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CONTATORE ASINCRONO MODULO 10: SCHEMA ELETTRICO, ELENCO COMPONENTI

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CONTATORE ASINCRONO MODULO 10

SCHEMA ELETTRICO

ELENCO COMPONENTI

Resistenze

R5 = 10 KΩ



R6 = 10 KΩ

R7 = 10 KΩ

7 resistenze RD = 330 Ω

Circuiti integrati

N° 1  74LS00  (3 porte NAND)

N° 1  74LS90  (Contatore)

N° 1  74LS47  (Decoder)

Pulsanti

N° 2   (Reset - Lamp Test)

N° 1 deviatore (Start - Stop)

Display

N° 1 display ad anodo commune (sette segmenti)

RELAZIONE TECNICA

Scopo di questa nostra prima esperienza è stata la realizzazione di un contatore asincrono (senza segnale di clock) modulo 10. Per fare questo il primo passo compiuto è stata la realizzazione del progetto, come collegare tra loro i componenti in base alle funzioni prefissate, poi si è passati alla realizzazione del circuito su bread-board, con il seguente collaudo.

Il contatore svolge la funzione di poter contare da 0 a 9 (modulo 10), pertanto ogni 10 secondi si riazzera automaticamente. Sono previsti pertanto i comandi di start (per avviare il contatore), stop (per fermarne il conteggio) e reset (per resettarlo a zero).

Troviamo innanzitutto un generatore di clock. La funzione del generatore di clock è quella di creare un segnale ad onda quadra. Nel nostro caso il generatore di clock (che può essere un integrato 555 o può essere rappresentato da un'apparecchiatura 717i82h apposita) deve creare un segnale di periodo 1s, in quanto deve dare l'impulso al contatore visualizzare ogni secondo il numero seguente. Al generatore di clock è collegato il circuito anti-rimbalzo; in esso troviamo un deviatore, le cui due posizioni sono quelle di start e stop. Nel momento in cui noi andiamo a modificare il collegamento del deviatore, esso è soggetto a dei falsi contatti, o rimbalzi: grazie al circuito anti-rimbalzo, nella fase di posizione intermedia del deviatore, permane la situazione precedente, di start o di stop, fino ad operazione avvenuta. L'uscita del circuito anti-rimbalzo va poi in ingresso al contatore, a cui è anche collegato il master-reset, che pertanto permette di azzerare il conteggio e ripartire da zero. All'uscita del contatore troviamo il collegamento al codificatore, che in base all'attivazione di ciascun ingresso fa corrispondere una diversa combinazione degli stati delle uscite, secondo un determinato codice. Le uscite del codificatori vanno in entrata al display a sette segmenti, ad anodo comune. Esso è costituito infatti da sette segmenti, contrassegnati dalle lettere a, b, c, d, e, f, g, che possono essere resi luminosi individualmente o secondo combinazioni tali da rappresentare le cifre decimali. E così il contatore può visualizzare in chiaro il conteggio.

Una volta vista quindi la mappa generale del circuito da realizzare, si è passati alla vera e propria progettazione. Il nostro circuito si concentra soprattutto sul ruolo principale rivestito dal contatore, il quale può contare su due diversi metodi: il codice binario o quello BCD.

Il sistema binario impiega solo due cifre (0 ed 1), mentre il codice BCD (binary coded decimal, decimale codificato in binario) associa ad ogni cifra di un numero decimale la corrispondente espressione binaria a quattro bit (ad esempio, per visualizzare 209 decimale in BCD avremo: 0010 0000 1001). Benché quindi la rappresentazione di un numero in codice BCD richieda un numero di bit maggiore rispetto al sistema binario, il suo impiego risulta essere molto vantaggioso nei casi in cui un dispositivo digitale, che elabora dati binari, debba convertirli in decimale, come nel nostro caso. E infatti la prima cosa da fare è quella di fare in modo che il contatore conti in BCD. Affinché questo sia possibile, come si evince dai fogli tecnici, la sua uscita QA deve essere collegata all'ingresso CKB dello stesso.



