投稿類別 : 工程技術類 篇名 : 兩位數字 學號顯示器之設計與研析 作者 : 陳冠良 國立楊梅高中 高三資訊科甲班 葉日勝 國立楊梅高中 高三資訊科甲班 羅玉芬 國立楊梅高中 高三資訊科甲班 指導老師 : 簡樹桐老師
壹 前言 一 研究動機與目的 高二的課程有 數位邏輯 這門課, 課程中學習到有關於布林代數的計算 化簡, 及某些 IC 可以實現布林代數的結果, 不但可以把原本複雜的組合邏輯, 簡化成較簡單的電路 在實習課中, 老師要求我們利用所學得各種邏輯設計方法完成屬於自己學號顯示的邏輯電路 由此單一的題目運用各種不同方法完成, 讓我們了解要解決一個問題的方法有很多種方式, 比如說用組合邏輯電路設計學號顯示電路就比用 74138 解碼器來設計要來的複雜, 在實做成電路板比較複雜 在熟悉的單個數字的學號顯示電路的設計方法後, 想要運用這些方法來挑戰 兩個數字 來顯示自己的學號顯示電路 剛好在數位邏輯課程中, 有教授到 解多工器 一對多的原理, 想把原來的學號分別顯示到兩個七段顯示器上, 於是我們就以這個想法為基礎, 來當作我們這次小論文的題目 二 研究過程與步驟 這個題目運用到的 IC 及對應的功能為包括 555 振盪器 7493 計數器 74138 解碼器 74244 解多工器 74373 閂鎖器 7447 BCD 解碼器 7408 及閘以及 7400 反及閘來實現兩位數學號顯示電路 一開始先透過紙上作業作邏輯分析, 再來利用 Tina 軟體模擬設計出來的電路的 正確性, 接著找出所使用的 IC 的接腳以及其特性, 並讓 IC 的個數變少 有了設 計圖開始插麵包板試做實驗, 驗證所設計的電路圖的正確性 以下是整個小論文的研究及撰寫過程, 如圖 (1) 決定研 蒐集相 建立草 設計與 究題目 關資訊 稿與大 研究電 整理研究資料 製作實 彙集成論文 體電路 圖 (1) 研究過程圖 - 1 -
貳 正文 本電路主要功能為能在兩個七段顯示器, 依序顯示 015035 這組學號, 其系統方塊圖如圖 (2) 所示 : 分別敘述如下, 首先信號產生器方塊為利用 555 這顆 IC 產生一穩定的脈波, 提供至 IC7493 模六計數器計數的輸入來源 接著 7493 將輸出連續循環計數脈波分別為 000 001 010 011 100 101, 送至下一級的 74138 解碼 IC, 依據真值表搭配簡單的邏輯閘, 輸出我們要的 BCD 計數碼 為了要將 BCD 碼能分別依序分別送至兩個七段顯示器, 利用 IC 74244 緩衝器實現 1 x 4bit 對 2 x 4bit 的解多工器完成這個需求 接著要讓在顯示過程能繼續保留另外一個數字不被清除, 我們利用 74373 IC 把未變動的 BCD 碼閂鎖住, 最後將此 BCD 碼送至 7447 IC 解碼提供共陽極七段式顯示器顯示 一 信號產生電路 圖 (2) 電路系統方塊圖 ( 一 ) NE555 IC 介紹 555 計時器是一種集成電路晶片, 常被用於計時器 脈衝發生器和振蕩電路 555 可被作為電路中的延時器件 觸發器或起振元件 555 計時器可工作在三種工作模式 : 單穩態 雙穩態 無穩態 此學號顯示電路是用無穩態的 555 震盪器 - 2 -
( 二 ) NE555 所構成的非穩態電路 圖 (3) 555 IC 接腳圖 無穩態工作模式下 555 計時器可輸出連續的特定頻率的方波 電阻 R 1 接在 V CC 與放電引腳 ( 引腳 7) 之間, 另一個電阻 (R 2 ) 接在引腳 7 與觸發引腳 ( 引腳 2) 之間, 引腳 2 與閾值引腳 ( 引腳 6) 短接 工作時電容通過 R 1 與 R 2 充電至 2/3 V CC, 然後輸出電壓翻轉, 電容通過 R 2 放電至 1/3 V CC, 之後電容重新充電, 輸出電壓 再次翻轉 無穩態模式下 555 計時器輸出波形的頻率由 R 1 R 2 與 C 決定 二 計數器 圖 (4) 非穩態震盪電路 這個電路利用 7493 的計數器 利用 IC7493 模六計數器產生出 0 到 5 的計數裝置, 其可計數輸出方波的個數, 並由 Q C Q B Q A 輸出 ; 其輸出 Q C Q B Q A 的變化依序有 000 001 010 011 100 101 等六種狀態循環, 如表 (1) 所示, 只要適當的控制線路 110 與 111 則不會產生, 如圖 (5) 所示 時序 QD QC QB QA 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 0 3 0 0 1 1 4 0 1 0 0 5 0 1 0 1 6 0/0 0/1 0/1 0/0 7 0 0 0 0 表 (1) 模六計數真值表 圖 (5) 7493 IC 模六接線圖 - 3 -
