Обозначение сегментов цифровых индикаторов

Индицируемая цифра	Высвечиваемые сегменты
а	b	с	d	е	f	g
0	+	+	+	+	+	+	—
1	—	+	+	—	—	—	— _
2	+	+	—	+	—	—	+
3	+	+	+	+	—	—	+
4	—	+	—	—	—	+	+
5	+	—	—	+	—	+	+
6	+	—	—	+	+	+	+
7	+	+	—	—	—	—	—
8	+	+	+	+	+	+	+
9	—	—	+	+	—	—	+

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.
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

Rогр = (Uпит — UСид)/Iсид.

где Uпит — источник питания (5 В); Uсид — прямое напряжение на включен­ном сегменте индикатора; 7СИд — 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 ра­ ботает 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 Ft>. >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.



Рис. 45. Схема отсчетного устройства с параллельным опросом

Мультиплексоры поочередно подключают все разряды входного кода к DD6, управляющие напряжения с которого поступают на соответствующие ко­ды индикаторов. С дешифратора DD7 управляющие напряжения через усилители-формирователи DA1 — DAN поступают на аноды- индикаторов. При таком способе индикации в каждый отдельный момент времени высвечивается только один знаковый разряд.

Динамический метод индикации целесообразно применять, если число зна­ковых разрядов превышает 4 — 6, причем большое значение имеет степень интег­рации применяемых микросхем, а также разновидность используемых цифро­вых индикаторов.

«Память» в отсчетом устройстве. Как уже говорилось, цикл измерения ЦИП включает несколько временных интервалов: собственно время измерения неизвестной величины, время индикации, сброс показаний.


В ЦИП, у которых выходы счетных декад подключены непосредственно к дешифратору или селек­тору-мультиплексору, во время счета информация на цифровых индикаторах постоянно меняется. Поэтому часто бывает целесообразно фиксировать пока­зания индикаторов в течение всего цикла измерения, а не только во время индикации. В этом случае информация на индикаторах меняется мгновенно один раз за весь цикл измерения без «набега» показаний. Фиксация показаний индикаторов осуществляется с помощью включения между счетными декадами и дешифраторами (селекторами-мультиплексорами) промежуточного регистра памяти, управляемого от устройства уп­равления ЦИП. В качестве промежуточ­ной памяти можно использовать микро­схемы малой и средней степеней инте­грации (регистры памяти, сдвига).

   

Рис. 46. Схема отсчетного устройства с поразрядным опросом

Рис. 47. Схема отсчетного устройства с промежуточной памятью

Фрагмент схемы отсчетного устрой­ства с промежуточной памятью показан на рис. 47. Промежуточная память со­брана на четырехразрядных универсаль­ных сдвигающих регистрах К155ИР1. Регистры работают в режиме поразряд­ной записи числа. По окончании собственно времени измерения на управляю­щие входы регистров С2 приходит импульс переписи с устройства управления и информация со счетных декад переписывается в соответствующие разряды регистров, с их выходов она поступает непосредственно на дешифратрры для индикации. По окончании времени индикации счетные декады устанавливаются яа ноль и начинается новый цикл измерения неизвестной величины. По его окончании снова происходит перепись информации в регистры и т. д.

Таким образом введение промежуточной памяти повышает удобство поль­зования прибором и снижает число ошибок при считывании показаний инди­каторов.



Рис. 48. Принципиальная схема хронизатора цифрового частотомера

Устройства автоматического управления ЦИП. В ЦИП независимо от их структурной схемы имеются устройства, обеспечивающие строгую последова­тельность работы всех узлов прибора, а также необходимую цикличность всех тактов процесса измерения.


На примере цифрового частотомера рассмотрим требования к такому устройству, а также один из вариантов его построения.

В цифровом частотомере устройство автоматического управления часто называют хронизатором. По его командам осуществляется сброс предыдущего показания в начале цикла или смена показаний в конце цикла (при наличии буферной памяти в отсчетном устройстве). Кроме того, он поддерживает от­крытое состояние селектора в течение выбранного времени измерения, блоки­ровку пуска селектора в течение времени индикации. Эти команды формиру­ются хронизатором с заданной периодичностью или по сигналу разового пуска.

Рассмотрим хронизатор цифрового частотомера (рис. 48), а также устрой­ство автоматического выбора пределов цифрового вольтметра. Хронизатор сос­тоит из формирователя интервала измерения на двух триггерах DD2, DD3, од-новибратора, формирующего интервал времени индикации на транзисторах VT1, VT2, и формирователя импульса сброса на транзисторах VT3, VT4. Хро­низатор работает следующим образом. При поступлении первого положитель­ного импульса с блока эталонных интервалов на тактовый вход триггера DD2 триггер переключается в единичное состояние (исходное состояние обоих триг­геров нулевое). Под действием напряжения . высокого уровня на выходе DD2 открывается селектор DD1.1, на второй вход которого поступают импульсы со входного формирователя. С выхода DD1.2 импульсы поступают на первую счетную декаду. Второй импульс с блока эталонных интервалов переключает триггер DD2 в исходное состояние, что вызывает закрытие селектора DD1.1. Под действием напряжения низкого уровня на выходе DD2 триггер DD3 пе­реключается в единичное состояние., Отрицательный перепад напряжения на выходе Q триггера DD3 блокирует триггер DD2 от последующих переключений под воздействием эталонных импульсов и одновременно запускает одновибра-тор VT1, VT2 формирователя времени индикации. Перепад напряжения на кол­лекторе VT2 по окончании времени индикации закрывает транзисторы VTS, VT4. На коллекторе VT4 формируется короткий отрицательный импульс.


