2.3. Лабораторна робота №3 “Вивчення динамічної і статичної індикації”

Мета роботи - Закріпити на практиці знання про організацію індикації в електронних схемах.

Прилади та матеріали

До складу лабораторної установки входять: лабораторна установка “індикація”, персональний комп”ютер, програмне забезпечення “індикація”, та “дешифратор”.

Короткі теоретичні відомості і методичні вказівки

В електроніці існує два типи індикації: статична та динамічна.

Статична індикація

Статична індикація характеризується тим, що певний управляючий елемент використовується для відображення значення тільки на одному окремо взятому елементу індикації, незалежно від інтервалу часу.

В багатьох випадках при розробці електронних пристроїв виникає необхідність у відображенні певної інформації для користувача. Основними пристроями для індикації в даних випадках виступають напівпровідникові індикатори, які є найбільш простими в застосування і відрізняються невисокою вартістю. Існують також спеціалізовані пристрої – контролери, які дозволяють істотно зменшити апаратні і програмні засоби при розробці електронних пристроїв, в яких використовуються елементи індикації.

Перетворення електричних сигналів у видиме зображення може бути основане на різних фізичних явищах:

• світловипромінюванні напівпровідникових структур,

• оптичних явищах у рідких кристалах,

• електролюмінісценції,

• процесах в газовому розряді і ін.

Самим розповсюдженим елементом індикації є простий напівпровідниковий світлодіод:

Рисунок 3.1. Напівпровідниковий світлодіод

Світлодіоди виготовляються на основі напівпровідникових матеріалів (арсенід галію, фосфід галію, арсенід-фосфід галію і ін.

Якщо до його виводів прикласти різницю потенціалів відповідної полярності, світлодіод почне випромінювати світлові промені видимого діапазону частот.

Яскравість свічення світлодіода безпосередньо залежить від величини струму, який через нього протікає. Переважно достатні струми від одиниць до, приблизно, 20 міліампер при падінні напруги на діоді 1..2 вольти. Як правило, послідовно із діодом включається обмежуючий резистор, який задає номінальний робочий струм діода.

В цифровій схемотехніці, яка також включає в себе мікропроцесорну техніку світлодіоди широко використовуються в якості елементів індикації.

Існує кілька варіантів включення світлодіодів:

В схемі (рисунок 3.2.а) діод загоряється коли на виході управляючого елемента напруга рівна “лог.0” (0,4В для ТТЛ логіки). Через діод буде протікати струм заданого типу, тому можна розрахувати опір резистора, який буде задавати номінальний струм діода. В даній схемі підключення необхідно використовувати управляючий елемент з достатньо великим вихідним струмом “лог.0”. Переважно для цього використовується управляючі елементи з відкритим колектором. Дана схема відповідає з’єднанню діодів по спільному аноду.

Змінюючи значення обмежуючого резистора, можна змінювати відповідно яскравість свічення діода. Однак вибирати його менше 20 Ом не рекомендується, так як середнє значення струму через світлодіод може перевищити максимально допустиме.

В схемі (рисунок 3.2.б) діод загоряється, коли на виході логічного елемента присутній рівень “лог. 1” (вихідний транзистор закритий).

Дана схема відповідає з’єднанню діодів по спільному катоду.

На схемі (рисунок 3.2.в) показано з’єднання світлодіодів в якому управляючим елементом виступає дешифратор DD1 (К555ИД10). Даний елемент володіє підвищеною навантажувальною здатністю по виходу (виходи з відкритим колектором). Дана схема відповідає з’єднанню діодів по спільному аноду.

На схемі (рисунок 3.2.г) показано з’єднання світлодіодів в якому управляючим елементом виступає буферний регістр DD1 (КР580ИР82). Даний елемент володіє підвищеною навантажувальною здатністю по виходу (виходи з відкритим колектором). Дана схема відповідає з’єднанню діодів по спільному катоду.

Мікросхема КР580ИР82 (83) представляє собою 8-розрядний буферний регістр даних із третім станом на виході, призначений для вводу і виводу даних із стробуванням. В даної мікросхеми:

D7-D0 – входи регістра

Q7-Q0 – виходи регістра

STB – “Строб” – здійснює управління передачею інформації. STB=“1” – здійснюється передача даних з входів D7-D0 на виходи Q7-Q0.

