Управление семисегментным индикатором. Светодиодные семисегментные индикаторы Семисегментный дешифратор

Семисегментный код необходим для отображения на цифровых индикаторах значений цифр от 0 до 9. Семисегментный, потому что цифры отображаются так называемыми сегментами, которых семь штук. Ниже приведена табличка соответствия между двоичным и семисегментным кодами.

Цифра	Двоичный код	Семисегментный код
			a	b	c	d	e	f	g

Во, блин. Ну, в общем, на логике показывать не буду. Поскольку счетчик нам уже знаком , посмотрим на работу его совместно с дешифратором. Схема реальная, т. е. можно повторить.

Как видно, ничего сложного, все элементы схемы нам знакомы . На элементах DD1.1, DD1.2 (К561ЛА7) собран генератор тактовых импульсов. Резистор R1 и кондер С1 задают частоту следования импульсов. Формулу определения частоты следования я не помню, вспомню, напишу. Можно, если не в лом, определить эту самую частоту методом "научного тыка". В любом случае, если вместо постоянного резика воткнуть переменный, то частоту можно будет регулировать в некоторых пределах. С выхода генератора импульсы поступают на счетчик, выполненный на DD2. Это реверсивный двоично-десятичный счетчик с предустановкой. Вход ±1 определяет напрвление счета, вход 2/10 - режим (двоичный или десятичный). Вход V предназначен для разрешения записи в счетчик состояния информационных входов D0 - D3. Конкретно этому счетчику (561ИЕ14, 564ИЕ14) надо подать уровень лог. 1. Резик R2 и кондер C2 образуют дифференцирующую цепь. При включении питания короткий импульс на входе V, формируемый дифференцирующей цепью, разрешает запись в счетчик состояния входов D0 - D3. Поскольку эти выводы соединены с общим проводом, в счетчик записывается 0000, т. е. он обнуляется. Тактовый генератор фигачит импульсы, счетчик их считает и с его выходов 1-2-4-8 результат счета поступает на вход дешифратора DD3 (514ИД1). Это дешифратор двоичного кода в семисегментный. С выходов дешифратора сигналы (согласно второй таблице) поступают на входы семисегментного индикатора HL1, который кажет эту инфу, т. е. ряд цифр от 0 до 9. Внутри микрухи DD3 стоит DC. Это от буржуйского Decoder – по-нашински дешифратор. На выходе переноса p (выв. 7) счетчика DD2 при его переполнении формируется сигнал. Если взять следующие узлы: DD2, DD3, HL1 и влепить их снизу счетчика DD2, аналогично соединить соответствующие входы, кроме С, выход переноса (выв. 7) предыдущего счетчика соединить со входом С следующего, то получим многозначный индикатор. После отсчета 10 импульсов первым счетчиком, второй переключится на 1. Через следующие 10 импульсов второй счетчик увеличится еще на 1 и так далее. По такому принципу деления частоты работают, например, часы. Единственное, что там коэффициент пересчета другой (не 10, а 6), все-таки в минуте 60 сек. Этот счетчик тоже можно заставить считать до 6. Берем лог. элемент И, его входы соединяем с выходами 2-4 (выв. 11 и 14), а выход подключаем к дифференцирующей цепочке R2C2. Тогда при достижении числа 6 (0110) уровень лог. 1 на выходе элемента И сформирует не без помощи цепи R2C2 импульс, который запишет в счетчик 0000. И еще, увеличивая частоту генератора цифири будут бежать быстрее, например вот так:

Мультиплексор - это устройство, которое осуществляет выборку одного из нескольких входов и подключает его к своему выходу, в зависимости от состояния двоичного кода. Другими словами, мультиплексор - переключатель сигналов, управляемый двоичным кодом и имеющий несколько входов и один выход. К выходу подключается тот вход, чей номер соответствует двоичному коду. Ну и навороченное определение: мультиплексор - это устройство, преобразующее параллельный код в последовательный.

Структуру мультиплексора можно представить различными схемами, но более понятна, на мой взгляд, вот эта:

Рис. 1 - Структура мультиплексора

Самая большая хренотень есть не что иное, как элемент И-ИЛИ. Конкретно здесь элемент 4-х входовый. Ну а квадратики с единичками внутри, если кто не помнит, инверторы. Разберем выводы. Те, что слева, а именно D0-D3, называются информационными входами. На них чего-нибудь подают. Входы посередке, а именно А0-А1, называются адресными входами. Вот сюда именно и подается двоичный код, от которого зависит, какой из входов D0-D3 будет подключен к выходу, на этой схеме обозначенному как Y. Вход С, черт его знает, нафига он здесь. Вроде бы как разрешение работы, а может просто для понта. Ну его в баню. На схеме еще есть входы адреса с инверсией. Так вот они тоже показаны здесь для понта. На этом рисунке показан четырехвходовой, или как еще его называют, 4Х1 мультиплексор. Потому и адресных входов всего 2. Как нам известно, максимальное число переменных определяется как 2 n , где n - разряд кода. Здесь мы видим, что переменных четыре штуки, а значит разряд будет равен 2 (2 2 = 4). Для пояснения принципа работы этой схемы посмотрим на табличку истинности:

