Разработка принципиальной схемы индикации часов

При разработке блока счета интервалов времени мы построили схему так, чтобы блок индикации можно выполнить из набора семисегментных дешифраторов и индикаторов. Конечно, как и в случае с часами можно найти готовый блок индикации со встроенным контроллером, но как это уже говорилось ранее — мы не ищем лёгких путей. В разрабатываемых часах построим блок индикации на отдельных микросхемах.

Сначала давайте выберем микросхему семисегментного дешифратора. При разработке структурной схемы мы определили, что для индикации внутреннего состояния счетчиков будем использовать светодиодные индикаторы. Поэтому попробуем найти микросхему дешифратора, способную работать на светодиодный индикатор. В результате поиска находим достаточно старые, но выпускающиеся до настоящего времени микросхемы — SN74LS247D. Выбор иностранной микросхемы обусловлен исключительно размерами корпуса этой микросхемы.

В Советском Союзе выпускались микросхемы К555ИД18 — полный аналог этой микросхемы за исключением корпуса. Корпус в два раза больше (как у микросхемы SN74LS247N). Эти микросхемы до сих пор можно найти в продаже. Однако с точки зрения корпуса, да и с точки зрения надёжности лучше поставить другую отечественную микросхему — 514ИД2. Ее можно считать аналогом микросхемы SN54LS247W, выполняющей подобную функцию.

Проанализируем возможности микросхемы SN74LS247D. В результате этого анализа определяем, что на выходе этой микросхемы используется схема с открытым коллектором, допускающая подачу напряжения на выводы подключения светодиодных сегментов до 15 В. Втекающий ток этих выводов может достигать 24 мА. Приведенные параметры показывают, что микросхема SN74LS247D идеально подходит для использования совместно со светодиодным индикатором.

Так как схема подключения всех сегментов одинакова, то можно ограничиться расчетом элементов для одного сегмента. Номиналы элементов для остальных сегментов будут полностью идентичными. Рассчитаем схему подключения одного сегмента светодиодного индикатора к микросхеме семисегментного дешифратора SN74LS247D. Эквивалентная схема подключения одного сегмента светодиодного индикатора к выходному каскаду микросхемы SN74LS247D приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема подключения одного сегмента светодиодного индикатора к выходному каскаду микросхемы SN74LS247D

Сначала определим напряжение питания блока индикации. Для этого необходимо знать параметры светодиодного индикатора, поэтому выберем светодиодный индикатор. Пусть в схеме будет использоваться суперяркий светодиодный индикатор поверхностного монтажа с красным цветом свечения ACSA56-41SRWA-F01. Этот индикатор производится фирмой Kingbright.

Падение напряжения на этом индикаторе может составлять от 1,7 до 2,5 В. При пятивольтовом питании схемы, падение напряжения на балластном сопротивлении R можно определить по следующей формуле:

U_Rmax = U_Пmax – U_Vdmin = 5,25 B – 1,7 В = 3,55 B
U_Rmin = U_Пmin – U_Vdmax = 4,75 B – 2,5 В = 2,25 B

По закону Ома разброс падения напряжения на балластном сопротивлении будет определять разброс тока через светодиодные индикаторы. Это в конечном итоге даст разброс яркости свечения сегментов. В нашем случае разброс падения напряжения на балластном резисторе составил 1,6 раза, что вполне приемлемо для бытового прибора, поэтому оставим напряжение питания блока индикации равным пяти вольтам.

Зададимся током через сегмент светодиодного индикатора. Пусть этот ток будет равен 5 мА. Тогда сопротивление балластного резистора будет равно:

R = (U_П − U_Vd)/I_VD = (5 B – 1,75 В)/5 мА = 650 Ом

Выбираем ближайшее значение из десятипроцентного ряда номиналов резисторов — 670 Ом.

Теперь составим принципиальную схему подключения светодиодного индикатора ACSA56-41SRWA-F01 к микросхеме семисегментного дешифратора SN74LS247D. Она приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 Схема подключения светодиодного индикатора ACSA56-41SRWA-F01 к микросхеме семисегментного дешифратора SN74LS247D

В приведенной на рисунке 1.11 схеме выход каждого сегмента дешифратора подключается к соответствующему сегменту индикатора через токоограничивающий резистор. 

Кроме информационных входов "1" "2" "4" "8" в микросхеме дешифратора SN74LS247D имеются управляющие входы. Вход BI позволяет гасить индикатор. Вход LT позволяет проверять исправность сегментов индикатора, зажигая сразу все сегменты. Вход RBI позволяет гасить незначащие нули в отображаемом числе.

Мы не будем пользоваться всеми возможностями, предоставляемыми выбранной нами микросхемой дешифратора, поэтому соединим перечисленные управляющие входы с высоким потенциалом. Так как вход BI может одновременно служить выходом, то высокий потенциал подадим через резистор R1.

Схема подключения индикатора для всех четырех отображаемых разрядов счетчика часов и счетчика минут не отличается, поэтому полную схему блока индикации приводить не будем. С ней можно ознакомиться по полной принципиальной схеме разработанных часов, приведенной в приложении 1.

1. Микушин А.В., Сажнев А.М., Сединин В.И. Цифровые устройства и микропроцессоры. СПб, БХВ-Петербург, 2010.
2. Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника. СПб, БХВ-Петербург, 2004.
3. Шило В. Л. Популярные цифровые микросхемы. М, Радио и связь, 1987.
4. Digital Logic Pocket Data Book, texas instrument, 2003.
5. https://www.ti.com/sc/logic/

Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин

Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).

А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре "Сигнал", Научно производственной фирме "Булат". В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.

Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи "Сигнал-201", авиационной системы передачи данных "Орлан-СТД", отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.

А.В.Микушин является автором 130 научных и научно-методических работ, в том числе 21 монография и 26 учебников и учебных пособий.