Two countries, one goal, joint success!
E-Laboratórium 1 Kombinációs digitális áramkörök alkalmazása Elméleti leírás
1. Bevezetés A gyakorlat elvégzésére digitális integrált áramköröket alkalmazunk és hardver struktúrát vezérlő szoftvert is. Elemzésre kerülnek a BCD/decimális és a BCD/7 szegmenses integrált dekóderek. Az elektronikus áramkör egy multiplex kijelző számára volt tervezve. A generált bináris számok módosítják a kijelző tartalmat illetve az aktív számjegy értékét. A megjelenített decimális számokat a dekódolt bináris számokból kapjuk. A változtatásokat egy interaktív ablak segítségével érhetjük el. Az elektronikus kijelzővel rendelkező interfészt egy PC biztosítja és a hozzá kapcsolódó digitális bemeneti/kimeneti hardver modul. 2. Binárisan kódolt decimális kód Különböző számrendszer segítségével lehet le írni egy számot. Ha például adva van a következő számj: , ahol , és b a számrendszer alapja (bázisa), akkor a (1) szám decimális értékét a súlyozott összeg adja meg:
(1)
Ha b=2, a számjegy 2-es számrendszerben van ábrázolva és bináris kódnak hívják. A bináris kódnak jelentős szerepe van a modern számítógépes rendszerek működésében, amelyek processzorokat tartalmaznak. A következő példában egy bináris számjegy van megadva: A számjegy decimális értéke: (2) (3) Példáknak kis értékű számokat választottunk annak érdekében, hogy összhangban legyenek a hagyományos digitális integrált áramkörrel. Említésre méltó, hogy a digitális áramkörök valós időben végzik el a műveleteket, a megadott gyártási technológia által biztosított paraméterek között. Az ember által használt aritmetikában a legmegfelelőbb a 10es, vagy decimális számrendszer. A számítógépes rendszerek a bináris számrendszert használják. Ilyen módon sokkal könnyebben megvalósíthatóak az áramkörök, a félvezetők technológiájában. A hasonlóság érdekében a decimális számítással, alkalmazható egy egyenértékű numerikus kód, és pedig a binárisan kódolt decimális kód, vagyis BCD (Binary-Coded Decimal). A 0-tol 9-ig terjedő számok bináris kódja 0000-tól egészen 1001-ig terjed, de a nagyobb bináris kódoknak, 1010-tól egészen a 1111-ig nincs is decimális megfelelőjük. Például, 10-es számrendszerben a 135 számnak a BCD kódja az: 0001 0011 0101. 4
www.huro-cbc.eu
Two countries, one goal, joint success!
A dekóderek olyan digitális integrált áramkörök, melyek kifejezetten digitális átalakítást végeznek el. Léteznek olyan dekóderek, amelyek egy bináris bemenethez hozzárendelnek egy azonosítható decimális számot az áramkör kimenetére. Különböző digitális áramkörök léteznek, melyek funkcionálisan egyenértékűek. Egy kijelzőt vezérlő dekóder, a bemenetén lévő bináris kódhoz hozzárendeli az áramkör kimeneten a megfelelő vezérlő elektronikai jelet a kijelző számára. A dekódernek n bemenete és maximum m=2n kimenete van. A dekóderek az MSI technológiában készülnek MSI (medium scale integration). A bináris bemenettől függően, egy vagy több kimenetet választ ki, (1. ábra).
1. ábra. A dekóder általános blokkvázlata. 3. BCD/decimális dekóder A BCD dekóder, egy adott időpontban a bemenetén lévő bináris számot, A3, A2, A1, A0, átalakítja decimális értékre. A 10 kimenet közül csak azt az egy kimenetet válassza ki, amely a bináris bemenetnek a decimális értéke. Különböző digitális integrált áramkörök léteznek, amelyeknek a bementjei/kimentjei, vagy 0-án, vagy 1-es logikai szinten aktívak. Ez az áramkör belső elektronikus architektúrájától függ. A Tab.1-ben a BCD/decimális dekóder igazságtáblázata látható. Az Yk, kimenet akkor lesz aktív, ha a bemenetére az A3,.., A0, BCD bináris kód kerül, amelynek a decimális értéke megegyezik a k-val. A kimenetek logikai 0-án aktívak. Ez azt jelenti, hogy ha a k számjegy decimális értéke kerül BCD kódban az áramkör bemenetére, csak az Yk, kimenet van 0-án; a többi kimenetek egyaránt logikai 1-es állapotban maradnak. Tab. 1. A3 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1
A2
A1
0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1
0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1
A0 Y 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1
Y1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
Y2 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
Y3 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
Y4 Y5 Y6 Y7 Y8 Y9 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
Például, ha k=0101, tehát A3=0, A2=1, A1=0, A0=1, k2 számjegy decimális értéke: k2=01012= 0 2 3 1 2 2 0 21 1 20 = 0 101 5 100 =510. E képen csak az 5-ös kimenet lesz, 0-án. A táblázat tartalmazza a decimális 0-nak is a megfelelő sort. A CBD 442 5
www.huro-cbc.eu
Two countries, one goal, joint success!
