ساعت دیجیتال- جلسه پنجم

اهداف این جلسه:
1- درک چگونگی برقراری ارتباط بین آی سی ها و قطعات الکترونیکی دیگر (درک مفهوم آنچه که "زبان ماشین" نامیده می شود)
2- آشنایی با سیستم اعداد باینری
3- یافتن مهارت در تبدیل اعداد از مبنای 10 به مبنای 2 و بالعکس
4- آشنایی با کاربرد آی سی 7448
5- تقویت مهارت در بستن مدارات الکترونیکی روی برد بورد و تست آنها
6- راه اندازی سون سگمنت توسط آی سی

زمان عملیاتی:
• 10 دقیقه صرف تحویل گرفتن تکلیف جلسه قبل و آماده کردن کلاس برای شروع مبحث جدید
• 15 دقیقه صرف ارایه مطالب بخش اول (زبان ماشین)
• 30 دقیقه صرف ارایه مطالب بخش دوم و سوم و چهارم (سیستم اعداد باینری و تبدیل مبناها)
• 15 دقیقه صرف ارایه مطالب بخش پنجم (آشنایی با آی سی 7448)
• 10 دقیقه صرف تفهیم هدف آزمایش که در بخش ششم آمده است
• 30 دقیقه صرف بستن مدار آزمایش به صورت گروهی و انجام آزمایش
• 5 دقیقه صرف بررسی نتیجه آزمایش
• 5 دقیقه صرف توضیح تکلیف جلسه بعدی
(مجموعاً این جلسه در حدود دو ساعت خواهد بود.)


وسایل لازم :
1- دفتر ثبت فعالیت کلاسی گروه ها
2- کامپیوتر و امکانات نمایش تصویر برای ارایه عکس ها
3- وسایلی که در زیر نام می بریم مورد نیاز یک گروه است. پس باید این مجموعه به تعداد گروه ها تهیه گردد:
 بردبورد - 1 عدد
 منبع تغذیه DC یا آداپتور – 1 عدد
 سیم های مفتولی رنگی – به میزان لازم
 سیم چین
 آی سی 7448 – 1عدد
رگولاتور شماره 7805
 سون سگمنت "کاتد مشترک" – 1عدد
 قلم و کاغذ

 روند کار:

1- زبان ماشین :
تکلیف جلسه قبل تحقیق در مورد آی سی 7448 بود. همانطور که در جلسه قبل گفتیم ، کار این آی سی خواندن یک عدد بوسیله پایه های ورودی اش و نمایش آن روی سون سگمنت است.

آیا تا به حال به این نکته توجه کرده اید که خواندن اعداد توسط این آی سی ، یا به طور کلی تر انتقال اطلاعات بین سخت افزارها و مدارات دیجیتالی به چه صورت انجام می شود؟
انسان ها به عنوان موجودات زنده ای که دارای مغز بسیار پیچیده تری نسبت به سایر موجودات زنده هستند، ارتباطات بسیار پیچیده و سطح و بالایی با هم دارند. روابط بین انسان ها را با روابط بین حیوانات یا گیاهان مقایسه کنید.

سوال : آیا می دانید ابداع و استفاده از چه ابزاری موجب شد تا ارتباط بین انسان ها به این حد از پیشرفت برسد؟
جواب : زبان

شاید به دلیل اهمیت فوق العاده زیاد این قضیه است که انسان را "حیوان ناطق" می نامند. زیرا تا زمانی که زبان بعنوان وسیله ارتباطی بین انسان ها شکل نگرفته بود و آنها بصورت ابتدایی در غارها و جنگل ها زندگی می کردند ، هیچ پیشرفت و تمدنی نداشتند.
ولی با شکل گیری زبان برقراری ارتباط در سطح بالایی تقویت شد، تمدن ها شکل گرفتند و علم و دانش به سرعت گسترش پیدا کرد. امروزه ارتباط بین آدم ها فقط در حد حرف زدن پیرامون رفع احتیاجات روزمره نیست، بلکه آنها به راحتی در مورد موضوعات پیچیده علمی، منطقی، فلسفی و حتی انتزاعی و خیالی با یکدیگر تبادل نظر انجام می دهند.
با این مقدمه به سراغ سخت افزارها و مدارات دیجیتالی که ماشین های بی جانی هستند برمی گردیم.
اگر بتوان زبانی ابداع کرد که این قطعات الکترونیکی بی جان به وسیله آن بتوانند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند و توسط آن اطلاعات را پردازش یا منتقل کنند ، روح پیدا می کنند و قابل استفاده می شوند.
این زبان قبلا ابداع شده و به آن "زبان ماشین" گفته می شود. این زبان مجموعه گسترده ای از کد می باشد. یعنی هر یک از حروف، اعداد، علایم و نشانه ها در این زبان دارای یک کد خاص هستند.
تمام این کدها از کنار هم قرار گرفتن تعدادی صفر و یک تشکیل می شوند.
0 و 1 !!!
اگر مباحث جلسات قبلی را به خاطر داشته باشید به یاد 0 و 1 های مبحث الکترونیک دیجیتال می افتید:
- روشن و خاموش
- باز و بسته
- سطح ولتاژ High و Low
- ...
کاملاً درست است. منظور ما از صفر و یک، دقیقاً همین است. چون این دستگاه های بی جان حتی معنی 0 و 1 را نمی فهمند. پس ما خودمان اینطور قرارداد کرده ایم و ابزارهای الکترونیکی را بر این مبنا ساخته ایم:
- سطح ولتاژ بالا یا همان "High" = 1
- سطح ولتاژ پایین یا همان "Low" = 0

