شمارنده‌ ی سون سگمنت

نمایشگرهای سون سگمنت می‌توانند برای نشان دادن اعداد چند رقمی در کنار هم مورد استفاده قرار بگیرند. همچنین از آن‌ها می توان برای نشان دادن برخی کاراکترها استفاده نمود.

امروزه به سهولت می‌توان اعداد و حروف الفبا را با استفاده از میکروکنترلرهایی مانند آردوینو یا رزبری پای (Rasberry-pi) بر روی نماشگرهای LED به تصویر کشید. اما گاهی اوقات برای نمایش اعداد دو رقمی یا بیشتر ترجیح می‌دهیم از سون سگمنت استفاده کنیم که در این مقاله به شرح چگونگی این کار می پردازیم.

استفاده از نمایشگرهای سون سگمنت راهی راحت برای نشان دادن اعداد از ۰ تا ۹ می‌باشد چرا که سون سگمنت‌ها از ۷ دیود نوری که در کنار یکدیگر در یک پکیج قرار گرفته‌اند تشکیل شده اند.

هر دیود انتشار دهنده‌ی نور ( یک سگمنت سون سگمنت) با عبور جریان الکتریکی از خود نور ساتع می‌کند. ترتیب روشن و خاموش شدن سگمنت‌ها در کنار هم می‌تواند کاراکترها وشماره‌های متعددی را به وجود بیاورد.

همان‌طور که در مقاله LED ها دیدیم؛ LED ها کاملاً شبیه به دیودهای معمولی هستند به عبارتی دیگر جریان تنها در یک جهت می‌تواند از آن‌ها عبور کند. تنها تفاوت در این است که در دیودهای نوری از پیوند PN هنگامی که جریان از آن عبور می‌کند، نور ساتع می شود.

اگر جسمی با عبور جریان از خود نور ساتع کند، دارای خاصیت الکترولومینسنس (Electroluminescence) می‌باشد. در دیود نوری اختلاف پتانسیل بین آند و کاتد حداقل باید  ۲+ ولت باشد تا تولید نور کند برای اینکه یک LED به اندازه‌ی کافی نور داشته باشد، باید حداقل جریانی بین ۶ تا ۲۰ میلی آمپر از آن عبور کند و مقدار این جریان توسط مقاومتی که با LED سری شده مشخص می گردد.

بنابراین از طریق بایاس مستقیم هر کدام از سگمنت‌ها ( ترمینال آند به قطب مثبت باتری و ترمینال کاتد به زمین متصل باشد) می‌توانیم سگمنت‌های مختلف را روشن کنیم تا مقادیر ۰ تا ۹ را نمایش دهد و یک خروجی بصری برای مدارمان فراهم شود.

نمایشگر سون سگمنت

۱. نمایشگر سون سگمنت

همان‌طور که از نام سون سگمنت پیداست، از ۷ قسمت تشکیل شده که هر قسمت یک LED مجزا می‌باشد و در ترکیب با دیگر قسمت‌ها می‌تواند اعداد یا رقم خاصی را نشان دهد.

البته در برخی سون سگمنت ها، LED هشتم ( در گوشه‌ی قسمت راست سون سگمنت) برای نشان دادن اعشار تعبیه شده.

علاوه بر این، یک نمایشگر سون سگمنت متشکل از ۷ دیود نوری است (بدون در نظر گرفتن سگمنت هشتم) و هرکدام از این سگمنت‌ها ۲ ترمینال ( کاتد و آند) دارد. البته برای اینکه تعداد پایه‌های بیرونی قطعه کم شود، کاتد یا آند تمام LED ها از داخل به یکدیگر متصل شده و تنها یک پایه برای کاتد یا آند از داخل سون سگمنت بیرون آمده یعنی هر سون سگمنت دارای (۷+۱) پایه است ۷ پایه که برای هر سگمنت منحصر به فرد است و یک پایه‌ی مشترک.