ОЕ – “Дозвіл по виходу” – здійснюється управління вихідними буферами мікросхеми. ОЕ=“0” – вихідні буфери включені, ОЕ=“1” – вихідні буфери переводяться в стан “виключено” (високоомний стан).

Окрім світлодіодів існує багато різновидів світлодіодних цифрових і буквоцифрових індикаторів. Найбільше поширення набули семисегментні індикатори.

а) б)

в)

г)

Рисунок 3.2. Схеми управління світлодіодами

(червоним кольором на малюнках показані елементи, що працюють (випромінюють світло) тобто знаходяться в стані логічної одиниці, відповідно синім кольором позначено – логічний нуль)

На рисунку 3.3, зображена світлодіодна семисегментна матриця АЛС321Б.

а) б)

Рисунок 3.3. Семисегментна матриця. а – будова, б- умовне позначення

Так як в мікропроцесорних системах оперують двійковою інформацією, то схеми підключення семисегментного індикатора можуть бути наступні:

• через буферні схеми, тоді необхідно на виходах цих схем подавати інформацію у вигляді коду для семисегментного індикатора. Перекодування війкового коду і код для індикатора здійснюється програмно, або за допомогою знакогенераторів. (рисунок 3.4)

• через схеми перекодування двійкового коду в код для семисегментного індикатора.(рисунок 3.5)

Рисунок 3.4. Реалізація індикації за допомогою буферного елементу

Мікросхема К155ПП5 - перетворювач двійково-десяткового коду в код семисегментного індикатора, її можна застосовувати спільно з напівпровідниковими індикаторами із спільним анодом. Для нормування струму елементів індикатора між його катодами і виходами мікросхеми слід включити обмежувальні резистори, опір яких визначається у відповідності з робочим струмом індикатора. Вхід Е мікросхеми може бути використаний для гасіння індикатора, яке відбувається при подачі на цей вхід рівня.”1”. Індикація здійснюється при рівні. “0”.

Рисунок 3.5. Реалізація індикації за допомогою перетворювача кодів.

Динамічна індикація.

Для збільшення кількості індикаторів і зменшення апаратних засобів для реалізації індикації в мікропроцесорних системах використовується динамічна індикація. Суть її полягає в тому, що один і той самий управляючий сигнал керує відображенням інформації на кількох елементах індикації в різні, строго визначені, проміжки часу.

На рисунку 3.6 зображена умовна схема організації динамічної індикації.

Рисунок 3. 6. Умовна схема реалізації динамічної індикації

OUT port ( вихідний порт) – виводи, призначені для видачі інформації у форматі, який залежить від схеми включення індикаторів (наприклад, якщо в якості вихідного порту виступає буферний регістр, то формат даних повинен відповідати кодуванню 7-ми сегментного індикатора) .

DC – дешифратор, який вибирає (активізує) певний індикатор, для якого призначена інформація яка видається вихідним портом. При чому кожен індикатор активується імпульсно, на протязі дуже малого проміжку часу. Ілюзія постійного свічення всіх символів складається із інерційності людського зору. Якщо частота збудження символів складає десятки герц (сучасні засоби візуальної індикації мають частоти в 70...100 Гц), то мерехтіння зображення практично не відчувається.

Інший тип індикаторів, які мають звичайні для мікросхем логічні рівні управляючих сигналів – рідкокристалічні. Раніше вони застосовувались переважно в електронних годинниках, калькуляторах і вимірювальних приладах. З появою портативних комп’ютерів з автономним живленням енергетична економічність рідкокристалічних індикаторів стала особливо важливою, і з їх використанням стали виготовляти дисплеї – складні периферійні пристрої відображення інформації. На відміну від світлодіодних, рідкокристалічні індикатори не світяться. В темноті їх не видно і для цього використовується їх додаткова підсвітка. В них, під дією електричних полів міняються лише властивості відбиття світла, завдяки чому і можна бачити символи, які відображаються. В якості управляючого елемента в індикаторах даного типу виступають складні програмовані контролери.

Опис лабораторної установки.

Лабораторна робота складається з двох частин. Перша частина - вивід на світлодіодну матрицю символу з допомогою програми “матриця світлодіодів”, а також в процесі виводу символу зафіксувати двійковий код що присутній на порті LPT.

Друга частина роботи повторити роботу світлодіодного семисегментного індикатора за допомогою програми “дешифратор”

Виконання першої частини роботи.

