Εισαγωγή

            Στο παρόν άρθρο, θα περιγράψουμε την λειτουργία ενός ψηφιακού χρονόμετρου, 0 – 99 sec. Η λειτουργία του βασίζεται στην χρήση 4 ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, τα οποία στην προκειμένη περίπτωση ανήκουν στην National Semiconductors (http://www.national.com). Προφανώς μπορούν να χρησιμοποιηθούν ολοκληρωμένα τα οποία ανήκουν σε άλλες εταιρείες και τα οποία έχουν παρόμοια λειτουργία. Στην συγκεκριμένη περίπτωση λοιπόν, χρησιμοποιήσαμε τα εξής στοιχεία:

 

Α. 1 x CD4060BM (14 stage ripple carry binary counter)
B. 1 x CD4040BM (14 stage ripple carry binary counter)
C. 1 x MC14518B (BCD counter)
D. 2 x MC14511B (BCD to seven segment driver)
E. 2 x 7 segment LED displays

Το κύκλωμα που χρησιμοποιήθηκε, φαίνεται στην εικόνα 1. Στο πειραματικό μέρος θα εξηγήσουμε, την λειτουργία καθενός από τα τμήματα του κυκλώματος, αλλά για να έχουμε μια βασική ιδέα, το κύκλωμα αυτό, τροφοδοτείται από έναν παλμό κρυστάλλου, τον οποίο μετατρέπει σε παλμό δευτερολέπτων, με κατάλληλη διάταξη, ο οποίος απεικονίζεται στα 7 segment displays. Όταν το χρονόμετρο δείξει 99, τότε ο επόμενος παλμός αναγκάζει το κύκλωμα να ξεκινήσει το μέτρημα από την αρχή με έναν τρόπο που θα δούμε παρακάτω.

 

Λειτουργία

            Θα ξεκινήσουμε την περιγραφή του ψηφιακού κυκλώματος. Το κύκλωμα θα το χωρίσουμε στο μέρος το οποίο παράγει την συχνότητα που θέλουμε (γεννήτρια) και στο μέρος που πραγματοποιεί την αρίθμηση.
 

Γεννήτρια: Η γεννήτρια του σήματος, αποτελείται από τα ολοκληρωμένα CD4040BM και CD4060BM. Χρησιμοποιούμε έναν κρύσταλλο ο οποίος ταλαντώνεται με συχνότητα 4.194.304MHz. Προφανώς η συχνότητα αυτή είναι πολύ μεγάλη για να μπορέσουμε να την χρησιμοποιήσουμε αυτούσια στο κύ-κλωμά μας. Αυτό που κάνουμε είναι να πραγματοποιήσουμε υποδιαιρέσεις της συχνότητας αυτής, έτσι ώστε ο κάθε παλμός να έχει διάρκεια 1sec το οποίο είναι και το επιθυμητό. Αρχικά λοιπόν χρησιμοποιούμε το CD4060 το οποίο διαιρεί την συχνότητα που εισάγουμε στην είσοδό του, με δυνάμεις του 2. Όπως παρατηρούμε στο ολοκληρωμένο, έχουμε εισόδους Q4, Q5, Q6, … Qn. Τοποθετώντας έναν παλμό στην είσοδο CLK του 4060 με συχνότητα f Hz, και τοποθετώντας την έξοδο στην θύρα Qn, το σήμα που προκύπτει έχει συχνότητα η οποία είναι ίση με f/2n, διαιρεμένη δηλαδή με μια δύναμη του 2, που αντι-στοιχεί στην αντίστοιχη έξοδο.

Έτσι λοιπόν τοποθετώντας την έξοδο στην Q14, και γνωρίζοντας ότι η είσοδος έχει συχνότητα 4.194.304Hz, θα πάρουμε τελικά ένα σήμα ίδιας μορφής (τετραγωνικό) αλλά με συχνότητα 256Hz.             Εισάγοντας το σήμα αυτό, στο 4040 και παίρνοντας έξοδο από την Q8, έχει προκύψει τελικά ένας αντεστραμμένος παλμός με συχνότητα 1Hz, δηλαδή διάρκεια 1sec. Το ότι ο παλμός είναι αντεστραμμένος, αφενός δεν επηρεάζει την λειτουργία του κυκλώματός μας, και αφετέρου, οφείλεται στο ότι η είσοδος είναι η , η οποία αντιστρέφει το σήμα και ενεργοποιεί το κύκλωμα όταν έρχεται η κατάσταση λογικού μηδέν. Συνδέοντας ένα LED στην έξοδο, έχουμε εποπτική εικόνα της μέτρησης των δευτερολέπτων, αφού σε κάθε θετικό παλμό η δίοδος άγει, και ανάβει.

