Лабораторная работа № 9 Исследование приборов для отображения информации
Цели работы:
учебные:
- ознакомиться с цифровыми и буквенными индикаторными неоновыми лампами тлеющего разряда;
- ознакомиться со схемами управления индикаторами;
- экспериментально исследовать управление семисегментным индикатором с помощью микросхемы 4511;
воспитательные:
- формирование умения четко организовывать самостоятельную работу;
- формирование осознанных мотивов учения;
- развивать познавательный интерес к электронной технике;
Время выполнения – 2 часа.
Место выполнения работы – компьютерный класс на 11 компьютеров.
Оснащение работы:
- ПК с минимальным набором технического оснащения;
- Windows XP, MS Office;
- программный комплекс Electronics Workbench для разработки радиоэлектрон-ных устройств;
- Усатенко С.Т., Каченюк Т.К., Терехова М.В. Выполнение электрических схем по ЕСКД. Справочник. – М.: Издательство стандартов, 1989.
1. Пояснение к работе
В системах, где требуется представить информацию в удобной форме для визуального восприятия человеком, применяются средства отображения информации. Одной из основных частей этих средств является индикатор — электронный прибор для преобразования электрических сигналов в пространственные распределения яркости. Свойства и характеристики индикатора определяют информационную емкость, быстродействие, надежность и другие параметры средств отображения информации.
1.1 Существует несколько типов приборов, в которых используется тлеющий разряд:
1. Двухэлектродные световые индикаторы.
2. Стабилитроны.
3. Двухэлектродные высоковольтные вентили.
4. Тиратроны различного назначения.
5. Переключаемые световые индикаторы.
6. Приборы десятичного счёта и коммутаторы.
7. Разрядники.
8. Газосветные лампы тлеющего разряда с положительным столбом.
9. Газоразрядные приборы для отображения информации.
10. Газоразрядные оптические квантовые генераторы (лазеры).
Принцип работы газоразрядных индикаторов основан на излучении газового разряда при прохождении электрического тока в замкнутом объеме.
Во всех газоразрядных индикаторах используется режим тлеющего разряда с холодным катодом при напряжении (60 ÷ 200)В.
Яркость и цвет свечения индикатора зависят от газа-наполнителя.
Газоразрядные индикаторы можно подразделить на четыре группы: неоновые лампочки, газоразрядные цветные сигнальные индикаторы, знаковые газоразрядные индикаторы и газоразрядные индикаторные панели.
Неоновая лампа (Рисунок 9.1) содержит два электрода: анод и катод, выполненные в виде дисков или цилиндров, помещенные в герметический стеклянный сосуд, заполненный газом неоном.
Рисунок 9.1 – Конструкция неоновой лампы ТН-30
На рисунке 9.2 представлена вольтамперная характеристика неоновой лампы ТН-30.
Рисунок 9.2 – Вольтамперная характеристика неоновой лампы ТН-30
При увеличении напряжения на аноде до величины, равной Uзажиг, возникает тлеющий разряд в газе, и поверхность катода начинает светиться. Для нормальной работы индикаторы должны включаться в цепь последовательно с балластным резистором. Неоновые лампочки используются для индикации наличия высокого напряжения, например "Сеть вкл."
Газоразрядные цветные сигнальные индикаторы представляют собой стеклянную колбу, на внутреннюю поверхность которой наносится слой люминофора.
Колба наполнена инертным газом и содержит два электрода: анод и катод. При подаче напряжения на анод возникает тлеющий разряд и ультрафиолетовое излучение, под воздействием которого люминофор светится. Цвет свечения зависит от газа и люминофора. Например, индикатор ТЛГ-1-2 - тлеющий, люминофор, голубой, ток 1 мА.
Знаковые газоразрядные индикаторы предназначены для отображения символов или цифр. Они представляют собой стеклянную колбу, внутри которой расположены полупрозрачный анод и десять катодов, изготовленных из молибденовой проволоки в виде цифр. При подаче напряжения между анодом и одним из катодов возникает тлеющий разряд, охватывающий всю поверхность данного катода, в результате отображается соответствующая цифра.
Газоразрядные индикаторы отличаются хорошей яркостью и контрастностью, но требуют высокого напряжения питания. Маркировка знаковых индикаторов включает две буквы ИН и цифру, означающую номер модификации. Например, ИН-8, ИН12, ИН18 и т.д.
Полупроводниковые светодиодные индикаторы выполняются на основе светоизлучающих диодов. Различают точечные, цифровые, буквенно-цифровые, шкальные, мозаичные и другие светоизлучающие индикаторы. Используя различный материал, можно получить индикаторы с различным цветом свечения. Для визуального увеличения размеров индикаторов используются фокусирующие и увеличительные линзы.
В микрокалькуляторах широко используются многоразрядные светодиодные индикаторы на 4-16 разрядов. Рабочее напряжение светодиода лежит в пределах (1,2ч2,5) В, а ток от 3 до 20 мА.
Для управления работой индикаторов разработаны специальные микросхемы. Обычно это преобразователи кода с формирователями выходных сигналов.
Для управления ВЛИ используются микросхемы серии К161 и микросхемы из серии К176. Для цифровых газоразрядных индикаторов применяется микросхема К155ИД1.
