Управление семисегментным индикатором. Семисегментный дешифратор Отчет о лабораторной работе

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.

Для отображения десятичных и шестнадцатеричных цифр часто используется семисегментный индикатор. Внешний вид семисегментного индикатора и обозначение его сегментов приведено на рисунке 6.11.

Рисунок 6.11 – Внешний вид семисегментного индикатора и название его сегментов

Для отображения 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 двоичных кодов, позволяющих сформировать изображения цифр (и некоторых букв) получили название семисегментного кода.

Составим таблицу истинности дешифратора, который позволит преобразовывать двоичный (а точнее двоично-десятичный) код в семисегментный. Пусть сегменты индикатора зажигаются нулевым потенциалом. Тогда таблица истинности семисегментного дешифратора примет вид, приведенный в таблице 6.4. Конкретное значение сигналов на выходе дешифратора зависит от схемы подключения сегментов индикатора к выходу микросхемы. Эти схемы будут рассмотрены позднее, в главе, посвящённой отображению различных видов информации.

Таблица 6.4 – Таблица истинности семисегментного декодера.

	Входы	Выходы
№ комбинации					a	b	c	d	e	f	g

В соответствии с принципами построения схемы по произвольной таблице истинности реализуем принципиальную схему семисегментного декодера, работающую в соответствии с таблицей истинности, записанной в таблице 6.4. На этот раз не будем подробно расписывать процесс разработки схемы. Для проверки того, как вы разобрались в алгоритме разработки цифровых схем, попробуйте самостоятельно получить эту схему. Полученная в результате такого синтеза принципиальная схема семисегментного дешифратора приведена на рисунке 6.12.

Для облегчения понимания принципов работы приведённой на рисунке 6.12 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 соответствующих 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 6.12 – Принципиальная схема семисегментного дешифратора

В настоящее время семисегментные дешифраторы выпускаются в виде отдельных микросхем или используются в виде готовых блоков в составе других микросхем. Условно-графическое обозначение микросхемы семисегментного дешифратора приведено на рисунке 6.13.

Рисунок 6.13 – Условно-графическое обозначение семисегментного дешифратора

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

Шифраторы

Достаточно часто перед разработчиками цифровой аппаратуры встаёт задача, обратная той, что решают дешифраторы. Например, требуется преобразовать восьмеричный или десятичный линейный код в двоичный. Линейный восьмеричный код может поступать, например, с выхода механического переключателя. Составим таблицу истинности подобного устройства.

Таблица 6.5 – Таблица истинности восьмеричного кодера.

	Входы	Выходы
№ комбинации

Ещё одним источником линейного восьмеричного кода могут стать аналоговые компараторы с различными порогами срабатывания. Такая линейка компараторов используется в составе параллельного аналого-цифрового преобразователя для преобразования аналогового сигнала в цифровой код. Двоичный код более компактен и удобен для последующей обработки. Поэтому требуется преобразователь линейного кода в двоичный. Таблица истинности такого устройства несколько отличается от таблицы, приведённой в таблице 6.5. Таблица истинности кодера параллельного аналого-цифрового преобразователя приведена в таблице 6.6.

Таблица 6.6 – Таблица истинности кодера параллельного аналого-цифрового преобразователя.

	Входы	Выходы
№ комбинации

Таблицы истинности двух рассмотренных устройств можно объединить. В этом случае ячейки таблицы, для которых неважно, будет ли в них записан ноль или единица, помечены символом "X".

Таблица 6.7 – Таблица истинности восьмеричного

универсального кодера.

	Входы	Выходы
№ комбинации								A2	A1	A0
	X
	X	X
	X	X	X
	X	X	X	X
	X	X	X	X	X
	X	X	X	X	X	X

Теперь можно составить схему устройства. То, что практически во всех строках есть неопределённые значения, позволяет значительно упростить схему восьмеричного кодера.

Наиболее простое решение получается для старшего разряда. Здесь можно обойтись схемой логического элемента “4ИЛИ”. Для получения единичного сигнала в выходном сигнале ‘2’ в 6 и 7 строках таблицы истинности достаточно объединить входные сигналы ‘7’ и ‘6’. Точно также добавляются строки 2 и 3, однако здесь уже потребуется дешифрация входных сигналов 2, 3, 4 и 5. Результирующая принципиальная схема восьмеричного кодера приведена на рисунке 6.15.

Рисунок 6.14 – Принципиальная схема восьмеричного кодера

В настоящее время шифраторы (кодеры) выпускаются в виде отдельных микросхем или используются в виде готовых блоков составе других микросхем, таких как параллельные АЦП. Условно-графическое обозначение шифратора приведено на рисунке 6.15.