Лабораторна установка призначена для того, щоб побачити роботу світлодіодіодної матриці на практиці, тобто яким чином використовуючи стандартний паралельний порт комп”ютера, котрий має розрядність лише 8 біт, інформацію можна вивести на 64 індикатора, котрі об”єднані в матрицю 8х8.

Рисунок 3.7 Вивід на світлодіодну матрицю 8х8 слова (ОК)

У цьому випадку на матрицю буде виводитися деяка буква, цифра, знак або фігура (рисунок 3.7) яка відображатиметься свіченням певних світлодіодів матриці 8х8. Виведена комбінація світлодіодів буде світитися до того часу поки на входи схеми не буде подана інша інформація.

Лабораторна установка під’єднується до комп’ютера через паралельний порт персонального комп”ютера (LPT – порт).

Для забезпечення функціонування схеми на ПК потрібно встановити драйвер (програму, яка узгоджує роботу схеми з комп’ютером). Для спрацювання установки потрібно відкрити програму в якій можна вибрати комбінацію світлодіодів, які засвітяться на матриці світлодіодів. Після цього програма опрацьовує двійковий код і передає його на вихід (LPT порт).

Лабораторна установка складається з таких ключових блоків:

M

DC

Rg

LPT

порт

ПК

Рисунок 3.8 Схема структурна лабораторної установки

• LPT - стандартний паралельний порт ПК – порт з допомогою якого на лабораторну установку можна здійснити передачу двійкового коду.

• DС - дешифратор – мікросхема, яка вибирає певний рядок матриці. Вона буде переключати наступний рядок по порядку і це буде проходити з певною частотою, яку ми встановимо в програмі.

• Rg - регістер – мікросхема, яка з кожним новим імпульсом буде подавати високий рівень на певний стовбець. Ця операція буде виконуватися тільки тоді, коли на тактовий вхід регістра буде подано лог.1.

• М - матриця на світлодіодах – складається з 8-ми рядків і 8-ми стовпців, тобто матриці 8х8, і в загальному буде містити 64 світлодіоди. Передача інформації на матрицю буде здійснюється за допомогою дешифратора і регістра.

Робота установки:

Всі 64 світлодіоди об”єднані в матрицю 8Х8, тобто 8 стовпців, 8 рядків. На перетині рядка та стовпця знаходиться конкретний світлодіод, котрий може засвітитися лише в тому випадку, коли на рядок подається напруга логічної одиниі, а стовбець, на якому розміщено світлодіод, буде підключено до мінусового виводу блока живлення. Керувати рядками буде регістр, а стовпцями – дешифратор, виходи якого працюють за принципом відкритого колектора.

Отже, нехай на виходах регістра є певна комбінація двійкового коду, наприклад: 10000000, а тому активним буде перший рядок, тобто на першому виході регістра є високий рівень котрий протікає до світлодіода через резистор. А на входах дешифратора міститься комбінація 001, тобто активним буде перший вихід дешифратора (перший рядок матриці). Отже високий рівень від регістра протікає до світлодіода (на рисунку 3.7 це буде перший зліва світлодіод в верхньому рядку), проходить через нього і тече на активний вихід дешифратора таким чином спричиняючи свічення відповідного світлодіода.

Програма перебирає всі світлодіоди, котрі повинні світитися, і з великою частотою перемикає виходи LPT порта персонального комп”ютера, таким чином засвічуючи та гашучи відповідні світлодіоди. А оскільки це робиться з досить великою частотою, то людське око сприймає картинку на матриці світлодіодів як таку, що засвічена вся одночасно.

Рисунок 3.9. Вигляд вікна програми.

Головна форма програми (рисунок 3.9) містить головне меню, з допомогою якого можна вийти із програми, а також прочитати інструкцію з використання програми за допомогою пункту “Інформація” “Інструкція з використання”. Також можна взнати хто із студентів виконав цей проект за допомогою пункту “Інформація” “Автори”.

