Ta strona używa ciasteczek (plików cookies), dzięki którym może działać lepiej. Dowiedz się więcejRozumiem i akceptuję

Technika cyfrowa – #7 – sterowanie wyświetlaczem 7-seg.

Elektronika 29.11.2016 Futrzaczek

kurstc_miniaturka_7Przedostatni artykuł dotyczący podstaw techniki cyfrowej będzie poświęcony układom scalonym, które we wnętrzu posiadają różne połączenia, omówionych wcześniej, funktorów logicznych.

Takie układy, w przeciwieństwie do pojedynczych bramek, są przeznaczone do wykonywania ściśle określonych zadań. Tym razem sprawdzimy jak w praktyce działa sterownik wyświetlacza.

Nawigacja serii artykułów:
« poprzednia częśćnastępna część »

Kup zestaw elementów i zacznij naukę w praktyce! Przejdź do strony dystrybutora »

Specjalizowanych układów cyfrowych jest na rynku bardzo dużo. Śmiało można stwierdzić, że są ich tysiące. Przeglądając oferty sklepów elektronicznych zobaczymy, że układów podstawowych (zawierających same bramki) jest wielokrotnie mniej.

Na tym samym kawałeczku krzemu można umieścić kilka bramek, jak i całe tysiące. Dzięki temu koszt pojedynczej bramki staje się znacznie niższy. Co więcej, układ z takim „skomplikowanym” wnętrzem może realizować samodzielnie bardziej rozbudowane zadania. Producenci układów scalonych wychodzą naprzeciw oczekiwaniom konstrukotrów i dostarczają układy dedykowane do bardzo różnych zastosowań.

Współczesna elektronika dąży do miniaturyzacji. Integrowanie całych systemów
w jednym układzie scalonym, to jeden z głównych kierunków tego trendu.

Przykładów układów scalonych realizujących konkretne zdania jest mnóstwo, są to m.in.:

  • kości pamięci,
  • sterowniki wyświetlaczy,
  • konwertery (np. USB ⇔ port szeregowy),
  • i wiele, wiele innych.

W tym artykule zostanie omówiony jeden z bardziej przydatnych układów – licznik ze sterownikiem wyświetlacza siedmiosegmentowego. Nosi on oznaczenie CD4026. Jednak najpierw kilka słów o samych wyświetlaczach.

Zestaw elementów do przeprowadzenia wszystkich ćwiczeń

Gwarancja pomocy na forum dla osób, które kupią poniższy zestaw!

Części pozwalające wykonać ćwiczenia z kursu techniki cyfrowej dostępne są w formie gotowych zestawów! W komplecie m.in. niezbędne układy scalone CMOS, przewody połączeniowe, diody, buzzer, kontaktron, wyświetlacz 7-segmentowy oraz znacznie więcej!


Kup w Botlandzie »

Wyświetlacze siedmiosegmentowe

Na pewno je znasz – są montowane głównie w zegarach i cyfrowych multimetrach. Nazwa pochodzi od siedmiu kresek, z których można zbudować znak. Najczęściej wyświetlają cyfry, ale mogą to być również niektóre litery.

Opis segmentów wyświetlacza.

Opis segmentów wyświetlacza.

Wyświetlenie określonego znaku polega na załączeniu odpowiednich segmentów. Przykładowo cyfra 1 wymaga załączenia segmentów B i C, a cyfra 2 segmentów A, B, D, E, G.

7seg_przyklady

Każdy segment zawiera diodę (LED). Jednak wyprowadzenie każdej z nich oddzielnie wymagałoby użycia aż 14 nóżek (z kropką – 16). Dlatego producenci łączą diody wewnątrz wyświetlacza. Schemat wewnętrzny wyświetlacza OPD-S5621UPG-BW, który jest dołączony do zestawu:

Schemat wewnętrzny wyświetlacza 7-segmentowego.

Schemat wewnętrzny wyświetlacza 7-segmentowego.

Wszystkie katody zostały połączone razem, do jednej nóżki. Właśnie tak jest zbudowany wyświetlacz ze wspólna katodą. Analogicznie, po połączeniu anod, powstałby wyświetlacz ze wspólną anodą.