اگر پایه‌های مشترک کاتد باشند، سون سگمنت کاتد مشترک (CC) می باشد. حال اگر پایه‌هاي آند به یکدیگر اتصال کوتاه شده باشند، سون سگمنت آند مشترک (CA) خواهد بود. بنابراین سون سگمنت‌ها دارای دو نوع کاتد و آند مشترک هستند.

پیکربندی کاتد مشترک

در سون سگمنت کاتد مشترک، پایه مشترک باید به زمین اتصال پیدا کند. سپس سگمنت‌های دلخواه با اعمال جریان الکتریکی مناسب به پایه آند بایاس مستقیم می‌شوند. هر سگمنت از حرف a تا g نامگذاری شده. بنابراین سون سگمنت به یک مدار راه‌انداز نیاز دارد که می‌تواند منبع جریان باشد.

۱. پیکربندی کاتد مشترک

پیکربندی آند مشترک (CA)

در نمایشگر آند مشترک (CA) تمام آندها به یکدیگر متصل شده‌اند و پایه مشترک آند باید به قطب + باتری یا VCC متصل شود. سپس هر سگمنت با اعمال یک سیگنال سطح پایین به ترمینال کاتد روشن خواهد شد. بنابراین یک سون سگمنت آند مشترک به مدار راه‌اندازی نیاز دارد که کشنده‌ی جریان باشد.

راه‌های مختلفی برای اتصال سگمنت‌ها به مدار وجود دارد که هر کدام مزایا و معایب خودش را دارد چرا که هر سگمنت بین ۶ تا ۲۰ میلی آمپر نیاز دارد تا بتواند به میزان قابل قبولی از خودش نور ساتع کند و از آن جایی که ۷ سگمنت به علاوه یک سگمنت برای نشان دادن اعشار وجود دارد، باید از یک دکدر برای راه‌اندازی جداگانه‌ی هر سگمنت بهره برد.

2. پیکربندی آند مشترک (CA)

مدارات مجتمع دکدر یک نوع از داده ورودی را به نوع دیگری از داده تبدیل می‌کنند و انواع مختلفی از دیکدرها ( بسته به نوع اطلاعات ورودی ) وجود دارد مانند باینری BCD یا hex و کد خروجی برای هر عدد توسط تراشه دیکدر به سون سگمنت ارسال می شود. حال دکدر می‌تواند به صورت ۳ به ۸ یا ۴ به ۱۶ خطی باشد. (عدد اول نشانگر تعداد ورودی های دکدر و عدد دوم نشان دهنده تعداد خروجی‌های دکدر می باشد.)

حال ما برای مدارمان به یک تراشه‌ی دیکدر نیاز داریم که بتواند تعداد کد باینری را به گروهی از سیگنال‌های خروجی تبدیل کند تا به وسیله آن یک سون سگمنت را راه‌اندازی کنیم. در اینجا ما می‌توانیم از دیکدر BCD به سون سگمنت استفاده کنیم. کدهای BCD اعداد باینری ۴ رقمی می‌باشند که هر کدام هم ارز با یک عدد دسیمال از ۰ تا ۹ هستند. شما می‌توانید از دیکدرهای زیر برای راه‌اندازی مدار سون سگمنت استفاده کنید.

آی سی های دیکدر TTL

* 74LS47 آند مشترک

* 74LS48 کاتد مشترک

* 74LS247 آند مشترک

آی سی های دیکدر CMOS

* 74HC4511 کاتد مشترک

* CD4513 کاتد مشترک

74LS547 پر طرفدارترین دیکدر سون سگمنت می‌باشد که قادر به راه‌اندازی نمایشگرهای آند مشترک است. TTL74LS47 دارای ۴ ورودی BCD و ۷ خروجی فعال در سطح پایین برای راه‌اندازی هر سگمنت است.

فعال در سطح پایین یعنی هر پین برای فعال شدن باید به سطح پایین ولتاژ متصل شود و خروجی سطح بالا سگمنت را خاموش می‌کند. سری نمایشگرهای HDSP نقطه‌ی شروع خوبی برای مبتدیان هستند اما استفاده از سون سگمنت‌های آند مشترک نیز عالی است.

