ساعت دیجیتال- جلسه هفتم

اهداف این جلسه :
1- آشنایی با ساختار و کاربرد آی سی های 4026 و 7400
2- آشنایی با گیتهای منطقی
3- آماده سازی قطعات برای بستن مدار اصلی "ساعت دیجیتال"
4- بستن بخشی از مدار اصلی (در حد یک ثانیه شمار کامل)

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 (آشنایی باآی سی 4026)
• 15 دقیقه صرف ارایه مطالب بخش دوم (نمایش رقم دهگان)
• 20 دقیقه صرف ارایه مطالب بخش سوم (آشنایی با گیتهای منطقی و آی سی 7400)
• 2 ساعت صرف بستن مدار اصلی در حد یک ثانیه شمار کامل (طی 10 گام )
(مجموعاً این جلسه در حدود سه 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 - 3 عدد
* منبع تغذیه DC یا آداپتور – 1 عدد
* سیم های مفتولی رنگی (9 رنگ : مشکی ، قرمز ، نارنجی ، زرد ، سبز ، آبی ، بنفش ، سفید ، بی رنگ ) – به میزان لازم
* سیم چین
* آی سی 4026 _ 4 عدد
* آی سی 7448 – 2عدد
* آی سی 7492 – 2 عدد
* آی سی 7400 _ 1 عدد
* آی سی 555 _ 1 عدد
* رگولاتور شماره 7805 – 1عدد
* سون سگمنت "کاتد مشترک" – 6عدد
* LED(در دو رنگ مختلف)- 2 عدد
* خازن 4.7 میکرو فاراد _ 1عدد
* مقاومت 150 کیلو اهمی _ 1 عدد
* مقاومت 1 کیلو اهمی – 10عدد
* تاپ سوئیچ –1 عدد
* سوزن های منگنه – مقداری
* قلم و کاغذ

 روند کار:

1- آشنایی با آی سی 4026 :
اگر تکلیف جلسه قبل را انجام داده باشید ، حتماً در جریان هستید که آی سی 4026 یک آی سی 16 پایه است که بر خلاف آی سی های قبلی که با آنها آشنا شده ایم از خانواده آی سی های TTL نیست و به همین علت یک آی سی قوی و پرسرعت است که در محدوده ولتاژ تغذیه وسیعی کار می کند (-5  * _ 22  *)

مزیت مهم این آی سی در کار ما این است که این آی سی یک شمارشگر و یک نمایشگر همزمان است. یعنی قطعه ای است که به تنهایی می تواند یک سیگنال ولتاژ را دریافت کرده ، تعداد پالس های آن را بشمارد ، و خروجی را مستقیماً روی سون سگمنت نمایش دهد.
سقف شمارش پالس در این آی سی 10 می باشد. یعنی شمارش پالس ها را از 0 شروع می کند و تا 9 پیش می رود و با دریافت پالس دهم ، ریست شده و مجدداً به صفر باز می گردد.

نکته:
چون این آی سی از 0 تا 9 می شمارد و ریست می شود ، پس می توان برای شمارش رقم یکان ثانیه ، دقیقه و ساعت از آن استفاده کرد.

البته لازم به ذکر است که برای شمارش رقم دهگان ساعت هم می توان با تغییراتی از همین آی سی استفاده کرد. در نتیجه ، 4 آی سی 4026 در مدار اصلی ما بکار خواهد رفت (این آی سی پر کاربردترین آی سی مدار ما خواهد بود).

بهتر است با پایه های این آی سی بیشتر آشنا شویم :

CLOCK که پایه اول این آی سی است ، ورودی سیگنال است.
CARRY OUT هم که پایه پنجم این آی سی می باشد، نوعی خروجی سیگنال است که ما برای فعال کردن آی سی 7492 از آن استفاده خواهیم کرد. (برای تولید رقم دهگان)
   *(SS) که پایه هشتم است مربوط به تغذیه منفی آی سی می باشد (نقش همان GND را در آی سی های قبلی ایفا می کند).
RESET که پایه پانزدهم می باشد ، پایه ای است که اگر برای یک لحظه به آن ولتاژ مثبت بدهیم (یعنی یک پالس مثبت بگیرد) ، شمارش را صفر می کند. یعنی در هر مرحله از شمارش که باشیم ، سون سگمنت 0 می شود و شمارش از اول آغاز می گردد.
 *(DD)  هم که پایه شانزدهم است به تغذیه مثبت آی سی اختصاص دارد (نقش همان   *cc را در آی سی های قبلی به عهده دارد).
 پایه های 6 و 7 و 9 و 10 و 11 و 12 و 13 هم پایه هایی هستند که به سون سگمنت وصل می شوند تا شمارش پالس ها را روی آن نمایش دهند.
 توضیح سایر پایه ها در محدوده بحث ما نیست و ما فقط در جدولی محل اتصال آنها را مشخص خواهیم کرد.


