Материал: МРБ 1096.(1986).[doc]

Рис. 35. Принципи­альная схема де­шифратора на четы­ре выхода

При реализации дешифраторов в интегральном ис­полнении для уменьшения числа выводов микросхем их выполняют с однофазными входами, организуя инверсию входного сигнала с помощью дополнительных инверторов, предусматриваемых внутри кристалла мик­росхемы. На практике большое применение получили неполные линейные дешифраторы на четыре независимых входных переменных и десять выходов, например 134ИД6, который в структурном отношении анало­гичен дешифратору SN7442 (США). Также для десятичной дешифрации четы­рехразрядного двоично-десятичного кода служат дешифраторы 1У55ИД1, КД76ИД1, имеющие другое структурное построение.

Для реализации операции дешифрирования с большим числом входных пе­ременных используют более сложные в структурном отношении дешифраторы. К. ним относятся пирамидальные и матричные (прямоугольные). Они доста­точно подробно описаны в [8].

В отсчетных устройствах ЦИП дешифраторы К155ИД1 используются в том случае, если в качестве элементов индикации применены газоразрядные инди­каторы (см. далее). В настоящее время в качестве элементов индикации чаще всего применяют знакосинтезирующие сегментные или матричные индикаторы. К ним относятся индикаторы на светоизлучающих диодах (СИД), на жидких кристаллах, вакуумные люминесцентные, вакуумные накальные. В этом случае обычные дешифраторы не применимы. Индикацию выполняют с помощью ком­бинационных преобразователей кодов, т. е. четырехразрядный входной код пре­образуется в код семисегментных индикаторов. Так как такое преобразование применяется наиболее часто, рассмотрим его подробнее.

Комбинация высвечиваемых сегментов на индикаторе в зависимости от отображаемого десятичного числа приведены в табл. 3. Общепринятое обозна­чение сегментов семисегментных индикаторов показано на рис. 36. Из таблицы видно, что почти все сегменты зажжены. Преобразователи кода для управле­ния семисегментными индикаторами проектируют на гашение нормально горя­щих сегментов.

Таблица 3

Принципиальная схема преобразователя кода для семисегментных индика­торов на СИД с применением микросхем малой степени интеграции приведена на рис. 37. Преобразователь кода подключается к прямым и инверсным выхо­дам разрядов декады, собранной по схеме сдвигающего регистра. Преобразова­ние проводится в две ступени: сначала дешифруется состояние декады, а после этого формируется необходимый код. Дешифрация состояний осуществляется схемами 2И — НЕ. Выходы шифратора через токоограничительные резисторы подсоединены к катодам требуемых сегментов индикатора на СИД. Общий анод индикатора подключен к источнику питания 5 В.

На практике большое примене­ние находят выпускаемые отечест­венной промышленностью преобразо­ватели кода 1-2-4-8 для семисегмент-ных индикаторов типов КР514ИД1 и КР514ИД2. Преобразователи КР514ИД1 предназначены для управ­ления индикаторами на СИД с об­щим катодом, КР514ИД2 — для ин­дикаторов с общим анодом. При по­даче на вход 5 этих микросхем нап­ряжения низкого уровня индикация гасится. Эти преобразователи можно использовать и для управления ва­куумными накальными индикатора­ми (без токоограничительных рези­сторов). Общий вывод индикаторов подключает к требуемому питающе­му напряжению (около 3 В).

Для управления индикаторами на СИД можно применять и КМОП-серию. Преобразователь кода К176ИД2 имеет дополнительный вход стробирования. На него необходимо подать импульсы скважностью 8 — 10 и с частотой следова­ния 1 — 4 кГц. Индикатор (АЛС314, АЛС320) подключается непосредственно к выходам преобразователя и к источнику питания. При таком стробировании среднее значение тока каждого выхода преобразователя не превышает макси­мально допустимого (примерно 2 мА), а из-за достаточно большого значения тока в импульсе (15 — 20 мА) яркость свечения- сегментов вполне удовлетво­рительна.

Для управления вакуумными люминесцентными индикаторами (коммутируе­мое напряжение 20 — 30 В) можно применить любой перечисленный преобразо­ватель кода, а также использовать микросхемы К176ИЕЗ, К176ИЕ4, имеющие в своем составе счетчик и преобразователь кода. Выходы преобразователей под­ключают к ключам, которые управляют непосредственно индикаторами. В ка­честве ключей можно использовать микросхемы К155ЛН5 и К155ЛП9, так как их выходные каскады выполнены по схеме с открытым коллектором и транзис­торы в этих каскадах выдерживают напряжение до 30 В. На собственно мик­росхему питание подают как обычно. Выходы ключей через резисторы сопро­тивлением 10 — 15 кОм подключают к источнику питания 20 — 30 В.

