شمارنده اشیاء با استفاده از آی سی های CMOS

انواع محتلف مدارهای شمارنده با استفاده از آی سی های TTL از قبیل 7490 و 7447 در دسترس می باشد. اما مدار مورد بررسی در این قسمت سوای دیگر مدارها است. این مدار از آی سی های CMOS استفاده کرده که دارای مزیت های زیادی نسبت به آی سی های TTL هستند. بعضی از برتری های آی سی های CMOS نسبت به آی سی های TTL عبارت است از:

1- محدوده وسیع ولتاژ تغذیه. محدوده مجاز ولتاژ تغذیه آی سی های TTL بین 4.75V تا 5.25V می باشد. بنابراین آی سی های TTL به یک منبع تغذیه ولتاژ کاملا تثبیت شده نیاز دارند. اما آی سی های CMOS به دلیل داشتن محدوده وسیع ولتاژ تغذیه مجاز به منبع ولتاژ تثبیت شده احتیاج ندارند. این آی سی ها با ولتاژهای تغذیه بین 3V تا 15V می توانند به خوبی کار نمایند. بدین ترتیب در ساخت منبع تغذیه آی سی های CMOS صرفه جویی اقتصادی صورت می گیرد.

2- توان مصرفی بسیار کم. توان مصرفی آی سی های CMOS حدود 0.1mW تا 0.2mW می باشد. در حالی که توان مصرفی مدارهای مجتمع TTL حدود 15mW است.

3- مصونیت در برابر نویز. مصونیت در برابر نویز آی سی های CMOS بسیار بیشتر از آی سی های TTL است. نویز در کارخانه ها بیشتر ناشی از کلیدزنی بارهای سلفی می باشد که از طریق شبکه برق کارخانه بر روی وسایل الکترونیکی موجود اثر نامطلوب دارد.

4- دانسیته بسته بندی بالا. به دلیل این خاصیت تعداد عناصر به کار رفته در یک مدار خاص حداقل می شود و در نتیجه مخارج مدار نیز کاهش می یابد. برای مثال، در خانواده CMOS شمارنده BCD افزاینده وجود دارد ولی در خانواده TTL خیر. همچنین آی سی CMOS که در داخل آن یک شمارنده باینری و یک شمارنده BCD قرار دارد، در بازار موجود می باشد، ولی در خانواده TTL خیر. بنابراین باید از دو یا چند آی سی TTL استفاده کرد تا مدار معادل این آی سی CMOS به دست آید. علاوه بر این، بیشتر آی سی های CMOS با آی سی های TTL (پایه به پایه) سازگار هستند و در نتیجه جایگزینی آنها بسیار آسان است.

5- گنجایش خروجی بالا. گنجایش خروجی یک آی سی عبارت است از تعداد آی سی از همان خانواده که می توان به خروجی آن متصل نمود. گنجایش خروجی آی سی های خانواده CMOS برابر 50 و TTL برابر 10 است.

تقریبا انواع آی سی هایی که در خانواده TTL وجود دارد، در خانواده CMOS در سطحی بالاتر موجود می باشد.

به دلیل قابلیت های متنوعی که آی سی های CMOS دارند، طراحی مدارهای دیجیتال با استفاده از آنها بسیار ساده است. در اینجا شمارنده ای ارائه شده است که در تمام قسمت های آن از آی سی های CMOS استفاده می شود.

عملکرد مدار

نمودار مداری شمارنده در شکل 1 نشان داده شده است.

به دنبال مدار ورودی که از فتو ترانزیستور T1 تشکیل شده است، یک تقویت کننده که بر اساس ترانزیستور سرعت بالای T2 کار می کند، قرار دارد. یک لامپ 60mA ، 6.3V نیز به عنوان منبع نور به کار رفته است.

