CONTATORE ASINCRONO MODULO 60 - SCHEMA ELETTRICO, ELENCO COMPONENTI

R₅ = 10 K

R₆ = 10 K

R₇ = 10 K

7 resistenze R_D = 330

Circuiti integrati

N° 1 74LS00 (3 porte NAND)

N° 2 74LS90 (Contatore)

N° 2 74LS47 (Decoder)

Pulsanti

N° 2   (Reset - Lamp Test)

N° 1 deviatore (Start - Stop)

Display e diodi

N° 2 display ad anodo commune (sette segmenti)

N° 4 diodi 1N4007 (D₁ - D₂ - D₃ - D₄)

RELAZIONE TECNICA

Scopo di questa nostra prima esperienza è stata la realizzazione di un contatore asincrono modulo 60. Per realizzare ciò, 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 59 (modulo 60), pertanto ogni minuto si riazzera automaticamente. Sono previsti inoltre 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. In questo caso, la funzione del generatore (che può essere un integrato 555 o un collegamento diretto ad uno strumento apposito) è quella di creare un segnale di periodo 1s, in quanto deve dare l'impulso al contatore per visualizzare ogni secondo la cifra successiva. Al generatore di clock è collegato il circuito anti-rimbalzo, a cui è collegato 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 a passaggio avvenuto. L'uscita del circuito anti-rimbalzo va poi in ingresso al contatore dell'unità. Questo ha la funzione di contare da 0 a 9, azzerarsi e riprende il conto automaticamente. Ad esso è collegato il contatore delle decine, che pertanto deve contare da 0 a 5 (in quanto il contatore parte da 00, arriva a 59 e riparte). È prevista per questo secondo contatore anche la funzione di spegnimento della cifra meno significativa (lo zero): quando il contatore è appena avviato, nel tratto da 0 a 9 quello delle decine non visualizza lo zero. È logico, quindi, che la funzione del contatore delle decine è strettamente legata a quella del contatore delle unità, in quanto esso può contare solo quando l'altro arriva a 9 e si resetta automaticamente. Ad entrambi i contatori è collegato il master-reset, che permette di azzerare il conteggio quando si desidera e ripartire così da zero. Ogni singolo contatore ha poi collegato alle proprio uscite un codificatore, che in base all'attivazione di ciascun ingresso fa corrispondere una diversa combinazione degli stati delle uscite, secondo un determinato codice. Le uscite dei due codificatori vanno in entrata ai due display, entrambi a LED, ad anodo comune e a sette segmenti. Essi sono costituiti 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 sulla parte dei due contatori. La prima cosa da dire è che i due contatori possono 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 il primo obbiettivo è quello di fare in modo che i due contatori contano in BCD. Affinché questo sia possibile, come si evince dai fogli tecnici dei contatori, le uscite Q_A degli stessi devono essere collegate all'ingresso CKB. Una volta fatto questo, sappiamo che, quando il contatore delle unità arriva a 9 e si resetta automaticamente, deve dare l'impulso a quello delle decine affinché visualizzi la cifra successiva. Guardiamo così le tabelle di verità dei contatori:

Come osserviamo dalla tabella 1, quando il contatore (quello delle unità) arriva a 9, deve dare l'impulso a quello della decine affinché possa passare a visualizzare la cifra successiva. A tal proposito, va detto che i contatori contano solo sul fronte di discesa (da uno stato alto si passa ad uno basso): osservando, notiamo che l'unica uscita che presenta il fronte di discesa solo da 9 a 0 è l'uscita Q_D. L'uscita Q_D del contatore delle unità deve essere pertanto collegata in entrata a quello delle decine, in modo che ogni volta che il contatore delle unità arriva a 9, quello delle decine visualizzi la cifra che segue. Q_D quindi viene collegata a CKA.

Dobbiamo poi fare in modo che il contatore delle decine conti da 0 a 5. Guardiamo la tabella 2: per far resettare un contatore valgono le prime due condizioni, ossia gli ingressi R₀₍₁₎ ed R₀₍₂₎ devono essere in entrambi i casi a livello alto, mentre nel primo caso R₉₍₁₎ deve essere a livello basso ed R₉₍₂₎ è influente, nel secondo R₉₍₁₎ è influente ed R₉₍₂₎ deve essere collegata a livello basso. Pertanto, nel contatore delle decine, possiamo considerare sia R₉₍₁₎ che R₉₍₂₎ a livello basso, e collegarli così a massa. Rimangono ora da collegare R₀₍₁₎ ed R₀₍₂₎: come abbiamo visto il contatore delle decine deve azzerarsi quando arriva a 6 ( o per meglio dire a 5 in quanto 60 non verrà mai visualizzato). Guardiamo così le uscite del contatore quando si trova a 6 (tab. 1). Ricordando che per farlo resettare R₀₍₁₎ ed R₀₍₂₎ devono essere entrambi a livello alto, nella combinazione del numero 6 troviamo soltanto Q_B e Q_C a livello logico alto, e pertanto colleghiamo queste due uscite negli ingressi R₀₍₁₎ ed R₀₍₂₎.

Passiamo ora ai due decoder 74LS47: le uscite dei due contatori (Q_A, Q_B, Q_C e Q_D) vanno collegate direttamente alle entrate A, B, C e D dei 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.