Рис. 36. Обозначение сегментов цифровых индикаторов

Рис. 37. Принципиальная схема преобразо­вателя кода для СИД индикаторов с общим анодом

Коммутируемое напряжение достаточно велико (20 — 30 В), поэтому при построении преобразователя можно также использовать микросхему К155ИД1 (рис. 38). С помощью этой микросхемы двоично-десятичный код преобразуется в десятичный, а. также ТТЛ-уровень — в высокий (20 — 30 В). А с помощью диодного шифратора осуществляется управление сегментами люминесцентно­го индикатора.

Рис. 38. Принципиальная схема преобразователя кода на И С К155ИД1

Для управления индикаторами в зависимости от их типа требуется комму­тировать напряжение от 3 В (при токе до 20 мА) до 150 — 200 В (при токе 1,5 — 3 мА). Высоковольтные выходные ключи на транзисторах могут строиться-по двум вариантам. В первом транзистор коммутирует полностью все напря­жение питания индикатора, что требует дорогостоящих высоковольтных тран­зисторов. Во втором транзисторные ключи коммутируют напряжение 30 — 70 В, а к аноду индикатора через токоограничивающий резистор приложено все напряжение питания. Напряжение, коммутируемое ключами, выбирается так, чтобы при закрытом транзисторе ключа разность напряжений между анодом и соответствую­щим катодом индикатора была гарантированно меньше напряжения зажигания катода. Когда ключ находится в открытом состоянии, потенциал соответствующего ка­тода-цифры близок к нулю и катод зажигается. На рис. 39 приведена схема одного из выходных каскадов микросхемы К155ИД1, где используется данный прин­цип. Диоды VD2 — VD12 служат для ограничения мак­симального напряжения на ключевых n-р-n транзисто­рах (примерно до-50 — 60 В).

Рис. 31. Принципиаль­ная схема выходного каскада К155ИД1

Для управления газоразрядными индикаторами иногда на практике приме­няют устройства на тиратронах, тиристорах.

Для управления индикаторами на СИД с общим анодом, а также вакуум­ными накальными индикаторами в качестве выходных ключей кроме дискрет­ных n-р-n транзисторов, включенных по схеме ОЭ, можно использовать ТТЛ-схемы И — НЕ, схемы НЕ с открытым коллектором. Сопротивление токоограни-чивающего резистора для индикаторов на СИД можно определить по формуле

R_огр = (U_пит — U_Сид)/I_сид.

где Uпит — источник питания (5 В); U_сид — прямое напряжение на включен­ном сегменте индикатора; 7_СИд — выбранный (в пределах допустимого) пря­мой ток через сегмент.

При использовании вакуумных накальных индикаторов и номинальном нап­ряжении питания токоограничивающий резистор не требуется. Выходные клю­чи для управления вакуумными люминесцентными индикаторами особенностей не имеют.

Счетчики. Различные счетные устройства (счетчики, регистры, делители час­тоты) строятся на основе триггеров, т. е. устройств с двумя устойчивыми сос­тояниями (многоустойчивые триггеры здесь не рассматриваются). Любое из этих состояний при неизменном напряжении питания и отсутствии управляющих импульсов может сохраняться сколь угодно долго.

Существует много схем триггерных устройств, отличающихся выполняемой функцией, схемотехнической реализацией, способом записи информации. В ос­нову классификации триггерных устройств положены два основных признака: функциональный признак и способ записи информации в триггер. По функцио­нальному . признаку можно выделить следующие триггерные устройства: R-S-типа, D-типа, T-типа, J-K-типа. По способу записи информации различают тактируемые и асинхронные триггеры. Тактируемые делятся на триггеры с внутренней задержкой и управляемые уровнем тактирующего импульса (одно-тактные и многотактные). Асинхронные — на триггеры с внутренней задерж­кой и управляемые уровнем входного сигнала. Подробнее с триггерными устрой-ствами можно познакомиться в [8].

