5. Часть 1
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 Uх = Uо генератор находится в исходном состоянии. В момент времени t1 на вход х подается положительный перепад напряжения, при t > t1 и Uх = 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, Uвых = U1, Uс = Uпор – 2Uб.э.а,Uб = Uпор – 2Uб.э.а, где Uб.э.а = 0.7В – напряжение на эмиттерном переходе транзистора, находящегося в активном режиме. Пока Uб < Uпор, Uвых = U1, Uа = 0, происходит заряд конденсатора С. Напряжение Uс и Uб растут. При t = t3 Uб становится равным Uпор. Для расчета величины t = t3 – t2 примем следующую формулу:
tu = R3CLn((E – Uб.э.н + 2Uпор) / (E – Uб.э.н – Uпор)),
где Uб.э.н – напряжение на эмиттерном переходе насыщенного транзистора VT3.
В момент t3 потенциалы в точках а и б скачком возрастают на величину 2Uб.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 Uб = Uпор и скачком уменьшается на величину 2Uб.э.а и процесс заряда конденсатора повторяется.
Величину t = t4 – t3 можно определить по формуле:
tn = R9C(2Uб.э.а / E – 3Uб.э.а).
Период автоколебаний управляемого генератора импульсов равен:
T = tu + tn.
При E = 5 В, Uб.э.н = 0.8 В, Uб.э.а = 0.7 В, Uпор = 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.
Входы |
Выходы |
||||||||||||
8 |
4 |
2 |
1 |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
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