На головній формі розміщені наступні елементи:

• матриця світлодіодів (які ми зможемо відмітити за допомогою правої або лівої кнопки миші, при цьому той індикатор який ми відмітимо змінить колір на червоний;

• поле наявності LPT-порта, – це поле дозволяє вибрати один з підключених портів;

• елементи які відповідають за рядки матриці, і служать для наочного сприйняття переключення виходів дешифратора;

• кнопка “Вивід”, відповідає за видачу стробуючого сигналу у порт ПК;

• кнопка “Збиття індикаторів”, при натискуванні на неї всі індикатори переходять у не відмічений стан;

• повзунок, що задає швидкість засвічування світлодіодів;

• кнопка “Reset ”, служить для того щоб всі сигнали і перейшли у початковий стан;

• кнопка “Вивід”, при натисканні на неї зупиняється або запускається виконання програми;

• кнопка “Вихід”, служить для виходу із програми;

• кнопки під назвою “DD1”, “DD2”, “DD4”, (DD4 відповідає молодшому розряду), служить для наочного сприйняття переключення входів дешифратора;

Користування програмою.

При завантаженні програми, відбувається підключення драйвера роботи з LPT-портом (LPTDMIO.sys). Після цього програма опитує ПК на наявність підключення паралельного порта. Якщо він відсутній, то програма видає повідомлення про відсутність підключення паралельного порта. Якщо ж порт є в наявності, то програма готова до роботи.

Після цього, користувач повинен обнулити паралельний порт ПК кнопкою «Reset» та ввести певну комбінацію засвітчених світлодіодів за допомогою клацання будь-якою кнопкою миші на певному світлодіоді, після цього він має можливість задати швидкість видачі інформації в порт за допомогою шкали «Швидкість виводу» і двох стрілочок по яких необхідно клацнути для того щоб зменшити або збільшити швидкість. Потім користувач нажимає кнопку «Вивід» і у відповідності до вибраних елементів програма опрацьовує код і видає в паралельний порт двійкову комбінацію.

Користувач може побачити у програмі як в реальному часі переключаються рядки світлодіодної матриці за допомогою “Активний ...... рядок матриці”, та як працюють входи дешифратора. Після закінчення роботи над виконавчим механізмом користувач може обнулити всі фігури які є у програмі за допомогою кнопки «Збиття індикаторів», а також може обнулити паралельний порт ПК кнопкою «Reset» для подальшого використання програми, в іншому випадку вийти із програми можна за допомогою кнопки «Вихід».

Виконання другої частини роботи.

Для виконання другої частини роботи використовується програма “дешифратор”. Головне вікно програми зображено на рисунку 3.10.

Програма використовується для того, щоб побачити роботу світлодіодного семисегментного індикатора, а також побачити яким чином двійковий код перетворюється в семисегментний за допомогою віртуальної мікросхеми К133ПП4.

Програмою слід користуватися таким чином: на вході елемента К133ПП4 виставляється галочками двійковий код (галочка є – це логічна одиниця, галочки нема – логічний нуль), далі натискається кнопка “обчислити”. Після цього програма обробляє заданий код, та виставляє на виходах мікросхеми К133ПП4 вихідний код для семисегментного індикатора (світлодіод червоний – він світиться, тобто логічна одиниця, і навпаки.). Зображення індикатора висвітить десяткову цифру від 0 до 9, коли задається код 10-15 на індикаторі буде висвітлено “Е” (скорочення від ЕROR).

Рисунок 3.10. Вигляд вікна програми “дешифратор”.

Хід роботи

ПІДГОТОВКА ДО РОБОТИ

Вивчити принцип роботи, параметри, характеристики, схеми включення і можливості застосування інтегральних мікросхем (IMC) дешифраторів, перетворювачів кодів, вивчити роботу паралельного порта ПК. Вивчити таблиці відповідності для логічних елементів. Вивчити роботу світлодіодів та семисегментних індикаторів

ПРОВЕДЕННЯ ДОСЛІДЖЕНЬ

1. Під”єднати лабораторну установку до персонального комп”ютера.

2. Ввімкнути живленя ПК.

3. Завантажити ПК.

4. Запустити на виконання програму “індикатор”.

5. У викладача одержати символ для відображення на індикаторі.

6. Використовуючи програмне забезпечення “індикатор” створити на екрані монітора необхідний символ.

7. За допомогою повзунка «Швидкість виводу» виставити мінімальну частоту виводу символу.

8. За допомогою індикаторів записати вихідний код на паралельному порті ПК.

9. Повторити п.8. - 20 разів. Дані занести в таблицю 3.1.

