Zoran Mijanovic, Nedjeljko Lekic
Часть 1 – Принципиальная схема
В первой части статьи мы рассмотрели схему управления от одного порта микроконтроллера микросхемой регистра сдвига со стробирующим входом. Для простоты пояснений далее мы будем рассматривать первый по схеме регистр сдвига. Генерируемые сигналы с порта микроконтроллера напрямую подаются на вход CLOCK. Эти же сигналы, проходя через RC фильтр, поступают на вход данных – вывод D микросхемы (Рисунок 5). RC фильтр, образованный дискретным резистором R = 470 кОм и входной емкостью CD = 3 пФ входа D, вводит задержку по времени td равную приблизительно:
td = R × CD × ln2 = 470 кОм × 3 пФ × 0.7 ≈ 1 мкс
 |
|
| Рисунок 5. | Условная схема формирования временной задержки с помощью RC фильтра, образованного дискретным резистором и входной емкостью вывода В микросхемы регистра сдвига. |
Таким образом, для записи лог. 0 в регистр сдвига микроконтроллер должен удерживать низкий уровень на время больше значения td, например, 2.5 мкс, и затем установить высокий уровень.
Для записи лог. 1 в регистр сдвига микроконтроллер удерживает высокий уровень на время больше значения td и затем генерирует короткий отрицательный импульс длительностью около 100 нс.
Осциллограммы на Рисунке 6 наглядно демонстрируют этот процесс. На осциллограмме: Канал 1 (желтый) – сигнал CLOCK, Канал 2 (голубой) – сигнал DATA, Канал 3 (розовый) – сигнал STROBE. Для измерений использовался осциллограф Tektronix DPO4034 с высоковольтными щупами TPP0850. Щупы имеют входное сопротивление 40 МОм и входную емкость1.5 пФ, что гарантирует отсутствие искажений при измерении сигналов STROBE и CLOCK.
 |
|
| Рисунок 6. | На осциллограмме отображается процесс записи 16-битной последовательности 1111100000000000 в регистр сдвига, который используется для управления 16 светодиодами в матричном шкальном индикаторе. |
Регистры сдвига синхронизируются по переднему фронту тактового сигнала (CLOCK). Это накладывает локальный минимум на сигнал DATA. По снятым осциллограммам видно, что сигнал DATA имеет минимальное напряжение 1.2 В для лог. 0 и 4.2 В для лог. 1. Регистр сдвига имеет логический порог 2.5 В, поэтому мы можем сделать вывод, что наши значения (1. 2 В и 4.2 В) гарантированно входят в диапазон допустимых напряжений. В представленной схеме 16 бит данных хранятся в регистре сдвига приблизительно 50 мкс.
На Рисунке 6 также видно, как фронт стробирующего сигнала (STROBE) нарастает после того, как все 16 бит загружены в регистр. В отличие от регистров сдвига без стробирующего входа, в нашей схеме порт микроконтроллера не должен удерживаться в состоянии высокого уровня длительное время для предотвращения нежелательной активации сигнала управления STROBE. В этом случае длительность высокого уровня не должна быть более 6 мкс.
На Рисунке 7 мы использовали функцию масштабирования осциллографа, чтобы показать отрицательный импульс сигнала CLOCK при записи в регистр сдвига лог. 1. В нашей реализации микроконтроллер Atmel ATtiny13 генерирует максимально короткий импульс длительностью 100 нс.
 |
|
| Рисунок 7. | Увеличенный масштаб осциллограммы сигнала CLOCK, на которой виден отрицательный импульс при записи лог. 1 в регистр сдвига. |
На Рисунке 8 изображен увеличенный участок осциллограмы сигнала CLOCK при записи лог. 0 в регистр сдвига.
 |
|
| Рисунок 8. | Увеличенный масштаб осциллограммы сигнала CLOCK при записи лог. 0. |
На Рисунке 9 изображено фото варианта матричного шкального индикатора на двух микросхемах 74HC4094 (8-разрядный регистр сдвига с последовательным вводом и параллельным выходом). Плата имеет односторонний монтаж, все соединения отчетливо видны.
 |
|
| Рисунок 9. | Вариант матричного шкального индикатора на двух микросхемах 74HC4094. |
Программа микроконтроллера чрезвычайно проста (см. секцию загрузок). В коде программы реализуется последовательное включение всех 16 светодиодов через каждые 500 мс. Затем все светодиоды выключаются и цикл повторяется.
Демонстрационное видео работы схемы
Осциллограммы управляющих сигналов
Загрузки
Листинг программы микроконтроллера (Си) – скачать
Дополнительные материалы
- Одна линия ввода/вывода микроконтроллера для управления 16 светодиодами
- Знакомство с микросхемой регистра сдвига 74HC595 - управление 16 светодиодами
- Edited by Charles H Small and Fran Granville, “Microcontroller provides low-cost analog-to-digital conversion, drives seven-segment displays,” EDN, May 10, 2007.
- Raynus, Abel, “Squeeze extra outputs from a pin-limited microcontroller,” EDN, August 4, 2005.
- Rex Niven, “RC lowpass filter expands microcomputer’s output port,” EDN, June 21, 2007.