2- نمایش رقم دهگان :
در بخش قبلی گفتیم که چون آی سی 4026 از 0 تا 9 می شمارد و ریست می شود ، برای نمایش ارقام یکان ثانیه ، دقیقه و ساعت بسیار مناسب است.
برای تولید رقم دهگان ثانیه و دقیقه احتیاج به آی سی 7492 داریم که سقف شمارش آن 6 است و وقتی به 5 رسیده باشد  با پالس بعدی 0 می شود (همانطور که می دانیم ثانیه و دقیقه نمی توانند از 59 بیشتر شوند)
با آی سی 7492 هم که قبلا آشنا شده ایم. پالس دریافت می کند و می شمارد. پس باید ازآی سی 4026 یک خروجی سیگنال داشته باشیم که به 7492 وارد شود و هر گاه که شمارش ثانیه به 10 رسید ، یک پالس برای 7492 بفرستد.
این خروجی سیگنال ، پایه پنجم آی سی 4026 می باشد.
ولی در اینجا یک مشکل به وجود می آید:
عملکرد پایه پنجم 4026 به این صورت است :

همان طور که در شکل مشاهده می کنید، پایه CARRY OUT یا همان پایه پنجم، هر 5 ثانیه یک پالس می فرستد که در گذر از 4 به 5 لبه پایین رونده دارد و در گذر از 9 به 0 یک لبه بالارونده.
مشکل اینجاست که آی سی 7492 با لبه پایین رونده ولتاژ کار می کند. یعنی اگر این پایه را به ورودی 7492 وصل کنیم، سون سگمنتی که قرار است رقم دهگان را نمایش دهد ، قبل از ثانیه پنجم یکی به دهگان اضافه می کند که این قضیه اشتباه است و باید کاری کنیم تا قبل از ثانیه دهم یکی به دهگان اضافه شود.
برای حل این مشکل از یک آی سی بسیار ساده ولی پرکاربرد استفاده می کنیم که اصطلاحاً  NAND (نند) نامیده می شود. این آی سی همان 7400 است که در مورد آن تحقیق کرده اید.

3- آشنایی با گیت های منطقی و آی سی 7400 :
با الهام گرفتن از یک مبحث مهم در جبر ، مداراتی طراحی و ساخته شده اند که به آنها "گیت های منطقی" گفته می شود.
گیتهای منطقی ممکن است به صورت یک مدار با اجزای الکترونیکی ساخته شده باشند یا به صورت یک آی سی درآمده باشند.
گیت های منطقی معروف و پرکاربرد عبارتند از :
- AND
- OR
- In  *erter (NOT)
- Buffer
- NAND (NOT AND)
- NOR (NOR OR)
- ...

هر یک از این گیت های منطقی یک سمبل و یک کارکرد خاص دارند.
طرز کار آنها به این صورت است که هر کدام یک یا چند پایه ورودی دارند و یک پایه خروجی. با توجه به اینکه وضعیت ورودی ها به چه صورتی باشد ، خروجی وضعیت خاصی می یابد.
برای هر گیت منطقی یک جدول وجود دارد که رابطه بین ورودی ها و خروجی در آن نمایش داده شده. مخصوصاً گیت های منطقی که به صورت آی سی در بازار موجودند دارای جداولی به نام Truth Table (جدول درستی) در دیتا شیت خود هستند که در آنها نشان داده شده که در هر وضعیت ورودی ها ، خروجی چگونه خواهد بود.
گیت منطقی خاصی که ما در مدار خود از آنها بهره می بریم NAND می باشد.
آی سی 7400 یک آی سی از خانواده TTL می باشد که چهار گیت منطقی NAND را در خود جای داده است (یعنی چهار گیت در یک پکیج)
سمبل گیت منطقی NAND به این صورت است :

یعنی هر گیت NAND دو ورودی دارد که مثلاً  نام آنها را A و B انتخاب می کنیم و یک خروجی که در اینجا آن را Y نامیده ایم.
جدول درستی برای گیت NAND به صورت زیر است :