A1	A0	Y
		D0
		D1
		D2
		D3

Вот так двоичный код выбирает нужный вход. Т. е., если имеем четыре объекта, ну, скажем, они пуляют сигналы, а устройство отображения у нас одно. Берем мультик (мультиплексор) и втуляем его в схему. В зависимости от двоичного кода к устройству отображения подключается сигнал от нужного объекта. Такой вот, дохленький пример.

Микросхемой мультик обозначается вот так:

Рис. 2 - Мультиплексор

Вообще, мультиплексоров всяких дофига. Есть и сдвоенные четырехвходовые, восьмивходовые, 16-ти входовые, счетверенные двухвходовые и пр. Тот, что на рисунке сделан от фонаря.

Демультиплексор . Демультиплексор - устройство, обратное мультиплексору. Т. е., у демультиплексора один вход и куча выходов. Двоичный код определяет, какой выход будет подключен ко входу. Другими словами, демультиплексор - это устройство, которое осуществляет выборку одного из нескольких выходов и подключает его к своему входу или, это переключатель сигналов, управляемый двоичным кодом и имеющий один вход и несколько выходов. Ко входу подключается тот выход, чей номер соответствует состоянию двоичного кода. И навороченное определение: демультиплексор - это устройство, которое преобразует последовательный код в параллельный.

Обычно в качестве демультиплексора используют дешифраторы двоичного кода в позиционный, в которых вводят дополнительный вход стробирования. Из-за схожести структур мультиплексора и демультиплексора в КМОП сериях есть микросхемы, которые одновременно являются мультиплексорром и демультиплексором, смотря с какой стороны подавать сигналы, например, К561КП1, работающая как переключатель 8х1 и переключатель 1х8 (то бишь, как мультиплексор и демультиплексор с восемью входами или выходами). Кроме того, в КМОП микросхемах помимо переключения цифровых сигналов (лог. 0 или 1) существует возможность переключения аналоговых. Другими словами, это переключатель аналоговых сигналов, управляемый цифровым кодом. Такие микросхемы называются коммутаторами. К примеру, с помощью коммутатора можно переключать сигналы, поступающие на вход усилителя (селектор входов). Вот напоследок простенькую схемку селектора входов УМЗЧ мы и рассмотрим. Построим ее, ну скажем, с использованием триггеров и мультиплексора.

Рис. 3 - Селектор входных сигналов

Вот такая нехитрая схемка. Итак, разберем работу и деталюшки. На триггерах микросхемы DD1 собран кольцевой счетчик нажатий кнопки разрядностью 2 (два триггера - 2 разряда). Двухразрядный двоичный код поступает на адресные входы D0-D1 микросхемы DD2. Микросхема DD2 представляет собой сдвоенный четырехканальный коммутатор. В соответствии с двоичным кодом к выходам микросхемы А и В подключаются входы А0-А3 и В0-В3 соответственно. Элементы R1, R2, C1 устраняют дребезг контактов кнопки. Дифференцирующая цепь R3C2 устанавливает триггеры в нулевое состояние при включении питания, при этом к выходу подключается первый вход. При нажатии на кнопку триггер DD1.1 переключается в состояние лог. 1 и к выходу подключается второй вход и т. д. Перебор входов идет по кольцу, начиная с первого.

С одной стороны просто, с другой немного неудобно. Черт его знает, сколько раз нажали на кнопку после включения и какой вход подключен к выходу. Хорошо бы поставить индикатор подключенного входа. Вот тут-то и пригодится семисегментный дешифратор . Нажимаем ссылочку, вспоминаем семисегментный дешифратор и смотрим на схемку (там, где циферки бегут). Берем дешифратор и индикатор, обрубаем счетчик и другую галиматью, переносим дешифратор с индикатором на схему коммутатора и первые два входа дешифратора (на схеме обозначен как DD3), т. е. 1 и 2 (выв. 7 и 1) подключаем к прямым выходам триггеров DD1.1 DD1.2 (выв. 1 и 13). Входы дешифратора 4 и 8 (выв. 2 и 6) кидаем на корпус (т. е. подаем лог. 0). Все! Индикатор будет показывать состояние кольцевого счетчика, а именно циферки от 0 до 3. Цифиря 0 соответствует первому входу, 1 - 2-му и т. д.

