Электронные часы с жидкокристалическим индикатором (ЖКИ)
В современной электронной технике используется, в основном, только три типа индикаторов: светодиоды, вакуумные электролюминесцентные лампы и жидкокристаллические индикаторы (сокращенно — ЖКИ). Наибольшее распространение получили ЖКИ, что неудивительно: по сравнению с остальными типами индикаторов, они почти идеальны по электрическим характеристикам.
Светодиодные индикаторы имеют низкое напряжение питания (1,5...3,5 В), что удобно, однако их потребляемый ток довольно велик (2...20 мА), и это практически "ставит крест" на их использовании в современной микромощ-ной радиоэлектронной аппаратуре.
У всех электронных ламп есть нить накала, потребляющая значительный ток (десятки миллиампер при напряжении единиц вольт, к тому же для управления ими нужно довольно высокое напряжение (12... 18 В). И только ЖКИ при рабочем напряжении 3...5 В потребляют малые токи в доли микроампера.
Управляются они переменным напряжением, но для современной техники это — не проблема. В отличие от всех остальных индикаторов, ЖКИ практически не чувствительны к электрическим перегрузкам. И еще одна особенность: если светодиоды и ламповые индикаторы излучают свет, то ЖКИ наоборот поглощают. В итоге при ярком свете разобрать информацию на первых двух типах индикаторов очень сложно— свет "забивает" их неяркое свечение; ЖКИ в таких случаях читаются идеально (имеются в виду монохромные ЖКИ). В темноте ЖКИ не видны, но это легко исправить, добавив подсветку — хотя бы на светодиодах или лампах накаливания.
Жидкокристаллический индикатор представляет собой две плоские пластинки из стекла, склеенные по периметру таким образом, чтобы между стеклами оставался промежуток, его заполняют специальными жидкими кристаллами.
На обеих пластинах специальным веществом, которое прозрачно и проводит электрический ток, нарисованы собственно сегменты индикатора. Обычно одна из пластинок выполняет роль общего провода.
Жидкокристаллические индикаторы работают с поляризованным светом — для этого с обеих сторон индикатора наклеены специальные пленочные поляризаторы. В зависимости от взаимного расположения поляризаторов, ЖКИ может быть позитивным (темные символы на светлом фоне — как в часах, микрокалькуляторах) и негативным (прозрачные символы на черном фоне — используются в автомобильных магнитолах). Жидкие кристаллы, при отсутствии протекающего через них тока, располагаются внутри индикатора хаотическим образом, и практически не перекрывают свет, т. е. все сегменты прозрачны. При возникновении между какими-нибудь сегментами на обеих сторонах стекла разности потенциалов, жидкие кристаллы в этом месте упорядоченно выстраиваются поперек светового потока, перекрывая его, и соответствующий сегмент становится непрозрачным. Причем, изменяя величину приложенного напряжения, можно изменять степень непрозрачности индикатора.
Жидкие кристаллы — диэлектрик, т. е. не проводят электрический ток. Поэтому управлять ими можно только переменным напряжением: ведь две обкладки ЖКИ-стекла — это практически конденсатор, а при подаче на выводы конденсатора переменного напряжения через него течет ток. Для жидких кристаллов нужен ничтожный ток, поэтому частота управляющего напряжения может быть довольно низкой (50... 100 Гц). Сверху диапазона эта частота практически не ограничена, однако не рекомендуется делать ее выше 1 кГц— проводники, которыми нарисованы сегменты, имеют конечное сопротивление (обычно 1...10к0м), поэтому при увеличении частоты контрастность индикатора будет ухудшаться. Заодно, благодаря этому сопротивлению, индикатор нечувствителен к перегрузкам по напряжению — он выдерживает напряжение до 30...50В (при этом сегменты, иногда вместе с дорожками, чернеют, и после снятия напряжения становятся прозрачными в течение нескольких минут, в то время как все остальные индикаторы выходят из строя уже при двукратных перегрузках. Но все равно, несмотря на отсутствие видимых повреждений, слишком увлекаться перегрузками ЖКИ не стоит— это резко уменьшает ресурс его работы, в частности, снижает контрастность.
