EPUSP PCS 2011/2305/2355 Laboratório Digital. Displays

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1 Displays Versão Displays em Circuitos Digitais É inegável a importância de displays, pois são muito utilizados nos mais variados equipamentos de todas as áreas, como por exemplo, de instrumentação e automação. Eles estão incorporados em equipamentos como multímetros, frequencímetros, contadores, relógios, entre outros. Esta larga escala de utilização nas mais diversas áreas resultou numa grande variedade de formas, tamanhos, especificações de utilização e princípios de operação dos displays. Para controlá-los existem os chamados decodificadores/controladores de displays que recebem quatro bits de entrada por dígito a ser apresentado (normalmente em código BCD - Binary-Coded Decimal) e os decodificam para o formato de saída correto que acenda o display convenientemente. Estas saídas devem ter correntes e tensões suficientes e polaridades corretas para controlar o display Principais Tecnologias de Displays de 7 Segmentos Um dos displays mais antigos é o de tecnologia Burroughs Corporation denominado NIXIE [Wikipedia, 2011], mostrado na figura 1.1. Este dispositivo é formado por um tubo com os 10 algarismos (0 a 9) em planos diferentes, os quais podem ser selecionados para serem acesos um a cada vez. Uma desvantagem é que os números não ficam no mesmo plano. Outra dificuldade, decorrente da necessidade de manipular altas tensões, é a de sua multiplexação. Figura 1.1 Display Nixie (fonte: Wikipedia). Mais tarde surgiram os displays de sete segmentos (vide texto abaixo) que tiveram bastante sucesso porque eram mais baratos e mais apresentáveis, com formatos modernos, e hoje estão disponíveis numa grande variedade de tamanhos, cores e tipos. As principais tecnologias de displays de sete segmentos são: displays incandescentes: existem em vários tamanhos e cores e são os que oferecem maior intensidade de brilho. displays neon ou displays de plasma: disponíveis na cor laranja-avermelhada. Exigem tensão alta o que dificulta a multiplexação; displays fluorescentes: são displays azulados que exigem tensões um pouco menores que as anteriores, facilitando a multiplexação. displays LED (Light Emitting Diode): é uma tecnologia que utiliza dispositivos de estado sólido. A vantagem destes displays reside no fato de apresentarem pequeno tamanho, confiabilidade de operação em ambientes hostis, e compatibilidade de tensões e correntes com as tecnologias de circuitos integrados disponíveis. Os LEDs geralmente são vermelhos, mas podem se apresentar em outras cores, como amarelo e verde. displays de cristal líquido: existem dois tipos, reflexivo que necessita iluminação frontal, e transmissivo, que requer iluminação na parte traseira. Estes dispositivos são os que consomem menos corrente. Mais recentemente foram desenvolvidos os displays OLED (organic light-emitting diode). OLED é uma tecnologia mais moderna onde a emissão de luz usa um filme orgânico com propriedades de eletroluminescência. Suas principais características são ter melhor eficiência energética e tempo de resposta. Displays (2015) 1

2 1.2. Decodificadores de 7 Segmentos Os displays de sete segmentos baseiam-se em um arranjo matricial de leds contendo sete segmentos selecionáveis, que se adequadamente compostos permitem representar os algarismos de 0 a 9 e alguns outros caracteres alfabéticos. Os decodificadores/controladores de displays de 7 segmentos recebem como entrada bits (codificados em BCD ou código 821) e produzem saídas apropriadas para seleção dos segmentos da matriz de 7 segmentos. A Figura 1.2 apresenta a designação dos sete segmentos por letras (a, b, c, d, e, f, g) de um display de 7 segmentos. Cada segmento pode ser acionado de forma independente para formar os algarismos ou outros dígitos. Figura Designação dos segmentos no display. De acordo com o acionamento dos leds no display de 7 segmentos, vários caracteres alfa-numéricos podem ser formados, conforme ilustrado na figura 1.3. Figura 1.3 Alguns exemplos de acionamento do display de 7 segmentos (fonte: Wakerly, 2006). Para o controle dos displays de 7 segmentos, vários circuitos integrados decodificadores estão disponíveis. Por exemplo, na família 7 de componentes TTL temos o 76 e o 77. As figuras 1. e 1.5 mostram a interface e um diagrama lógico do 77. Outros exemplos de decodificadores de 7 segmentos são o 9307 e Figura 1. Decodificador de 7 Segmentos 77. Os sinais de controle LT (lamp-test), RBI (ripple-blanking input) e BI (blanking input) podem ser usados para testar o display e controlar a luminosidade. Displays (2015) 2

3 Figura 1.5 Diagrama lógico do Decodificador de 7 Segmentos 77. A tabela I apresenta a informação das entradas e saídas necessárias para excitar os displays com o decodificador 77. Tabela I - Sinais para o Decodificador 77. ENTRADAS SAÍDAS LT RBI D C B A a b c d e f g RBO Decimal ou Função L X X X X X L L L L L L L H TEST H L L L L L H H H H H H H L BLANK H H L L L L L L L L L L H H 0 H X L L L H H L L H H H H H 1 H X L L H L L L H L L H L H 2 H X L L H H L L L L H H L H 3 H X L H L L H L L H H L L H H X L H L H L H L L H L L H 5 H X L H H L H H L L L L L H 6 H X L H H H L L L H H H H H 7 H X H L L L L L L L L L L H 8 H X H L L H L L L H H L L H 9 H X H L H L H H H L L H L H 10 H X H L H H H H L L H H L H 11 H X H H L L H L H H H L L H 12 H X H H L H L H H L H L L H 13 H X H H H L H H H L L L L H 1 H X H H H H H H H H H H H H 15 Displays (2015) 3