Пос-. ле инвертирования (DD1.3) уже положительный импульс поступает на счетные декады и одновременно с этим переключает триггер DD3 в исходное состоя­ние. Далее процесс повторяется.

Вариант построения устройства автоматического выбора пределов цифро­вого вольтметра представлен на рис. 49. Устройство состоит из входного ат­тенюатора с защитой от перегрузки, электронного коммутатора пределов, масш­табного усилителя, двуполярного компаратора, устройства управления элект­ронным коммутатором. Преобразователь U1 входит в состав собственно вольт­метра и на рис. 49 показан условно.

Устройство защиты от перегрузки собрано на элементах R5, VD1, VD2. Оно ограничивает максимальное напряжение на входе электронного коммута­тора на уровне около 9 В. В качестве электронного коммутатора использована ИС DA1. Масштабный усилитель устройства собран на ОУ DA2 в неинверти-рующем включении с коэффициентом передачи 10. Двуполярный компаратор выполнен на ОУ DA3 без цепей коррекции и обратных связей, а также на диодах VD3 — VD6. При входном сигнале, меньшем по абсолютной величине порогового значения компаратора, определяемого соотношением резисторов R9 и RW(Rll) и в данном случае равного 2 В, на выходе компаратора будет напряжение высокого уровня. При превышении сигналом порогового значения яа выходе компаратора будет напряжение низкого уровня. Компаратор реаги­рует на обе полярности входного сигнала и управляет устройством совпадения яа элементе DD1.4. На элементах DD1.1, DD1.2 собран генератор тактовых импульсов.



Рис. 49. Принципиальная схема устройства автоматического выбора предела измерения

Для упрощения схемы устройства время выбора предела измерения вклю­чено во время измерения. Для того чтобы вносимая за счет этого погрешность не превышала 0,1% при времени измерения 0,1 с, максимальное время выбора предела не должно превышать 100 мкс. Поэтому тактовая частота генератора выбрана около 30 кГц. После формирователя на элементах С7, R14, DD1.3 короткие импульсы поступают на второй вход схемы совпадения DD1.4. С вы­хода элемента DD1.4 пачка положительных импульсов (от 1 до 3) поступает на тактовый вход десятичного счетчика DD2. Этот счетчик имеет встроенный десятичный дешифратор, выходы 0, 1, 2, 3 которого управляют работой U2 — U5, собранных на транзисторах VT1 — VT4 (управление коммутатором), и уст­ройства индикации запятой на транзисторах VT5 — VT8.



В целом устройство работает следующим образом. На вход R десятич­ного счетчика DD2 от блока эталонных интервалов прибора поступают поло­жительные импульсы с периодом, равным времени измерения, которые, ставят в нуль счетчик DD2, переводят его в исходное состояние. В этом состоянии коэффициент передачи коммутируемого аттенюатора равен 1/1000. Входной сиг­нал после такого ослабления поступает непосредственно или через преобразова­тель U1 на вход усилителя DA2, а также на масштабный усилитель входного устройства прибора.

Усиленный в десять раз ОУ DA2 сигнал поступает на комяаратор ВАЗ с пороговым напряжением 2 В. Если сигнал на входе аттенюатора превышает 200 В, компаратор ВАЗ сразу же переключится и заблокирует схему совпаде­ния DD1.4. На счетчик DD2 не поступит ни одного импульса, и коэффициент деления аттенюатора останется прежним. Теперь предположим, что ко входу аттенюатора приложено напряжение, например, 1,8 В. Компаратор DA2 не переключится, так как в этом случае напряжение на выходе масштабного уси­лителя DA2 в исходном состоянии будет равно 18 мВ. Поэтому на вход счет­чика ВВТ через DD1.4 будут поступать положительные импульсы. На выходах б, в, г DD2 будут последовательно появляться положительные импульсы, кото­рые с помощью управляющих ключей на транзисторах VT1 — VT4 и коммута­тора DA1 последовательно будут переключать ступени ослабления аттенюатора.

В нашем примере (UBx=l,8 В) при появлении напряжения высокого уровня на выходе г счетчика DD2 напряжение на выходе усилителя DA2 пре­вышает порог срабатывания компаратора ВАЗ. Схема совпадения будет забло­кирована, и счетчик зафиксируется в этом состоянии. Если измеряемое напря­жение, менее 0,2 В, то компаратор не переключится и после третьего импульса.. Но счетчик ВВ2 будет также зафиксирован в состоянии «3», так как на входе Тр ВВ2 будет в этот момент напряжение высокого уровня.

На ключах VT5 — VT8 собрано устройство индикации включенной ступени . ослабления аттенюатора.


Содержание раздела

---