در جدول فوق علایم به این معنا هستند :
- H : High (به معنی روشن ، اعمال ولتاژ مثبت)
- L : Low (به معنی خاموش ، اعمال ولتاژ منفی)
- X : یعنی فرقی نمی کند High باشد یا Low
جدول فوق به ما می گوید که اگر هر دو پایه ورودی، ولتاژ مثبت داشته باشند ، ولتاژ خروجی منفی می شود. ولی اگر فقط یکی از پایه های ورودی ولتاژ منفی داشته باشد ، صرفنظر از اینکه پایه ورودی دیگر دارای چه وضعیتی است ، باعث می شود خروجی ما ولتاژ مثبت داشته باشد.
حال ما برای رفع مشکلی که در ایجاد رقم دهگان ثانیه و دقیقه داشتیم از این گیت منطقی استفاده می کنیم. بدین ترتیب که یکی از ورودی ها را همیشه به ولتاژ مثبت وصل می کنیم. ورودی دیگر را به پایه CARRY OUT از آی سی 4026 اتصال می دهیم. در نتیجه هر گاه ولتاژ CARRY OUT مثبت باشد ، خروجی گیت منطقی ما منفی است و بالعکس.
حال اگر خروجی این گیت منطقی را به پایه ورودی 7492 وصل کنیم ، چون جای پله بالارونده و پله پایین رونده عوض شده ، هنگام گذر از 9 به 0 یکی به رقم دهگان اضافه خواهد شد.
وضعیت پایه های آی سی 7400 که دارای چهار گیت NAND می باشد به صورت زیر است :

ما در بستن مدار ساعت از هر چهار گیت این آی سی استفاده خواهیم کرد.
- پایه   *cc (پایه 14) مانند آی سی های قبلی که با آنها آشنا شدیم ، به تغذیه خود آی سی اختصاص دارد و به ولتاژ مثبت وصل می شود.
- پایه GND (پایه7) هم برای تغذیه خود آی سی است و به ولتاژ منفی وصل می گردد.
- پایه های 1 و 2 و 3 به اولین گیت NAND اختصاص دارند.
- پایه های 4 و 5 و 6 به دومین گیت NAND اختصاص دارند.
- پایه های 8 و 9 و 10 به سومین گیت NAND اختصاص دارند.
- پایه های 11 و 12 و 13 به چهارمین گیت NAND اختصاص دارند.

4- بستن مدار اصلی "ساعت دیجیتال" :
از این جلسه پیاده سازی مدار "ساعت دیجیتال" روی بردبورد را آغاز می کنیم و آن را طی دو یا سه جلسه به پایان می بریم.
برنامه این جلسه ، آماده سازی قطعات ، تولید سیگنال با فرکانس 1 هرتز و بستن مدار ثانیه شمار می باشد.

برای نظم بخشیدن به کار، این مراحل را در 10 گام به شرح زیر پیش می بریم:

گام اول :
ابتدا تمام قطعات اصلی را که برای این مدار نیاز داریم آماده می کنیم.
قطعات اصلی مورد نیاز:

به علت تعداد زیاد قطعاتی که در مدار اصلی به کار خواهد رفت، یک بردبورد برای کار ما کافی نیست و به 3 بردبورد احتیاج داریم.

گام دوم :
بردبوردها را باید به هم وصل کنیم تا یکپارچه شوند و به صورت یک بورد بزرگ درآیند.
در لبه بیرونی این بوردها زایده ها و محل های خاصی برای جازدن آنها در یکدیگر تعبیه شده است.
سعی کنید با دقت و مطابق شکل های زیر این کار را انجام دهید تا در حین کار بوردها از هم جدا نشوند و مدار مرتبی داشته باشید.

گام سوم :
استفاده از سیم های رنگی و تعیین یک قانون در استفاده از آنها، در مرتب بودن کار بسیار تاثیر دارد. هم چنین باعث می شود هنگام سیم کشی ها کمتر اشتباه کنیم و در صورت بروز اشکال در مدار به سرعت وضعیت سیم کشی ها را چک کنیم.
بهتر است از سیم های قرمز و آبی برای ولتاژ های تغذیه استفاده کنیم. هفت رنگ دیگر هم برای هفت پایه سون سگمنت ها در نظر می گیریم تا در سیم کشی های 6 سون سگمنت موجود در مدار مشکلی نداشته باشیم.
رعایت نظم رنگی در همین حد کافیست، برای سایر سیم کشی ها به دلخواه از رنگ ها استفاده می کنیم.
پیشنهاد ما برای اختصاص رنگ سیم ها به صورت جدول زیر می باشد:

اگر سیم با تمام این رنگ ها در اختیار نداشتید یا به هر علتی تصمیم گرفتید از نظم دیگری پیروی کنید، حتماً قبل از شروع کار رنگ های انتخابی خود را در یک جدول وارد کرده و تا پایان کار طبق آن سیم کشی کنید.

