Разработка схемы трехразрядного семисегментного индикатора с динамическим управлением

Наглядный пример тому, как всё сложно запутанно в определении приоритетов научно-исследовательских работ, это микросхемы КМОП и их появление на рынке. Дело в том, что полевой эффект, который лежит в основе МОП-структуры был открыт ещё в конце 20-х годов прошлого века, но радиотехника тогда переживала бум вакуумных приборов (радиоламп) и эффекты, обнаруженные в кристаллических структурах, были признаны бесперспективными.

Затем в 40-е годы практически заново был открыт биполярный транзистор, а уже потом, когда дальнейшие исследования и усовершенствования биполярных транзисторов показали, что это направление ведёт в тупик, учёные вспомнили про полевой эффект.

Так появился МОП-транзистор, а позднее КМОП-микросхемы. Буква К в начале аббревиатуры означает комплементарный, то есть дополняющий. На практике это означает, что в микросхемах применяются пары транзисторов с абсолютно одинаковыми параметрами, но один транзистор имеет затвор n-типа, а другой транзистор имеет затвор p-типа. На зарубежный манер микросхемы КМОП называют CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Также применяются сокращения КМДП, К-МОП.

Среди обычных транзисторов примером комплементарной пары являются транзисторы КТ315 и КТ361.

Сначала на рынке радиоэлектронных компонентов появилась серия К176 основанная на полевых транзисторах, и, как дальнейшее развитие этой серии, была разработана ставшая очень популярной серия К561. Эта серия включает в себя большое количество логических микросхем.

Поскольку полевые транзисторы не так критичны к напряжению питания, как биполярные, эта серия питается напряжением от +3 до +15V. Это позволяет широко использовать эту серию в различных устройствах, в том числе и с батарейным питанием. Кроме того, устройства собранные на микросхемах серии К561, потребляют очень маленький ток. Да и не мудрено, ведь основу КМОП-микросхем составляет полевой МДП-транзистор.

Например, микросхема К561ТР2 содержит четыре RS-триггера и потребляет ток 0,14 mA, а аналогичная микросхема серии К155 потребляла минимум 10 – 12 mA. Микросхемы на КМОП структурах обладают очень большим входным сопротивлением, которое может достигать 100 МОм и более, поэтому их нагрузочная способность достаточно велика. К выходу одной микросхемы можно подключить входы 10 – 30 микросхем. У микросхем ТТЛ такая нагрузка вызвала бы перегрев и выход из строя.

Поэтому конструирование узлов на микросхемах с применением КМОП транзисторов позволяет применять более простые схемные решения, чем при использовании микросхем ТТЛ.

За рубежом наиболее распространённый аналог серии К561 маркируется как CD4000. Например, микросхеме К561ЛА7 соответствует зарубежная CD4011.

Используя микросхемы серии К561, не следует забывать о некоторых нюансах их эксплуатации. Следует помнить, что хотя микросхемы работоспособны в большом диапазоне напряжений, при снижении напряжения питания падает помехоустойчивость, а импульс слегка «расползается». То есть чем напряжение питания ближе к максимуму, тем круче фронты импульсов.

При всех положительных качествах интегральных микросхем серии К561 у них, конечно, есть и недостатки. Во-первых, по максимальной рабочей частоте КМОП микросхемы заметно уступают микросхемам с другой логикой и работающей на биполярных транзисторах.

Частота, на которой уверенно работает серия К561, не превышает 1 МГц. Для согласования микросхем основанных на МОП структурах с другими сериями, например, ТТЛ, применяются преобразователи уровня К561ПУ4, К561ЛН2 и другие. Эти микросхемы также синхронизируют быстродействие, которое у разных серий может отличаться.

Но самый большой недостаток микросхем на комплементарных МОП структурах, это сильнейшая чувствительность микросхемы к статическому электричеству. Поэтому на заводах и лабораториях оборудуются специальные рабочие места. На столе все работы производятся на металлическом листе, который подключён к общей шине заземления. К этой шине подключается и корпус паяльника, и  металлический браслет, одеваемый на руку работнику.

Некоторые микросхемы поступают в продажу упакованные в фольгу, которая закорачивает все выводы между собой. При работе в домашних условиях также необходимо найти возможность для стекания статического заряда хотя бы на трубу отопления. При монтаже первыми распаиваются выводы питания, а уже затем все остальные.

Промышленность выпускает широкий ассортимент логических микросхем, использующих структуры металл-окисел-полупроводник (МОП или КМОП).На их основе выполнены такие распространенные серии, как К176 (CD4000), К561 (CD4000A), КР1561 (CD4000B), 564 и 1564 — в скобках указаны импортные аналогичные серии. Эти микросхемы отличаются очень малым потреблением тока в статическом режиме — 0,1... 100 мкА, высокой надежностью и помехоустойчивостью.