Possiamo impostare il collegamento di LT (in entrambi i decoder) in modo da avere un deviatore che da una parte li colleghi a massa per testare il funzionamento dei display, e dall'altra li 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 esso spegne completamente il display, mentre il conteggio continua tranquillamente. Nel nostro caso, questa funzione non è prevista, quindi possiamo lasciare il pin libero o, per evitare disturbi di segnale, collegarlo direttamente a livello alto, discorso che vale per entrambi i decoder. Osserviamo ora il pin RBI, la sua funzione è quella di spegnimento della cifra meno significativa se viene collegato a massa. Pertanto, nel decoder del contatore delle unità (dove lo zero deve invece essere visualizzato quando abbiamo 10, 20, 30, ecc.) il pin RBI va collegato a livello alto Vcc, mentre nel decoder del contatore delle decine, con ingressi A, B, C e D bassi (numero 0) deve essere attivato, e pertanto va collegato a livello basso. Per gli altri casi il suo stato rimane influente.

Le 7 uscite di ciascun decoder vanno collegate ai corrispondenti 7 ingressi di ciascun 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 danneggiare i LED dei segmenti dei display. Il valore di queste resistenze è dato dal seguente calcolo:

Dove V_CC è la tensione di alimentazione (pari a5 V perché, come sappiamo, si tratta di integrati appartenenti alla famiglia TTL, che pertanto devono avere un'alimentazione di tale valore), V_D è la tensione cui devono essere sottoposti i LED dei segmenti dei display (essa deve essere compresa tra 1,6 e 2 V), mentre I_D è la corrente minima che deve attraversare tali LED. Noi consideriamo però resistenze dal valore di 330 Ω, in quanto, secondo le tabelle di normalizzazione, sono resistenze in commercio che più si avvicinano al valore da noi desiderato. I display, poi, vanno collegati, da uno dei due piedini di alimentazione (n° 3-8), a livello logico alto, in quanto si tratta di display ad anodo comune.

Riprendiamo ora da dove avevamo lasciato: vanno ora impostati gli ingressi del contatore delle unità, 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 tale che premendo il 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 V_CC è l'alimentazione necessaria all'integrato, V_IL è il valore della tensione in ingresso nel contatore a livello basso, ed I_IL la corrente in ingresso a livello basso.

Ma va comunque sottolineato il fatto che in questo modo azzeriamo solamente il contatore delle unità, quando invece, premendo una sola volta lo stesso pulsante, dovremmo azzerare entrambi i contatori. Guardando così la prima o la seconda combinazione della tabella 2 (per quanto riguarda il resettaggio), R₀₍₁₎ ed R₀₍₂₎ devono essere a livello alto. Pertanto possiamo collegare entrambi gli ingressi al collegamento che va verso il pulsante di reset e da qui a livello alto. Ma R₀₍₁₎ ed R₀₍₂₎, durante il normale funzionamento, devono essere a livello basso (come si evince dalla quarta alla settima combinazione della tabella numero 3). Pertanto, agli stessi pin, inseriamo altri due nodi , affinché gli ingressi vadano normalmente a massa. Ma ci rendiamo subito conto che, nel momento in cui premiamo il tasto di reset, così come ora, gli ingressi R₀₍₁₎ ed R₀₍₂₎ andrebbero in corto circuito. Di conseguenza, per evitare ciò, poniamo due resistenze, R₁ ed R₂, il cui valore è pari a:

Sorge però ora un altro problema: nel momento in cui noi premiamo il tasto di reset, per via del nodo presente, andiamo ad imporre uno stato alto alle uscite Q_B e Q_C, e proprio perché ciò non può avvenire inseriamo come soluzione due diodi, D₁ e D₂, con l'anodo rivolto verso le uscite. In questo modo, premendo il tasto di reset, e imponendo così livello logico alto, le uscite non ne saranno influenzate in quanto al catodo dei due diodi arriverà un livello logico alto, e pertanto il diodo, essendo inversamente polarizzato, funziona da circuito aperto. Un discorso analogo vale in un'altra situazione: nel momento in cui il tasto di reset è normalmente rilasciato, basta che una sola delle due uscite sia a livello alto, e, per via del nodo verso reset, imporrebbe un livello alto sia ad R₀₍₁₎ che ad R₀₍₂₎, facendo così ripartire il contatore. Per evitare questo, anche qui poniamo due diodi, D₃ e D₄, in modo tale che anche una sola delle due uscite a livello logico alto trovi uno dei due catodi, che si polarizzano così inversamente (circuito aperto) evitando così il resettaggio del contatore.

In ultimo, va impostato 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. Lo schema di tale circuito è il seguente:

Di cui conosciamo la tabella di verità:

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 a livello basso, e pertanto il contatore si fermerà. L'ultimo caso si verifica quando il deviatore resta al centro, tra S ed R, senza contatto, o per meglio dire è in famedi passaggio da una posizione all'altra; 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 per passare alla cifra successiva dopo un secondo.

A progetto terminato abbiamo realizzato le elaborazioni principali per giungere al collaudo del lavoro. Siamo quindi arrivati alla stesura dello 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 il generatore di clock. Abbiamo quindi potuto verificare direttamente le funzionalità del contatore: esso contava da 0 a 59 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 dei display, abbiamo collegato il lamp test a livello logico basso: i 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.