گام چهارم :
قبل از شروع کار بهتر است یکبار قطعات اصلی (آی سی ها و سون سگمنت ها) را روی مدار بچینیم تا ترتیب و فاصله بین آنها را تعیین کنیم. پس از به خاطر سپردن یا یادداشت کردن ترتیب آنها، همه قطعات را از بورد خارج کرده و کار را مرحله به مرحله پیش خواهیم برد.
ترتیب پیشنهادی ما:

ترتیب قطعات از راست به چپ:
ردیف اول : 555 و 7492 و 7400 و 7492
ردیف دوم: 4026 و 7448 و 4026 و 7448 و 4026 و 4026
ردیف سوم: 2رقم ثانیه و 2 رقم دقیقه و 2 رقم ساعت

گام پنجم :
هر بردبوردی دو ردیف برای ولتاژ مثبت دارد که با خط قرمز مشخص شده و دو ردیف هم برای ولتاژ منفی که با رنگ آبی مشخص می شود.
بورد بزرگی که آماده کرده ایم از سه بردبورد تشکیل شده است. یعنی 6 ردیف قرمز برای ولتاژ مثبت و 6 ردیف آبی برای ولتاژ منفی. برای اینکه تغذیه تمام این خطوط از یک نقطه ممکن باشد ، باید تمام ردیف های مثبت را به هم وصل کنیم و تمامی ردیف های منفی را نیز به هم. مانند شکل زیر:

گوشه ای از بورد را برای قرار دادن رگولاتور ولتاژ اختصاص می دهیم. در این قسمت ولتاژ آداپتور را وارد پایه های ورودی رگولاتور می کنیم و از پایه های خروجی آن به دو ردیف مثبت و منفی بردبورد ولتاژ 5 ولت می دهیم. بدین ترتیب ولتاژ تضمین شده 5 ولت در تمام ردیف ها جریان خواهد یافت. (در جلسه پنجم با پایه های رگولاتور آشنا شدیم)
در قسمتی از انتهای بورد یک LED قرار می دهیم تا همیشه وجود ولتاژ در مدار را به ما نشان دهد. دو پایه LED را در دو ردیف مختلف وارد می کنیم. پایه منفی آن را با یک سوزن خم نشده مگنه به ولتاژ منفی وصل می کنیم و پایه مثبتش را با استفاده از یک مقاومت 1 کیلو اهمی به ولتاژ مثبت.
حال اگر به رگولاتور ولتاژ بدهیم ، با مشاهده روشن شدن LED می فهمیم که در مدار ولتاز برقرار شده است.

گام ششم:
گام ششم از کار ما شامل بستن مدار 555 در گوشه بردبورد و ایجاد یک سیگنال منظم است.
در جلسه چهارم با مدار 555 آشنا شده ایم و شما می توانید با استفاده از مطالب آن جلسه این قسمت را انجام دهید.
نکته ای که باید به آن توجه کنید این است که باید مقادیر مقاومت ها و خازن به گونه ای باشند که فرکانس 1 هرتز تولید شود.
فرمولی که در جلسه چهارم با آن آشنا شدیم به این صورت بود:

حال اگر فرض کنیم خازن ما 4.7 میکرو فاراد و مقاومت R(A) برابر 1 کیلو اهم ، و فرکانس 1 هرتز باشد ، پس از محاسبه مقدار R(B) برابر می شود با 153 کیلو اهم. بهتر است از مقاومت 150 کیلو اهمی که در بازار موجود است استفاده کنیم. بدین ترتیب 555 در هر ثانیه یک پالس به خروجی می فرستد.

برای اینکه همیشه از کارکرد صحیح این بخش مدار مطمئن شویم، بهتر است یک LED سر راه خروجی قرار دهیم تا همیشه با مشاهده چشمک زدن مرتب آن ، از عملکرد صحیح این قسمت مطمئن شویم.
نحوه بستن مدار 555 و قرار دادن LED سر راه خروجی در شکل زیر نشان داده شده است.(البته در این مدار به جای مقاومت 150 کیلو اهمی ، دو مقاومت دیگر با هم سری شده اند که مربوط به کار ما نمی شود.)

گام هفتم
گام هفتم قرار دادن اولین آی سی 4026 در ردیف دوم و همچنین دو سون سگمنت برای نمایش ثانیه در ردیف سوم است. پایه های آی سی را به ترتیب زیر به نقاط مورد نظر وصل می کنیم :

تا قبل از قرار دادن دکمه ریست در مدار ، موقتا پایه ریست این آی سی را با یک مقاومت به ولتاژ منفی وصل کنید تا کارکرد رقم یکان ثانیه را مشاهده کنید.