10. Порівняти

11. Запустити програму “дешифратор”

12. На вході мікросхеми К133ПП4 почергово виставляти код 0000 до 1111, натискати кожного разу “обчислити”, записати символ що виводиться індикатором, а також код що є на його вході. Дані занести в таблицю 3.3.

Таблиця 3.1. Бланк для занесення даних експерименту.

№ п/п	вихідний код порта	№ світлодіода, згідно таблиці 3.2.
1
2
.....
20

Таблиця 3.2. Таблиця відповідності свічіння світлодіода у відповідності з вихідним кодом на порті LPT.

№ п/п	код на порті LPT	№ світлодіода
		1 зліва зверху перший ряд з низу
		2 зліва зверху перший ряд з низу
		3 зліва зверху перший ряд з низу
		4 зліва зверху перший ряд з низу
		5 зліва зверху перший ряд з низу
		6 зліва зверху перший ряд з низу
		7 зліва зверху перший ряд з низу
		8 зліва зверху перший ряд з низу
		1 зліва зверху другий ряд з низу
		2 зліва зверху другий ряд з низу
		3 зліва зверху другий ряд з низу
		4 зліва зверху другий ряд з низу
		5 зліва зверху другий ряд з низу
		6 зліва зверху другий ряд з низу
		7 зліва зверху другий ряд з низу
		8 зліва зверху другий ряд з низу
		1 зліва зверху третій ряд з низу
		2 зліва зверху третій ряд з низу
		3 зліва зверху третій ряд з низу
		4 зліва зверху третій ряд з низу
		5 зліва зверху третій ряд з низу
		6 зліва зверху третій ряд з низу
		7 зліва зверху третій ряд з низу
		8 зліва зверху третій ряд з низу
		1 зліва зверху четвертий ряд з низу
		2 зліва зверху четвертий ряд з низу
		3 зліва зверху четвертий ряд з низу
		4 зліва зверху четвертий ряд з низу
		5 зліва зверху четвертий ряд з низу
		6 зліва зверху четвертий ряд з низу
		7 зліва зверху четвертий ряд з низу
		8 зліва зверху четвертий ряд з низу
		1 зліва зверху п”ятий ряд з низу
		2 зліва зверху п”ятий ряд з низу
		3 зліва зверху п”ятий ряд з низу
		4 зліва зверху п”ятий ряд з низу
		5 зліва зверху п”ятий ряд з низу
		6 зліва зверху п”ятий ряд з низу
		7 зліва зверху п”ятий ряд з низу
		8 зліва зверху п”ятий ряд з низу
		1 зліва зверху шостий ряд з низу
		2 зліва зверху шостий ряд з низу
		3 зліва зверху шостий ряд з низу
		4 зліва зверху шостий ряд з низу
		5 зліва зверху шостий ряд з низу
		6 зліва зверху шостий ряд з низу
		7 зліва зверху шостий ряд з низу
		8 зліва зверху шостий ряд з низу
		1 зліва зверху сьомий ряд з низу
		2 зліва зверху сьомий ряд з низу
		3 зліва зверху сьомий ряд з низу
		4 зліва зверху сьомий ряд з низу
		5 зліва зверху сьомий ряд з низу
		6 зліва зверху сьомий ряд з низу
		7 зліва зверху сьомий ряд з низу
		8 зліва зверху сьомий ряд з низу
		1 зліва зверху восьмий ряд з низу
		2 зліва зверху восьмий ряд з низу
		3 зліва зверху восьмий ряд з низу
		4 зліва зверху восьмий ряд з низу
		5 зліва зверху восьмий ряд з низу
		6 зліва зверху восьмий ряд з низу
		7 зліва зверху восьмий ряд з низу
		8 зліва зверху восьмий ряд з низу

Таблиця 3.3. Бланк для занесення даних експерименту.

№ п/п	вхідний двійковий код	код на виході К133ПП4	символ, що висвітлює індикатор
1	0000
2	0001
3	0010
4	0011
5	0100
6	0101
7	0110
8	0111
9	1000
10	1001
11	1010
12	1011
13	1100
14	1101
15	1110
16	1111

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

1. Що таке динамічна індикація?.

2. Що таке статична індикація?

3. Що таке семисегментний індикатор? Як він працює?

4. Скільки входів має мати семисегментний індикатор?

5. Які логічні елементи можуть використовуватися для узгодження системи керування та семисегментного індикатора? Яким чином?