ساعت دیجیتال- جلسه هشتم

اهداف این جلسه :
1- تکمیل مدار اصلی "ساعت دیجیتال"
2- کسب مهارت در تست مدار
3- کسب مهارت در عیب یابی و رفع عیب مدار

زمان عملیاتی:
• 2/5 ساعت صرف بستن مدار و توضیح نکات مربوط به هر مرحله در حین کار
• 30 دقیقه صرف تست مدار و رفع عیب
(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  2عدد  (در دو رنگ مختلف)
* خازن 4/7 میکرو فاراد _ 1عدد
* مقاومت 150 کیلو اهمی _ 1 عدد
* مقاومت 1 کیلو اهمی – 10عدد
* تاپ سوییچ –1 عدد
* سوزن های منگنه – مقداری
* قلم و کاغذ

 روند کار:

1- تکمیل مدار "ساعت دیجیتال" :
در جلسه گذشته ساخت مدار را تا مرحله تکمیل ثانیه شمار پیش برده و تست کردیم. حتی یک کلید ریست هم برای صفر کردن زمان روی مدار قرار دادیم. این جلسه سعی می کنیم مدار را کامل کنیم.
نقشه مدار کامل "ساعت دیجیتال" بصورت یک فایل تصویری در اختیار شما قرار خواهد گرفت.
همانند جلسه قبل ، ساخت و تکمیل مدار را گام به گام پیش می بریم:

گام اول :
برای نمایش رقم یکان دقیقه شمار به یک آی سی 4026 احتیاج داریم. پس یک آی سی 4026 در ردیف دوم قرار می دهیم. یک سون سگمنت هم برای نمایش یکان دقیقه شمار ، در ردیف سوم جا می زنیم.
آی سی 4026 برای نمایش دقیقه باید سیگنالی دریافت کند که هر 60 ثانیه یک پالس می فرستد. ولی این سیگنال را چگونه ایجاد کنیم ؟
جواب این است : با استفاده از گیت منطقی NAND و وضعیت پایه های خروجی آی سی 7492.
پایه های آی سی 7492 را به خاطر دارید؟

در جلسه ششم با این آی سی آشنا شدیم. گفتیم که پایه های 9 و 11 و 12 ، پایه های خروجی این آی سی هستند و هر کدام از آنها در نقش یک رقم باینری است و وضعیت کلی این سه رقم ، یک عدد باینری می سازد که از 0 تا 5 تغییر می کند.

این مطالب تکراری بود ولی تذکر مجدد آنها دلیل داشت. با توجه به روند شمارش در آی سی 7492 ای که رقم دهگان ثانیه را می سازد ، می خواهیم هر گاه شمارش به مرحله پایانی رسید ، یک پالس به آی سی 4026 تولید کننده دقیقه فرستاده شود.
پس می آییم پایه های Q(A) و Q(C) را با سیم به ورودی های یکی دیگر از گیت های NAND درآی سی 7400 اتصال می دهیم.

با توجه به جدول درستی NAND که در جلسه گذشته با آن آشنا شده ایم ، هرگاه یکی از این دو پایه غیر فعال باشند ، خروجی گیت ولتاژ مثبت خواهد داشت (در زمان 0 تا 49 ثانیه).
ولی اگر هر دو همزمان با هم فعال شوند (یعنی در ثانیه 50 ) ، ناگهان خروجی گیت ولتاژ منفی می شود و یک پله پایین رونده در ولتاژ حاصل می شود.
در اولین تغییر وضعیت ، زمانی که ثانیه شمار از 59 به 0 می رود ، دوباره ولتاژ خروجی گیت مثبت شده و یک پله بالارونده ایجاد می شود. این پله بالارونده می تواند موجب یک بار شمارش در 4026 شمارنده دقیقه گردد.
بهتر است از گیت شماره 1 در آی سی 7400 برای این کار استفاده کنید:
- پایه های 9 و 12 آی سی 7492 را به پایه های 1 و 2 آی سی 7400 وصل کنید.
- پایه 3 آی سی 7400 را نیز به پایه 1 آی سی 4026 جدید اتصال دهید تا سیگنال ورودی مورد نیاز آن تامین شود.