شکل 1 نقشه شماتیک شمارنده اشیاء با استفاده از آی سی های CMOS

لیست قطعات پروژه شمارنده اشیاء با استفاده از آی سی های CMOS

یک پرتو نوری نازک از لامپ بر روی بیس فتو ترانزیستور متمرکز شده است. هرگاه این اشعه نوری قطع گردد، فتو ترانزیستور یک پالس تولید خواهد کرد. بدین ترتیب اجسامی که به ردیف از فاصله میان لامپ و فتو ترانزیستور عبور و پرتو نور را قطع می کنند، مورد شمارش قرار می گیرند.

پالس خروجی فتو ترانزیستور توسط T2 تقویت شده به ورودی IC1 اعمال می گردد. IC1 از خانواده CMOS بوده دارای چهار اشمیت تریگر NAND دو ورودی می باشد. (4093 IC1(CD پالس های ورودی از T2 را به موج مربعی تبدیل می کند. از چهار اشمیت تریگر موجود در IC1، فقط یکی از آنها در این مدار مورد استفاده قرار گرفته است. خروجی اشمیت تریگر به شمارنده زنجیره ای جهت شمارش و نشان دادن دیجیتالی عدد شمرده شده، اعمال می شود.

شمارنده زنجیره ای در اصل برای هشت رقم طراحی شده، اما جهت سادگی فقط چهار رقم آن در شکل 1 نشان داده شده است. بنابراین ماکزیمم تعداد شیء که می توان شمرد برابر است با:

تعداد رقمها را می توان با متوالی قراردادن شمارنده ها به همراه رمزبردارهای راه انداز و نمایشگرها مطابق روش نشان داده شده افزایش داد. شمارنده زنجیره ای از دو شمارنده افزایشی مضاعف (BCD (dual BCD up counter یعنی IC2 و IC3 تشکیل شده است. ورودی ساعت شمارنده ها زمین شده است. متوالی کردن شمارنده ها به این ترتیب انجام می گیرد که خروجی D طبقه قبلی به ورودی “enable” طبقه بعدی وصل می گردد. خروجی IC1 نیز به ورودی enable (پایه 2) از IC2 وصل گردیده است. خروجی های D-C-B-A این شمارنده ها توسط رمزبردار راه انداز قفل CMOS BCD به 7-Segment یعنی IC6 ،IC5 ،IC4 و IC7 رمزبردار می شود.

شکل 2 ترکیب پایه های نمایشگرهای مورد استفاده در شمارنده اشیاء

جهت عملکرد صحیح، پایه latch enable pin 5) LE) باید به زمین و پایه های blanking input pin 4) BI) و  Lamptest pin 3) LT) به ولتاژ مثبت تغذیه وصل گردد، اگر ورودی LT صفر باشد، همه خروجی های رمزبردار (a تا g) مستقل از ورودی های BCD آن، به حالت یک می رود. جهت خاموش کردن رقم هایی که مورد نیاز نمی باشد باید ورودی BI رمز بردار مربوط به آن صفر گردد. یک روش خاموش کردن رقم اضافی در شکل 3-ب نشان داده شده است.

تقریبا بیشتر آی سی های رمزبردار CMOS قادر به راه اندازی نمایشگرهای LED نوع کاتد مشترک هستند. خروجی های رمز بردار از طریق مقاومت به قسمت های نمایشگر هفت قسمت مخصوص به خود وصل می گردند. مقاومت ها جهت محدود کردن جریان به کار رفته است. هرچه این جریان کمتر باشد، عمر نمایشگر بیشتر خواهد بود. اندازه مقاومت محدود کننده با تغییر ولتاژ تغذیه، عوض می شود و از رابطه زیر قابل محاسبه است:

جهت روشنایی معمولی نمایشگرها جریان 15 تا 20mA باید از LED عبور نماید. در مدار شمارنده، ولتاژ تغذیه 9V و جریان LEDها 15mA درنظر گرفته شده است، بنابراین:

با توجه به اینکه مقاومت 600Ω، استاندارد نیست، مقاومت های 560Ω یا 680Ω مورد استفاده قرار می گیرد. به همین ترتیب به ازای ولتاژ تغذیه 5V، مقاومت 230Ω به دست خواهد آمد.

