Цифровой калейдоскоп

Вам уже, вероятно, известно, что на выходе любого логического устройства — электронных часов, цифрового измерительного прибора, микрокалькулятора, электронно-вычислительной машины — информация преобразуется из двоичного кода в привычный нам десятичный. Однако вычислительный процесс нельзя считать завершенным, пока его результат не доведен до сведения пользователя. Поэтому цифровые приборы снабжены разнообразными устройствами отображения информации. Наиболее простые из них — одноразрядные знакосинтезирующие индикаторы.

Что же представляет собой такой цифровой индикатор? Главная его часть — табло. На нем может загораться любая цифра от 0 до 9. В корпусе индикатора скрыт электронный «механизм», который подключается к выходу цифрового прибора и «преобразует» электрический сигнал в светящееся изображение той или иной цифры.

Существует четыре основных вида знакосинтезирующих индикаторов: газоразрядные, люминесцентные, жидкокристаллические и полупроводниковые. Их условные графические обозначения показаны на рисунке 1.

У газоразрядных индикаторов в качестве корпуса используется прозрачный стеклянный баллон, заполненный инертным газом, чаще всего неоном. Катоды в форме цифр такого индикатора имеют самостоятельные выводы, расположенные друг за другом. При подаче на катод управляющего напряжения возникает тлеющий разряд; через боковую стенку или купол баллона можно наблюдать, как загорается цифра оранжево-красного цвета.

Вакуумные люминесцентные индикаторы также помещены в прозрачные стеклянные баллоны. Такой прибор представляет собой многоанодный триод, на сетку которого подается напряжение положительной полярности. Аноды лампы выполнены в виде прямолинейных металлических сегментов, покрытых люминофором и размещенных на одной пластине. Сегменты расположены таким образом, что при подаче на соответствующие выводы напряжения положительной полярности получают светящееся изображение различных цифр или знаков.

Жидкокристаллические индикаторы являются пассивными отражающими или пропускающими падающий на них свет. Электроды такого индикатора — в виде сегментов из прозрачного электропроводящего материала, на поверхность которого нанесено жидкокристаллическое вещество. При подаче напряжения на электроды соответствующих сегментов жидкокристаллическое вещество из прозрачного становится непрозрачным и на табло появляется черная цифра.

На лицевой части пластмассового корпуса полупроводникового индикатора расположены сегменты из светодиодов. Если на выводы прибора подано управляющее напряжение, сегменты начинают светиться, образуя изображение той или иной цифры.

Устройство простейшего полупроводникового индикатора — на рисунке 2. Он состоит из восьми светодиодов, представляющих собой миниатюрные кристаллы полупроводникового материала — арсенида галлия. Каждый элемент расположен в полости общей для всего прибора подложки. Полость заполнена светорассеивающей пластмассой, образующей светящуюся область, называемую сегментом.

Подобно тому, как в игрушке-калейдоскопе из разноцветных стеклышек складываеся узор, так и в полупроводниковом индикаторе из отдельных светящихся сегментов составляется изображение той или иной цифры. Сегментам присвоены условные буквенные обозначения: а, b, с, d, е, f, g, h (рис. 1в). Семь из них при свечении образуют изображение цифры, а восьмой, расположенный в правом нижнем углу, символизирует запятую. Она необходима, когда информационное табло, состоящее из нескольких таких индикаторов, показывает дробное число. Цвет свечения — чаще всего зеленый или красный.

По способу соединения между собой светодиодов полупроводниковые индикаторы относятся к двум группам: с разделенными анодами и с разделенными катодами. У первых катоды светодиодов соединены друг с другом. Они подключаются к «минусовой» шине питания, а управляющие сигналы высокого логического уровня подаются на аноды. У второй группы приборов, наоборот, между собой соединены аноды светодиодов. Их подключают к другой, «плюсовой» шине питания, а управляющее напряжение низкого логического уровня подают на катоды.

Для маркировки полупроводниковых знакосинтезирующих индикаторов используют следующий цифробуквенный код. Первая буква А в наименовании прибора означает, что материал светодиодов — арсенид галлия. Буква Л, стоящая второй, символизирует излучающие свойства прибора. Третья буква С указывает на то, что индикатор сегментный. Следующая далее цифра обозначает рабочий диапазон светового излучения прибора (1 — инфракрасное, 3 — видимое); вторая и третья цифры — порядковый номер разработки прибора. И наконец, последняя буква означает разновидность индикатора в данной серии. Например, наименование прибора АЛС321 расшифровывается так: знакосинтезирующий светоизлучающий сегментный индикатор на основе арсенида галлия, работающий в видимом диапазоне светового излучения; порядковый номер разработки 21.

Полупроводниковые индикаторы характеризуются следующими электрическими параметрами: максимальной величиной обратного напряжения Побр на каждом светодиоде; постоянным прямым током Iпр через один светодиод; импульсным прямым током Iпр. и; максимальной рассеиваемой мощностью Рмакс.

Для практического знакомства со знакосинтезирующими индикаторами выберем прибор АЛС324Б с разделенными катодами. Схема подключения выводов показана на рисунке 3. Один из общих выводов анодов подсоединяют к «плюсовому» проводу питания, а управляющее напряжение низкого логического уровня подают на катоды, подпаяв предварительно к выводу каждого из них по резистору сопротивлением 180—220 Ом.