Регистр (от буржуйского to register - регистрировать) - это цифровой узел, предназначенный для записи и хранения числа. Некоторые регистры могут преобразовывать информацию из последовательной формы в параллельную и наоборот. Для начала рассмотрим регистр хранения.

Рис. 1 - Реализация шифратора на логических элементах

Позиция 1 «висит» в воздухе. В таблице ей соответствует код 000.

Дешифратор (декодер) - устройство, преобразующее двоичный код в позиционный (или иной). Другими словами, дешифратор осуществляет обратный перевод двоичных чисел. Опять посмотрим на первую таблицу. Единице в каком-либо разряде позиционного кода соответствует комбинация нулей и единиц в двоичном коде, а отсюда следует, что для преобразования необходимо иметь не только прямые значения переменных, но еще и инверсии. Посмотрим на схему:

Рис. 2 - Реализация дешифратора на логических элементах

На схеме показаны четыре логических элемента И, хотя их должно быть восемь. Три инвертора создают инверсии переменных. Линии, спускающиеся вниз, подводят сигналы прямого и инверсного кода к остальным четырем элементам И. Все их можно не рисовать. Если разрядов будет четыре, то элементы будут четырехвходовыми, понадобится четыре инвертора и 16 элементов И.

Семисегментный дешифратор

Семисегментный код необходим для отображения на цифровых индикаторах значений цифр от 0 до 9. Семисегментный, потому что цифры отображаются так называемыми сегментами, которых семь. Приведём таблицу соответствия между двоичным и семисегментным кодами.

Цифра	Двоичный код	Семисегментный код
			a	b	c	d	e	f	g

Работу дешифратора семисегментного кода проиллюстрируем чуть упрощенной схемой таймера. Схема реальная, можно собрать.

Рис.3. Таймер

Все логические элементы схемы нам знакомы . На элементах DD1.1, DD1.2 (К561ЛА7) собран генератор тактовых импульсов. R1 и С1 задают частоту следования импульсов.

С выхода генератора импульсы поступают на счетчик, выполненный на DD2. Это реверсивный двоично-десятичный счетчик с предустановкой. Вход ±1 (вывод 10 СТ2) определяет направление счета, вход 2/10 (вывод 9 СТ2) - режим (двоичный или десятичный).

Вход V (вывод 1 СТ2) предназначен для разрешения записи в счетчик состояния информационных входов D0 - D3. Конкретно этому счетчику (561ИЕ14, 564ИЕ14) надо подать уровень лог. 1. R2 и C2 образуют дифференцирующую цепь. При включении питания короткий импульс на входе V, формируемый дифференцирующей цепью, разрешает запись в счетчик состояния входов D0 - D3 (3,4,12,13 выводы СТ2). Поскольку эти выводы соединены с общим проводом, в счетчик записывается 0000, т. е. он обнуляется.

Тактовый генератор генерирует импульсы, счетчик их считает и с его выходов 1-2-4-8 (2,6,11,14 выводы СТ2) результат счета поступает на вход дешифратора DD3 (514ИД1), выводы 1,2,6,7 DC. Это дешифратор двоичного кода в семисегментный. С выходов дешифратора сигналы (согласно второй таблице) поступают на входы семисегментного индикатора HL1, который последовательно включает свечение цифр от 0 до 9.

На выходе переноса p (вывод 7) счетчика DD2 при его переполнении формируется сигнал переноса. Если взять следующие узлы: DD2, DD3, HL1 и подключить снизу счетчика DD2, аналогично соединить соответствующие входы, кроме С, выход переноса (вывод 7) предыдущего счетчика соединить со входом С следующего, то получим многозначный индикатор.

Одними из очень важных элементов цифровой техники, а особенно в компьютерах и системах управления являются шифраторы и дешифраторы.

Когда мы слышим слово шифратор или дешифратор, то в голову приходят фразы из шпионских фильмов. Что-то вроде: расшифруйте депешу и зашифруйте ответ.

В этом нет ничего неправильного, так как в шифровальных машинах наших и зарубежных резидентур используются шифраторы и дешифраторы.

Шифраторы.

Таким образом, шифратор (кодер), это электронное устройство, в данном случае микросхема, которая преобразует код одной системы счисления в код другой системы. Наибольшее распространение в электронике получили шифраторы, преобразующие позиционный десятичный код, в параллельный двоичный. Вот так шифратор может обозначаться на принципиальной схеме.