گام هشتم :
گام بعدی تولید رقم دهگان برای ثانیه است. برای این کار یک آی سی 7492 در ردیف اول و یک آی سی 7448 در ردیف دوم قرار می دهیم.
قبلاً با پایه ها و نحوه مدار بندی این آی سی ها آشنا شده اید. برای سهولت کار می توانید از جداول زیر برای اتصال پایه ها کمک بگیرید:

آی سی 7492 :
 

آی سی 7448 :

گام نهم :
برای حل مشکلی که با خروجی 4026 داشتیم، می خواهیم از گیت منطقی NAND استفاده کنیم.
برای این کار آی سی 7400 را در ردیف اول جا می زنیم. (به شکل شماتیک این آی سی در بخش سوم همین جلسه مراجعه کنید)
پایه 7 آن را به ولتاژ منفی و پایه 14 را به ولتاژ مثبت وصل می کنیم.
اکنون می خواهیم از یکی از گیت های آن استفاده کنیم.
گیت چهارم :
پایه های 12 و 13 ورودی آن و پایه 11 خروجی آن است.
- خروجی سیگنال را از آی سی 4026 می گیریم و به پایه 13 آی سی 7400 وارد می کنیم.
- پایه 12 آی سی 7400 را به ولتاژ مثبت وصل می کنیم.
- پایه 11 آی سی 7400 را که خروجی گیت است ، به پایه 14 آی سی 7492 وصل می کنیم تا سیگنال اصلاح شده وارد آن شود.

اگر تمام سیم کشی ها را درست انجام داده باشیم ، با برقراری ولتاژ در مدار ، ثانیه ها از 0 تا 60 شمرده می شوند و دوباره 0 می شوند.

گام دهم :
گاهی هنگام برقراری ولتاژ در مدار، سون سگمنت ها اعداد بی معنی نمایش می دهند و باید مدتی صبر کنیم تا شرایط عادی شود. همچنین گاهی احتیاج داریم برای مشاهده کارکرد ساعت، زمان را صفر کنیم و شمارش ثانیه ها را از ابتدا ببینیم. برای رفع این مشکلات یک کلید ریست در مدار قرار می دهیم.
این مرحله بسیار ساده است. از یک تاپ سوییچ بعنوان کلید استفاده می کنیم و آن را در قسمتی از مدار که جای خالی داریم جا می زنیم. (مثلا بین آی سی های 7492 و 7400 در ردیف اول)
یکی از پایه های تاپ سوئیچ را با یک مقاومت 1 کیلو اهمی به ولتاز منفی وصل می کنیم و پایه دیگرش را بی واسطه به ولتاژ مثبت.
تمام پایه های ریست در آی سی های 4026 و 7492 باید به پایه ای از تاپ سوئیچ که با مقاومت به ولتاز منفی وصل است ، اتصال یابند.
- در آی سی 4026 پایه 15 ، پایه ریست است.
- در آی سی 7492 پایه 7 ، پایه ریست است.
قبلاً پایه های ششم و هفتم 7492 را به ولتاژ منفی وصل کرده بودیم.ابتدا این دو اتصال را قطع می کنیم. سپس پایه ششم را به ولتاژ مثبت و پایه هفتم را نیز به کلید ریست اتصال می دهیم.
بدین ترتیب با برقراری ولتاژ در مدار ، در هر مرحله از شمارش که باشیم و کلید ریست را برای لحظه ای فشار دهیم ، زمان 0 می شود.

تکلیف: اگر به هر دلیل دانش آموزان موفق نشدند در همین جلسه مدار را تا بخشی که در نظر گرفته بودیم ببندند یا نتیجه مطلوب را بدست نیاوردند ، تا جلسه بعد فرصت دارند که این کار را به اتمام برسانند. (اگر کار تا مرحله تکمیل ثانیه شمار انجام نشده باشد ، عملاً جلسه بعدی که ادامه کار است، بیهوده و بی نتیجه می شود).

ارزیابی
در طول این جلسه در موارد زیر دانش آموزان را مورد ارزیابی قرار دهید و نتیجه را در دفتر ثبت کنید:
1- میزان مشارکت همه اعضای گروه در کار
2- توانایی درک نقشه شماتیک مدار
3- میزان مهارت در بستن مدار
4- کارکرد صحیح بخش ثانیه شمار

منابع بیشتر