 با کمک ۴ سوییچ، یک عدد باینری ۴ بیتی به ورودی های A ،B ،C و D دکدر 74LS47 اعمال می‌شود تا سیگنال های خروجی a ، b ، c، d ، e، f و g ساخته و به سون سگمنت ارسال شوند تا اعداد ۰ تا ۹ بر روی آن نمایش داده شوند.

دیکدر 74LS47

4. دکدر 74LS47

اتصال بین دیکدر 74LS47 و سون سگمنت آند مشترک به ۷ مقاومت نیاز دارد. ( البته اگر بخواهیم از نقطه‌ی اعشار سون سگمنت استفاده کنیم به ۸ مقاومت نیاز خواهیم داشت ) تا جریان محدود شود و علاوه بر کنترل نور سون سگمنت، از آسیب دیدن آن بر اثر اضافه جریان جلوگیری شود.

بهترین متد برای محدود کردن جریان، استفاده از مقاومت‌هایی است که به صورتی که در شکل نشان داده شده با LED های سون سگمنت سری شده‌اند. اگر از مقاومت‌های سری استفاده نشود، جریان فوق‌العاده زیادی از LED عبور می‌کند و پس از تولید یک نور خیره کننده برای همیشه تخریب می شود.

از آن جایی که هر سگمنت در سون سگمنت در محدوده جریان ۶ تا ۲۰ میلی آمپر کار می‌کند، اگر بخواهیم روشنایی قابل قبولی داشته باشد، هر سگمنت حداقل ۱/۸ ولت افت ولتاژ خواهد داشت. ما می‌توانیم مقدار مقاومت محدود کننده جریان را محاسبه کنیم تا علاوه بر تامین نور مناسب از آسیب دیدن LED نیز جلوگیری شود.

برای یک نمایشگر آند مشترک، آندهای  سگمنت به 5V متصل شده‌اند و اگر افت ولتاژ دو سر (LED) ۱/۸ ولت باشد، افت ولتاژ دو مقاومتی که با دیود نوری سری شده  VS-VLED=5-1.8=3.2v  خواهد بود.

بنابراین، مقدار مقاومتی که باید برای عبور جریان مناسب از LED به کار رود، به راحتی از طریق قانون اهم قابل محاسبه خواهد بود.

5. دکدر 74LS47

محاسبه‌ی مقدار مقاومت‌ها برای سون سگمنت

بنابراین، در جریان 6mA مقدار مقاومت محدود کننده برابر با 533Ω یا 530Ω خواهد بود و اگر بخواهیم جریان 20mA از مقاومت عبور کند، به یک مقاومت 160Ω نیاز خواهیم داشت. اما مناسب‌ترین مقاومت برای سون سگمنت بین 220Ω تا 360Ω می باشد.

با وجود اینکه ما در مثال‌مان از سون سگمنت آند مشترک استفاده میکنیم، می‌توان از محاسبات مربوط به سون سگمنت آند مشترک برای نوع کاتد مشترک نیز استفاده کرد. مقاومت‌های DIP (Dual in line) در یک پکیج قرار گرفته و باعث می‌شوند تا سیم کشی بین IC  و سون سگمنت راحت‌تر باشد.

در ذهن داشته باشد که ما از دیکدر TTLL4LS47 BCD استفاده کردیم که در حالت سطح پایین (کشنده‌ی جریان) فعال می‌شود تا یک سون سگمنت آند مشترک را راه‌اندازی کند. دیکدر TTL 74LS48 BCD کاملاً شبیه به نوع 47 آن می‌باشد با این تفاوت که برای راه‌اندازی سون سگمنت کاتد مشترک طراحی شده و خروجی در حالت سورس جریان فعال می شود.

بنابراین بسته به نوع سون سگمنت می‌توانید از دیکدر 74LS47 و LT542CA برای آند مشترک یا 74LS48 و LT543 برای کاتد مشترک استفاده کنید.