Существуют два принципа управления работой индикаторов: статический (Рисунок 9.3) и динамический (Рисунок 9.4). В первом случае каждый индикатор управляется своей схемой. Во втором случае каждая цифра подключается поочередно с частотой более 30 Гц. При этом из-за инерционности глаза изображение выглядит неподвижно.
При динамическом управлении и большом количестве разрядов значительно уменьшается количество выводов с индикаторного табло.
Рисунок 9.3 – Управление индикаторами статическое
Рисунок 9.4 – Управление индикатором динамическое
Обычно при количестве разрядов меньше четырех используется статический принцип управления, а если больше четырех – динамический.
Условно-графическое обозначение индикаторов представлено на рисунке 9.5.
а) б) в)
Рисунок 9.5 – Условное обозначение светодиодных элементов
индикации
а) 7-сегментный с общим катодом;
б) для индикации девяти цифр с раздельными катодами;
в) для индикации цифры с общим анодным выходом.
2. Запустить программу ELECTRONICS WORKBENCH. Создать файл lab9.cir, собрать схему согласно рисунку 9.6.
Рисунок 9.6 – Схема управления индикатором
2.1 Выполнить задания на экспериментальные исследования и методические указания к ним.
2.1.1 Изучить использование микросхемы 4511 – декодера/драйвера семисегментного индикатора. Поскольку семисегментные индикаторы являются чрезвычайно распространённым компонентом цифровых устройств, очень полезно понимать принцип работы управляющих ими схем, а микросхема 4511 – типичное устройство управления семисегментными индикаторами.
На вход такой микросхемы подаётся четырёхразрядное двоично-кодированное десятичное число, и затем сигналы подаются на соответствующие выходные линии для отображения на семисегментном индикаторе той или иной десятичной цифры. Разряды двоично-кодированного числа, от младшего к старшему, обозначаются как A, B, C и D. Выходы обозначаются латинскими буквами a, b, c, d, e, f и g, причём каждая буква соответствует стандартному обозначению сегментов индикатора. Поскольку для каждого светодиодного сегмента требуется отдельный гасящий резистор, в схеме необходимо использовать семь резисторов 470 Ом, включаемых последовательно между выводами микросхемы 4511 и соответствующими выводами индикатора.
Во многих семисегментных индикаторах также имеется десятичная запятая (иногда даже две) с отдельным светодиодом и выводом. В обычном светодиодном индикаторе девять выводов: один идёт к катодам всех сегментов, и остальные восемь — к аноду каждого из сегментов, — так называемая схема «схема с общим катодом». Существует также вариант схемы индикатора с общим анодом. При использовании микросхемы 4511 требуется семисегментный индикатор с общим катодом.
После сборки схемы и подачи питания создавайте с помощью 4 переключателей последовательность двоичных чисел (0000 — 1111), и наблюдайте за работой семисегментного индикатора. В случае двоичной комбинации 0000 индикатор будет отображать цифру «0», в случае комбинации 0001 будет отображаться цифра «1», и так далее до 1001 (десятичная цифра «9»). Что же будет происходить в случае двоичных чисел 1010 (10) – 1111 (15)? Если вы ознакомитесь с листком технических данных на микросхему 4511, то узнаете, какие функции назначены производителем для входных значений, превышающих десятичное число «9». В двоично-десятичной системе кодирования не предусмотрены значения для двоичных чисел 1010, 1011, 1100, 1101, 1110 и 1111. Эти двоичные значения лежат вне диапазона одного десятичного разряда, поэтому и не используются в двоично-десятичном кодировании.
Три входа чипа 4511 соединены с Vdd или землёй: «Lamp Test," „Blanking Input," и „Latch Enable“ («контроль свечения индикатора“, «последовательное гашение сегментов» и «режим защёлки» соответственно). Для того чтобы понять работу этих выводов схемы, необходимо удалить короткие перемычки, соединяющие выводы с шиной питания (одну за один раз!), и заменить их более длинными перемычками для соединения с другой шиной питания. Например, удалите перемычку, соединяющую с землёй вывод № 5 («Latch enable»), и замените её длинной перемычкой, чтобы соединить его с питанием Vdd. Подавайте на этот вход высокий или низкий уровень, и пронаблюдайте результат на семисегментном индикаторе. После того как вы поняли функцию этого входа, соедините его вновь с шиной питания, и приступите к эксперименту со следующим входом («Lamp Test» или «Blanking Input»).
Необходимо обратить внимание, что над сокращениями входов «Lamp Test» (LT) и «Blanking Input» (BI) имеется чёрточка — символ операции булева дополнения. Эти чёрточки обозначают, что входы возбуждаются низким уровнем сигнала, то есть для их активации необходимо подать напряжение низкого логического уровня. При подаче на эти входы напряжения высокого логического уровня они будут находиться в «пассивном состоянии», то есть их функции не будут задействованы. Над сокращением входа «Latch Enable» (LE) чёрточка дополнения отсутствует, и соответственно, для удерживания функции в пассивном состоянии этот вход соединён с землёй. Этот вход возбуждается высоким уровнем сигнала, то есть для активации его функции он должен быть соединён с цепью Vdd.
Содержание отчета
Название и цель работы
Схема исследуемого устройства
Результаты исследования
Выводы по работе
5. Ответы на контрольные вопросы
Контрольные вопросы
1. Применение индикаторов
2. Какие существуют принципы управления работой индикаторов
3. Объясните вольтамперную характеристику неоновой лампы ТН-30
4. Классификация газоразрядных приборов для отображения информации.