Counter: Το σήμα του 1Hz από το κύκλωμα της γεννήτριας, το εισάγουμε σε έναν BCD counter MC14518. Πολύ απλά, το ολοκληρωμένο αυτό σε κάθε παλμό ρολογιού προσθέτει ένα λογικό «1» στην έξοδό του. Το MC14518 «χωρίζεται» ουσιαστικά σε δυο τμήματα. Το ένα οδηγεί τις μονάδες των δευτερολέπτων, ενώ το άλλο τις δεκάδες. Όπως παρατηρούμε και στην εικόνα 1, ο παλμός της γεννήτριας συνδέεται στο BCD που οδηγεί τις μονάδες, το οποίο είναι και λογικό αφού θέλουμε σε κάθε δευτερόλεπτο να αυξάνεται ο αριθμός του αντίστοιχου 7 segment display. Το δεύτερο display θέλουμε να αυξάνει κάθε δέκα δευτερόλεπτα. Για τον λόγω αυτό γειώνουμε την είσοδο του CLK, και παίρνουμε είσοδο από την Q3 την οποία εισάγουμε στην CKE του «δεύτερου» τμήματος του MC14518.

Με τον τρόπο αυτό εξασφαλίζουμε ότι το πρώτο display θα ενεργοποιείται μόνο όταν το σήμα στην Q3 είναι κατερχόμενο, δηλαδή από λογικό «1» σε λογικό «0». Αυτό είναι λογικό γιατί, εφόσον το πρώτο display αυξάνει κάθε δέκα δευτερόλεπτα, θα πρέπει μετά το 9 (1001 στην έξοδο του BCD counter) να μηδενιστεί το δεύτερο display και να αυξηθεί το πρώτο κατά ένα. Έτσι λοιπόν από το 9 θα πάμε στο μηδέν (1001 à 0000), και θα έχουμε έναν κατερχόμενο παλμό αφού το τελευταίο ψηφίο από λογικό «1» γίνεται λογικό «0» και ενεργοποιεί το BCD counter των δεκάδων. Όταν και το display των δεκάδων γίνει 9, τότε το κύκλωμα μεταβαίνει στην επόμενη κατάσταση που είναι το μηδέν, και η αρίθμηση ξεκινά και πάλι.

           
Τα ολοκληρωμένα MC14511 είναι BCD to 7 segment drivers. Η λειτουργία τους είναι ουσιαστικά να «μεταφράζουν» την πληροφορία του BCD counter στο σύστημα που χρειάζεται ένα 7 segment display. Οι είσοδοι  (Lamp Test, Blanking) χρησιμοποιούνται στην συνηθισμένη κατάσταση για να εξετάσουμε την λειτουργία όλων των segment του display για πιθανές βλάβες, και για να ρυθμίσουμε την φωτεινότητα με παλμό. Στην προκειμένη περίπτωση δεν χρειάζονται γι’ αυτό και θέτονται σε κατάσταση λογικού «0». Η λειτουργία LE χρησιμοποιείται για να κρατήσει την μέτρηση στο display ενώ τα δευτερόλεπτα κυλούν. Είναι στην ουσία η αντίστοιχη λειτουργία HOLD των σύγχρονων ψη-φιακών χρονομέτρων. Επίσης οποιαδήποτε χρονική στιγμή μπορούμε να ξεκινήσουμε την μέτρηση από το 00, με τον διακόπτη RESET. Κλείνοντας τον διακόπτη, ένα θετικό μέτωπο παλμό εισάγεται στην θύρα RST του ολοκληρωμένου, που αναγκάζει το BCD counter να μηδενίσει, και να ξεκινήσει από την αρχή.

Επίσης δείτε το Ψηφιακό Χρονόμετρο 0-60sec