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.
Одними из очень важных элементов цифровой техники, а особенно в компьютерах и системах управления являются шифраторы и дешифраторы.
Когда мы слышим слово шифратор или дешифратор, то в голову приходят фразы из шпионских фильмов. Что-то вроде: расшифруйте депешу и зашифруйте ответ.
В этом нет ничего неправильного, так как в шифровальных машинах наших и зарубежных резидентур используются шифраторы и дешифраторы.
Шифраторы.
Таким образом, шифратор (кодер), это электронное устройство, в данном случае микросхема, которая преобразует код одной системы счисления в код другой системы. Наибольшее распространение в электронике получили шифраторы, преобразующие позиционный десятичный код, в параллельный двоичный. Вот так шифратор может обозначаться на принципиальной схеме.
К примеру, представим, что мы держим в руках обыкновенный калькулятор, которым сейчас пользуется любой школьник.
Поскольку все действия в калькуляторе выполняются с двоичными числами (вспомним основы цифровой электроники), то после клавиатуры стоит шифратор, который преобразует вводимые числа в двоичную форму.
Все кнопки калькулятора соединяются с общим проводом и, нажав, к примеру, кнопку 5 на входе шифратора, мы тут же получим двоичную форму данного числа на его выходе.
Конечно же, шифратор калькулятора имеет большее число входов, так как помимо цифр в него нужно ввести ещё какие-то символы арифметических действий, поэтому с выходов шифратора снимаются не только числа в двоичной форме, но и команды.
Если рассмотреть внутреннюю структуру шифратора, то несложно убедиться, что он выполнен на простейших базовых логических элементах .
Во всех устройствах управления, которые работают на двоичной логике, но для удобства оператора имеют десятичную клавиатуру, используются шифраторы.
Дешифраторы.
Дешифраторы относятся к той же группе, только работают с точностью до наоборот. Они преобразуют параллельный двоичный код в позиционный десятичный. Условное графическое обозначение на схеме может быть таким.
Или таким.
Если говорить о дешифраторах более полно, то стоит сказать, что они могут преобразовывать двоичный код в разные системы счисления (десятичную, шестнадцатиричную и пр.). Всё зависит от конкретной цели и назначения микросхемы.
Простейший пример . Вы не раз видели цифровой семисегментный индикатор, например, светодиодный. На нём отображаются десятичные цифры и числа к которым мы привыкли с детства (1, 2, 3, 4...). Но, как известно, цифровая электроника работает с двоичными числами, которые представляют комбинацию 0 и 1. Что же преобразовало двоичный код в десятичный и подало результат на цифровой семисегментный индикатор? Наверное, вы уже догадались, что это сделал дешифратор.
Работу дешифратора можно оценить вживую, если собрать несложную схему, которая состоит из микросхемы-дешифратора К176ИД2 и светодиодного семисегментного индикатора, который ещё называют «восьмёркой». Взгляните на схему, по ней легче разобраться, как работает дешифратор. Для быстрой сборки схемы можно использовать беспаечную макетную плату .
Для справки. Микросхема К176ИД2 разрабатывалась для управления 7-ми сегментным светодиодным индикатором. Эта микросхема способна преобразовать двоичный код от 0000 до 1001 , что соответствует десятичным цифрам от 0 до 9 (одна декада). Остальные, более старшие комбинации просто не отображаются. Выводы C, S, K являются вспомогательными.
У микросхемы К176ИД2 есть четыре входа (1, 2, 4, 8). Их ещё иногда обозначают D0 - D3 . На эти входы подаётся параллельный двоичный код (например, 0001). В данном случае, двоичный код имеет 4 разряда. Микросхема преобразует код так, что на выходах (a - g ) появляются сигналы, которые и формируют на семисегментном индикаторе десятичные цифры и числа, к которым мы привыкли. Так как дешифратор К176ИД2 способен отобразить десятичные цифры в интервале от 0 до 9, то на индикаторе мы увидим только их.
Ко входам дешифратора К176ИД2 подключены 4 тумблера (S1 - S4), с помощью которых на дешифратор можно подать параллельный двоичный код. Например, при замыкании тумблера S1 на 5 вывод микросхемы подаётся логическая единица. Если же разомкнуть контакты тумблера S1 - это будет соответствовать логическому нулю. С помощью тумблеров мы сможем вручную устанавливать на входах микросхемы логическую 1 или 0. Думаю, с этим всё понятно.