Konfiguracja wyświetlacza (wspólna anoda/wspólna katoda) nie jest możliwa
do rozróżnienia na podstawie oględzin wzrokowych. Trzeba zajrzeć do
noty katalogowej (lub wykonać test w praktyce).

Nieznany wyświetlacz można zidentyfikować również poprzez zasilanie każdej pary nóżek niskim napięciem. Trzeba przy tym pamiętać o dodaniu rezystora (np. 1 kΩ) w szereg. Ta metoda jest jednak czasochłonna, więc warto korzystać z kart katalogowych.


Co nam daje takie połączenie? Po pierwsze, redukuje liczbę wymaganych nóżek z 16 do zaledwie 9 (7 segmentów + kropka + wyprowadzenie wspólne). Po drugie, umożliwia włączanie i wyłączanie całej cyfry poprzez sterowanie tylko jedną, wspólną nóżką.

Wyświetlacze LCD są sterowane zupełnie inaczej niż LED, nie będą tutaj omawiane.

Scalony sterownik wyświetlacza – CD4026

Wyglądem nie różni się od innych układów scalonych, które były już stosowane w tym kursie.

cd4026

Układ CD4026.

Jednak w tej małej obudowie kryje się znacznie więcej, niż w dotychczas omawianych kostkach. Oto schemat logiczny jego wnętrza:

Schemat wewnętrzny układu CD4026

Schemat wewnętrzny układu CD4026.

Robi wrażenie! Samodzielne zbudowanie takiego układu, z użyciem pojedynczych bramek, byłoby bardzo trudne. Jego rozmiary również byłyby imponujące. Mnóstwo bramek i połączeń między nimi.

Prostokątne bloczki po lewej stronie to przerzutniki. Pełnią rolę elementów pamiętających. Bazują na tej samej zasadzie działania, którą sprawdzaliśmy w poprzednim artykule. Różnią się kilkoma dodatkowymi funkcjami, których na razie nie będziemy omawiać.

Rozkład wyprowadzeń tego układu scalonego też jest bardziej złożony:

Wyprowadzenia układu CD2026.

Wyprowadzenia układu CD4026.

Tym razem każda z nóżek ma określone zadanie:

1clock – Wejście sygnału zegarowego. Należy na nie podać sygnał prostokątny – z przycisku, generatora lub z innego układu cyfrowego. Jeżeli wszystkie pozostałe warunki są spełnione, to przy zboczu narastającym, czyli w momencie zmiany stanu z 0 na 1, zostanie naliczony jeden impuls.

2clock inhibit – Blokada wejścia zegarowego. Jeżeli na to wejście zostanie podany logiczny stan 1, układ przestaje reagować na sygnał zegarowy. Poprzednia wartość zostaje zapamiętana i jest cały czas wyświetlana. Jeżeli stan tego wejścia wyniesie 0, układ wraca do zliczania.

3display enable in – Załączenie wyświetlacza. Podanie logicznego 0 powoduje natychmiastowe wygaszenie wyświetlacza. Stan 1 go załącza. Wartość odliczona jest cały czas przechowywana, możliwe też jest dalsze zliczanie przy wygaszonym wyświetlaczu.

4display enable out – Sygnał wyłączenia wyświetlacza. Stan logiczny tego wyjścia odpowiada nóżce 3. Może służyć do rozprowadzenia tego sygnału do innych układów.

5carry out – Wyjście przeniesienia. Jego stan logiczny wynosi 1, jeżeli odliczona wartość jest w zakresie od 0 do 4 oraz 0, jeżeli ta wartość jest w przedziale od 5 do 9. Po przepełnieniu się licznika, czyli kiedy jego stan przejdzie z 9 na 0, zostaje w ten sposób wytworzone zbocze narastające. Może ono posłużyć do wysterowania wejścia clock następnego CD4026.

Częstotliwość sygnału na tym wyjściu jest 10x mniejsza niż na wejściu clock.

6, 7, 9-13 – Wyjścia segmentów. Załączeniu segmentu odpowiada stan 1, co oznacza, że trzeba użyć wyświetlacza ze wspólną katodą. W szereg z każdym segmentem trzeba włączyć rezystor ograniczający prąd.

8, 16 – Zasilanie. Nóżka 8 to zacisk ujemny (-), a 16 dodatni (+) źródła zasilania.