گام دوم :
قسمت سخت کار که تولید سیگنال دقیقه شمار بود انجام شد. حال باید در این مرحله یک کار تکراری انجام دهیم. و آن اینکه پایه های آی سی 4026 را به همان ترتیبی که جلسه گذشته یاد گرفتیم به نقاط مخصوص اتصال دهیم تا سون سگمنت یکان دقیقه بکار بیفتد.
باید از پایه 15 این آی سی که پایه ریست آن است ، اتصالی به همان کلید ریستی که داشتیم برقرار کنیم تا با فشردن دکمه ریست ، زمان کلا ً شود.

گام سوم :
گام سوم هم بسیار ساده است. البته هم مهم است و هم نیاز به دقت دارد ولی چون در جلسه قبل آن را انجام داده ایم ، آسان شده است.
کاری که باید بکنیم ، تولید رقم دهگان برای دقیقه شمار است. مشابه کاری که در تولید رقم دهگان برای ثانیه شمار کرده ایم ، مراحل زیر باید انجام شود:

1- یک آی سی 7492 در ردیف اول جا می زنیم.
2- پایه 5 آی سی 4026 (CARRY OUT) را به یکی از ورودی های گیت NAND دوم در آی سی 7400 وصل می کنیم.
3- ورودی دیگر گیت NAND دوم را به ولتاژ مثبت وصل می کنیم.
4- خروجی گیت NAND را به پایه 14 آی سی 7492 وصل می کنیم تا سیگنال وارد آن شود.
5- پایه های آی سی 7492 را مطابق جلسه قبل اتصال می دهیم.
6- یک آی سی 7448 در ردیف دوم جا می زنیم.
7- یک سون سگمنت در ردیف سوم و در کنار یکان دقیقه شمار قرار می دهیم.
8- پایه های آی سی 7448 را مطابق جلسه قبل اتصال می دهیم.
9- اتصال پایه ریست 7492 به کلید ریست فراموش نشود.

حال با برقراری ولتاژ در مدار ، دقیقه شمار هم از 0 تا 59 کار می کند.

گام چهارم :
در این مرحله می خواهیم رقم یکان ساعت شمار را بسازیم.
ابتدا یک آی سی 4026 در ردیف دوم و یک سون سگمنت در ردیف سوم جا می زنیم.
مشابه حالتی که می خواستیم رقم یکان دقیقه شمار را بسازیم ، باید از گیت منطقی NAND استفاده کنیم.
پایه های Q(A) و Q(C) از آخرین آی سی 7492 را به ورودی های گیت NAND سوم از آی سی 7400 وصل می کنیم. خروجی این آی سی ، سیگنال ورودی ما برای شمارش ساعت است که آن را به پایه 1 آی سی 4026 جدید وصل می کنیم.
سایر پایه های 4026 را نیز مطابق آنچه تاکنون انجام داده ایم به نقاط مربوطه وصل می کنیم. اتصال پایه ریست به کلید ریست هم فراموش نشود.
در این مرحله یکان ساعت شمار هم کار می کند.

گام پنجم :
این مرحله بسیار ساده است. از آخرین آی سی 4026 باقی مانده برای تولید رقم دهگان ساعت شمار استفاده خواهیم کرد.
آی سی 4026 را در ردیف دوم و آخرین سون سگمنت را هم در ردیف سوم و در کنار یکان ساعت نصب می کنیم.
از پایه CARRY OUT (پایه پنجم) آی سی 4026 قبلی (که یکان ساعت را تولید می کرد) ، اتصالی به پایه 1 آی سی 4026 جدید می دهیم تا سیگنال ورودی آن تامین گردد.
سایر پایه های 4026 جدید را نیز مانند 4026 های قبلی به نقاط مربوطه وصل می کنیم تا سون سگمنت ششم هم بکار بیفتد.
اتصال پایه ریست به کلید ریست فراموش نشود.

