Задание 5 "Бегущие огни" на К155ИР13 !

[ZuykovAV MEPhI]

В 4-ом задании собиралось устройство - 4-х канальный “Бегущий огонь”. В нём есть режимы Счёт и Сдвиг – это два основных режима работы почти любого светодинамического устройства. Переключением режимов можно управлять с помощью кнопки. Но в нём нет возможности менять направление движения “огня”. Наверное, мало каналов и, главное, нет автоматического управления; не сидеть же постоянно рядом, нажимая с определённой периодичностью на кнопки, чтобы менялись режимы работы, направление и так далее. Поэтому и устройство и его схемное решение являются простыми. И поэтому 4-е задание больше похоже на выполнение простого упражнения, чем на сборку серьёзной схемы электронного блока, которому можно найти дальнейшее постоянное применение в быту.

Далее как раз и пойдёт разговор о сборке схемы, использовать которую можно в полноценном светодинамическом устройстве. На изображении ниже можно увидеть примеры ранее созданных устройств, в основе которых была конечная схема этого задания.



Правда в схеме 5-го задания будет присутствовать только цифровая часть, которая отвечает за формирование разных светодинамических рисунков, в ней нет силовых выходных элементов и генератора, управляемого от уровня громкости звука. Но в схемах задания есть "физика" алгоритмов программирования, которые используются в устройствах на микроконтроллерах (следующее изображение):



Чего должно быть в собираемом устройстве ?

- количество каналов увеличивается до восьми;
- есть режимы счёт/сдвиг;
- есть смена направления движения и другое;
- и всё это должно уметь автоматически переключаться.

На каких элементах строится схема ?

Раз задание по микросхемам цифровой логики, то в схеме не используются программируемые микросхемы. Можно было бы попытаться 8-ми канальный сдвиговый регистр собрать на микросхемах К155ТМ2, обвесив их множеством других элементов простой логики, Но, хорошо, что в 155 серии есть интересная микросхема К155ИР13. Это восьмиканальный реверсивный сдвиговый регистр, он как раз очень подходит, чтобы собрать интересную и при этом, не очень сложную схему. В ней шесть корпусов логики - К155ИР13, К155ТМ2, К155ЛА3, К155ЛП5, К155ИЕ5-2 шт., при этом на ЛА3 собирается генератор. Итого : 6-1= всего пять корпусов и со всеми элементами вы уже знакомы по предыдущим заданиям. Осталось разобраться только с ИР13. В микросхеме К155ИР13 24 вывода, но назначение 22-х из них вам уже знакомы по использованию микросхемы К155ТМ2, подробно ... : " М и к р о с х е м а . . . . . . . К 1 5 5 И Р 1 3 "

Схема :



Схему цифрового автомата можно разделить на три основные части: сдвиговый регистр (D1), программный автомат (D3.3, D4-D5) и узел согласования работы между ними (D2, D6)..." Описание схемы Цифрового автомата "


Итак, как и в предыдущем задании, эта схема будет собираться последовательно; от самой простой схемы с минимумом подключений (этапы сборки до 5-08 включительно - это изучение самого регистра ИР13) и до конечной схемы цифрового автомата (от этапа 5-09 до 5-14).

Внимание ! На всех этапах сборки в схемах не показаны конденсатор по питанию 0.1 мкф и подтягивающее сопротивление у кнопки KR (1 кОм на VCC). В случаях сбоев в работе устройства имейте в виду, что эти элементы всегда можно установить и тем самым неисправность возможно устранится.

Общий план сборки:

5-01. Установка на макетке основных деталей.
5-02. “Оживление” микросхемы К155ИР13 минимальным количеством деталей и перемычек.
5-03. Запись данных с D0 на Q0.
5-04. Параллельная запись данных с D0-D7 на Q0-Q7.
5-05. Параллельная запись данных. Состояние "10000000".
5-06. Подключение тактового сигнала на вход С регистра.
5-07. Последовательный ввод данных с DR и DL.
5-08. Сдвиг по кольцу начального состояния “10000000”.
5-09. Управление сменой направления "бегущего огня" и записью начального состояния.
5-10. Линия управления режимами Счёт/Сдвиг.
5-11. Автоматическое переключение направления и режимов Счёт/Сдвиг.
5-12. Автозапись начального состояния.
5-13. Автосброс при режиме Счёт.
5-14. Автоматическое переключение начальных состояний регистра.

