Elettronica Digitale (per principianti) parte terza

SondaTTL_1

Dopo aver visto diversi esperimenti creati con alcune porte logiche, aver montato la nostra prima Sonda Logica per CMOS e il nostro primo circuito di clock, è arrivato il momento di fare un piccolo passo in avanti, saliamo sul prossimo gradino passando ad esperimenti con circuiti integrati leggermente più complessi tipo Flip-Flop JK e SR (set/reset) ed ancora circuiti multiplexer/demultiplexer, monteremo inoltre una Sonda Logica per circuiti TTL approfondendo ulteriormente la nostra conoscenza nel campo del digitale.

Sperando che la prima e la seconda parte siano state di aiuto a molti, continuo questa serie cercando di fare piccoli passi alla volta per non appesantire troppo la lettura e facilitare gli esperimenti già di per se abbastanza semplici. Senza perdere tempo, tuffiamoci direttamente nel montaggio della nostra seconda Sonda Logica che servirà a controllare i vari segnali dei circuiti integrati TTL che useremo per le nostre prove. Seguendo lo schema elettrico successivo montiamo nella nostra Bread-Board tutti i componenti, l'elenco ci sarà utile per verificare i valori da utilizzare.

Elenco componenti:

  • R 1-2-3  =  330 Ohm;
  • C 1-2  =  100 nF;
  • C 3  =  220 uF 16V;
  • C4  =  1000 uF 16V;
  • D 1  =  1N4148;
  • IC 1  = 78L05;
  • IC 2  = 7400;
  • Led 1  = verde;
  • Led 2  = giallo;
  • Led 3  =  rosso.

Come possiamo notare dallo schema, il cuore della sonda è una quadrupla porta Nand TTL 7400, in questo caso utilizziamo tre led per visualizzare i vari stati logici, avete letto bene i led sono tre perchè leggeremo, oltre ai due stati logici Alto e Basso anche lo stato Three-State (o Tri-State, marchio registrato dalla National) cioè quando l'uscita in questione è, a tutti gli effetti, sconnessa dal resto del circuito e non ha alcuna influenza su di esso. Questo terzo stato lo hanno solo quei dispositivi che possiedono un ingresso addizionale di gate enable/disable. Alcuni componenti Tri-State sono abilitati da un livello logico basso in ingresso al gate, mentre altri sono abilitati da un livello logico alto. Nella figura seguente possiamo notare alcuni simboli di logiche Tri-State:

Il piedino laterale è l'ingresso di gate.

Anche per questa sonda possiamo decidere il metodo di alimentazione, quindi se decidiamo di alimentarla con una batteria da 9V monteremo tutti i componenti visibili nello schema elettrico, se invece decidiamo di alimentarla con due coccodrilli dal circuito in prova, basta eliminare i componenti a destra del tratteggio verticale che non è altro che la parte alimentatrice che abbassa a 5V la tensione di 9V della batteria e il gioco è fatto (ricordate? i TTL lavorano solo a 5V).

Prima di andare avanti con i prossimi esperimenti vorrei far notare un particolare molto importante che non bisogna assolutamente dimenticare: ogni volta che ci apprestiamo a sperimentare con i nostri circuiti, dobbiamo tener sempre presente che ogni porta logica ha il suo Fan-Out.

Vediamo cos'è: se una logica ha un Fan-Out = 10 vuol dire che l'uscita in questione può pilotare fino a 10 ingressi della stessa famiglia; se è uguale a 1 vuol dire che può pilotare un solo ingresso ed ecco che qui subentrano i vari datasheet che dobbiamo rigorosamente leggere con molta attenzione. Così eviteremo di sovraccaricare le uscite dei dispositivi che stiamo utilizzando.

Sulla famiglia TTL è doveroso far notare che esiste anche la versione militare, riconoscibile dal primo numero che diventa 5 (SN54xxx) in pratica è una copia identica della serie 74xxx ma con caratteristiche di temperatura d'esercizio superiori, la serie 74xxx spazia da -40° a 85° mentre la serie 54xxx da -55° a 125°, per questo motivo il contenitore di questi circuiti integrati è in ceramica a differenza della versione normale che è in plastica.

Flip-Flop.