В качестве примера интегрального исполнения шифраторов можно назвать такие микросхемы отечественного производства как К555ИВ1 (восьмеричный шифратор) и К555ИВ3 (десятичный шифратор).

Рисунок 6.15 – Условно-графическое обозначение восьмеричного шифратора

Мультиплексоры

Мультиплексорами называются устройства, которые позволяют подключать несколько выходов к одному входу. Иными словами, мультиплексор – это коммутатор, у которого есть несколько входов и один выход. В простейшем случае такую коммутацию можно осуществить при помощи ключей с электронным управлением:

Рисунок 6.16 – Коммутатор (мультиплексор), собранный на ключах

Такой коммутатор одинаково хорошо будет работать как с аналоговыми, так и с цифровыми сигналами. Однако скорость работы механических ключей оставляет желать лучшего, да и управлять ключами часто приходится автоматически при помощи какой-либо схемы.

В цифровых схемах требуется управлять ключами при помощи логических уровней. Поэтому желательно подобрать устройство, которое могло бы выполнять функции электронного ключа с электронным управлением цифровым сигналом.

Декодеры позволяют преобразовывать одни виды двоичных кодов в другие. Например, преобразовывать двоичный код в линейный восьмеричный или шестнадцатеричный. Преобразование производится по правилам, описанным в таблицах истинности, поэтому построение не представляет трудностей. Для построения дешифратора можно воспользоваться правилами .

Десятичный декодер

Рассмотрим пример разработки декодера двоичного кода в десятичный. Десятичный код обычно отображается одним битом на одну десятичную цифру. Это классический пример, иллюстрирующий, что нулями и единицами описываются не только двоичные коды. В десятичном коде десять цифр, поэтому для отображения одного десятичного разряда требуется десять выходов дешифратора. Около каждого разряда десятичного кода может быть подписана десятичная цифра, которую представляет логическая единица в этом разряде. Сигнал с этих выводов дешифратора можно подать на . В простейшем случае над светодиодом можно просто подписать индицируемую цифру. В более сложных вариантах индикатор можно выполнить в виде десятичной цифры.

На входе дешифратора двоичный код записывается в соответствии с правилами . Таблица истинности десятичного декодера приведена в таблице 1.

Таблица 1. Таблица истинности десятичного декодера.

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

В соответствии с принципами построения схемы по произвольной таблице истинности получим схему декодера, реализующего таблицу истинности, приведённую в таблице 1. Его схема приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Принципиальная схема двоично-десятичного декодера

Как видно на этой схеме, для реализации каждой строки таблицы истинности (минтерма) потребовался логический элемент "4И". Логический элемент "ИЛИ", необходимый для реализации СДНФ, не потребовался, так как в таблице истинности на каждом выходе (столбце) присутствует только одна логическая единица.

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

Рисунок 2. десятичного декодера

Точно таким же образом можно получить принципиальную схему и для любого другого декодера. Наиболее распространены схемы восьмеричных и шестнадцатеричных декодеров. Для применения в схемах индикации в настоящее время они практически не используются. В основном такие, или более сложные (с большим количеством выходов) декодены используются как составная часть более сложных цифровых модулей.

Семисегментный декодер

Для отображения десятичных и шестнадцатеричных цифр часто используется . Внешний вид семисегментного индикатора и название его сегментов приведено на рисунке 3.

Рисунок 3. Внешний вид семисегментного индикатора и название его сегментов

Для отображения на таком индикаторе цифры 0 достаточно зажечь сегменты a, b, c, d, e, f. Для отображения цифры "1" зажигают сегменты b и c. Точно таким же образом можно получить изображения всех остальных десятичных или шестнадцатеричных цифр. Все комбинации двоичных бит, необходимых для получения их 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 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 2. Таблица истинности семисегментного декодера.

Входы				Выходы
8	4	2	1	a	b	c	d	e	f	g
0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1
0	0	0	1	1	0	0	1	1	1	1
0	0	1	0	0	0	1	0	0	1	0
0	0	1	1	0	0	0	0	1	1	0
0	1	0	0	1	0	0	1	1	0	0
0	1	0	1	0	1	0	0	1	0	0
0	1	1	0	0	1	0	0	0	0	0
0	1	1	1	0	0	0	1	1	1	1
1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
1	0	0	1	0	0	0	0	1	0	0

В соответствии с принципами построения схемы по произвольной таблицы истинности, получим принципиальную схему семисегментного декодера, реализующего таблицу истинности, приведённую в таблице 2. На этот раз не будем подробно расписывать процесс разработки схемы. Полученная принципиальная схема семисегментного декодера приведена на рисунке 4.