Общие правила для каждого этапа:

- Отключите питание от макетки.
- Установите детали и соединительные провода согласно схеме одного из этапов.
- Проверьте правильность сборки.
- Подайте питание.
- Проведите наблюдения.

5-01. Установка на макетке основных деталей :

Детали :

микросхемы D1-K155ИР13; D2-К155ЛП5; D3-К155ЛА3; D4,D5-К155ИЕ5; D6-К155ТМ2 и детали от ранее собранных схем индикатора питания и тактового генератора.



Обратите внимание, на макетке вместо светодиодов VD1-VD8 установленна светодиодная шкала VD1-8. В корпусе этой шкалы расположено сразу десять светодиодов. При сборке этой схемы крайние светодиоды шкалы использоваться не будут, так как в схеме управления восемь каналов. Если "под рукой" нет подобной светодиодной шкалы, то устанавливается восемь одиночных светодиодов. На макетке уже собран тактовый генератор (задание 2) и индикатор питания (светодиод и сопротивление).

ВНИМАНИЕ !!!

Если после 5-го задания предполагается выполнять 6-е и последующие задания, то 5-е задание желательно выполнять на макетке WBU-208 или WBU-206 (см. изображение). Также на изображении показан вариант деления зон макетки для последующих заданий (6-го и 7-го).



Установка:

Перед установкой деталей обратите внимание на то, что между соседними деталями пропущен только один контакт. Размещение на маленькой и на большой макетках одинаковое: с левого края пропусков контактов нет, но на маленькой макетке с правого края остался один свободный контакт (на большой свободного нет). Почему ? Потому что макетки бывают двух типов, у одних по длине расположено 63 контакта, а у других - 64.

Сборка:

Соберите индикатор питания (схема из 1-го задания) и тактовый генератор (схема 4 или 7 из 2-го задания).

Наблюдения :

При подаче питания светодиод индикатора питания должен постоянно светиться, а светодиод тактового генератора должен мигать.

5-02.“Оживление” микросхемы К155ИР13 минимальным количеством деталей и перемычек.

Сборка:

1. Выводы 12 (GND - земля) и 24 (VCC - +5в) К155ИР13 (далее ИР13) соедините с шинами земли и питающего напряжения.
2. На макетке установите кнопки КR, KC, сопротивление R1=1кОм и выполните разводку цепей схемы.



Наблюдения :

1. Кнопки не нажаты.
2. При кратковременном нажатии кнопки КС должен загореться светодиод VD1. Почему ?
3. При нажатии на кнопку KR (подача “0” на вход R) светодиод должен погаснуть. Почему ?
4. Повторите действия 2, 3.
5. Что обозначают кружок у 13-го вывода и косая черта у 11-го вывода ИР13 ?
6. Повторите действия 2, 3 и обратите внимание, в какой момент времени происходит включение светодиода VD1; при нажатии или при отпускании кнопки KC ?

О режиме включения ИР13:

Так как входы S0,S1 (1, 23) висят в воздухе, то считается, что на них присутствует логическая “1”, значит, микросхема находится в режиме параллельной записи. Так как вход D0 также висит в воздухе (на нём “1”), то при кратковременном нажатии кнопки KC выход Q0 установится в “1”. Запись состояния D0--> Q0 происходит в момент положительного перепада на тактовом входе С, то есть, при отпускании кнопки KC. При нажатии на кнопку KR (“0” на входе R) происходит сброс и на выходе Q0 устанавливается состояние логического “0”.

5-03. Запись данных с D0 на Q0.

Для проверки записи в 0-ой разряд регистра 0-я или 1-ы к входу D0 необходимо подключить кнопку.

Детали: K1 – кнопка.

Сборка: На макетке установите кнопку К1.



Наблюдения :

1. Кнопки не нажаты.
2. При кратковременном нажатии кнопки КС должен загореться светодиод первого канала.
3. При нажатии на кнопку KR светодиод должен погаснуть.
4. Опять кратковременно нажмите кнопку КС - светодиод VD1 должен загореться.
5. Нажмите и удерживая кнопку K1, кратковременно нажмите кнопку КС - светодиод VD1 погаснет. Почему ?
6. Повторите действия 4-5.