На схеме показано, как на входы дешифратора DD1 подан код 0101. На светодиодном индикаторе отобразится цифра 5. Если замкнуть только тумблер S4, то на индикаторе отобразится цифра 8. Чтобы записать число от 0 до 9 в двоичном коде достаточно четырёх разрядов: a 3 * 8 + a 2 * 4 + a 1 * 2 + a 0 * 1 , где a 0 - a 3 , - это цифры из системы счисления (0 или 1).
Представим число 0101 в десятичном виде 0101 = 0*8 + 1*4 + 0*2 + 1*1 = 4 + 1 = 5 . Теперь взглянем на схему и увидим, что вес разряда соответствует цифре, на которую умножается 0 или 1 в формуле.
Дешифратор на базе технологии ТТЛ - К155ИД1 использовался в своё время для управления газоразрядным цифровым индикатором типа ИН8, ИН12, которые были очень востребованы в 70-е годы, так как светодиодные низковольтные индикаторы ещё были очень большой редкостью.
Всё изменилось в 80-е годы. Можно было свободно приобрести семисегментные светодиодные матрицы (индикаторы) и среди радиолюбителей прокатился бум сборки электронных часов. Самодельные электронные часы не собрал для дома только ленивый.
Для отображения десятичных и шестнадцатеричных цифр часто используется семисегментный индикатор. Изображение семисегментного индикатора и название его сегментов приведено на рисунке 3.
Рисунок 3.3 Изображение семисегментного индикатора и название его сегментов.
Для изображения 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 таких 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 3.2. 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 3.2. Таблица истинности семисегментного декодера.
| Входы | Выходы | |||||||||
| a | b | c | d | e | f | g | ||||
В соответствии с принципами построения схемы по произвольной таблицы истинности, получим принципиальную схему семисегментного дешифратора (декодера), реализующего таблицу истинности, приведённую в таблице 2. На этот раз не будем подробно расписывать процесс разработки схемы. Полученная принципиальная схема семисегментного дешифратора приведена на рисунке 3.4.
Рисунок 3.4.
Принципиальная схема семисегментного дешифратора (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 3.5.
Этот тип дешифраторов тоже предназначен для вывода двоичного кода в привычном для нас виде, но для этого он использует специальные индикаторы, цифры которых набираются из сегментов:
А теперь взглянем на схему такого дешифратора на примере микросхемы К176ИД2:
Как и любой другой дешифратор, микросхема имеет входы для получения двоичного кода (1, 2, 4, 8) и 7 выходов, на которых формируется код в соответствии с расположением сегментов на индикаторе:
Если, к примеру, подать на вход код 0110, то микросхема установит высокие уровни на выводах А, F, E, D, C, G и в результате мы увидим цифру 6 (двоичный эквивалент ее как раз 0110). Как и простые двоично-десятичные дешифраторы, семисегментные индикаторы бывают разных типов – все зависит от того, для работы с какими типами индикаторов они рассчитаны.
Если индикаторы светодиодные, то дешифратор должен иметь хорошую нагрузочную способность, чтобы выдержать ток светодиода сегмента (К555ИД18), если жидкокристаллические, то выходной ток может быть маленьким, но дешифратор должен уметь выдавать на индикатор противофазный сигнал (К564ИД4). Люминесцентные индикаторы не требуют большого тока и обходятся «постоянкой», но им подавай относительно высокое напряжение (К176ИД2).
Для удобства конструирования всевозможных цифровых шкал (к примеру, часов или частотомеров) дешифраторы могут объединять со счетчиками. Классический пример – К176ИЕ3 и К176ИЕ4:
Достаточно на вход С такого счетчика-дешифратора начать подавать импульсы, как он начнет считать и выводить результат счета на семисегментный индикатор: 0, 1, 2, 3 и т.д. Подали импульс на вход R (сброс) и на индикаторе «0» — счетчик «сбросился». Что примечательно, ИЕ4 умеет считать до 9 (потом снова начинает с нуля), а ИЕ3 – до 6. Идеально для подсчета десятков минут или секунд в электронных часах. Возвращаясь немного назад (точнее, в