RESUMO
Nesta experiência são apresentados alguns conceitos sobre displays ou mostradores. São discutidas as formas de multiplexá-los de modo a reduzir a quantidade de componentes utilizados e/ou o consumo de energia do circuito, sem que isso afete a visualização da informação apresentada por eles.
A parte experimental consiste em estudar aspectos de percepção visual do olho humano e em projetar e implementar um sistema de multiplexação dos displays do painel de montagens, de modo que a cada momento apenas um deles esteja aceso, sem que isso seja perceptível.
OBJETIVOS
Após a conclusão desta experiência, os seguintes tópicos devem ser conhecidos pelos alunos: Funcionamento de displays de sete segmentos;
Princípios de percepção visual e de visualização de displays; Multiplexação de dispositivos de visualização.
1. PARTE TEÓRICA
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.
1.1. Principais Tecnologias de Displays de 7 Segmentos
Um dos displays mais antigos é o de tecnologia Burroughs Corporation denominado NIXIE [Wikipedia, 2011]. 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.
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
Multiplexação de Displays
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.
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 4 bits (codificados em BCD ou código 8421) e produzem saídas apropriadas para seleção dos segmentos da matriz de 7 segmentos.
A Figura 1.1 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 1.1 - 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 1.2.
Figura 1.2 – 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 74 de componentes TTL temos o 7446 e o 7447. As figuras 1.3 e 1.4 mostram a interface e um diagrama lógico do 7447. Outros exemplos de decodificadores de 7 segmentos são o 9307 e 9317.
Figura 1.3 – Decodificador de 7 Segmentos 7447.
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.
Figura 1.4 – Diagrama lógico do Decodificador de 7 Segmentos 7447.
A tabela I apresenta a informação das entradas e saídas necessárias para excitar os displays com o decodificador 7447.
Tabela I - Sinais para o Decodificador 7447.
ENTRADAS SAÍDAS ̅̅̅̅ ̅̅̅̅̅ D C B A a b c d e f g ̅̅̅̅̅̅̅ 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 4 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
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 1.5.
Figura 1.5 - Tipos de Displays de 7-Segmentos.
Como pode ser visto pela tabela I, no decodificador 7447, o valor do sinal ativo é LOW, ou seja, ele é apropriado para controlar um display em anodo comum.
1.4. Controlando Displays de LED de 7 Segmentos
Os displays podem ser controlados utilizando-se os decodificadores, como mostrado nas Figuras 1.6 e 1.7. A figura 1.6 mostra o controle de um display em anodo comum com o decodificador 7447. 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.
Figura 1.6 – Controlando displays de sete segmentos em anodo comum.
A figura 1.7 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 7446.
CATODO
COMUM COMUMANODO
7447 7-SEGMENT DECODER A B C D LT RBi RBO a b c d e f g VCC V+ FLUXO DE CORRENTE ANODO COMUM
Figura 1.7 - Controlando displays de sete segmentos em catodo comum.
1.5. 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 1.8 e 1.9 apresentam as arquiteturas básicas de multiplexação de displays com os tipos diferentes de displays de sete segmentos.
7446 7-SEGMENT DECODER A B C D LT RBi RBO a b c d e f g VCC CATODO COMUM
Figura 1.9 - Multiplexação de displays em catodo comum.
1.6. 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 1.10. 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.
Figura 1.10 - Arquitetura básica para a multiplexação de n displays.
SEGMENT DECODER FLUXO DE CORRENT E ENT RADAS ST ROBE OU DRIVER DO DÍGIT O PARA OUT ROS DÍGIT OS ENT RADAS PARA OUT ROS DÍGIT OS
ENT RADA DRIVER DO SEGMENT O ENT RADA Vcc DRIVER DISPLAY CAT ODO COM UM MUX 4 4 ( n ) ( 1 ) (ENTRADA) DECODIFICADOR/ CONTROLADOR 7 SEGMENTOS 7 ( 1 ) RBO 7 DECODIFICADOR/ CONTROLADOR 7 SEGMENTOS ( n ) 4 4 DECODIFICADOR DE VARREDURA CONTADOR (módulo n) RBO
2. PARTE EXPERIMENTAL
2.1. Atividades Pré-Laboratório
Execute estas atividades como preparação para a aula experimental.
a) Realize uma pesquisa sobre a percepção visual do olho humano. Procure responder as seguintes questões:
i. Os filmes exibidos nos cinemas e na televisão usam uma característica da visão conhecida como "movimento Phi”. Como esta característica é usada nos filmes? ii. Qual era a taxa de apresentação de imagens nos filmes do início do século 20?
iii. Quais são as taxas de apresentação de imagens em um filme atualmente em um cinema, DVD e Blu-ray?
iv. O que é visão periférica? Quais são as suas características?
b) Projetar um circuito de controle de multiplexação de displays de sete segmentos do painel de montagens experimentais. A partir do funcionamento deste circuito, podemos também fazer uma análise da percepção visual da multiplexação. A especificação do circuito é apresentada a seguir. O projeto se baseia no uso dos displays existentes no painel de montagens experimentais, que devem ser manipulados pelo circuito implementado pelo grupo. Utilizando o conjunto de chaves e de botões do painel, o sistema projetado deverá permitir a seleção de qualquer um de quatro displays, ao qual será atribuído um valor hexadecimal a ser apresentado. Esse valor deverá ser mostrado no display até que haja uma nova seleção e gravação. O circuito deverá varrer ciclicamente os quatro displays para que apenas um deles esteja acionado num dado instante, evitando o excessivo consumo de corrente, sem prejuízo da visualização.