integrált áramkör egy BCD/decimális dekóder. Különböző cégek hasonló áramköröket gyártanak. Például használni lehet a Texas Instruments által gyártott SN74LS42, SN54LS42 integrált áramköröket is. 4. BCD/hétszegmensű dekóder A kijelzők felhasználhatnak LED-eket vagy folyékony kristályt. A LED kijelzők monolitikus struktúrák, amelyeknél a diódáknak egy-egy terminálja közös (az anód vagy a katód). Ha mindegyik katód egy terminálra van kötve, a kijelző közös katódú és a BCD/hétszegmensű dekóder kimenetei 1-es logikai szinten aktívak. A BCD/hétszegmensű dekóder a 2-es. ábrán látható. A dekóder az A3, A2, A1, A0, bemeneteken lévő BCD kódot leolvassa és a megfelelő kimeneteken aktiválja a logikai szintet a hétszegmensű közös katódú egy számjegyű elektronikus LED kijelző számára. A hétszegmensű közös katódú LED kijelző megfelelő vezérlés (a, b, c, d, e, f, g) lehetővé teszi a 0, 1, .., 9 decimális számok megjelenítését. Látható, hogy a tiltott BCD bemeneti kombinációk (amelyek megfelelnek a decimális 10, 11,..., 15 számoknak) gyakorlatilag nincsenek értelmezve.
2. ábra. BCD/hétszegmensű dekóder és a hétszegmensű közös katódú kijelző A Tab.2-ben a BCD/hétszegmensű dekóder igazságtáblázata látható, ha hétszegmensű közös katódú kijelzőt használunk. Tab.2 decimális számjegy 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
bemenet A3 A2 A1 A0 a 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1
0 0 0 0 1 1 1 1 0 0
0 0 1 1 0 0 1 1 0 0
0 1 0 1 0 1 0 1 0 1
1 0 1 1 0 1 0 1 1 1
b
kimenet c d e
f
g
1 1 1 1 1 0 0 1 1 1
1 1 0 1 1 1 1 1 1 1
1 0 0 0 1 1 1 0 1 1
0 0 1 1 1 1 1 0 1 1
1 0 1 1 0 1 1 0 1 0
1 0 1 0 0 0 1 0 1 0
A CBD 447 integrált áramkör egy BCD/hétszegmensű dekóder. Különböző cégek hasonló áramköröket gyártanak. Például, használni lehet a Texas Instruments által gyártott SN5447A, SN54LS47 integrált áramköröket is. 6
www.huro-cbc.eu
Two countries, one goal, joint success!
5. Multiplexeres kijelzés A multiplexeres kijelzés lehetővé teszi, hogy hatékonyan felhasználják az integrált áramköröket és az ugyanazon adatbuszon lévő adatokat. A 3-as. ábrán látható több számjegy multiplexeres kijelzése közös katódú kijelzők felhasználásával. Egy BCD/hétszegmensű dekóder segítségével a 4-bites adatbuszon lévő (DCBA) információt dekódoljuk. Egy adott időpontban ez az információ a kijelzőnek csak egy számjegy esetében hasznos. Abban az esetben, ha az összes számjegy katódja a földhöz lenne kötve, a dekódolt adatok azonosak lennének az összes számjegy részére. A katalógusban megtalálható, hogy milyen típusú dekóder használható fel egy bizonyos típusú kijelző számára. Például, az MMC4511 (HEF4511B PHILIPS, CD4511BE Texas Instruments) integrált áramkör egy BCD/hétszegmensű dekóder a hétszegmensű közös katódú kijelző számára.
3. ábra. 4 számjegy multiplexeres kijelzése közös katódú kijelzők segítségével. Egy másik integrált áramkör segítségével, egy BCD/decimális dekóder, vezérelni fogja a katódoknak a 0V potenciálra kötését. A két bemeneti változó segítségével, SA és SB, létre lehet hozni a négy különböző kimeneti állapotot, a BCD/decimális dekóder kimenetelén – ezek a 0,1,2,3 kimenetek. Mindegyik számjegy kijelző katódja a testre lesz kötve egymásután, ciklikusan, a megfelelő négy kimenetellel összhangban. Ugyanakkor az SA és SB által kiválasztott számjegy szintén összhangban kell, legyen a megadott szám és az adatbuszon lévő DCBA értékekkel. Például, ha az SA és SB egyaránt 1-es akkor az ezres számjegy lesz kiválasztva, és ennek az értékét a DCBA digitális szintek határozzák meg. A kijelző típusával összhangban az egymás utáni számjegyek vezérlési frekvenciája nagyobb kell legyen, mint 50 Hz, annak érdekében, hogy a számjegy folyamatosan látható legyen. Az ilyen típusú kijelzők szintén integrált áramkörök. A kiválasztott számjegyek számát lehet növelni akár 8-ra is, például 3 változó segítségével, ha felhasználásra kerül egy SC változó jel is. Több számjegy közös anódú kijelző multiplexeres áramköre a 4. ábrán látható. A két integrált áramkör egy BCD/decimális dekóder, illetve egy BCD/hétszegmensű dekóder. Az áramkör működési elve hasonló az előbbi 3-as ábrán bemutatott áramkörével, de ebben az esetben a BCD/hétszegmensű dekóder a közös anódú kijelzőknek megfelelő vezérlést, biztosit. Ezért a kimenetek logikai 0-án lesznek aktívak. Egy ilyen típusú áramkör került felhasználásra a gyakorlati munkához. 7
www.huro-cbc.eu
Two countries, one goal, joint success!
4. ábra. 4 számjegy multiplexeres kijelzése közös anódú kijelzők segítségével.
8
www.huro-cbc.eu