در مدار طراحی شده، نمایشگر TTL 315 به کار رفته است، اما می توان نمایشگرهای FND 500 را نیز مورد استفاده قرار داد.

شکل 3-الف مدار قفل کننده نمایشگر

شکل 3-ب مدار حذف حالت صفر نمایشگر

شکل 3-پ صفر کننده شمارنده به هنگام روشن کردن دستگاه

کاربردها

این مدار شمارنده در جاهای مختلف می تواند مورد استفاده قرار گیرد. یکی از موارد کاربرد این مدار، شمارش شکلات است. به گونه ای که هرگاه تعداد شکلات ها به مقدار خاصی رسید، شمارش به طور خودکار متوقف می گردد. در این حالت فاصله بین منبع نور و فتو ترانزیستور حدود 10Cm انتخاب می شود.

همچنین مدار می تواند جهت شمارش قرص و یا هر شیء کوچک دیگر مورد استفاده قرار گیرد. با اصلاح مناسب مدار ورودی، شمارنده می تواند جهت شمارش اشیاء بزرگ نیز مورد استفاده قرار گیرد. برای شمارش اشیاء بزرگ، متمرکز کردن نور لامپ روی بیس T1 بسیار مهم است. بدین منظور باید از یک Collimator که با استفاده از تعدادی لنز، اشعه بسیار نازکی از نور تولید می کند، استفاده کرد. اگر از چنین وسیله ای در مدار ورودی استفاده شود، آنگاه می توان تعداد وسایل نقلیه ای را که از یک نقطه در روز عبور می کنند و یا تعداد افرادی را که برای تماشای نمایشنامه آمده اند، شمارش نمود.

با اضافه کردن مدارهای جانبی دیگر می توان هنگام رسیدن شمارش به عددی خاص، صدایی تولید کرد.

شکل 4 نمای جلویی جعبه دستگاه

توانایی های دیگری نیز می تواند در مدار ایجاد گردد. تعدادی از آنها عبارتند از :

1- قفل کردن نمایشگر. مدار می تواند نمایشگر را حین شمارش روی یک عدد خاص قفل نماید، بدون قطع گردیدن روند شمارش. از این حالت در شمارنده های فرکانس و فازمترها استفاده میگردد. این توانایی با اضافه نمودن یک کلید single pole , Double Throw Switch ) SPDT ) ایجاد می گردد.

بدین منظور ورودی LE (پایه 5) همه رمزبردارها (4511 ها) را از زمین قطع نموده همه را با هم به نقطه مشترک کلید SPDT متصل نمایید. چنانکه در شکل (3-الف) نشان داده شده است. کنتاکت در حالت عادی-بسته (N/C) کلید، به زمین و کنتاکت در حالت عادی-باز (N/O) کلید، از طریق مقاومت به پایانه مثبت منبع تغذیه وصل می گردد. هنگامی که کلید در وضعیت قفل (Hold) قرار دارد، نمایشگر یک عدد ثابت را نشان خواهد داد هر چند شمارش ادامه پیدا کند. این وضعیت ادامه خواهد داشت تا اینکه کلید دوباره به وضعیت شمارش (Count) برگردد.

2- حذف حالت صفر. در شمارنده های چند رقمی حذف حالت صفر ضروری است. زیرا نمایشگر 75 تا 95 درصد قدرت مدار را مصرف می کند. برای مثال در این مدار هر قسمت نمایشگر 15mA جریان می کشد. در نتیجه جریان مصرفی هر رقم (105mA (Max و جریان مصرفی چهار نمایشگر هفت قسمتی حدود 400mA خواهد شد، در حالی که بقیه مدار کلا 10mA جریان مصرف می کند.