14ungated „c” – Niebuforowane wyjście segmentu C. Wykorzystywane w bardzo specyficznych przypadkach. Najczęściej pozostawia się je niewykorzystane.

15reset – Wejście zerujące. Podanie stanu wysokiego wymusza powrót licznika do stanu 0, niezależnie od wszystkich innych wejść.

Podczas normalnej pracy należy utrzymywać na nim stan niski.

Sterownik wyświetlacza w praktyce

Pora przejść do sprawdzenia, jak układ CD4026 spisze się na naszej płytce stykowej. Można wykonać na nim np. licznik gości. Każde otwarcie drzwi (czyli rozwarcie przycisku) spowoduje zwiększenie wyświetlanej liczby o 1. Dodamy również przycisk zerujący układ.

Wykonane tutaj urządzenie będzie mogło odliczyć tylko 9 osób, ale bez większego problemu można go rozbudować do 99, 999 itd. Wystarczy zwiększyć liczbę wyświetlaczy i ich sterowników. Nie będzie to jednak wygodne na płytce stykowej, dlatego tym razem ograniczymy się do „9 osób”.

Schemat ideowy:

Schemat układu "licznika gości".

Schemat układu „licznika gości”.

Części, które będą potrzebne do jego realizacji:

  • płytka stykowa i przewody połączeniowe,
  • koszyk baterii 4xAA z bateriami,
  • układ CD4026,
  • wyświetlacz OPD-S5621UPG-BW,
  • 7 rezystorów 3,3kΩ,
  • 3 rezystory 10kΩ,
  • 3 kondensatory 100nF,
  • 2 przyciski.

Połączeń między układem scalonym, a wyświetlaczem jest sporo, dlatego należy dokładnie przemyśleć montaż. Przykładowy możliwy wygląd złożonego układu widoczny jest poniżej. Zwróć uwagę, że układ scalony został obrócony wycięciem na obudowie w prawą stronę.

Złożony układ sterownika wyświetlacza 7-segmentowego.

Złożony układ sterownika wyświetlacza 7-segmentowego.

Aby nikt nie miał wątpliwości, co do poszczególnych połączeń, dodatkowo zamieszczamy zdjęcia z dwoma wyciągniętymi elementami:

Producent użytego wyświetlacza deklaruje, że katody znajdują się na nogach 3 i 8. Oznacza to, że którekolwiek z tych wyprowadzeń należy podłączyć do masy, by wyświetlacz działał. Praktyka wykazuje, że to niekoniecznie musi być prawda. Zdarza się, że jedno z takich zwielokrotnionych wyprowadzeń jest w ogóle niepodłączone.

Dlatego warto podłączyć do masy
obydwa wyprowadzenia i nie przejmować się tym problemem.

Po zmontowaniu całego układu, włącz zasilanie i obserwuj wyświetlacz. Jaka cyfra się na nim pojawiła? W jakim momencie następuje zwiększenie wyświetlanej wartości – przy wciśnięciu S2, czy po jego zwolnieniu? Podziel się swoimi spostrzeżeniami w komentarzu!

Kolejne wskazania na wyświetlaczu:

Wciśnięcie przycisku S1 podnosi potencjał nóżki RESET do ok. +6V, co układ scalony interpretuje jako logiczną 1. Wyzerowanie następuje niezależnie od aktualnie zapamiętanej wartości.

Z kolei, wciśnięcie S2 obniża potencjał nóżki CLOCK i rozładowuje kondensator C1 poprzez rezystor R10, co generuje zbocze opadające. Dopiero jego zwolnienie pozwala naładować kondensator C1 (przez szeregowo połączone R9 i R10), więc powstaje zbocze narastające. Właśnie dlatego układ zwiększa wartość licznika tylko po zwolnieniu przycisku.

Elementy otaczające przycisk S2 tworzą filtr, który niweluje skutki drgania styków. Więcej na ten temat zostało opisane w części #3 kursu elektroniki II. Bez niego, układ działałby chaotycznie – zamiast doliczyć jedną osobę, doliczałby znacznie więcej. Możesz się o tym łatwo przekonać, wystarczy wyjąć kondensator C1. Jaka jest teraz reakcja układu na przycisk?