Отличительная особенность серии КР1561 от К561 — наличие буферных элементов на входах и выходах, в результате чего все микросхемы серии имеют примерно одинаковые выходные характеристики. Кроме того, микросхемы КР1561 защищены от перегрузок как по входу, так и по выходу (в выходные цепи добавлены токоограничительные резисторы), но некоторые из элементов данной серии имеют меньший допустимый диапазон питающего напряжения.

Логика работы микросхем с идентичными буквенно-цифровыми обозначениями после номера серии у К176, К561, КР1561, 564 и 1564 одинакова.

Серии 564 и 1564 выпускаются с планарным расположением выводов и отличаются от остальных серий МОП микросхем меньшими размерами корпуса и повышенной радиационной стойкостью (используются военными).

Питание микросхем может находиться в широком диапазоне: для серии К176 от 5 до 12 В (номинальное напряжение 9 В); для серий К561, 564 +3...15 В, для 1554+2...6 В.

Диапазон допустимой окружающей температуры для микросхем серии К176 от -10 до +70 °С; К561 и КР1561 от -45 до +85 °С; 564 от -60 до +125 °С, 1564 и 1554 от -60 до +125 °С. Фактически микросхемы сохраняют работоспособность в более широком диапазоне, но разработчики не гарантируют в этом случае их паспортные параметры.

Большинство МОП микросхем применяются на частотах до 1 МГц, а некоторые элементы серии, например К561ЛН2, К561ТМ2, могут работать на частотах до 4 МГц. При использовании микросхем на предельно допустимой частоте питание должно быть также максимальным (обеспечивается более крутой фронт импульсов). Увеличение напряжения питания микросхем также улучшает их помехоустойчивость.

Выходные уровни микросхем практически не отличаются от напряжения питания (лог. "1") и потенциала общего провода (лог. "О").

Благодаря высокому входному сопротивлению (RBX >100 МОм) микросхемы имеют высокую нагрузочную способность Краз >10...30 (количество входов, которые можно подключить к выходу логического элемента, ограничивается только емкостью монтажа; при Краз=10 паразитная емкость нагрузки составляет Сн=20 пФ).

Надежность работы устройств на логических микросхемах зависит и от построения схемы. Так, например, нельзя подавать входные сигналы, не подав питание, а также недопустимо превышение уровня входного сигнала над питающим напряжением (исключением являются специально приспособленные для этого микросхемы 561ЛН2 и преобразователь уровня 561 ПУ4). Напряжение источника питания должно подаваться раньше или одновременно с подачей входных сигналов. Это связано с тем, что во входных цепях микросхем стоят защитные диоды, соединенные с шинами питания, и в случае появления напряжения на входе (при отсутствии питания) возможно протекание тока по цепи "вход" — "шина питания", что допускать нельзя.

Для согласования МОП микросхем с другими сериями используются преобразователи уровня 176ПУ1...176ПУЗ, 561 ПУ4, 561ЛН2, что исключает сбои в работе (из-за разного быстродействия) и перегрузку выходов (у микросхем ТТЛ серий требования к крутизне фронта логических сигналов более высокие).

При монтаже устройств с КМОП микросхемами необходимо принимать меры по защите их от пробоя статическим электричеством. Опасное значение электрического потенциала составляет 100 В. Поэтому пайку микросхем лучше начинать с выводов питания и заземленным паяльником.

Описанные в предыдущей главе цифровые микросхемы ТТЛ-серий -К155, К555, КР1533, КР531 обеспечивают построение самых различных цифровых устройств, работающих на частотах до 80 МГц, однако их существенный недостаток - большая потребляемая мощность. В ряде случаев, когда не нужно такое высокое быстродействие, а необходима минимальная потребляемая мощность, применяют интегральные микросхемы серий К176, К561, КР1561 и 564.

 Микросхемы этих серий изготовляются по технологии комплементарных транзисторов структуры металл-диэлектрик-полупроводник (КМДП). Ранее в качестве диэлектрика использовался окисел кремния, поэтому сокращенным обозначением структуры этих микросхем было КМОП, оно и используется в этой книге.

 Основная особенность микросхем КМОП - ничтожное потребление тока в статическом режиме - 0,1...100 мкА. При работе на максимальной рабочей частоте потребляемая мощность увеличивается и приближается к потребляемой мощности наименее мощных микросхем ТТЛ.

Для примера возьмем 7-сегментный индикатор с общим анодом и подключим к контроллеру. Светодиоды в индикаторе (сегменты) расположены в определенном порядке и обозначены a, b, c, d, e, f, g.

Для того чтобы зажечь, например цифру 3 необходимо зажечь сегменты a, b, c, d, g. Для этого PORTB нужно перевести на выход, на выводы RB0, RB1, RB2, RB3, RB6 необходимо подать «0», а на остальные «1».

В результате получим отображение цифры 3 на 7-сегментном индикаторе.

В принципе этот пример показывает пример статической индикации, когда каждый сегмент горит/не горит постоянно.

Он также показывает главный недостаток данного метода, ведь для того чтобы выводить информацию на 4 7-сегментных индикатора понадобиться 28 ног контроллера или использовать дополнительные микросхемы-регистры.