حذف حالت صفر، نه تنها مصرف توان را کاهش می دهد بلکه از بروز خطا در قرائت نیز جلوگیری می نماید. برای مثال شمارنده چهار رقمی عدد شمارش 41 را به صورت 0041 نشان می دهد که نمایش دو رقم صفر اولی لازم نمی باشد.

چنانچه آی سی رمزبردار دارای ورودی ها و خروجی های حذف صفر باشد، این کار با متوالی کردن ورودی ها و خروجی های حذف صفر شدنی خواهد بود. اما رمز بردار 4511 دارای خروجی حذف صفر نمی باشد. یک روش حذف صفر در شکل 3-ب نشان داده شده است. ورودی حذف صفر از آی سی های IC6 ،IC5 و IC7 (پایه 4 از آی سی های 4511) را از پایانه مثبت منبع تغذیه قطع نموده، مطابق شکل 3-ب متصل نمایید.

3- صفر کردن شمارنده به هنگام روشن شدن دستگاه. چنانچه از مدار شکل 3-پ که شمارنده را به هنگام روشن نمودن دستگاه reset می کند، استفاده شود، دیگر نیازی به استفاده از کلید reset جداگانه نیست. بدین منظور بک مولتی ویبراتور مونواستابل باید به مدار اضافی گردد. آی سی COMS مورد استفاده CD4047 می باشد. پایه تریگر مثبت مونواستابل (پایه 8) به خروجی اشمیت تریگر 4093 CD متصل می گردد. پهنای پالس reset باید حدود 100µs باشد که از رابطه زیر به دست می آید:

بنابراین تنها گیت باقیمانده از IC1 نیز در این جا مورد استفاده قرار گرفته است.

ساخت مدار

بهتر است مدار روی یک کارت مدار چاپی و نمایشگرها روی کارت دیگر قرار بگیرند. وضعیت قرارگیری دو کارت نسبت به هم مانند حرف L باشد و اتصالات توسط سیم های نازک به هم وصل گردد. نقشه مدار چاپی در شکل 5 نشان داده شده است. کل مجموعه در یک جعبه مناسب قرار گیرد. نقشه صفحه جلویی جعبه در شکل 4 نشان داده شده است. یک سوکت سه پایه جهت اتصال خروجی فتو ترانزیستور به ورودی شمارنده بر روی صفحه جلویی در نظر گرفته می شود. چنانچه فتو ترانزیستور در فاصله ای بیشتر از 1m از دستگاه قرار گیرد، لازم است از کابل core shielded-2 استفاده شود. لایه حفاظ آن (shield) به شاسی دستگاه وصل شود.

نکاتی درباره کار با CMOS ICs

مقاومت ورودی آی سی های CMOS بسیار بزرگ است. بنابراین در برابر بار الکتریکی ساکن شدیدا آسیب پذیر است و باید تدابیر زیر به کار گرفته شود تا در موقع ساخت، آزمایش و یا فعالیت مدار آسیبی به آی سی های CMOS نرسد.

1- پایه های آی سی قبل از قرار گرفتن در جای خود دائما در تماس با یک صفحه فلزی باشند. این کار از تخلیه بار ساکن در آنها جلوگیری می نماید.

2- به هنگام لحیم کاری پایه های آی سی، سر هویه، گیره ها یا وسایل نگهدارنده باید به وسیله یک هادی با زمین اتصال داشته باشد.

3- هنگامی که مدار روشن است، آی سی ها نباید جایگذاری و یا برداشته شوند. زیرا ممکن است ولتاژهای گذرا به آی سی آسیب دائمی برساند.

4- به هنگام قطع تغذیه آی سی نباید سیگنالی به پایه های آن اعمال شود.

5- پایه هایی که مورد استفاده قرار نمی گیرند باید دارای ولتاژ منطقی مناسب باشد.

شکل 5 اندازه واقعی نقشه مدار چاپی شمارنده اشیاء

شکل 6 نقشه مدار چاپی به همراه محل قرار گیری عناصر