Kursy • Poradniki • Inspirujące DIY • Forum
Przedostatni 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.
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.:
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.
Komplet elementów Gwarancja pomocy Wysyłka w 24h
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!
Zamów w Botland.com.pl »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.
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.
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.
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.
Wyglądem nie różni się od innych układów scalonych, które były już stosowane w tym kursie.
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.
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 CD4026.
Tym razem każda z nóżek ma określone zadanie:
1 - clock - 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.
2 - clock 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.
3 - display 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.
4 - display enable out - Sygnał wyłączenia wyświetlacza. Stan logiczny tego wyjścia odpowiada nóżce 3. Może służyć do rozprowadzenia tego sygnału do innych układów.
5 - carry 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.
14 - ungated "c" - Niebuforowane wyjście segmentu C. Wykorzystywane w bardzo specyficznych przypadkach. Najczęściej pozostawia się je niewykorzystane.
15 - reset - 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.
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".
Części, które będą potrzebne do jego realizacji:
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.
Uwaga! Na poniższych zdjęciach zabrakło jednego połączenia: pin numer 8 układu CD4026 powinien być podłączony do masy (tak jak jest to narysowane na schemacie)!
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.
Zastosowana obudowa ułatwia montaż czujnika na drzwiach oraz oknach:
Praktyczne wykorzystanie czujnika.
W ramach zadania dodatkowego warto sprawdzić działanie wszystkich funkcji, które oferuje nam omawiany licznik. Między innymi można:
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.
Autor kursu: Michał Kurzela
Ilustracje: Piotr Adamczyk
Redakcja: Damian Szymański
Przeczytaj powiązane artykuły oraz aktualnie popularne wpisy lub losuj inny artykuł »
CD4026, CMOS, kurs, kursTechnikaCyfrowa, licznik
Dołącz do 20 tysięcy osób, które otrzymują powiadomienia o nowych artykułach! Zapisz się, a otrzymasz PDF-y ze ściągami (m.in. na temat mocy, tranzystorów, diod i schematów) oraz listę inspirujących DIY z Arduino i RPi.
Trwa ładowanie komentarzy...