Для выхода из сложившейся ситуации существует «динамическая индикация». Суть динамической индикации заключается в последовательном переключении индикаторов. Учитывая инертность человеческого глаза, который не замечает переключение между индикаторами, кажется что все индикаторы горят постоянно.

 

Семисегме́нтный индика́тор — устройство отображения цифровой информации. Это — наиболее простая реализация индикатора, который может отображать арабские цифры. Для отображения букв используются более сложные многосегментные и матричные индикаторы

Динамическая индикация – это метод отображения целостной картины через быстрое последовательное отображение отдельных элементов этой картины. Причем, «целостность» восприятия получается благодаря инерционности человеческого зрения.

Введение 

 Для отображения цифровой информации в системах на базе микроконтроллеров  используются светодиодные семисегментные индикаторы. Они просты в управлении, имеет высокую яркость, широкий диапазон рабочих температур и низкую стоимость. К недостаткам светодиодных индикаторов относятся – высокое энергопотребление,  отсутствие управляющего контроллера и скудные возможности по выводу буквенной информации.

  Светодиодный семисегментный индикатор представляет собой группу светодиодов   расположенных в определенном порядке и объединенных конструктивно. Зажигая одновременно несколько светодиодов можно формировать на индикаторе символы цифр. Индикаторы различаются по типу соединения светодиодов – общий анод, общий катод, по количеству отображаемых разрядов – однораразрядные, двух разрядные и т.д. и по цвету –  красные, зеленые, желтые и т.д.

Семисегментным индикатором можно управлять статически или динамически. При статическом управлении разряды индикатора подключены к микроконтроллеру независимо друг от друга и информация на них выводится постоянно. Этот способ управления проще динамического, но без использования дополнительных элементов, как-то сдвиговые регистры, подключить многоразрядный семисегментный индикатор к микроконтроллеру будет проблематично - может не хватить выводов.

Динамическое управление (динамическая индикация) подразумевает поочередное зажигание разрядов индикатора с частотой, не воспринимаемой человеческим глазом. Схема подключения индикатора в этом случае на порядок экономичнее благодаря тому, что одинаковые сегменты разрядов индикатора объединены.

Эксперименты с семисегментным индикатором

   Рассмотрим простейший случай управления индикатором – вывод одной цифры.  Схема для наших экспериментов приведена ниже.

Чтобы зажечь на индикаторе какую-то цифру нужно настроить порты, к которым подключен индикатор, в режим выхода, “открыть” транзистор (в данном случае подать на базу “единицу”) и установить в порту микрокоОдним из распространённых способов вывода информации является симисегментный индикатор. Он без труда позволяет выводить цифровую и псевдотекстовую информацию (так же есть специальный текстовые многосегментые индикаторы), но требует большого количества свободных выводов у контроллера. Сократить число используемых выводов можно двумя способами: применить специальный драйвер (или буферный элемент) или применить динамическую индикацию. Где на дисплей пойдут 7 выводов на каждый из сегментов и по одному на каждый символ, а загораться символы будут по очереди с настолько большой скоростью, что человек не будет это различать и ему будет казаться равномерно горящий индикатор.

Вывод на семисегментный светодиодный индикатор цифровой информации в схеме с микроконтроллером встречается часто, и разработчики таких схем выполняют его каждый по-своему. Ниже описан модуль индикации, который вполне может стать универсальным решением, что значительно упростит разработку новых устройств.

      На рис.1 представлена функциональная схема модуля. Каждым семисегментным индикатором управляет отдельная микросхема типа SN74HC595D, содержащая:

8-разрядный сдвиговый регистр;

 параллельный регистр-защелку;

 управляемый выходной буфер.

 

Функциональная схема универсального многоразрядного семисегментного светодиодного цифрового индикатора

  

      Последовательно загружаемые в сдвиговый регистр биты данных подаются на вход SIN (Serial Input). Их фиксация в сдвиговом регистре (стробирование) происходит по перепаду импульсного сигнала на входе SRCK из состояния логического "0" в лог. "1". Когда загрузка сдвигового регистра завершена, его состояние копирует и запоминает регистр-защелка. Происходит это по перепаду из лог. "0" в лог. "1" подаваемого на вход RCK специального импульса ( рис.2). Но на выходы микросхемы Q0..Q7 состояние регистра-защелки поступит лишь при логическом "0" на входе OE (Output Enable). В противном случае (OE = лог. "1") выходы микросхемы отключаются (переходят в высокоимпедансное сосотояние) и индикатор гаснет. Подав лог. "0" на вход SRST можно сбросить в ноль сдвиговый регистр (но не регистр-защелку) независимо от сигналов SIN и SRCK. Последовательное соединение микросхем SN74HC595D в цепочку позволяет наращивать разрядность светодиодного семисегментного индикатора. Управляющие сигналы при этом остаются прежними, соответственно увеличивается лишь число загружаемых бит данных.