نمایش اعداد بر روی سون سگمنت

دیکدر 74LS47 چهار ورودی دارد تا ارقام BCD بر مبنای (۱-۲-۴-۸) را از پایه‌ی A ،B ، C و D دریافت کند و همچنین ۷ خروجی متلق به هر کدام از سگمنت‌های سون سگمنت می باشد.

راه‌اندازی ۴ کلید  SA, SB, SC و SD ورودی لازم برای فعال سازی سگمنت‌های متناسب را تضمین می‌کند. برای یک عمل‌کرد معمولی یا تست لامپ یا RBI  ورودی‌های 74LS47 همگی به 5V (سطح بالا) متصل می شوند. بنابراین شماره ها به صورت زیر نمایش داده می شود.

اعداد سون‌سگمنت

۶. اعداد سون‌سگمنت

در حالیکه راه‌اندازی هر ۴ سوییچ SPST باعث می‌شود که اعداد خاصی روی سون سگمنت به نمایش دربیایند، تنظیم هر ۴ کلید ممکن است کار کسل کننده ای باشد. بنابراین می‌توانیم از یک مدار مجتمع که قادر است ۴ خط اطلاعات باینری تولید کند، به جای ۴ سوییچ استفاده می‌کنیم. نام این قطعه مدار مجتمع شمارنده‌ی 74LS90 BCD می باشد.

تراشه 74LS90 می‌تواند به صورت یک شمارنده‌ی MOD-10 تعریف شود تا یک کد BCD را در خروجی تولید کند که از ۰۰۰۰ تا ۱۰۰۱ می شمارد و سپس خودش را دوباره ریست می‌کند با استفاده از شمارنده غیر‌سنکرون ده‌دهی می‌توان تنها با یک سوییچ اعداد را به صورت افزایشی روی سون سگمنت نمایش داد.

شمارنده‌ی سون سگمنت تک رقمی

۷. شمارنده‌ی سون سگمنت تک رقمی

حال با فشار دادن کلیدSW۱ شمارش آغاز می‌شود و اگر جای مقاومت 1KΩ و کلید فشاری عوض شود، شمارش می‌تواند با فشردن یا رها کردن کلید آغاز شود.

 مدار ساده‌ی ما نشان می‌دهد که ما چگونه می‌توانیم یک شمارنده دیجیتال ۰ تا ۹ را برای اعداد دو رقمی ۰۰ تا ۹۹ نیز بسط دهیم.

شمارنده‌ی سون سگمنت دو رقمی

۸. شمارنده‌ی سون سگمنت دو رقمی

در این شمارنده نیمه اول مدار شمارنده مانند قبل عمل می‌کند با این تفاوت که فشردن کلید فشاری SW۱ باعث افزایش یکان عدد دو رقمی می شود.

اولین شمارنده U1 (74LS90) از ۰ تا ۹ (۰۰۰۰ تا ۱۰۰۱) می شمارد و هنگامی که عدد به ۸ (۱۰۰۱) رسید،‌ پین ۱۱ شمارنده‌ی U1 به سطح بالا می‌رود و در سطح بالا باقی می‌ماند تا U1 ریست شود و دوباره به صفر بازمی گردد. سپس پین ۱۱ شمارنده‌ی U1 دوباره به سطح پایین بازمی‌گردد.

از آن جایی که پایه ۱۱ (پایه D ورودی BCD) به کلاک A (CLKA) شمارنده‌ی دوم متصل شده، هر بار که پایه ۱۱ U1 تغییر سطح می‌دهد، یک عدد در شمارنده دوم بالا می‌رود و عدد سون سگمنت دوم نیز تغییر می‌کند. حال اگر دو سون سگمنت را در کنار هم قرار دهیم، اعداد ۰۰ تا ۹۹ به صورت افزایشی بر روی آن به نمایش درخواهند آمد و پس از رسیدن به ۹۹ دوباره ریست می شود.