三 解碼器 解碼器 (decoder) 是將 n 位元的輸入碼依特定的的關係轉換成 m 條輸出的邏輯電路, 其任何一條輸入線, 都可以是 0 或 1 兩種狀況 因此, 在 n 條輸入線中計有 2 的 n 次方個輸入組合, 而每條輸出線的輸出狀態與各輸入組合都有著特定的關西 種類包括 : 二進制 BCD 碼轉十進制或 BCD 對顯示器解碼 商用的二進位解碼器有 2 線對 4 線 3 線對 8 線 4 線對 16 線等, 編碼分別為 74X139 74X138 74X154 本實驗用 74X138 解碼器來做電路,74X138 是輸出 0 動作的 3 線對 8 線解碼器, 它具有三個致能端, 分別為 G 1 G 2A G 2B 中分別加入 1 0 0 的信號方可 圖 (6) 解碼器原理介紹 利用 74138 解碼 IC 實現取代組合邏輯電路, 完成學號顯示電路 設計步驟 : 1. 將所顯示的真值表寫出 2. 利用卡諾圖化簡, 選擇較少的 SOP 或 POS 的布林代數, 輸出 (Y 3,Y 2,Y 1,Y 0 ) 七段 BCD 顯示真值表 計數 CBA 顯示字元 Y 3 Y 2 Y 1 Y 0 D C B A 0 000 0 0 0 0 0 1 001 1 0 0 0 1 2 010 5 0 1 0 1 3 011 0 0 0 0 0 4 100 3 0 0 1 1 5 101 5 0 1 0 1 6 110 X X X X X 7 111 X X X X X Y 3 =0 Y 2 =CB A =4 Y 1 =C BA +CB A=2+5 Y 0 =(C+B+A)( C+B+C )=0 3-4 -
四 解多工器原理介紹 表 (2) 六碼學號顯示 BCD 碼真值表 多工器能從多組輸入信號選擇一組作為輸出, 解多工器 (demultiplexer,demux) 的功能則恰好相反, 是將一組信號傳送至多組輸出端中的一組 因此, 解多工器又稱為資料分配器 (data distributor) 輸入為一組信號輸入, 右邊卻沒有 m 組信號輸出線, 至於輸入信號應被傳送至哪組信號輸出, 則完全由選擇線來決定 ( 註一 ) 圖 (7) 解多工器原理圖 圖 (8) 74244IC 內部構造圖 利用 74244 IC 實現 1 x 4bit 對 2 x 4bit 的解多工器, 本小論文使用兩個七段顯示器, 依序把六碼學號顯示出來, 所以必須把上一級學號顯示電路的 BCD 解碼結果, 分別依序送到對應的七段顯示器 五 閂鎖器 利用 74373 IC, 為了讓兩位學號顯示電路, 在逐一顯示過程能保留沒變的另外一個字, 使其不會被歸零, 這裡只要利用 74373 IC 把未變動的 BCD 碼閂鎖住即可 圖 (9) 74373IC 內部構造圖 - 5 -
六 BCD 解碼器介紹常用之 7 段顯示器的解碼器 IC 可分為兩大類 : 1. 驅動共陽極 7 段顯示器的 74x46 74x246 74x47 74x247 等 IC 2. 驅動共陰極 7 段顯示器的 74x48 74x248 74x49 74x249 等 IC 下圖為 74x47 的邏輯符號以其真值表 圖 (10) 7447 邏輯圖 圖 (11) 7447 輸出真值表 利用 7447 IC,BCD 解碼器是對不同的共極性七段式顯示器做解碼, 而 7447 是對共陽極的七段示顯示器做 BCD 解碼的動作 ; 另外還有 7448,7448 則是對共陰極的七段示顯示器做 BCD 解碼的動作 本題使用 7447, 是因為 7447 所設計出來的電路較 7448 為簡單 圖 (10) 7447IC 內部構造圖 七 七段顯示器由於七段顯示器分為共陰型與共陽型, 所以 BCD 至七段顯示解碼 ( 轉碼 ) 的數位積體電路也分為兩類,7447 是必須配合共陽型七段顯示器使用 ( 本題 ),7448 就是必須配合共陰型七段顯示器使用 ( 共陰式共同腳位 : 接地, 共陽式共同腳 - 6 -