К примеру, представим, что мы держим в руках обыкновенный калькулятор, которым сейчас пользуется любой школьник.

Поскольку все действия в калькуляторе выполняются с двоичными числами (вспомним основы цифровой электроники), то после клавиатуры стоит шифратор, который преобразует вводимые числа в двоичную форму.

Все кнопки калькулятора соединяются с общим проводом и, нажав, к примеру, кнопку 5 на входе шифратора, мы тут же получим двоичную форму данного числа на его выходе.

Конечно же, шифратор калькулятора имеет большее число входов, так как помимо цифр в него нужно ввести ещё какие-то символы арифметических действий, поэтому с выходов шифратора снимаются не только числа в двоичной форме, но и команды.

Если рассмотреть внутреннюю структуру шифратора, то несложно убедиться, что он выполнен на простейших базовых логических элементах .

Во всех устройствах управления, которые работают на двоичной логике, но для удобства оператора имеют десятичную клавиатуру, используются шифраторы.

Дешифраторы.

Дешифраторы относятся к той же группе, только работают с точностью до наоборот. Они преобразуют параллельный двоичный код в позиционный десятичный. Условное графическое обозначение на схеме может быть таким.

Или таким.

Если говорить о дешифраторах более полно, то стоит сказать, что они могут преобразовывать двоичный код в разные системы счисления (десятичную, шестнадцатиричную и пр.). Всё зависит от конкретной цели и назначения микросхемы.

Простейший пример . Вы не раз видели цифровой семисегментный индикатор, например, светодиодный. На нём отображаются десятичные цифры и числа к которым мы привыкли с детства (1, 2, 3, 4...). Но, как известно, цифровая электроника работает с двоичными числами, которые представляют комбинацию 0 и 1. Что же преобразовало двоичный код в десятичный и подало результат на цифровой семисегментный индикатор? Наверное, вы уже догадались, что это сделал дешифратор.

Работу дешифратора можно оценить вживую, если собрать несложную схему, которая состоит из микросхемы-дешифратора К176ИД2 и светодиодного семисегментного индикатора, который ещё называют «восьмёркой». Взгляните на схему, по ней легче разобраться, как работает дешифратор. Для быстрой сборки схемы можно использовать беспаечную макетную плату .

Для справки. Микросхема К176ИД2 разрабатывалась для управления 7-ми сегментным светодиодным индикатором. Эта микросхема способна преобразовать двоичный код от 0000 до 1001 , что соответствует десятичным цифрам от 0 до 9 (одна декада). Остальные, более старшие комбинации просто не отображаются. Выводы C, S, K являются вспомогательными.

У микросхемы К176ИД2 есть четыре входа (1, 2, 4, 8). Их ещё иногда обозначают D0 - D3 . На эти входы подаётся параллельный двоичный код (например, 0001). В данном случае, двоичный код имеет 4 разряда. Микросхема преобразует код так, что на выходах (a - g ) появляются сигналы, которые и формируют на семисегментном индикаторе десятичные цифры и числа, к которым мы привыкли. Так как дешифратор К176ИД2 способен отобразить десятичные цифры в интервале от 0 до 9, то на индикаторе мы увидим только их.

Ко входам дешифратора К176ИД2 подключены 4 тумблера (S1 - S4), с помощью которых на дешифратор можно подать параллельный двоичный код. Например, при замыкании тумблера S1 на 5 вывод микросхемы подаётся логическая единица. Если же разомкнуть контакты тумблера S1 - это будет соответствовать логическому нулю. С помощью тумблеров мы сможем вручную устанавливать на входах микросхемы логическую 1 или 0. Думаю, с этим всё понятно.

На схеме показано, как на входы дешифратора DD1 подан код 0101. На светодиодном индикаторе отобразится цифра 5. Если замкнуть только тумблер S4, то на индикаторе отобразится цифра 8. Чтобы записать число от 0 до 9 в двоичном коде достаточно четырёх разрядов: a 3 * 8 + a 2 * 4 + a 1 * 2 + a 0 * 1 , где a 0 - a 3 , - это цифры из системы счисления (0 или 1).

Представим число 0101 в десятичном виде 0101 = 0*8 + 1*4 + 0*2 + 1*1 = 4 + 1 = 5 . Теперь взглянем на схему и увидим, что вес разряда соответствует цифре, на которую умножается 0 или 1 в формуле.

Дешифратор на базе технологии ТТЛ - К155ИД1 использовался в своё время для управления газоразрядным цифровым индикатором типа ИН8, ИН12, которые были очень востребованы в 70-е годы, так как светодиодные низковольтные индикаторы ещё были очень большой редкостью.