О режиме включения ИР13:

Режим работы такой же, как и в пункте 05-02. Входы S0,S1 висят в воздухе, значит, на них присутствует логическая “1” и поэтому микросхема находится в режиме параллельной записи. К входу D0 подключили кнопку и поэтому её состояние (нажата-не нажата) при кратковременном нажатии на кнопку KC будет определять состояние выхода Q0. Запись состояния D0--> Q0 происходит в момент положительного перепада на тактовом входе С, то есть, при отпускании кнопки KC. При нажатии на кнопку KR происходит сброс и на выходе Q0 устанавливается состояние логического “0”.

[ZuykovAV MEPhI]

5-04. Параллельная запись данных. Состояния "11111111" и "01111111".

Параллельная запись данных выполняется во все восемь разрядов регистра одновременно (параллельно). Чтобы видеть состояния остальных семи разрядов к оставшимся выходам регистра Q1-Q7 также необходимо подключить сопротивления и светодиоды.

Сборка:

Установите оставшиеся сопротивления R2-R8 = 1кОм и выполните разводку новых цепей схемы.

Внимание ! До выполнения этапа 5-13 ко входу 13 (R) регистра рекомендуется подключить сопротивление 1 кОм (один вывод сопротивления к выводу 13 регистра, второй - к VCC, в схеме и в сборке сопротивление не показано).



Наблюдения :

1. Все кнопки не нажаты !
2. При кратковременном нажатии кнопки КС должны загореться светодиоды всех восьми каналов - состояние будет "11111111".
3. При нажатии на кнопку KR все светодиоды должны погаснуть.
4. Удерживая кнопку K1, кратковременно нажмите на кнопку КС - состояние будет "01111111".
5. При нажатии на кнопку KR все светодиоды должны погаснуть.

О режиме включения ИР13:

Этот режим включения не отличается от предыдущего, добавились только светодиоды. Так как входы D0-D7 висят в воздухе, то в режиме параллельной записи и кратковременном нажатии на кнопку KC на выходах Q0-Q7 устанавливаются “1”. А при нажатии на кнопку KR происходит сброс и на выходах Q0-Q7 устанавливаются “0”. При выполнении пункта 4 состояние на выходе Q0=0, так как вход D0=0 (вход через кнопку подсоединяется к земле).

5-05. Параллельная запись данных. Состояние "10000000".

Чтобы иметь возможность записать в регистр состояние “10000000” необходимо на входы D1-D7 подать логические 0, а значит, свободные выводы D1-D7 подключить к земле.

Сборка:

Выполните разводку новых цепей схемы.



Наблюдения :

1. Все кнопки не нажаты !
2. При кратковременном нажатии кнопки КС на выходе должно быть состояние "10000000".
3. При нажатии на кнопку KR все светодиоды должны погаснуть.
4. Опять кратковременно нажмите кнопку КС - на выходе будет состояние "10000000".
5. Удерживая кнопку K1, кратковременно нажмите на кнопку КС - состояние будет "00000000".

О режиме включения ИР13:

Режим включения не отличается от предыдущего. Так как входы D1-D7 соединяются с землёй, то в режиме параллельной записи и кратковременном нажатии на кнопку KC на выходах Q0-Q7 устанавливается состояние “100000000” (кнопка K1 - не нажата). Состояние выхода Q0 определяется состоянием кнопки K1.

[ZuykovAV MEPhI]

5-06. Подключение тактового сигнала на вход С.

Сборка: Уберите кнопку KC и подключите сигнал от генератора (выход 6 мс D3, 2-е задание - схема 4) к тактирующему входу С(11) мс К155ИР13.



Наблюдения :

1. Кнопки не нажаты.
2. После подачи питания должен мигать светодиод генератора, а на выходах Q0-Q7 с небольшой задержкой установится состояние "10000000".
3. Если удерживать в нажатом состоянии кнопку K1, то на выходах Q0-Q7 установится состояние “00000000”.
4. При отпускании кнопки K1 на выходах Q0-Q7 состояние опять станет “10000000”.
5. Если удерживать в нажатом состоянии кнопку KR, то на выходах Q0-Q7 будет состояние “00000000”, а при отпускании кнопки KR на выходах Q0-Q7 состояние опять станет “10000000” (если кнопка K1 - не нажата).