حال می بایست برای درک بهتر ارتباط بین قطعات الکترونیکی ، مخصوصاً آی سی هایی که در مدار "ساعت دیجیتال" از آنها استفاده می شود ، با زبان ماشین کمی آشنا شویم. مخصوصا آن بخشی که اعداد را به صورت کدهای 0 و 1 در می آورد.


2- سیستم اعداد باینری :

به سیستمی که در آن هر عدد مجموعه ای از ارقام { 0 و 1 } باشد، "سیستم باینری" یا "سیستم دودوئی" یا "سیستم اعداد در مبنای 2 " گفته می شود. مانند:
- 101
- 1100010101
- 110011110100011
- ...
اعدادی که ما در زندگی روزمره برای شمردن و محاسبات استفاده می کنیم هر کدام مجموعه ای از ارقام { 0 و 1 و 2 و 3 و 4 و 5 و 6 و 7 و 8 و 9 } می باشد. مانند :
- 515
- 19805
- 12000000
- ...
به این سیستم "ده دهی" یا " سیستم اعداد در مبنای 10" گفته می شود.
اعداد واقعیت هایی در جهان بیرونی هستند و اینکه در چه سیستمی بیان شوند فقط به قرارداد بین انسان ها بستگی دارد. اینکه ما از سیستم اعداد در مبنای 10 استفاده می کنیم فقط قرارداد است و همین اعداد می توانند در هر مبنای دیگری بیان شوند.

3- تبدیل اعداد از مبنای 2 به مبنای 10 :

در این قسمت بهتر است با نحوه تبدیل اعداد از مبنای 10 به مبنای 2 و بالعکس آشنا شویم. (قطعاً در کتاب های درسی با این مبحث آشنا شده اید ، این یک یادآوری است.)

جدول ارزش مکانی اعداد در مبنای 10 :

این جدول به همین صورت ادامه دارد تا ارزش مکانی های بالاتر .
این گونه جدول بندی در واقع این معنی را می دهد:

مثال: عدد 230541

یعنی :

جدول ارزش مکانی اعداد در مبنای 2 به صورت زیر است :

این جدول نیز به همین صورت ادامه دارد تا ارزش مکانی های بالاتر.

مثال: عدد 100101 در مبنای 2 :

یعنی:

پس عددی که در این مثال در مبنای 2 به ما داده شده بود ، همان عدد 37 خودمان است در مبنای متداول 10 .

سؤال: از دانش آموزان بخواهید در کلاس و برای تمرین بیشتر، به صورت گروهی اعداد زیر را که در مبنای 2 هستند به مبنای 10 تبدیل کنند:
1- 110011
2- 111
3- 100000001
جواب :
1- 51
2- 7
3- 257

4- تبدیل اعداد از مبنای 10 به مبنای 2 :
حال اگر بخواهیم اعداد متداول و رایج خودمان را که در مبنای 10هستند به کدهای 0 و 1 تبدیل کنیم، باید از روشی به نام "تقسیم های متوالی" استفاده کنیم.
در این روش عدد مورد نظر را بر 2 تقسیم کرده ، خارج قسمت و باقیمانده آن را مشخص می کنیم. اگر خارج قسمت بزرگ تر از 1 بود مجدداً آن را بر 2 تقسیم می کنیم و خارج قسمت و باقیمانده تقسیم جدید را مشخص می کنیم.
این تقسیمات متوالی بر 2 را ادامه می دهیم تا جایی که خارج قسمت 1 شود.
باقیمانده هر مرحله را نیز جداگانه مشخص کرده ایم.
آخرین خارج قسمت را که 1 است بعنوان اولین رقم عدد مورد نظرمان در مبنای 2 در نظر می گیریم و و در ادامه به ترتیب باقیمانده های تقسیم ها را از آخر به اول بعنوان ارقام بعدی می نویسیم.
برای روشن شدن مطلب به مثال زیر توجه کنید :