2- تست مدار :
با انجام مراحل ساخت به صورت منظم و گام به گام، اکنون دیگر مدار شما تکمیل شده است.
حال چگونه باید بفهمیم که مدار درست کار می کند؟
1- با برقراری ولتاژ در مدار ، LED ای که در انتهای مدار قرار داده ایم باید روشن شود و تا زمانی که ولتاژ قطع نشده باید روشن بماند(این LED در تصویر زرد رنگ است).
2- LED ای که سر راه خروجی آی سی 555 قرار داده ایم باید در تمام مدتی که در مدار ولتاز برقرار است ، با فرکانس 1 هرتز (یک بار در ثانیه) چشمک بزند (این LED در تصویر قرمز رنگ است).
3- تمام 7segment ها باید با برقراری ولتاژ در مدار روشن شوند.
4- با فشردن کلید ریست ، باید هر 6 سون سگمنت همزمان 0 شوند.
5- برای اطمینان از درستی عملکرد بخش ثانیه شمار ، کافیست ابتدا کلید ریست را فشار دهیم و پس از آن به مدت یک دقیقه به آن نگاه کنیم تا ببینیم که شمارش از 0 تا 59 بصورت کامل و منظم صورت می گیرد یا نه. همچنین باید توجه کنیم که آیا پس از ثانیه 59 ، ثانیه شمار 0 می شود یا خیر.
6- برای اطمینان از عملکرد صحیح دقیقه شمار و ساعت شمار هم باید به همین نحو ه رفتار کنیم. مسلماً ما نمی توانیم ساعت ها به عملکرد این مدار چشم بدوزیم تا ببینیم شمارش صحیح و کامل هست یا نه. برای رفع این مشکل به بخش بعدی توجه کنید.

3- افزایش سرعت در شمارش ثانیه ها :
تعجب نکنید! ما نمی توانیم سرعت زمان را تغییر دهیم ، اما می توانیم برای تست مدارمان ، کاری کنیم که ثانیه ها خیلی سریعتر از حالت عادی بگذرند و شمرده شوند.
فرمول محاسبه فرکانس در آی سی 555 را به خاطر دارید؟

برای اینکه به فرکانس یک هرتز برسیم ، مقدار C را 4.7 میکروفاراد ،(R(A را 1 کیلو اهم و R(B)  را 150 کیلو اهم محاسبه کردیم.
حال فرض کنید C و (R(A را ثابت نگه داشته ، و (R(B را کم کنیم. چه اتفاقی می افتد؟
درست است ، مخرج کسر کوچک شد و فرکانس افزایش می یابد. افزایش فرکانس هم یعنی تعداد پالس بیشتر در یک ثانیه.

سوال :
اگر دو سرمقاومت 150 کیلو اهمی را به هم وصل کنیم ، فرکانس چه تغیری می کند؟
جواب :
در این صورت R(B) برابر 0 می شود :

یعنی 306 پالس در هر ثانیه.
یعنی تقریباً در هر ثانیه ، مدار ساعت ما به اندازه 5 دقیقه کار می کند!


برای اینکه این اتصال کوتاه بین دو سر مقاومت R(B) در هر زمان و به مدت دلخواه امکان پذیر باشد ، بهتر است یک تاپ سوئیچ بین دو سر مقاومت 150 کیلو اهمی قرار دهیم.

بدین ترتیب با فشردن این دکمه ، سرعت مدار زیاد می شود و با قطع آن سرعت به حالت عادی باز می گردد.
در نتیجه تست کردن بخش های دقیقه شمار و ساعت شمار هم ممکن می شود.

4- رفع نقص ها و مشکلات مدار :
اگر در هر مرحله از تست مدار با مشکلات و نقایصی مواجه شدید ، باید از شیوه عیب یابی خاصی استفاده کنید.

1- اگر با دادن ولتاژ به سیستم ، LED انتهای مدار روشن نشد ، باید موارد زیر را چک کنید :
*قراردادن صحیح رگولاتور در مدار
* سالم بودن آداپتور یا منبع تغذیه
* عدم قطعی در سیم کشی بین آداپتور و بردبورد
*سیم کشی و اتصال صحیح ردیف های ولتاژی روی بردبورد
* سالم بودن LED مورد استفاده

2- اگر LED انتهایی مدار روشن بود ولی LED مربوط به آی سی 555 چشمک نمی زد ، باید موارد زیر چک شود :
* نحوه اتصال قطعات و پایه های 555 از روی نقشه
* مقادیر خازن و مقاومت ها
* سالم بودن LED مورد استفاده
* سالم بودن آی سی 555