Всё изменилось в 80-е годы. Можно было свободно приобрести семисегментные светодиодные матрицы (индикаторы) и среди радиолюбителей прокатился бум сборки электронных часов. Самодельные электронные часы не собрал для дома только ленивый.

Для отображения десятичных и шестнадцатеричных цифр часто используется семисегментный индикатор. Изображение семисегментного индикатора и название его сегментов приведено на рисунке 3.

Рисунок 3.3 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. Точно таким же образом можно получить изображения всех остальных десятичных или шестнадцатеричных цифр. Все комбинации таких изображений получили название семисегментного кода.

Составим таблицу истинности дешифратора, который позволит преобразовывать двоичный код в семисегментный. Пусть сегменты зажигаются нулевым потенциалом. Тогда таблица истинности семисегментного дешифратора примет вид, приведенный в таблице 3.2. Конкретное значение сигналов на выходе дешифратора зависит от схемы подключения сегментов индикатора к выходу микросхемы. Эти схемы мы рассмотрим позднее, в главе, посвящённой отображению различных видов информации.

Таблица 3.2. Таблица истинности семисегментного декодера.

Входы	Выходы
		a	b	c	d	e	f	g

В соответствии с принципами построения схемы по произвольной таблицы истинности, получим принципиальную схему семисегментного дешифратора (декодера), реализующего таблицу истинности, приведённую в таблице 2. На этот раз не будем подробно расписывать процесс разработки схемы. Полученная принципиальная схема семисегментного дешифратора приведена на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4. Принципиальная схема семисегментного дешифратора (декодера).

Для облегчения понимания принципов работы схемы на выходе логических элементов "И" показаны номера строк таблицы истинности, реализуемые ими.

Например, на выходе сегмента a логическая единица появится только при подаче на вход комбинации двоичных сигналов 0001 (1) и 0100 (4). Это осуществляется объединением соответствующий цепей элементом "2ИЛИ". На выходе сегмента b логическая единица 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 виде готовых блоков составе других микросхем. Условно-графическое обозначение микросхемы семисегментного дешифратора приведено на рисунке 3.5.

Дешифраторы выпускаются в виде отдельных микросхем или используются в составе более сложных микросхем. В настоящее время десятичные или восьмеричные дешифраторы используются в основном как составная часть других микросхем, таких как мультиплексоры, демультиплексоры, ПЗУ или ОЗУ.

Условно-графическое обозначение микросхемы дешифратора на принципиальных схемах приведено на рисунке 2. На этом рисунке приведено обозначение двоично-десятичного дешифратора, полная внутренняя принципиальная принципиальная схема которого изображена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Условно-графическое обозначение двоично-десятичного дешифратора

Точно таким же образом можно получить принципиальную схему и для любого другого декодера (дешифратора). Наиболее распространены схемы восьмеричных и шестнадцатеричных дешифраторов. Для индикации такие дешифраторы в настоящее время практически не используются. В основном такие дешифраторы используются как составная часть более сложных цифровых модулей.

Семисегментный дешифратор

Рисунок 2 – Изображение семисегментного индикатора и название его сегментов

Составим таблицу истинности дешифратора, который позволит преобразовывать двоичный код в семисегментный. Пусть сегменты зажигаются нулевым потенциалом. Тогда таблица истинности семисегментного дешифратора примет вид, приведенный в таблице 1. Конкретное значение сигналов на выходе дешифратора зависит от схемы подключения сегментов индикатора к выходу микросхемы. Эти схемы мы рассмотрим позднее, в главе, посвящённой отображению различных видов информации.

Таблица 1 – Таблица истинности

Входы				Выходы

В соответствии с принципами построения произвольной таблицы истинности по произвольной таблице истинности получим принципиальную схему семисегментного дешифратора, реализующего таблицу истинности, приведённую в таблице 1. На этот раз не будем подробно расписывать процесс разработки схемы. Полученная принципиальная схема семисегментного дешифратора приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 – Принципиальная схема семисегментного дешифратора

Например, на выходе сегмента "a" логическая единица появится только при подаче на вход комбинации двоичных сигналов 0001 (1) и 0100 (4). Это осуществляется объединением соответствующий цепей элементом "2ИЛИ". На выходе сегмента "b" логическая единица появится только при подаче на вход комбинации двоичных сигналов 0101 (5) и 0110 (6), и так далее.

Рисунок 5 – Условно-графическое обозначение семисегментного дешифратора.

В качестве примера семисегментных дешифраторов можно назвать такие микросхемы отечественного производства как К176ИД3. В современных цифровых схемах семисегментные дешифраторы обычно входят в состав больших интегральных схем.