مثال:
عدد 23 در مبنای 2 را محاسبه کنید.
جواب :

سوال : از دانش آموزان بخواهید در کلاس و برای تمرین بیشتر، به صورت گروهی اعداد زیر را که در مبنای 10 هستند به مبنای 2 تبدیل کنند:

1- 9
2- 33
3- 100

جواب :
1- 1001
2- 100001
3- 1100100




5- آشنایی با آی سی 7448 :

(قبل از هر توضیحی این آی سی را در اختیار گروه ها قرار دهید.)

این آی سی 16 پایه دارد و نحوه شماره بندی پایه های آن به صورت زیر می باشد:

شکل شماتیک آی سی شماره 7448

اگر دیتا شیت آن را قبلا از اینترنت پیدا کرده باشید، با نام پایه های آن آشنا شده اید. برای یادآوری، نام پایه ها را با هم مرور می کنیم و در مورد هر کدام توضیح مختصری می دهیم که برگرفته از همان دیتا شیت آی سی می باشد.

نکته:
بجز پایه های Vcc و GND که ولتاژ تغذیه آی سی را فراهم می کنند ، برای سایر پایه ها دو حالت هست : اتصال به ولتاژ منفی که در این حالت "0" محسوب می شوند ، یا بصورت آزاد و بی هیچ اتصالی که در این حالت "1"در نظر گرفته می شوند.

یادآوری:
همان طور که به خاطر دارید، در جلسه دوم با سون سگمنت ها آشنا شدیم. سون سگمنت از 8 تا LED تشکیل شده که 7 تای آنها در کنار هم عدد 8 لاتین را می سازند و یک LED نقطه ای شکل نقش ممیز را ایفا می کند.
در اطراف هر سون سگمنت 10 پایه وجود دارد که هشت پایه آن بصورت اختصاصی به LED ها وصل است و دو پایه دیگر بین همه LED ها مشترک هستند (پایه وسط از هر طرف).
اگر سون سگمنت از نوع "کاتد مشترک" باشد ، پایه مشترک باید با واسطه مقاومت به ولتاژ منفی وصل شود ولی اگر از نوع "آند مشترک" باشند ، پایه مشترک می بایست باز به واسطه مقاومت به ولتاژ مثبت گردد.

طی انجام تکلیف جلسه دوم، با آزمایش ، پایه مربوط به هر LED در سون سگمنت را شناسایی کردید. از نتیجه آن آزمایش می بایست در بستن مدار امروز بهره ببرید.

نکته :
در استفاده از آی سی 7448 ، حتماً می بایست از سون سگمنت کاتد مشترک استفاده کنید. و نیازی به قرار دادن مقاومت روی پایه مشترک نیست. و پایه مشترک سون سگمنت مستقیماً به منفی وصل می شود.

6- آزمایش " کاربرد آی سی 7448 " :
حال که با پایه های آی سی 7448 آشنا شدیم ، سعی می کنیم یک سون سگمنت کاتد مشترک را با آن راه اندازی کنیم.
ورودی این آی سی همان طور که در جدول مشاهده کردید، شامل چهار پایه 1 و 2 و 6 و 7 می باشد. هر کدام از این پایه می توانند 0 یا 1 باشند (ولتاژ منفی داشته باشند یا نداشته باشند). پس عدد ورودی ما به آی سی یک عدد باینری (در مبنای 2 ) می باشد که فقط چهار رقم دارد.
از طرفی خروجی این آی سی روی سون سگمنت و در مبنای 10 نمایش می یابد. پس ورودی ما باید عدد بین 0 تا 9 باشد.

سؤال: جدولی مطابق شکل زیر بکشید و اعداد 0 تا 9 را به مبنای 2 تبدیل کرده و در آن ثبت کنید.

جواب :

حال که توانستیم اعداد 0 تا 9 را توسط چهاررقم به صورت باینری نمایش دهیم، می توانیم ورودی های مختلف به آی سی بدهیم و خروجی را روی سون سگمنت مشاهده کنیم.