Con i precedenti esperimenti abbiamo visto che i circuiti possiedono la capacità di passare dallo stato logico basso a quello alto e viceversa, solo se vi è un segnale in ingresso. Adesso vedremo come alcuni modelli riescono a mantenere il loro stato anche se in ingresso non vi è più il segnale, in pratica è la forma più comune di memoria elettronica. Questo dispositivo è definito come "bistabile" o Flip-Flop. L'esempio seguente ci farà capire qual'è il suo effettivo funzionamento:

Elenco componenti.

  • R 1-2  =  820 Ohm
  • R 3-5-7-9  =  47 kOhm
  • R 4-6-8-10  =  470 Ohm
  • Q 1-2-3-4  =  BC337;
  • Led 1-2-3-4  = Led rosso;
  • IC1  =  SN 7400;
  • IC2  =  SN 7490;
  • S1 = Pulsante deviatore.

Nell'elenco notiamo l'utilizzo di logiche TTL standard ma nessuno ci vieta di utilizzare le versioni 74Sxx o 74LSxx etc, ho utilizzato le standard solo perchè sono le prime che ho trovato nel mio laboratorio.

Apprestiamoci a montare i componenti dello schema in alto nella nostra Bread-Board, come al solito l'elenco componenti ci dirà i valori, quindi la raccomandazione è sempre la stessa: ricontrollare tutti i collegamenti prima di dare tensione!

Possiamo osservare il funzionamento mandando a massa i due pin 2 e 7 ed infine azionando il pulsante; se poi proviamo a staccare fisicamente il collegamento in ingresso sul pin 14 del 7490, noteremo che i quattro stati logici in uscita rimarranno memorizzati. Leggendo il datasheet del Flip-Flop possiamo controllare la tabella logica e verificare se con il nostro azionamento del pulsante si ottiene effettivamente il risultato atteso.

Multiplexer.

Saliamo un altro gradino e cominciamo a studiare questi dispositivi apparentemente più complessi ma in realtà il loro utilizzo si rivela più che semplice.

Nella prima parte abbiamo visto come pilotare un display a sette segmenti; se abbiamo la necessità di utilizzarne quattro per un orologio, un frequenzimetro oppure per un semplice voltmetro, diventa oltre che dispendioso anche complicato gestire quattro integrati che pilotano i quattro display, in questo caso ci viene in aiuto l' MM74C926 (4-Digit Counters with Multiplexed 7-Segment Output Drivers). Proviamolo montando i componenti dello schema in basso:

 

  • Elenco componenti.
  • R 1-7  = 330 Ohm;
  • R 8-10  =  10 kOhm;
  • T 1-4  = BC337;
  • Display a catodo comune;
  • IC1  = MM74C926.

Come possiamo notare i segmenti dei quattro display sono collegati in parallelo tra loro (segmento "a" con segmento "a", segmento "b" con segmento "b" etc) quindi sarà il multiplexer a gestire l'accensione del display tramite il transistor collegato sul catodo.

In pratica ci sarà uno (ed uno solo) display acceso e gli altri tre spenti, cerchiamo di capire il perchè: se dobbiamo visualizzare 1234 avremo l'accensione del primo display che visualizza il numero 4, successivamente l'accensione del secondo (e spegnimento del primo) che visualizzerà il 3, poi il terzo che visualizzerà il 2 ed infine il quarto che visualizzerà il numero 1. Tutto questo avverrà ad una velocità tale da ingannare il nostro occhio, c'è un solo display acceso ma noi crediamo di vederne quattro.

Per completare questo schema dobbiamo fornirlo di un circuito di clock, uno di reset e uno d'ingresso, infatti notiamo le tre resistenze fluttuanti per ora nei pin 5, 12 e 13. Nel prossimo appuntamento vedremo in che modo completarlo utilizzando il dispositivo 555.

Mario Venoso

6 Comments

  1. IvanScordato Ivan Scordato 30 dicembre 2013
  2. adrirobot adrirobot 30 dicembre 2013
  3. Marven 30 dicembre 2013
  4. adrirobot adrirobot 31 dicembre 2013
  5. Marven 31 dicembre 2013
  6. adrirobot adrirobot 31 dicembre 2013

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