4 1.3. Display de LED (Light Emitting Diode) Existem dois tipos de displays de LEDs: um em cátodo comum e outro em anodo comum. A diferença entre eles está nos terminais dos LEDs que são agrupados para reduzir o número total de pinos do display. Veja as representações lógicas e os respectivos diagramas elétricos na Figura 1.6. CATODO COMUM ANODO COMUM Figura Tipos de Displays de 7-Segmentos. Como pode ser visto pela tabela I, no decodificador 77, o valor do sinal ativo é LOW, ou seja, ele é apropriado para controlar um display em anodo comum. 1.. Controlando Displays de LED de 7 Segmentos Os displays podem ser controlados utilizando-se os decodificadores, como mostrado nas Figuras 1.7 e 1.8. A figura 1.7 mostra o controle de um display em anodo comum com o decodificador 77. O pino do anodo em comum do display é ligado em 5V e os pinos dos catodos dos leds são ligados nas saídas do decodificador. VCC A B C D LT RBi 77 7-SEGMENT DECODER RBO a b c d e f g V+ FLUXO DE CORRENTE ANODO COMUM Figura 1.7 Controlando displays de sete segmentos em anodo comum. A figura 1.8 apresenta como um display em catodo comum deve ser conectado ao seu decodificador. Seu pino do catodo comum é ligado em GND e os pinos dos anodos devem ser conectados nas saídas do decodificador. Note que o decodificador usado é o 76. Displays (2015)

5 VCC A B C D LT RBi 76 7-SEGMENT DECODER RBO a b c d e f g CATODO COMUM Figura Controlando displays de sete segmentos em catodo comum Multiplexação de Displays de LED Os displays de LED são capazes de operar em tempos da ordem de nanosegundos. Isto significa que eles podem operar num baixo duty cycle (ou fator de forma) com uma alta taxa de amostragem, isto é, o sistema pode ativar os displays ciclicamente (acendendo e apagando), aproveitando a característica do olho humano de detectar apenas os picos de brilho. Como a economia de consumo e de componentes são sempre fatores importantes a serem considerados em projetos de sistemas digitais, uma técnica bastante utilizada é a multiplexação de displays. Esta técnica permite que um só decodificador de displays possa controlar uma série de displays. Estes são ciclicamente acesos e apagados numa frequência conveniente de tal forma que, para o olho humano, tudo se passasse como se todos os displays estivessem permanentemente acesos. Um dispositivo atua sobre o terminal comum a todos os LEDs cortando a corrente e apagando todo o display. As figuras 1.9 e 1.10 apresentam as arquiteturas básicas de multiplexação de displays com os tipos diferentes de displays de sete segmentos. Figura Multiplexação de displays em anodo comum. Displays (2015) 5

6 ENTRADAS SEGMENT DECODER PARA OUTROS DÍGITOS ENTRADAS FLUXO DE CORRENTE STROBE OU DRIVER DO DÍGITO PARA OUTROS DÍGITOS Vcc ENTRADA DRIVER DISPLAY CATODO COMUM ENTRADA DRIVER DO SEGMENTO Figura Multiplexação de displays em catodo comum Arquitetura Básica de um Sistema Multiplexador de Displays Uma alternativa de multiplexação envolve o uso de um decodificador para cada display (utilizando mais componentes que a arquitetura anterior), porém habilitando apenas um decodificador a cada momento. Veja a Figura Desta forma, o sistema acende os n displays ciclicamente, efetuando uma correspondência entre a entrada e o valor apresentado no display; tudo se passa como se os displays estivessem permanentemente acesos para o olho humano. Esta arquitetura será usada na experiência. (ENTRADA) ( 1 ) ( n ) MUX CONTADOR (módulo n) DECODIFICADOR/ DECODIFICADOR/ RBO CONTROLADOR RBO CONTROLADOR DECODIFICADOR 7 SEGMENTOS 7 SEGMENTOS DE VARREDURA 7 7 ( 1 ) ( n ) Figura Arquitetura básica para a multiplexação de n displays. Displays (2015) 6

7 2. BIBLIOGRAFIA Fairchild Optoelectronics, Manuais de fabricante. Palo Alto, CA. FREGNI, E. e SARAIVA, A. M. Engenharia do Projeto Lógico Digital: Conceitos e Prática. Editora Edgard Blücher Ltda, Signetics. TTL Logic Data Manual WAKERLY, J. F. Digital Design: Principles & Practices. th edition, Prentice Hall, Wikipedia. Nixie tube. Disponível em Acesso em 03/01/201. Histórico de Revisões D.T. e J.R.B. / 2001 revisão E.T.M. / 2003 revisão da parte experimental E.T.M. / 200 revisão E.T.M. / 2006 revisão E.T.M. / 2011 revisão E.T.M. / 2012 revisão e adaptação da parte experimental E.T.M. / 2013 revisão E.T.M. / 201 revisão E.T.M. / 2015 revisão e reorganização do texto. Displays (2015) 7