3. Системы отбражения цифровой информации.

Для анализа работы цифровых устройств, особенно на стадии их отладки, требуется иметь информацию о текущих значениях сигналов на соответствующих выходах. Это можно сделать, используя осциллографы, либо вольтметры. Однако более удобным для отображения состояния цифровых узлов является использование элементов, которые, как и сами устройства могут находиться лишь в двух визуально различимых состояниях. К ним относятся , в частности относятся лампочки накаливания, электромеханические транспаранты, но наиболее приемлемыми по ряду причин являются светодиоды и различные индикаторы на их основе.

3.1 Способы управления одиночными светодиодными индикаторами.

Светодиод представляет собой совокупность двух полупроводниковых слоев разного типа проводимости спереходом между ними, который может иметь достаточно сложную структуру. На принципиальных схемах он обозначается следующим образом (рис.3.1), а его вольтамперная характеристика похожа на соответствующую для обычного полупроводникового диода (рис. 3.2).

При подаче на анод положительного, а на катод - отрицательного потенциала, светодиод работает в прямом направлении, при относительно небольшом напряжении через него протекает ток и в областиперехода генерируется электромагнитное излучение с определенной длиной волны. Она определяет цвет свечения и зависит от ширины запрещенной зоны полупроводниковых материалов, используемых при изготовлении светодиода.

Прямое падение напряжения при заданном токе через светодиод будет тем больше, чем короче длина волны. Как следует из вольтамперной характеристики, для светодиода с красным цветом свечения прямое падение напряжения составляет порядка 1,6 В, для зеленого – около 2 В, а для светодиода с голубым цветом оно будет порядка 4-6В. Для обеспечения достаточной яркости ток через светодиоды должен быть порядка 10 миллиампер. Его верхнее значение ограничено свойствами конкретного прибора.

Светодиоды находят широкое применение для индикации состояний цифровых устройств в связи с тем, что для их включения требуется напряжение меньшее напряжения питания, а токи, обеспечивающие достаточно яркое свечение лежат в пределах токов нагрузки логических элементов.

Состояния многоразрядных цифровых устройств можно отображать, используя соответствующее количество независимо работающих светодиодов. Однако на практике обычно используются другие подходы. Один из них заключается в том, что состояния устройства кодируются, код преобразуется в двоичный, либо двоично-десятичный, который воспроизводится в виде соответствующих символов, например десятичных или шестнадцатеричных цифр.

При этом в качестве устройства отображения удобно использовать светодиодные семисегментные индикаторы. Они представляют собой набор из семи или восьми светодиодов, размещенных в одном корпусе (рис. 3.3) и соединенных анодами, либо катодами (рис. 3.4). В корпусе индикатора делаются специальные световоды, которые преобразуют свечение точечного участка светодиода в светящуюся полоску. Комбинируя засвеченные элементы индикатора, можно отображать символ любой десятичной цифры и ряда букв. Восьмой элемент обычно используется для воспроизведения десятичной точки.

Для зажигания светодиода между его электродами требуется в определенной полярности подать разность потенциалов, при которой будет через него будет протекать заданный прямой ток,(рис.3.5).

Однако, если температура кристалла светодиода возрастет, то его вольтамперная характеристика сместится влево, как показано штриховой линией. В этом случае при том же значении напряжения ток через диод возрастет, что может вызвать выход его из строя. При понижении температуры ситуация будет противоположной, при неизменном напряжении яркость свечения станет меньше. Это вызывает необходимость использования схем управления светодиодами, которые обеспечивают постоянство тока при изменении окружающих условий и разбросе их параметров.

Для этой цели можно использовать специальные генераторы стабильных токов, но обычно применяют более простые решения. Одно из них заключается в том, что последовательно со светодиодом включают токоограничительный резистор (рис.3.6) который присоединяют к источнику с напряжением большим прямого падения на светодиоде.

Ток через светодиод может быть рассчитан из соотношения, где- прямое падение напряжения на нем. При таком способе питания, изменение прямого напряжения навызовет изменение тока, что при малых величинахи сопротивлении резистора в сотни Ом практически не скажется на изменении яркости свечения.

Вцифровых устройствах светодиод, или индикатор на его основе должен отображать состояние выходов логических элементов. Нагрузочная характеристика стандартного ТТЛ вентиля серии К155 в состояниях логического нуля и единицы приведена на рис. 3.7.. Из нее следует, что токи порядка десяти миллиампер могут быть обеспечены лишь при наличии на выходе вентиля сигнала логического нуля. В единичном состоянии вентиль будет работать с перегрузкой, его выходное напряжение снизится до уровня 1,3-1,7В, недостаточного для нормальной работы светодиодов.

Поэтому, используются иные варианты схем управления (рис. 3.8). В первом из них светодиод будет излучать при наличии на входе вентиля сигнала логической единицы. Ток через него определяется соотношением , откуда можно рассчитать сопротивление ограничительного резистора.

Для второго варианта свечение будет наблюдаться, при нулевом сигнале на входе и соответственно единичном на выходе. Теоретически в этом случае транзистор выходного каскада вентиля заперт и ток через светодиод определяться соотношением . Однако, вследствие того, что светодиод работает в прямом направлении, на выходе вентиля будет присутствовать потенциал, определяемый падением напряжения на нем в прямом направлении, которое составляет единицы вольт. Это может привести к открыванию верхнего плеча выходного каскада вентиля и некоторому увеличению тока через светодиод. Для устранения этого эффекта могут использоваться элементы с открытым коллектором.