Aby układ mógł faktycznie spełniać rolę licznika osób wchodzących do pomieszczenia konieczne jest zastąpienie przycisku odpowiednim czujnikiem. Najlepiej skorzystać tutaj z kontaktronu, który był opisany w kursie podstaw elektroniki. Tym razem wygodniej będzie użyć czujnika w obudowie:

Licznik z podłączonym kontaktronem.

Licznik z podłączonym kontaktronem.

Zastosowana obudowa ułatwia montaż czujnika na drzwiach oraz oknach:

Praktyczne wykorzystanie kontaktronu.

Praktyczne wykorzystanie czujnika.

Zadanie dodatkowe

W ramach zadania dodatkowego warto sprawdzić działanie wszystkich funkcji, które oferuje nam omawiany licznik. Między innymi można:

  • dodać przycisk wyłączający chwilowo wyświetlanie cyfry,
  • dodać przycisk wyłączający zliczanie nowych wartości,
  • dodać diodę sygnalizującą stan wyjścia carry out.

Podsumowanie

W tej części kursu techniki cyfrowej pokazałem jeden z układów, na których bazuje współczesna elektronika. Nie są to pojedyncze bramki, lecz całe zespoły bramek i innych elementów.

Nie oznacza to, że cała dotychczasowa nauka poszła w las, wręcz przeciwnie! Bez znajomości podstaw, zrozumienie układów specjalizowanych byłoby bardzo trudne. W następnym artykule podsumujemy cały kurs oraz zastanowimy się wspólnie, w którą stronę warto dalej iść, aby jeszcze lepiej poznać układy cyfrowe w praktyce.

 

Kup zestaw elementów i zacznij naukę w praktyce! Przejdź do strony dystrybutora »

Autor kursu: Michał Kurzela
Ilustracje: Piotr Adamczyk
Redakcja: Damian Szymański

Powiadomienia o nowych, darmowych artykułach!

Komentarze

NeghMC

21:57, 23.12.2016

#1

To dziwne ale po podłączeniu układu do zasilania pojawia mi się losowa cyfra. Dodam że miałem tylko wyświetlacz ze wspólną anodą i musiałem użyć bramek odwracających. Wszystko działa, tylko dlaczego pojawia mi się ta losowa liczba? To wina bramek, czy układu 4026?

Treker
Administrator

13:28, 28.12.2016

#2

NeghMC, jeśli wszystko jest odpowiednio podłączone, to nie masz czym się przejmować. Podczas startu w układzie pojawiają się stany nieustalone, co może prowadzić do takich zachowań. Rozwiązaniem jest ręczny reset po starcie, albo dodanie kilku elementów, które samoczynnie będę resetować układ w momencie podłączenia zasilania.

NeghMC

14:26, 28.12.2016

#3

Wszystko jasne, dziękuję :D

leepa79

21:42, 21.01.2017

#4

Tutaj pobawiłem się dłużej. Mam kilka typów wyświetlaczy i fajnie było korzystać z not żeby coś złożyć

Tu np. mam wyświetlacz fys 3611ae 21. Nie wiem co prawda gdzie w tym wypadku wcisnąć kondensatory C2 i C3, ale działa bez tego (podobnie miałem na poprzedniej lekcji).

Tu zadanie dodatkowe - 1 - przycisk wyłączający zliczanie nowych wartości (aż się prosi o zastosowanie bramki not); 2 - przycisk zliczający nowe wartości; 3 - zerowanie wartości; 4 - przycisk wyłączający wyświetlacz; 5 - diody sygnalizujące stan wyjścia carry out - czerwona stan od 0 - 4, żółta 5 - 9.

Treker
Administrator

22:12, 21.01.2017

#5

leepa79, super, dobra robota :)

Xses

14:25, 19.07.2017

#6

Oto moje zadanie dodatkowe:

Element P włącza się tylko gdy wyświetlana jest cyfra 9.

Treker
Administrator

15:50, 19.07.2017

#7

Xses, ładna plątanina kabli! Rozumiem, że działa, więc gratuluję złożenia tak zawiłego układu :)

Zobacz powyższe komentarze na forum

FORBOT Damian Szymański © 2006 - 2017 Zakaz kopiowania treści oraz grafik bez zgody autora. vPRsLH.