[ZuykovAV MEPhI]

5-07. Последовательный ввод данных с входов DR и DL .

На этом этапе проверяются входы последовательного ввода данных DR и DL.

Детали: K-S0, K-S1 - кнопки.

Сборка: Установите кнопки K-S0 и K-S1.



Наблюдения :

1. Кнопки не нажаты, светодиод генератора мигает и на выходах состояние "10000000".
2. Нажмите кнопку K-S1 и при её удержании работает правый Счёт:



Почему каждый раз прибавляется 1 ?

3. При отпускании кнопки K-S1 на выходах устанавливается состояние "10000000".
4. Нажмите кнопку K-S0 и при её удержании работает левый Счёт:

[ZuykovAV MEPhI]

5-08. Сдвиг по кольцу начального состояния “10000000”.

Сборка: Соедините выводы 2-20 и 4-22 микросхемы К155ИР13.



Наблюдения :

1.Все кнопки не нажаты, мигает светодиод тактового генератора и на выходе состояние "10000000".
Почему светится светодиод VD1 и не светятся светодиоды VD2-VD8 ?
2. Нажмите кнопку К-S1 и при её удержании будет происходить сдвиг по кольцу вправо.
3. Отпустите кнопку К-S1 и на выходе опять будет состояние "10000000".
4. Нажмите кнопку К-S0 и и при её удержании будет происходить сдвиг по кольцу влево.

[ZuykovAV MEPhI]

5-09. Управление сменой направления "бегущего огня" и записью начального состояния.

Сборка: Установите кнопки K-N и K-Z и выполните разводку новых цепей схемы.



Наблюдения :

1.Кнопки не нажаты, мигает светодиод генератора и возможен сдвиг по кольцу произвольного начального состояния.
2.Нажмите кнопку K-Z и удерживайте её до записи начального состояния "10000000". Запись происходит в момент импульса тактового генератора.
3.Отпустите кнопку K-Z. Будет работать правый Сдвиг.
4.Нажмите и удерживайте кнопку K-N. Направление рисунка “бегущего огня” изменится (будет Сдвиг влево).



5. Отпустите кнопку K-N и “бегущий огонь” опять изменит направление.

Об изменениях в схеме:

Элемент микросхемы D2 добавился для того, чтобы можно было по одной линии управлять направлением “бегущего огня”, а по другой – управлять параллельной записью начального состояния.

[ZuykovAV MEPhI]

5-10. Линия управления сменой режимов Сдвиг/Счёт.

Сборка:

Первым делом уберите соединения: между выводами 2-20 и 4-22 микросхемы К155ИР13.
Установите кнопку K-SS и выполните разводку новых цепей схемы.



Наблюдения :

1. Все кнопки не нажаты и должен мигать светодиод тактового генератора.
2. После подачи питания “бегущий огонь” работает в режиме Счёт.
3. Нажмите кнопку K-N и, при её удержании, изменится направление “бегущего огня”.
4. Нажмите кнопку K-SS и, удерживайте её, включится режим “бегущего огня” Сдвиг. Здесь начальное состояние для Сдвига может быть произвольным и зависит от момента нажатия кнопки K-SS.
5. Продолжая удерживать нажатой кнопку K-SS, измените состояние кнопки K-N. Изменится направление “бегущего огня” в режиме Сдвиг.
6. Отпустите кнопку K-N. При нажатии кнопки K-Z, в момент импульса тактового генератора, происходит запись начального состояния "10000000".

Об изменениях в схеме:

Два элемента микросхемы D2 добавились для того, чтобы можно было управлять сменой режимов Счёт/Сдвиг.

Итак, после добавления элементов микросхемы D2 можно управлять :

1. сменой направлений движения “бегущего огня”;
2. сменой режимов работы Сдвиг/Счёт;
3. записью начальных состояний.

[ZuykovAV MEPhI]

5-11. Автоматическое переключение направления и режимов Счёт/Сдвиг.

Сборка:

Первым делом уберите кнопки K-SS и K-N.
Выполните разводку новых цепей схемы. D3 - свободный элемент микросхемы К155ЛА3, на которой ранее собирался тактовый генератор.