این مدار شمارنده که خیلی ساده می‌باشد، معمولا در پروژه های ابتدایی مدرسه‌ها و دانشگاه‌ها کاربرد زیادی دار.د به عنوان مثال، اگر ما سوییچ SW۱ را با یک سنسور تعویض کنیم، می‌تواند اشیایی که از مقابلش گذر می‌کنند را بشمارد یا اگر به جای SW۱ یک تایمر یا یک اسیلاتور تک حالته بگذاریم، می‌تواند تعداد پالس ها را بشمارد یا می‌تواند به عناون یک تایمر ۲ رقمی عمل کند.

در حالیکه مدار شمارنده‌ی بالا عملکرد خوبی با شمارنده‌ی دهدهی 74LS90 دارد، مشکل این جاست که ما به ۲ عدد از آن‌ها نیاز خواهیم داشت. قطعه TTL74LS390 و معادل CMOS آن 74HC390 شمال ۲ شمارنده‌ی ده‌دهی 74LS90 در یک پکیج مدار مجتمع هستند و در اکثر مواقع، ارزان‌قیمت تر از ۲ قطعه 74LS90 می باشند.

شمارنده‌ی دهدهی TTL 74LS390 چهاربیتی شامل شمارنده‌ی دودویی و ۵ قسمتی می‌باشد که می‌توان آن را به صورت یک شمارنده‌ی ‌دهدهی نیز پیکربندی کرد. بنابراین می‌توانیم به جای دو آی سی 74LS90 از یک آی سی 74LS390 به صورت زیر استفاده کنیم.

شمارنده‌ی دو رقمی بهینه سازی شده

۹. شمارنده‌ی دو رقمی بهینه سازی شده

در مدار بالا یک شمارنده ۰۰ تا ۹۹ به وسیله قطعه‌ی 74LS390BCD ساخته شده. همچنین ۲ دیکدر 74LS47 ‌شمارنده‌ها را به سون سگمنت متصل کرده‌اند. برای شمارش اعداد بالای ۹۹ باید شمارنده های بیشتری را به صورت آبشاری به یکدیگر متصل کنیم.

یک شمارنده‌ی ۴ زقمی BCD می‌تواند از ۰۰۰۰ تا ۹۹۹۹ بشمارد و سپس دوباره به ۰۰۰۰ بازگردد. به همین صورت می‌توان تعداد ارقام قابل شمارش توسط شمارنده را افزایش داد. به عبارتی دیگر هر چه تعداد بیشتری شمارنده به صورت آبشاری به یکدیگر متصل شود، ارقام بیشتری قابل شمارش خواهند بود. برای درک این موضوع به شکل زیر نگاه کنید.

متصل کردن ‌شمارنده‌ها به یکدیگر

۱۰. متصل کردن ‌شمارنده‌ها به یکدیگر

• در این مقاله دیدیم که چگونه می‌توان با استفاده از سون سگمنت، دیکدر و IC شمارنده یک مدار شمارشگر را تولید کنیم. همچنین با دکدرهای 74LS47 و 74LS48 آشنا شدیم که به ترتیب برای راه‌اندازی سون سگمنت‌های آند مشترک (CA) و کاتد مشترک (CC) به کار می روند. همچنین مشابه CMOS این قطعات نیز در دسترس می باشد.
• شمارنده‌ی غیر سنکرون 74LS90 می‌تواند به صورت یک شمارنده‌ی ‌ده‌دهی MOD-10 تعریف شود تا یک کد BCD را در خروجی تولید کند تا از ۰۰۰۰ تا ۱۰۰۱ بشمارد و دوباره به ۰۰۰۰ بازگردد.
• شمارنده‌ی 74LS90 BCD یک مدار شمارشگر انعطاف پذیر را به وجود می‌آورد و می‌تواند به عنوان جداکننده‌ی فرکانس یا جدا کردن اعداد چند رقمی برای نمایش در سون سگمنت‌ها مورد استفاده قرار بگیرد.
• اتصال دو شمارنده‌ی 74LS90 به ما اجازه می‌دهد تا یک شمارنده‌ی دو رقمی را به وجود بیاوریم. اما هنوز تنها با استفاده از یک قطعه 74LS390 می‌توان شمارنده‌های متفاوتی را با کمک تعدادی سون سگمنت به وجود آورد.