Счетные декады на ИС малой степени интеграции (J-K- и D-триггеры) об­разуются с помощью последовательного включения этих триггеров и введения обратной связи между ними. Пример построения декады на J-K-триггерах, ра­ботающей в коде 1-2-4-8, показан на рис. 40. При подаче на вход декады пер­вых восьми импульсов она работает как обычный двоичный счетчик. На входах J1, J2 четвертого триггера (к моменту поступления восьмого импульса) будет напряжение высокого уровня («Лог. 1»). Восьмым импульсом четвертый триггер переключится в состояние «Лог. 1». Напряжение низкого уровня с его инверсного выхода, поступая на J вход второго триггера, блокирует его, т. е. исключает возможность его переключения в состояние «Лог. 1» с приходом де­сятого импульса, который переключит в состояние «Лог. О» четвертый триггер. Далее цикл повторяется.

Рис. 40. Декада на JK-триггерах

На рис. 41,а дана схема счетной декады, выполненной на D-триггерах, а на рис. 41,6 — временная диаграмма ее работы. Необходимо отметить, что дан­ная декада работает в невесовом коде, т. е. не в коде 1-2-4-8. Необходимый коэффициент пересчета данной декады обеспечивается подключением R входа четвертого триггера к прямому выходу третьего [7].

При выполнении счетчиков и дешифраторов на ИС малой степени интегра­ции часто используют схемы, основанные на сдвигающихся регистрах с обрат­ной связью [10]. На рис. 42,а приведена схема такого счетчика (счетчик Джон­сона), а на рис. 42,6 — диаграмма его работы. Этот счетчик имеет коэффициент пересчета, в 2 раза превышающий число его разрядов. Как видно из временной диаграммы, счетчик, начиная с младшего разряда, заполняется единицами, а затем нулями.

Рис. 41. Схема декады на D-триггерах (а) и диаграм­ма ее работы (б)

Рис. 42. Декада на базе счетчика Джонсона (а) и диаграмма ее работы (б)

В настоящее время широко применяются двоичные и двоично-десятичные счетчики на микросхемах средней степени интеграции. Обычно в одном- корпу­се размещается четырехразрядный (реже пятиразрядный) счетчик. Организуя внешнюю обратную связь между разрядами счетчика, можно получить любой необходимый (до 16) коэффициент пересчета. Различные варианты таких схем приведены в [7].

На рис. 43 представлен вариант схемы декадного счетчика на микросхеме К155ИЕ2, работающего в коде 1-2-4-8.

Элементы индикации. В радиолюбительской практике наибольшее примене­ние нашли следующие разновидности цифровых индикаторов: газоразрядные вакуумные, люминесцентные вакуумные, индикаторы на СИД, накальные ва­куумные. Варианты схем управления этими индикаторами описывались ранее. Здесь мы кратко остановимся на особенностях этих индикаторов.

Рис. 43. Счетчик на ИС К155ИЕ2

Газоразрядные индикаторы. С помощью индикаторов этого типа можно индицировать десятичные цифры и различные знаки. Катоды индикаторов вы­полнены в виде целых знаков. Напряжение зажигания, как правило, составляет 170 В. Угол наблюдения ±30°. Рабочий ток 2 — 3 мА. Цвет свечения — оранжево-красный. Долговечность 1500 — 2000 ч. Основным недостатком инди­каторов является малый угол наблюдения.

Люминесцентные вакуумные индикаторы. Это один из наиболее часто при­меняемых индикаторов. В них знаки формируются с помощью различного со­четания включенных сегментов.

Напряжение зажигания индикаторов в режиме постоянного тока составля­ет 20 — 30 В, суммарный рабочий ток анода 0,4 — 3 мА, рабочий ток сетки 3 — 10 мА. Цвет свечения сегментов — зеленый. Угол наблюдения 120 — 150°. Дол­говечность 2000 — 3000 ч. На базе этих индикаторов выпускаются цифровые восьми-девятиразрядные дисплеи, которые можно использовать только в режи­ме динамической индикации. В них одноименные сегменты соединены между собой, раздельно выполнены только выводы сеток каждого разряда.

Индикаторы на СИД. Это наиболее часто применяемые индикаторы. В за­висимости от типа они имеют: напряжение горения 2 — 3 В, ток одного сег­мента 3 — 20 мА, цвет свечения -красный или зеленый. Угол наблюдения сос­тавляет 150 — 160°. Долговечность до 10 000 ч. Эти индикаторы выпускаются также и в виде трех — пятиразрядных цифровых дисплеев.