位 : 接 Vcc ) 圖 (12) 七段顯示器圖 (12-a) 七段顯示器結構圖 (12-b) 七段顯示器顯示結果 八 學號顯示電路實驗 圖 (13) 麵包板插件全景面 圖 (14) 信號產生電路 除 6 電路 解碼電路 圖 (15) 閂鎖電路 BCD 解碼電路及七段顯示器 - 7 -
九 電路圖 U1 U2 SN7493 CKA CKB R0(1) R0(2) QA QB QC QD + U6 U5 SN74LS138 A Y0 B Y1 C Y2 G1 Y3 G2A Y4 G2B Y5 Y6 Y7 U8 SN7400 U7 SN7400 U16 SN7408 U9 SN74LS244 1G 1Y1 1A1 1Y2 1A2 1Y3 1A3 1Y4 1A4 2Y1 2G 2Y2 2A1 2Y3 U19 SN74LS373 OC 1Q C 2Q 1D 3Q 2D 4Q 3D 5Q 4D 6Q 5D 7Q 6D 8Q 7D 8D U15 + U14 SN7447 BI/RBO RBI LT A B C D a b c d e f g U3 Com a b c d e f g. U13 Com U4 + 2A2 2Y4 2A3 U10 SN7400 2A4 U19 SN74LS373 OC 1Q + U12 a b c d e f g. C 1D 2D 3D 4D 5D 6D 7D 8D 2Q 3Q 4Q 5Q 6Q 7Q 8Q U11 SN7447 BI/RBO RBI LT A B C D a b c d e f g 圖 (16) 完整電路圖 ( 使用 TINA 軟體繪製 ) - 8 -
十 實驗結果 : 顯示學號 015035 01 30 51 35 50 05 圖 (17) 兩位數字六碼學號電路顯示結果 - 9 -
参 結論 一 問題與解決 設計的電路中, 因為 IC 的接腳觀念並不清楚, 導致在成品作完時七段顯示器無法正常的顯示出學號, 因此我們翻了參考書 上網查詢 IC 的接腳, 把不懂的地方統整並了解其接腳 在明白如何規劃正確的接腳接線之後, 從 555 開始一路檢查到最後的七段顯示電路, 最後才完成了正確的電路顯示 二 心得 這次的電路, 是首次做電路中最大型的一個, 在這次之前做過的實習至多也只用到一塊麵包板, 這次, 因為用的 IC 及接腳數都偏多, 之中最多的腳數達到 20PIN, 也因如此這次的電路需要兩塊麵包板組合 製作電路的過程過中因為接腳數偏多, 在接線時, 需要更留意是否遺漏了哪些接腳, 即是一個單單的小錯誤也會造成整個電路的錯誤, 所以在製作的過程中, 我們依照每區的功用不同而用不同顏色的單芯線, 以便於發生錯誤時好依循的顏色的區塊分別檢查, 當然在接線時我們也很細心的標記該接到哪支腳位, 雖然第一次接線完成時, 並不能一次就成功的顯示狀態, 但靠著互相合作耐心的除錯, 在不到一天的時間, 就把電路調整到正確的顯示狀態, 這次的合作經驗, 能讓我們更了解 IC 的工作模式 三 建議 這次的小論文與實作, 讓我們對設計電路與實作方面, 有了更完整的概念與技術, 但我們發現有許多可以改善的地方, 例如 : 六碼學號顯示電路, 我們使用了兩顆七段式顯示器顯示, 可以提高至四顆的七段式顯示器顯示, 但如果還是使用閂鎖器去做, 電路將會變得非常複雜, 由於電路的複雜度大大提高, 我們建議可選擇 CPLD 來完成此項任務 肆 引註資料 註一 : 蕭柱惠 ( 主編 )(2007) 數位邏輯實習 新北市 : 台科大圖書圖 (4): 徐慶堂 黃天祥 ( 主編 )(2007) 電子學 新北市 : 台科大圖書圖 (11): 蕭柱惠 ( 主編 )(2007) 數位邏輯 新北市 : 台科大圖書圖 (8) 74244IC 內部構造圖 :mil.ufl.edu 圖 (9) 74373IC 內部構造圖 :ecelab.com 圖 (10) 7447IC 內部構造圖 :csie.ntu.edu.tw - 10 -