3- گاهی ممکن است ظاهراً سیم کشی ها صحیح انجام شده باشند ولی در باطن عدم دقت کافی در این کار ، موجب قطعی در مدار می شود :
* کوتاه بودن بخش لخت شده سیم
* بلند بودن بیش از حد بخش لخت شده سیم و فرو رفتن بیش از حد در پین بردبورد
* آسیب دیدن سر سیم هنگام لخت کردن و در نتیجه ایجاد قطعی بین سر لخت شده و بدنه سیم
* برخورد بخش لخت شده سیم ها روی بربورد (مخصوصاً در استفاده از سوزن منگنه) و ایجاد اتصالی


4- کار نکردن یکی از سون سگمنت ها:
* باید پایه ای را که سون سگمنت از آن سیگنال می گیرد قطع کنیم (یا پایه CLOCK در آی سی 4026 یا پایه CKA در آی سی 7492 ). اگر سر سیم را با دست نگه داریم باید سون سگمنت با فرکانس 50 هرتز شمارش را انجام دهد. این امر بدلیل القای فرکانس برق شهر روی بدن انسان است. اگر شمارش با این فرکانس روی سون سگمنت مشاهده شد ، مشکل به قبل از CLOCK مربوط می شود ولی اگر این عمل نتیجه ای در بر نداشت ، باید سیم کشی های آی سی و سون سگمنت از روی نقشه چک شوند.
* اگر سیم کشی ها بی نقص بود ، ممکن است اشکال از خود سون سگمنت باشد. یا باید جای سون سگمنت معیوب را با یک سون سگمنت سالم عوض کنیم و آزمایش را تکرار کنیم ، یا باید تک تک پایه های آن را تست کنیم (از طریق یک مقاومت متصل به ولتاژ مثبت) و از سالم بودن آن مطمئن شویم.

5- اگر حین آزمایش فوق و جدا کردن پایه CLOCK یا CKA وگرفتن سیم با دست ، نتیجه مطلوب حاصل شد ، به این نتیجه می رسیم که اشکال مربوط به رسیدن سیگنال به آی سی های شمارنده است. این احتمال وجود دارد که در بکار گیری گیت های NAND در آی سی 7400 اشکالی وجود داشته باشد. این قسمت را حتماًچک کنید.

6- اکثر آی سی ها ، مخصوصاَ آی سی های خانواده TTL در مقابل تغییرات ولتاژ بسیار حساس هستند و ممکن است طی انجام آزمایشات بعلت بی توجهی آسیب دیده باشند. در رفع عیب مدار نباید از احتمال سوختن آی سی ها غافل بود و در صورت بی نتیجه بودن سایر روش ها حتماً  آی سی ها را تعویض کرده و مجدداً آزمایش کنید.

7- ...

شاید نقایص بی شماری بتوان برای یک مدار نام برد که احتمال بروز آنها همیشه وجود دارد ولی پیش بینی و بررسی تمام آنها در بحث ما نمی گنجد.
به هر حال امیدواریم مدار شما بدون هیچ عیب و نقصی ساخته شود و از آزمایش آن نتیجه مطلوبی بدست آورید.

5- توضیحی در مورد فیلم عملکرد مدار "ساعت دیجیتال" :

در بخش فایل های مربوط به درس ، فیلم کوتاهی از عملکرد این مدار قرار دارد. تست هایی که روی مدار صورت گرفته به ترتیب زیر است :
1- روشن بودن LED زرد در انتهای مدار که نشانه برقراری ولتاژ در مدار است.
2- چشمک زدن مرتب LED قرمز در خروجی 555 که نشانه عملکرد صحیح آی سی 555 است.
3- شمارش مرتب ثانیه ها.
4- ریست شدن ثانیه شمار با فشار دادن "کلید ریست".
5- بالا بردن فرکانس و افزایش سرعت شمارش (با فشار دادن تاپ سوئیچ مدار 555) ، و تست بخش دقیقه شمار و ساعت شمار.
6- ریست شدن (صفر شدن) همزمان ثانیه شمار ، دقیقه شمار و ساعت شمار با فشار "کلید ریست".
7- قطع کردن سیمی که سیگنال را از 555 به 4026 منتقل می کرد و تحریک آن با دست و مشاهده فرکانس 50 هرتز در "ثانیه شمار".
8- اتصال مجدد سیم CLOCK به 555 و شمارش عادی ثانیه ها.
9- ریست کردن کل مدار "ساعت دیجیتال".


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- تکمیل ساخت مدار
5- توانایی در تست مدار
6- مهارت در عیب یابی و رفع عیب 

منابع بیشتر