Накальные вакуумные индикаторы. Эти индикаторы (как и индикаторы на СИД) легко сопрягаются с ТТЛ-схемами. Они имеют высокую яркость свече­ния, и их можно использовать при высоком уровне освещенности, вплоть до прямого солнечного света. Так как температура- нагрева вольфрамовых нитей-сегментов составляет примерно 1200°, они имеют высокую- долговечность (до 10 000 ч). Видимое излучение занимает очень широкий и непрерывный участок спектра; цвет свечения — соломенно-желтый. Применяя различные внешние цвет­ные светофильтры, можно получить практически любой цвет индикации. Их рабочее напряжение питания (в зависимости от типа) 2,5 — 7 В, рабочий ток на один сегмент (при номинальном напряжении) 18 — 36 мА.

Рис. 44. Структурная схема отсчетного устройства при статическом методе индикации

Основными недостатками этих индикаторов являются: инерционность (до 200 мс); большой ток потребления; выделение тепла.

Более подробно со всеми видами индикато­ров можно познакомиться в [11].

Варианты построения отсчетных устройств. Для управления цифровыми индикаторами при­меняют статический и динамический методы ин­дикации.

Статический метод характеризуется наличием постоянной индикации с непрерывным выводом информации в каждом разряде. На рис. 44 в качестве примера показана схема управления ин­дикаторами АЛС324Б с использованием стати­ческого метода индикации. Схема управления ра­ботает следующим образом. Число, записанное в двоично-десятичном коде, со счетчиком К155ИЕ2 поступает на входы соответствующих, дешифраторов КР514ИД2. Они преобразуют двоично-десятичный код числа в код индикаторов соответствующий набору сегментов, необходимых для высвечивания каких-либо¹ цифр на этих индикаторах.

Основным недостатком данного метода является необходимость использо­вания в каждом знаковом разряде полного комплекта элементов управления (преобразователей кодов). Этот метод целесообразно применять при числе зна­ковых разрядов не более четырех.

Одним из способов упрощения отсчетных устройств на схемотехническом уровне, т. е. сокращения числа корпусов ИС, а также количества межсхемных соединений, является применение динамических методов знаковой индикации. Принцип действия таких устройств заключается в стробоскопическом питании индикатора и замене пространственного разделения каналов при выводе ин­формации временным разделением [1.1]. На практике применяются два основ­ных метода динамической индикации: с параллельным опросом и с последова­тельным (поразрядным) опросом.

В отсчетных устройствах с поразрядным опросом индикация осуществля­ется последовательно, разряд за разрядом. Так как в каждый отдельный мо­мент времени светится только один разряд, скважность тока через индикатор определяется числом разрядов, т. е. скважность Q — n, где n — число индици­руемых разрядов. Для исключения заметного мигания частота зажигания каж­дого знакового разряда должна быть не менее 50 Гц. Тактовая частота F_t>. >n*50, где n — число знаковых разрядов.

Один из вариантов построения отсчетного устройства с параллельным оп­росом на газоразрядных индикаторах приведен на рис. 45. Импульсы с гене­ратора G1 частотой 1 — 10 кГц поступают на десятичный счетчик DDL С этого счетчика двоично-десятичный код (1-2-4-8) поступает на дешифратор DD2, а также на элементы сравнения DD3 — DDK, где К — число знаковых разрядов, На выходах DD2 поочередно формируется напряжение низкого уровня, пода­ваемое на соответствующие катоды индикаторов HG1 — HGN (число индика­торов не более десяти). На другие входы схем сравнения DD3 — DDN пода­ется двоично-десятичный код со счетных декад.

В моменты времени, когда содержимое счетчика DD1 совпадает с содер­жимым одной или нескольких счетных декад, на выходе соответствующих схем сравнения формируются сигналы, которые через усилители-формирователи-. DA1 — DAN подаются на аноды ламп HG1 — HGN. В течение каждой серии из десяти импульсов генератора высветится, по крайней мере, одна из цифр в каждом цифровом индикаторе HG1 — HGN.

Недостаток данного метода — возможность перегрузки дешифратора DD2 в случае одновременного высвечивания одной и той же цифры на всех индика­торах (например, ноля).

Вариант отсчетного устройства с поразрядным опросом на газоразрядных индикаторах приведен на рис. 46. Это устройство содержит: генератор такто­вых импульсов G1; двоичный счетчик DD1, коэффициент пересчета которого равен числу знаковых разрядов; четыре селектора-мультиплексора на iV кана­лов DD2 — DD5, где N — число знаковых разрядов; десятичный дешифратор-DD6 управления катодами; десятичный дешифратор DD7 состояния счетчика. DD1, газоразрядные индикаторы HG1 — HGN.