Наблюдения :

1. Все кнопки не нажаты и должен мигать светодиод тактового генератора.
2. Временно линию сигнала С6-SS отсоедините от вывода 9 счётчика D5.
3. После подачи питания “бегущий огонь” работает в режиме Счёт, автоматически изменяя направление через каждые 16 тактов генератора.
4. Нажмите кратковременно на кнопку KR. Все светодиоды должны погаснуть и режим Счёт должен опять заработать.
5. Линию сигнала С6-SS подсоедините к выводу 9 счётчика D5.
6. После подключения двух сигналов управления C5-N и С6-SS через каждые 16 тактов генератора должно меняться направление движения “бегущего огня”, а через каждые 32 такта должна происходить автоматическая смена режимов Счёт/Сдвиг. При этом, рисунки “бегущего огня” могут иметь некоторую хаотичность.
7. При нажатии кнопки K-Z, в момент импульса тактового генератора, происходит запись начального состояния "10000000". Но, внимание ! Режим записи работает только при определённом состоянии линии C5-N. Объясните при каком ?

Об автоматизации управления :

“Бегущий огонь” – это последовательное переключение светодиодов и чтобы выполнить какой-то определённый светодинамический рисунок необходимо, чтобы он продолжался определённое количество тактов. Посмотрите на следующее изображение :



Из него следует, чтобы полностью показать режим Счёт необходимо 16 тактов (от начала последовательного включения до полного выключения), за эти же 16 тактов режим Сдвига будет выполнен два раза. Значит, через каждые 16 тактов вполне можно менять светодинамические рисунки.



Для схемной реализации такой задачи можно использовать двоичный счётчик К155ИЕ5. На тактовый вход С1 (мс D4), но только через инвертор (элемент мс D3), подаётся инвертированный сигнал от тактового генератора, а сам счётчик D4 включается по схеме делителя на 16 (соединяются его 1 и 12 выводы, а выводы 2-3 подсоединяются к земле).

Выход 11 (старший разряд) счётчика D4 следует подключить к счётному входу С1(14) счётчика D5 (также К155ИЕ5), разряды которого будут менять свои состояния на выходе каждые 16 тактов задающего генератора. Выходы 12 и 9 счётчика D5 будут управлять сменой направлений (сигнал С5-N) и переключением режимов Счёт/Сдвиг (сигнал С6-SS).

Состояния выводов 12 и 9 счётчика D5 и режим :
“00” - левый Сдвиг,
“10” - правый Сдвиг,
“01” - левый Счёт,
“11” - правый Счёт.

[ZuykovAV MEPhI]

5-12. Автозапись начального состояния.

Сборка:

Уберите кнопку K-Z, установите сопротивления R9-R11=1 кОм, конденсатор C1=0.1 мкФ, светодиод VD9 и выполните разводку новых цепей схемы.





После монтажа проверьте правильность подключения входа 1 (мс ИР13).

Наблюдения :

1. Кнопки не нажаты и должен мигать светодиод тактового генератора.
2. Светодиод VD9 должен кратковременно мигать через каждые 64 такта генератора.
3. После подачи питания и автоматической записи начального состояния “10000000” (мигнёт светодиод VD9) автомат схемы через каждые 16 тактов должен отрабатывать следующие режимы: правый Сдвиг, левый Сдвиг, правый Счёт, левый Счёт. При этом, можно заметить некоторую некорректность в смене рисунков при переходе от режима Сдвиг к Счёту и наоборот.

О работе схемы:

В момент переключению режимов работы от Счёта к Сдвигу необходимо каждый раз восстанавливать начальное состояние для Сдвига, то есть, производить параллельную запись состояний с входов D0-D7 на выходы Q0-Q7. Для этого в схему добавлен триггерный элемент микросхемы D6 и дифференциальная RC цепь (C1, R10, R12). Светодиод VD9 нужен для удобства контроля записи.