Для управления ЖКИ обычно используются логические элементы "Исключающее ИЛИ", один из входов всех элементов соединяют вместе и подключают к генератору и общему выводу ЖКИ, а на второй вход элемента подают управляющие сигналы. Как известно, эти элементы при уровне "логического нуля" на одном из входов работают как повторители уровня с другого входа (то есть разность напряжений между выходом элемента и общим индикатора равна нулю — сегмент не виден), а при "единице" — как инверторы, и соответствующий сегмент индикатора становится видимым. Таким образом, чтобы "засветить" сегмент, на вход элемента нужно подать "единицу".
Кроме того, для работы с ЖКИ удобно использовать микросхемы серии К176: К176ИЕЗ (счетчик-делитель на 2 и 6), К176ИЕ4 (счетчик-делитель на 4 и 10) и К176ИД2 или К176ИДЗ (двоично-десятичные дешифраторы, только у К176ИДЗ более мощные выходы). У всех этих микросхем на выходах уже стоят элементы "Исключающее ИЛИ", что значительно упрощает схему устройства.
На рис. 3.1 приведена схема несложных электронных часов, состоящих из минимума деталей. Для большего удобства в схему добавлен узел гашения нуля в разряде десятков часов.
На специализированной микросхеме К176ИЕ12 собран кварцевый генератор, в качестве кварцевого резонатора ZQ1 можно использовать любой "часовой" кварц. Частоту генератора можно скорректировать, изменяя емкость конденсатора С1. На выводе 4 микросхемы формируются секундные импульсы — они используются для моргания разделительной точки, на выводе 10 секундные импульсы уже разделены на 60. Таким образом получаются минутные импульсы. Они поступают на линейку счетчиков DD2...DD5: DD2 считает единицы минут, DD3 — десятки минут и т. д. На диоде VD2 и резисторе R8 собрана схема обнуления часов — как только часы досчитают до 24, на выходах 4 DD4 и 2 DD5 появятся уровни логической "1" , которые обнулят все счетчики. Пока количество часов меньше 24, хотя бы на одном из этих выводов присутствует уровень логического "0", который запрещает сброс.
Так как у микросхемы DD1 нет сравнительно низкочастотного выхода, пришлось задействовать тактовые выходы Т1...Т4. На элементах R3 и VD1 собран простейший сумматор, благодаря которому в точке соединения этих элементов— правильный меандр частотой 256 Гц. Он используется для работы ЖКИ.
На элементах DD6.1, DD6.2 собрана схема управления десятичной точкой (все остальные точки и дополнительные сегменты должны быть соединены с общим проводом индикатора). Элемент DD6.2 выполняет функцию инвертора (при уровне логической "1" на управляющем входе он замкнут и подает уровень "0" на DD6.1, при "О" — разомкнут и на вход DD6.1 поступает "1" через резистор R4), элемент DD6.1, в зависимости от уровня на выходе "1 Гц", подает на сегмент "точка" то прямой, то инвертированный сигнал генератора, т. е. точка будет видна на протяжении 0,5 сек, а следующие 0,5 сек — нет.
Конечно, было бы проще собрать этот узел на одном элементе "Исключающее ИЛИ", однако собрать на оставшихся элементах схему гашения лишнего нуля будет невозможно, а вводить в схему лишнюю микросхему — логически неразумно.