O circuito apresenta os seguintes subsistemas:
i. Subsistema de acionamento de 4 displays de 7 segmentos: Este subsistema recebe 4 bits provenientes de chaves no painel (C2 a C5), denominadas chaves de dados, contendo um valor a ser apresentado no display.
ii. Subsistema de seleção/gravação de dados: Este subsistema possui duas funções: A primeira função denominada de seleção permite, através de duas chaves de endereço (C0 e C1), selecionar o display que irá armazenar o dado presente nas chaves de dados (C2 a C5). A segunda função denominada de gravação permite gerar, utilizando um botão do painel (B1), um sinal que permite que os dados presentes nas chaves de dados passem ao correspondente display.
iii. Subsistema de Multiplexação de Display: Este subsistema realiza uma varredura periódica nas entradas de habilitação de cada um dos 4 displays, permitindo que apenas um deles esteja acionado num dado instante.
A Figura 2.1 apresenta o diagrama de blocos do circuito proposto. O planejamento deve conter cartas de tempos dos sinais de seleção/gravação e de multiplexação dos displays.
DECODIFICADOR REGISTRADOR DE 4 BITS DECODIFICADOR REGISTRADOR DE 4 BITS DECODIFICADOR REGISTRADOR DE 4 BITS 7 7 7 4 4 4
DISPLAY DISPLAY DISPLAY SELECIONA REGISTRADOR
QUE GRAVA O DADO DADOS ENDEREÇO GRAVAÇÃO 1 2 1 1 4 1 4 4 1 DECODIFICADOR REGISTRADOR DE 4 BITS 7 4 DISPLAY 4
2.2. Determinação de frequências perceptíveis para o ser humano
Neste item iremos conduzir um estudo empírico da visão humana, através de um pequeno procedimento experimental em que se verifica a percepção da variação da luminosidade de um led. Este estudo também verifica as diferenças entre as visões frontal e lateral.
c) Monte o circuito da figura 2.2, usando um dos leds ou um dos displays do painel de montagem.
SUGESTÃO: apague os leds vizinhos ao led selecionado para facilitar a execução deste item. DICA: verifique se o fator de forma do sinal do gerador é próximo a 50%.
Figura 2.1 – Circuito para determinação de frequências perceptíveis.
d) Varie a frequência do gerador de pulsos a partir de valores de unidades de Hertz e verifique a percepção da mudança de luminosidade do led. Determine experimentalmente as frequências máximas que o olho humano pode detectar.
OBS.:
- Determine as frequências para cada membro do grupo.
- Na determinação da frequência lateral, deve-se usar a visão periférica para verificar a percepção da mudança na luminosidade do led.
aluno frequência
e) Agora mude o fator de forma (por exemplo, para 25% e 75%) do sinal de saída do gerador de pulsos e verifique mudanças na luminosidade e percepção visual.
f) Comente os resultados obtidos neste item.
2.3. Circuito de Multiplexação de Displays
g) Realize a montagem do circuito de multiplexação de displays projetado. Use uma estratégia de montagem com o teste e a depuração individual de cada subsistema necessário, para depois integrar os módulos individuais e testá-los em conjunto. Documente no relatório.
h) Faça uma demonstração do correto funcionamento do circuito.
i) Varie a frequência de multiplexação e determine qual o menor valor que apresenta conforto visual.
SUGESTÃO: neste item pode-se estudar também a sensibilidade individual com relação à frequência de cada membro do grupo.
aluno frequência
j) Compare os resultados obtidos aqui com os resultados obtidos com os leds do item 2.2.d.
GERADOR DE PULSOS
LED
2.4. Atividades Pós-Laboratório
k) Com base nos resultados obtidos, responda as perguntas abaixo.
1. Que valor de frequência de oscilação deve ser usado para garantir que um led ou display de 7 segmentos vai ser visualizado efetivamente? Justifique sua resposta.
2. Baseado nos estudos do item 2.2, como poderíamos implementar um dimmer para leds ou displays?
3. Elabore um comentário sobre a máxima e mínima frequência de varredura dos displays? Considere o aspecto do desconforto visual e o correto funcionamento do circuito digital. Que fatores determinam estes limites?
4. Qual é o fator de forma do sinal de multiplexação dos displays? O que acontece se o número de displays for aumentado para 8 ou 16?
5. Comente a afirmativa: “O uso da multiplexação afeta no consumo de energia e na luminosidade dos displays”.
3. 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, 1995.
Signetics. TTL Logic Data Manual. 1982.
WAKERLY, J. F. Digital Design: Principles & Practices. 4th edition, Prentice Hall, 2006.
Wikipedia. Nixie tube. Disponível em http://en.wikipedia.org/wiki/Nixie_tube. Acesso em 03/01/2014.
4. MATERIAL DISPONÍVEL
Circuitos Integrados TTL:- 7400, 7404, 74139, 74157, 74161, 74175.
Decodificadores para display de 7 segmentos (implementados em PAL no painel de montagens) Displays de 7 segmentos (disponíveis no painel de montagens).
5. EQUIPAMENTOS NECESSÁRIOS
1 painel de montagens experimentais. 1 fonte de alimentação fixa, 5V 5%, 4A. 1 osciloscópio digital.
1 multímetro digital. 1 gerador de pulsos.
Histórico de Revisões
D.T. e J.R.B./2001 – revisão
E.T.M./2003 – revisão da parte experimental E.T.M./2004 – revisão
E.T.M./2006 – revisão E.T.M./2011 – revisão