Как происходит запись:

На линии C6-SS уровень сигнала, в момент переключения на Сдвиг, меняется с 1 на 0 (т.4). На это изменение уровня дифференциальная RC цепь формирует короткий отрицательный импульс (т.5) на входе R (1) триггера D6, который переводит его инверсный выход (6) в состояние логической единицы (т.6). На входах S0, S1 регистра устанавливаются уровни “1-1”, регистр переходит в режим параллельной записи и ждёт очередного тактирующего импульса на своём входе С (11). С приходом следующего импульса (т.8)происходит запись (перенос) состояний с входов D0-D7 на выходы регистра Q0-Q7 и почти следом сигнал С1 (12) счётчика D4 (т.10) опять устанавливает на инверсном выходе (6) элемента D6 состояние логического нуля (т.11) и состояния входов S0, S1 регистра переводятся в режим правого Сдвига.

[ZuykovAV MEPhI]

5-13. Автосброс при режиме Счёт.

Сборка: Выполните разводку новых цепей схемы.



Обратите внимание ! На макетке установлены элементы R-R и VD-R - они необходимы для индикации импульса сброса с выхода мс D6 (9). Вам необходимо определить их место в схеме и правильно установить элементы на макетке.



Наблюдения :

1. Кнопка K1 не нажата и должен мигать светодиод тактового генератора.
2. Светодиод VD9 должен кратковременно мигать через каждые 64 такта генератора.
3. После подачи питания и записи начального состояния “10000000” (мигнёт светодиод VD9) автомат схемы через каждые 16 тактов должен отрабатывать следующие режимы: правый Сдвиг, левый Сдвиг, правый Счёт, левый Счёт.

О работе схемы:

В момент переключению режимов работы от Сдвига к Счёту нужно каждый раз гасить светодиоды, чтобы режим Счёт начинался с состояния “00000000”. Сброс осуществляется подачей короткого отрицательного импульса на вход R (13) регистра. Для этого в схему добавлен второй триггерный элемент микросхемы D6.

Как происходит сброс:

На линии C6-SS уровень сигнала, в момент переключения на Счёт, меняется с 0 на 1 (т.3). От этого положительного перепада на входе С (11) триггера D6 его прямой выход (9) устанавливает на входе R регистра состояние логического нуля (т.4) и происходит сброс всех разрядов регистра в 0. После отрицательного перепада сигнала С на входе S (10) триггера D6 устанавливается уровень логического нуля (т.5) и его прямой выход (9) опять устанавливает на входе R регистра высокий логический уровень (т.6).



О начальных состояниях “бегущего огня” :

Начальное состояние “бегущего огня” – это определённый набор состояний 8-ми каналов (светодиодов) перед началом движения. Оно предварительно устанавливается на входах D0-D7 регистра и при параллельной записи переходит на его выходы Q0-Q7; записалось в разряды регистра состояние “10000000” и затем оно сдвигается в такт импульсам. Начальные состояния могут быть “11000000”, “11110000”, “10101010”, “11111110” и так далее.
У регистра восемь разрядов и если для каждого будет своя линия управления, то можно предположить большое разнообразие начальных состояний. Восемь линий – это два в восьмой степени различных комбинаций, то есть, 256 вариантов начальных состояний.
При этом, многие из них при работе светодинамического устройства будут либо маловыразительными (например, “10101111” или “00101100”), либо явно похожими друг на друга (например, “11100000” или “00001110”) и поэтому схемным решением важно исключить лишние.

Как организовано управление :

В предыдущих схемах начальное состояние было “10000000”, где первая “1” – это разряд D0, а разряды D1-D7 регистра подключались на землю.
Так как один канал включён при любом наборе начальных состояний, то на входе D0 (3) постоянно присутствует логическая единица. В отличие от предыдущих схем, в следующей схеме разряды D1-D7 подключены по-другому:
- разряды D1, D2, D3 соединяются с выходом 8 (D5),
- разряд D4 - с выходом 11 (D5),
- к разрядам D5, D6, D7 подводится земля.

Что в итоге получилось, смотрите по таблице:



Для уменьшения количества микросхем на макетной плате в данном задании в управлении начальными состояниями участвует две линии – это старшие разряды счётчика D5 (8, 11). В этой схеме при использовании двух линий управления есть четыре разных начальных состояния, но они могут быть и другими и поэтому :
- предложите свои варианты для двух линий управления !
- сколько может быть начальных состояний для трёх линий управления ?
- предложите свои варианты для трёх линий управления !