы переходят в Z-состояние. Основные электрические параметры микросхемы приведены в таблице 5 на странице 23.
Рассмотри УГО данного буферного элемента:
Рисунок 21 – УГО и цоколевка КР1533АП6
Для подачи на входы микросхем постоянного высокого уровня сигнала подключим соответствующие входы к источнику питания (Uип=5В) и между входом и источником питания применим резисторы минимально допустимое сопротивление которых определим из соотношения:
где - наименьшее из допустимых значений входного тока высокого уровня используемых микросхем.
С учетом допуска в 10% целесообразно выбрать маломощные резисторы с номинальным сопротивление 300КОм МЛТ-05ВТ-300 КОМ10%.
РАЗРАБОТКА И ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА
Произведем соединение выбранных в 3 элементов согласно функциональной схеме разобранной в 1.
Для получения мультиплексора на четыре выхода соединим мультиплексоры параллельно соответствующие выходы подключим к входам преобразователя кода а адресные входы всех мультиплексоров – к выходам счетчика. Таким образом будет осуществляться последовательная передача данных от пяти четырехразрядных источников данных на преобразователь кода.
Преобразователь кода передает семисегментный код на все ССИ одновременно. С другой стороны дешифратор обеспечивает последовательное свечение каждого индикатора – входы дешифратора подключим к счетчику а выходы – к катодам соответствующих элементов через шинный формирователь. Методика получения изображения воспринимаемого человеческим глазом как статического рассмотрена в 1.
Счетчик имеет цепь обратной связи построение которой выполним с помощью конъюнктора и дизъюнктора. Подключение элементов цепи обратной связи рассмотрено в 3.1.
Стоит отметить что микросхемы мультиплексоров дешифратора преобразователя кода и шинного формирователя имеют входы на которые постоянно подаётся высокий или низкий уровень напряжения. Для того чтобы организовать подачу низкого уровня напряжения замкнем соответствующие входы на корпус а для обеспечения высокого уровня на соответствующих входах подключим их к источнику питания через резистор сопротивлением 300КОм.
Создание принципиальной электрической схемы устройства динамической цифровой индикации и перечня элементов осуществим согласно стандартам [8910].
РАСЧЕТ БЫСТРОДЕЙСТВИЯ И ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОЩНОСТИ
Для расчёта быстродействия необходимо определить минимальный период и максимальную частоту тактовых импульсов. Для определения минимального периода необходимо просуммировать среднее время задержки распространения сигнала во всех узлах устройства которые работают последовательно. Необходимые для этого данные возьмём из таблицы 5 на странице 23. Конечный результат расчёта следует умножить на коэффициент равный 12 для учёта скважности тактовых импульсов (скважность равна пяти).
Последовательно работают цепи «счетчик – мультиплексор – преобразователь кода» и «счетчик – дешифратор – шинный формирователь». Так как время задержки распространения сигнала при параллельном соединении зависит от самого «медленного» узла для расчета минимального периода тактовых импульсов сложим все средние значения времени задержки распространения сигнала элементов первой цепи и умножим на коэффициент 12:
Максимальную частоту тактовых импульсов определим из соотношения :
Таким образом минимальный период тактовых импульсов составляет 227 наносекунд а максимальная частота – 44 мегагерц.
Для расчёта средней потребляемой мощности необходимо просуммировать среднюю потребляемую мощность для всех микросхем входящих в устройство. Необходимые данные возьмём из таблицы 5 на странице 23. Таким образом получим:
Полученная схема устройства динамической цифровой индикации на ТТЛШ-микросхемах работает от источника питания с напряжением 5В максимальной частотой тактовых импульсов 44МГц (минимальный период равен 227нс). Средняя потребляемая мощность схемы составляет 0865Вт.
При построении устройства использованы микросхемы серий К514 К555 1533 и КР1533 (4 мультиплексора 1 счетчик дешифратор конъюнктор дизъюнктор и шинный формирователь) а также 3 резистора номинальным сопротивлением 300КОм и 5 светоиндикаторных панелей АЛ304А.
Рекомендуемой частотой тактовых импульсов является частота от 500Гц рассчитанная в 1 чтобы изображение воспринималось глазом без мельканий.
Мальцева Л.А. и др. Основы цифровой техники. – М.: Радио и связь 1987.
Вениаминов В.Н. и др. Микросхемы и их применение: Справ. пособие. – М.: Радио и связь 1989.
ИМС стандартной логики: Информационно-справочный материалБЕЛМИКРОСИСТЕМЫ. – Мн.: Полифакт 2004.
М.И. Богданович и др. Цифровые интегральные микросхемы. Мн. 1991
Б.В. Тарабрин и др. Интегральные микросхемы. М.: Радио и связь 1983
СТП ВГКС 1.01-2005. Стандарт предприятия. Курсовое и дипломное проектирование.
ГОСТ 2.702-81 ЕСКД. Правила выполнения электрических схем цифровой вычислительной техники.
ГОСТ 2.743-82. Элементы цифровой техники.

Схема устройства электрическая принципиальная (стр. 34).dwg

DD5: 14 - питание; 7 - общий DD3: 5 - питание; 10 - общий DD2
DD10: 16 - питание; 8 - общий DD8: 20 - питание; 10 - общий
Устройство динамической цифровой индикации. Схема электрическая принципиальная

Приложение А - перечень элементов (стр. 35).dwg

Устройство динамической цифровой индикации. Перечень элементов
Светодиодные семисегментные индикаторы
Приложение А Перечень элементов