Passiamo ora ad analizzare il decoder 74LS47: le uscite del contatore (QA, QB, QC e QD) vanno collegate direttamente alle entrate A, B, C e D del decoder. L'ingresso LT (lamp test), invece, è l'ingresso che testa il display; ossia, osservando la tabella 3 se LT è collegato a massa (livello logico basso) tutti i segmenti del display si accendono, e pertanto ne possiamo testare il correttamente funzionamento.

Text Box: FUNCTION	INPUTS	BI/RBO	OUTPUTS
	LT	RBI	D   C   B   A		a	b	c	d	e	f	g
BI	X	X	X   X   X   X	L	off	off	off	off	off	off	off
RBI	H	L	L    L   L   L	L	off	off	off	off	off	off	off
LT	L	X	X   X   X   X	H	on	on	on	on	on	on	on

tab. 3

Possiamo così impostare il collegamento di LT in modo da avere un deviatore che da una parte lo colleghi a massa per testare il funzionamento dei display, e dall'altra lo colleghi a livello logico alto (Vcc) durante il normale funzionamento del contatore. Passiamo ora al pin BI/RBO: esso è l'ingresso di cancellazione forzata, e se collegato a massa porta allo spegnimento totale del display, mentre il conteggio continuerebbe tranquillamente. Nel nostro caso, questa funzione non è prevista, quindi possiamo lasciare il pin libero o, per evitare qualche disturbo di segnale, collegarlo direttamente a livello alto. Osserviamo ora il pin RBI, la sua funzione è quella di spegnimento della cifra meno significativa se viene collegato a massa. Pertanto nel nostro contatore (dove lo zero deve essere visualizzato come cifra di partenza) il pin RBI va collegato a livello alto Vcc.

Le 7 uscite del decoder vanno collegate ai 7 ingressi del display. In questo caso inseriamo alcune resistenze, il cui compito è quello di limitare la corrente ad un valore già prefissato (10 mA) in modo tale da non aver problemi per i LED dei segmenti del display. Il valore di queste resistenze è dato dal seguente calcolo:

            

Dove VCC è la tensione di alimentazione (di 5 V perché, come ricordiamo, è la tensione che deve essere utilizzata per i circuiti integrati della famiglia TTL, come nel nostro caso), VD è la tensione cui devono essere sottoposti i LED dei segmenti del display (compresa tra 1,6 V e 2 V), e ID è la corrente minima che deve attraversare tali LED. Noi consideriamo però resistenze dal valore di 330 Ω secondo le tabelle di normalizzazione, che indicano quali sono i resistori in commercio. Il display va poi collegato, da uno dei due piedini di alimentazione (3 o 8), a livello logico alto, in quanto è ad anodo comune.

Text Box: RESET INPUT	OUTPUT
R0(1)  R0(2) R9(1) R9(2)	QD  QC  QB  QA
H     H     L    X
H     H     X    L
X     X     H    H
X     L     X     L
L     X     L     X
L     X     X     L
X     L     L     X	L     L     L    L
L     L     L    L
H     L     L    H
COUNT
COUNT
COUNT
COUNT
tab. 2

Riprendiamo ora da dove avevamo lasciato: vanno ora impostati gli ingressi del contatore, tenendo conto della funzione di reset. Dobbiamo fare in modo che il contatore possa contare normalmente, e che possa azzerarsi alla pressione di un pulsante (reset). A tal proposito osserviamo la seconda e la quarta combinazione nella tabella 2: la seconda combinazione si riferisce all'opzione di azzeramento, mentre la quarta al conteggio normale. In entrambe vediamo che R9(2) deve essere collegato a livello logico basso,mentre R9(1) è influente. Possiamo così collegarli entrambi a livello logico basso. Passiamo ora a R0(1): nel caso di reset esso deve essere collegato a livello alto,mentre nel caso del normale conteggio il suo state è influente, e pertanto possiamo collegarlo a livello alto. Rimane ora R0(2): per questo ingresso lo stato deve essere alto nel momento del resettaggio, e basso nel momento del conteggio. Pertanto possiamo inserire un nodo: da una parte colleghiamo un ramo a massa e dall'altro a Vcc. Abbiamo detto che nel caso del resettaggio il suo segnale deve essere alto; allora poniamo il pulsante di reset sul collegamento a Vcc, in modo che premendo tale pulsante il contatore si resetti e riparti da zero. Ma se premiamo il pulsante, l'ingresso così come è ora andrebbe in corto, perché vi è dall'altra parte del nodo il collegamento a massa. Per evitare questo, allora, poniamo una resistenza (R5) sul collegamento a massa. Il valore di tale resistenza è dato da:




          

Dove VCC è l'alimentazione, VIL è il valore della tensione in ingresso nel contatore a livello basso, ed IIL la corrente in ingresso a livello basso.