Рисунок 4. Принципиальная схема семисегментного 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 5.

Рисунок 5. Условно-графическое обозначение семисегментного декодера

В качестве примера промышленного производства семисегментных декодеров можно назвать такие микросхемы отечественного производства как К176ИД3. В современных цифровых схемах семисегментные дешифраторы обычно входят в состав больших интегральных схем (ПЛИС или FPGA) или реализуются программно.

Литература:

Вместе со статьей "Дешифраторы (декодеры)" читают:

Законы алгебры логики позволяют преобразовывать логические функции. Логические функции преобразуются с целью их упрощения, а это ведет к упрощению цифровой схемы...
http://сайт/digital/AlgLog.php

Для реализации цифровых логических схем с произвольной таблицей истинности используется сочетание простейших логических элементов. Существует два способа синтеза цифровых схем, реализующих произвольную таблицу истинности...
http://сайт/digital/SintSxem.php

Достаточно часто перед разработчиками цифровой аппаратуры встаёт обратная задача. Требуется преобразовать восьмиричный или десятичный линейный код в...
http://сайт/digital/Coder.php

Мультиплексорами называются устройства, которые позволяют подключать несколько входов к одному выходу...
http://сайт/digital/MS.php

Демультиплексорами называются устройства... Существенным отличием от мультиплексора является...
http://сайт/digital/DMS.php

3.5 Семи сегментный дешифратор

Для отображения десятичных и шестнадцатеричных цифр часто используется семи сегментный индикатор. Его изображение и название сегментов приведено на рис. 3.1. Сегменты представляют собой светоизлучающие элементы, например, светодиоды.

Рисунок 3.1 Семи сегментный

индикатор, (а). Изображение и название его сегментов, (б)

Для отображения на индикаторе цифры 0 достаточно зажечь сегменты a , b , c , d , e , f . Для получения цифры 1 – сегменты b и c . Точно таким же образом можно получить изображения всех остальных десятичных или шестнадцатеричных цифр. Комбинации таких изображений получили название семи сегментного кода.

Для управления работой индикатора используются дешифраторы, которые преобразуют двоичный код в семи сегментный (рис. 3.2). В таблице истинности семи сегментного дешифратора (табл. 3.1) включение сегментов предполагает наличие уровня логической единицы.

Таблица истинности семи сегментного дешифратора Таблица 3.1

A 3	A 2	A 1	A 0	a	b	c	d	e	f	g

Например, на выходе c дешифратора логический ноль появится только при подаче на вход комбинации двоичных сигналов 0010 2 = 2 10 . В качестве примера семи сегментного дешифратора можно назвать микросхему К176ИД3.

В современных цифровых схемах семи сегментные дешифраторы обычно входят в состав больших интегральных схем.

Рис. 3.2 Условно-графическое обозначение

семи сегментного дешифратора DC (4-7)

Матричный индикатор

Матричный индикатор - матрица размерностью 5 ´ 7 = 35 ячеек (табл.3.2). С помощью матричного индикатора и дешифратора можно любому символу (букве, знаку препинания, цифре и т.д.) поставить в соответствие двоичный код. Внешний вид матричного индикатора представлен на рис. 3.3.

Таблица кодов Таблица 3.2

Рис. 3.3 Внешний вид матричных индикаторов, (а, б)

и таблица кодов ячеек индикатора, (в).

Пример. На матричном индикаторе отобразить букву «Р».

Для этого на соответствующие сегменты (табл. 3.3) нужно подать с дешифратора сигналы логической единицы.

Каждому символу, который может отображаться индикатором, поставлены в соответствие наборы из 35 признаков. Их номера для буквы «Р» приведены в табл. 3.3.

Если признак соответствует данной букве, то в ячейке ставится «1» и т.д. до заполнения всей таблицы.

Таблица признаков Таблица 3.3

Индикаторы для диспетчерских щитов

На рис. 3.4…3.8 изображены индикаторы рабочих мест диспетчеров.

Рис. 3.4 Матричные индикаторы

Рис. 3.5 Диспетчерский щит и рабочее место диспетчера энергетической системы

Рис. 3.6 Фрагмент мнемосхемы энергетической системы

Рис. 3.7 Фрагмент мнемосхемы энергетической системы

Рис. 3.8 Элемент мнемосхемы