Индикатор высвечивает любую цифру от 0 до 9 и запятую. Высота изображения цифр — 7,5 мм, а ширина — 4,9 мм.

Прибор АЛС324Б имеет следующие электрические характеристики: обратное напряжение 5 В, постоянный прямой ток 25 мА, импульсный прямой ток 300 мА, максимальная рассеиваемая мощность не более 500 мВт.

Наибольшее распространение полупроводниковые индикаторы получили в цифровых измерительных приборах, таких, как, например, логический пробник. Он будет вам полезен при налаживании и ремонте разнообразных цифровых устройств, в том числе и тех, о которых рассказывалось в журнале.

Пробник максимально прост и содержит минимальное количество радиодеталей. В нем применен полупроводниковый знакосинтезирующий индикатор АЛС324Б. Прибор индицирует три различных состояния на входе: отсутствие сигнала (загорается знак -|), напряжение низкого логического уровня (горит 0), напряжение высокого логического уровня (горит 1). Питается устройство от источника постоянного тока напряжением 9 В (батарея «Корунд»).

Принципиальная схема логического пробника показана на рисунке 4. Транзистор VTI выполняет роль электронного ключа. Элементы DD1.1 и DD1.3 микросхемы DD1 служат для усиления входного сигнала, а DD1.2 используется в качестве сравнивающего устройства. Логическая информация отображается знакосинтезирующим индикатором HG1. Постоянные резисторы R6 — R10, R12, R13 ограничивают ток светодиодов индикатора, а подстроечный резистор R3 служит для установки пробника в исходное состояние при отсутствии входного сигнала. Батарея GB1, стабилитрон VD1 и подстроечный резистор R11 образуют стабилизированный источник питания постоянного тока.

Как действует такой прибор? Предположим, что после включения питания сигнал на входе пробника отсутствует (щупы ХР1 и ХР2 не подключены к электрической цепи проверяемого устройства). При этом транзистор VT1 будет заперт и на входе 9 элемента DD1.2 установится напряжение высокого логического уровня. Такой же величины будет напряжение на входах 5 и 6 DD1.1, а следовательно, и на выходе 1 DD1.3 и входе 8 DD1.2. В результате на выходе 10 DD1.2 установится логический 0, и на индикаторе НG1 загорятся сегменты g, b и с (последние два через резисторы R12 и R13 подключены непосредственно к «минусовому» проводу питания), обозначая отсутствие сигнала на входе пробника.

Если теперь на вход подать напряжение высокого логического уровня, состояние элементов DD1.1 и DD1.3 не изменится, зато транзистор УТ1 откроется и на входе 9 DD1.2 установится логический 0. Элемент DD1.2 переключится, на его выходе появится логическая 1 и сегмент g индикатора погаснет. В то же время сегменты b и с продолжают светиться, образуя цифру 1.

Подадим на вход пробника напряжение низкого логического уровня. Что произойдет теперь? Транзистор VT1 снова окажется запертым, а вот элементы DD1.1 и DD1.3 переключатся в противоположные состояния и на выходе 1 DD1.3 и входе 8 DD1.2 установится логический 0. При этом элемент DD1.2 также переключится, и на его входе появится напряжение высокого логического уровня. В результате сегмент g погаснет, а сегменты а, d, е, f загорятся, образуя вместе с непрерывно горящими сегментами b и с изображение цифры 0.

Разобравшись в принципе действия прибора, приступайте к его сборке. Все элементы пробника, за исключением батареи питания GB1, тумблера SA1 и щупов ХР1 и ХР2, размещаются на монтажной плате размером 62X30 мм, изготовленной из фольгированного гетинакса или стеклотекстолита толщиной 1—2 мм (рис. 5).

В устройстве можно использовать следующие детали. Транзистор К.Т601 — КТ603, КТ608 с любым буквенным индексом. Вместо индикатора АЛС324Б можно применить любой другой с разделенными катодами, например КЛЦ201. Стабилитрон — КС156А или КС147А. Постоянные резисторы — ВС, МЛТ, ОМЛТ, С2-23, С2-33; подстроечные — СП3-16. Допустимо также использовать подстроечные резисторы СП4; однако необходимо будет несколько изменить конструкцию монтажной платы с учетом его габаритов и расположения выводов. Тумблер — малогабаритный, например ПДМ или МТ1, МТД1. Щупы — от промышленного измерительного прибора.

Детали пробника размещаются в пластмассовом корпусе с габаритами 158X34X30 мм (рис. 6). Щуп ХР1 закрепляют в сужающейся части корпуса, а ХР2 соединяют с монтажной платой тонким изолированным проводом длиной 20—30 см. Тумблер питания устанавливают в торцевой части корпуса. В боковой стенке напротив движка подстроечного резистора R3 просверлите отверстие Ø 5—6 мм, а в крышке корпуса напротив индикатора HG1 прорежьте окна размером 18Х10 мм и заклейте тонкой прозрачной пленкой синего или зеленого цвета.

Последний этап изготовления прибора — налаживание. Прежде всего вращением движка подстроечного резистора R11 подберите напряжение питания микросхемы DD1, чтобы оно составляло 5 В. Затем при отсутствии входного сигнала установите пробник в исходное состояние, переведя движок R3 в крайнее правое по схеме положение. При этом на индикаторе должны гореть сегменты b и с. Далее, медленно вращая движок R5 в обратную сторону, добейтесь свечения сегмента g. Теперь пробник готов к работе.

В. ЯНЦЕВ