Rimane l'ingresso CKA del contatore delle unità: ad esso dobbiamo collegare i due pulsanti di start e stop. Per fare questo inseriamo un circuito anti-rimbalzo, la cui funzione, come abbiamo già visto, e quella di evitare disturbi nel momento in cui vi è il passaggio da una funzione all'altra, facendo così permanere l'operazione precedente. Lo schema di tale circuito è il seguente:

La tabella di verità del circuito è la seguente:

Text Box: S	R	Q	 
CONDIZIONE
0	0	-	-	non si può verificare
0	1	1	0	Start
1	0	0	1	Stop
1	1	Qn	Qn	Le uscite non cambiano

Come si evince dalla tabella, il caso con S ed R uguali a zero non si può verificare; nel momento in cui premiamo il deviatore su R l'uscita Q sarà a livello alto e quindi avviamo il conteggio, mentre premendo il deviatore su S l'uscita Q sarà bassa, e pertanto il contatore si fermerà. L'ultimo caso si verifica quando il deviatore resta al centro, tra S ed R, senza contatto; in questo caso permane l'ultima condizione, e quindi il cambiamento start/stop si ha solamente al contatto completo. La funzione delle due resistenze è quella di evitare il cortocircuito nel momento in cui premiamo il pulsante su una delle due deviazioni. Il loro valore è pertanto dato dalla seguente formula:

    

Al circuito anti-rimbalzo va poi collegato un generatore di clock. Nel nostro caso abbiamo utilizzato un particolare strumento che genera un segnale di periodo 1 sec, in modo tale da dare l'impulso al contatore di passare alla cifra successiva dopo un secondo.

A progetto terminato siamo passati a realizzare le elaborazioni principali per giungere al collaudo del lavoro. Abbiamo così realizzato lo sbroglio, che mostra il progetto per la realizzazione sottoforma di circuito stampato, e da qui master e layout, che mostrano rispettivamente i collegamenti stampati e i componenti saldati al circuito.

Successivamente abbiamo realizzato sperimentalmente il nostro progetto du bread-board. Si è cercato così di collegare i compenti nel migliore dei modi, cercando di evitare miscugli di collegamenti, e disordine. La difficoltà maggiore è sorta nel momento in cui bisognava decidere come posizionare i componenti. Ognuno ha trovato un proprio stratagemma, e così siamo arrivati a completare il montaggio su bread-board. Una volta aver controllato più volte i collegamenti e aver analizzato, con l'ausilio di un tester, il circuito, per l'eventuale presenza di cortocircuiti o collegamenti errati, siamo potuti passare alla fase di collaudo vero e proprio. Abbiamo così alimentato la bread-board, e all'ingresso del segnale di clock abbiamo collegato un generatore di clock. Così abbiamo verificato direttamente le funzionalità del contatore: esso contava da 0 a 9 e ripartiva in automatico, con deviatore su start; appena questo veniva spostato su stop il conteggio di fermava; portando poi reset a livello alto il contatore si azzerava. Inoltre va ricordato che inizialmente, per constatare il corretto funzionamento del display, abbiamo collegato il lamp test a livello logico basso: tutti i LED del display si sono così accesi, e per passare alla fase successiva abbiamo riportato il lamp test a livello alto.

La progettazione può così essere ritenuta corretta, come mostra il collaudo. Uniche difficoltà sono emerse nella fase di montaggio su bread-board, che ha richiesto più tempo di quanto previsto, e realizzazione di sbroglio, master e layout, difficoltà che però sono state superate facilmente.







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