هدف آزمایش : شما باید از طریق آزمایش تعیین کنید که پایه های ورودی 1و2و6و7 که با حروف B,C,D,A نام گذاری شده اند هر کدام مربوط به کدام ارزش مکانی در مبنای 2 هستند و جدول زیر را تکمیل کنید:

تغذیه
آی سی هایی که شماره آنها با 74 شروع می شود ، اصطلاحاً TTL نامیده می شوند. این آی سی ها نسبت به ولتاژ تغذیه بسیار حساسند و ولتاژ آنها می بایست دقیقا 5 ولت باشد. حداکثر تغییرات ولتاژی که می توان اعمال کرد در حد 4.75 تا 5.25 ولت است که هیچ یک از آداپتور های موجود در بازار این ولتاژ را تضمین نمی کنند. بنابراین از قطعه جدیدی به نام IC Regulator استفاده می کنیم که در واقع همانند رگولاتور فشار گاز ، ولتاژ برق را روی عدد خاصی تنظیم می کند.

در این پروژه به ولتاژ 5 ولت نیازمندیم و بنابراین از قطعه ای به شماره 7805 استفاده می کنیم که 05 آخر آن ولتاژ 5 ولت آن را نشان می دهد.
پایه ای که باInput مشخص شده باید به ولتاژی بین 7.5 تا 15 ولت وصل شود و به پایه مثبت آداپتور متصل می شود و پایه Ground(GND) به منفی آداپتور و مدار متصل می شود.
تغذیه 5 ولت مدار از پایه Output گرفته می شود.


مراحل پیاده سازی مدار روی بردبورد :
نقشه مداری که باید آن را روی برد بورد ببندیم به صورت زیر است:

1- ابتدا آی سی 7448 را روی بردبورد جا می زنیم (مشابه جا زدن آی سی 555 روی شیار وسط برد بورد قرار می گیرد).
2- در قسمت دیگری از برد بورد یک سون سگمنت کاتد مشترک قرار داده و جا می زنیم(سون سگمنت نیز روی شیار برد بورد قرار می گیرد و هر دسته از پایه ها در یک سمت ).
3- مطابق جدول مربوط به پایه های آی سی 7448 ، پایه های 3 و 4 و 16 را به ردیف ولتاژ مثبت برد بورد وصل می کنیم.
4- پایه 8 به ولتاژ منفی وصل می شود.
5- یکی از پایه های مشترک سون سگمنت را به ولتاژ منفی وصل می کنیم.
6- هر کدام از پایه های خروجی آی سی را با سیم به پایه هم نامش روی سون سگمنت وصل می کنیم.

7- چهار قطعه سیم آماده می کنیم تا حین آزمایش بتوانیم به پایه های ورودی ولتاژ منفی بدهیم .
8- در گوشه دیگری از بردبورد یک رگولاتور 7805 جا می زنیم.
9- سیمی که ولتاز مثبت آداپتور را حمل می کند به پایه input وصل می کنیم.
10- سیمی که ولتاژ منفی آداپتور را حمل می کند به پایه Ground وصل می کنیم.
11- پایه های output و Goround رگولاتور را به ردیف های مثبت و منفی کنار بردبورد وصل می کنیم تا آی سی ها از این خطوط تغذیه شوند.

مراحل انجام آزمایش :
در حالت اول تمام چهار پایه ورودی آی سی را با سیم به ولتاز منفی وصل می کنیم و در این حالت ورودی ما عدد باینری 0000 است. پس سون سگمنت عدد 0 را نمایش می دهد.

اگر هر کدام از سیم هایی را که پایه های ورودی را به ولتاز منفی وصل کرده اند جدا کنیم ، آن پایه مثبت می شود و بدین ترتیب اعداد باینری دیگری ساخته می شود.
با بررسی نتایج تشخیص دهید هر پایه ورودی کدام ارزش مکانی

را مشخص می کند و جدول بخش فوق را تکمیل کنید.

تکلیف: سعی کنید Data sheet مربوط به آی سی 7492 را از اینترنت یا هر منبع دیگری پیدا کرده، در حدی که برایتان قابل فهم است آن را مطالعه کنید و نتایج خود را در جلسه بعد کتباً تحویل دهید.
به اختصار می توان گفت که کار این آی سی دریافت سیگنال و شمارش تعداد پله های آن است (یعنی تعداد دفعات صفر و یک شدن).
برای جستجو بهتر است از سایت www.google.com استفاده نمایید.


ارزیابی
در طول این جلسه در موراد زیر دانش آموزان را مورد ارزیابی قرار دهید و نتیجه را در دفتر ثبت کنید:
1- میزان مشارکت همه اعضای گروه در کارها
2- پاسخ به سؤالاتی که در طول متن برای مشارکت دانش آموزان در بحث در نظر گرفته شده
3- توانایی تبدیل اعداد از مبنای 2 به مبنای 10 و بالعکس
4- میزان مهارت کسب شده در بستن مدار و راه اندازی سون سگمنت به وسیله آی سی 7448
5- نتیجه گیری صحیح از آزمایش 

منابع بیشتر