Этот самый узел гашения нуля собран на элементах DD6.3 и DD6.4. Несложно заметить, что в старшем разряде сегмент f будет виден только при коде цифры 0, при кодах цифр 1 и 2 — этот сегмент не светится. Поэтому вполне логично будет задействовать этот выход дешифратора для нашего анализатора. При уровне логической " 1" на выходе генератора элемент DD6.4 соединяется с выходом f дешифратора, и заряжает или разряжает конденсатор С3. В это время на выводе 6 микросхемы DD5 уровень логической "1". Таким образом, при коде цифры "0", на выходе сегмента f будет уровень логического "0", а при кодах цифр 1 или 2 там будет уровень логической "1". Соответствующий уровень и на конденсаторе С3. При уровне логической "1" на этом конденсаторе элемент DD6.3 замкнут, и микросхема DD5 работает так же, как и остальные счетчики — разряд десятков часов виден, при уровне логического "0" на конденсаторе С3 элемент DD6.3 разомкнут, и выходы счетчика не переключаются.
Микросхему DD1 в этой схеме можно заменить на К176ИЕ18, но тогда выводы 4 и 7 нужно будет разомкнуть, вывод 14 соединить с общим проводом, а сигнал для моргания точки снимать с вывода 4 микросхемы.
Напряжение питания этой схемы не должно превышать 5 В, большее напряжение вредно для индикатора. Но, если подключить все выводы индикатора через резисторы сопротивлением 100...300 кОм (потребуется 30 резисторов), напряжение можно будет повысить и до 9... 12 В. Также, при питании от 5 В некоторые кварцы не запускают генератор микросхемы К176ИЕ12 (однако запущенный генератор нормально работает). В таких случаях можно уменьшить сопротивление резистора R2 в 2...4 раза.
Помимо рассмотренных здесь статических ЖКИ, существуют также динамические, или мультиплексные ЖКИ. Отличаются они тем, что у мультиплексных ЖКИ к каждому выводу подключено сразу несколько сегментов и, соответственно, на другой половине индикатора нарисовано столько же общих выводов.
Мультиплекс бывает в пропорциях 1:1... 1:4 (то есть к каждому выводу подключено по 1...4 сегмента; ЖКИ с мультиплексом 1:1 обычно называют статическим) у простых 7-сегментных индикаторов, и может доходить в пропорциях до 1:00... 1:000 у графических и цветных ЖКИ для телефонов и компьютеров. Преимущества использования мультиплексных ЖКИ очевидны — благодаря этому удается значительно уменьшить количество выводов ЖКИ, да и проще изготовить состоящий из рядов "квадратиков" индикатор (дисплей), но у них есть и недостаток — напряжение питания нужно разделить на несколько "кусков" (обычно 3...5), и управлять дисплеем, комбинируя эти части по очень сложной схеме. Поэтому для управления мультиплексным ЖКИ используются только специализированные микросхемы — собрать схему управления на обычных микросхемах серии К561 почти невозможно — а сами эти микросхемы, как правило, управляются только через последовательный интерфейс, от внешнего процессора. Поэтому здесь они не будут подробно рассмотрены. А вообще чаще всего используются микросхемы D7225G (интерфейс SPI, 32 выхода на сегменты, мультиплекс от 1:1 до 1:4), PCF8576 (12С, 32 выхода, мультиплекс 1:1 и 1:2) и PCF8577 (І2С, 40 выходов, мультиплекс от 1:1 до 1:4). Более удобна в работе микросхема D7225G— у нее сгруппированы выходы, в отличие от PCF8576, у которых группировки вообще нет. Зато PCF8576 можно использовать в качестве последовательно*; параллельного регистра. Существуют и другие микросхемы, есть даже процессоры со встроенным контроллером мультиплексного ЖКИ — но эти микросхемы более популярны. Ну а все ЖКИ, с мультиплексом более 1:4, продаются только со встроенным контроллером — он может быть расположен непосредственно на самом ЖКИ-стекле (так называемые ТАВ-дисплеи, стоят во всех современных телефонах) или на плате, на которой закреплено "стекло". Иначе говоря, при выходе из строя контроллера придется покупать полностью новый дисплей, с новым контроллером — даже несмотря на то, что один из этих элементов исправен.
Литература: Андрей Кашкаров - Электронные самоделки