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TRASMISSIONE - RICEZIONE DIGITALE A 8 BIT     
                                                 by i2viu Vittorio Crapella

Scopo:

Comprendere come è possibile attraverso una semplice linea bifilare (telefonica) inviare la combinazione di 0 ed 1 contenuti in un byte mediante modulazione PWM degli impulsi utilizzando componenti discreti come i registri a scorrimento.

Schema del trasmettitore:

Schema del trasmettitore

Funzionamento trasmettitore:

Dall'esperienza sui registri a scorrimento (shift register) si è capito che il clock del CD4014 e del 4015 sono tra loro legati e pertanto per inviare i dati in maniera seriale ad un CD4015 situato in postazione remota, servono tre fili; DATI, CLOCK, MASSA.

Viene spontaneo pensare alla possibilità di evitare il terzo filo per il clock studiando il modo di ricrearlo utilizzando gli stessi impulsi relativi ai dati.

Lo schema qui sopra riprodotto, risolve questo problema generando impulsi non solo legati al peso binario 1 o 0 ma anche alla durata.

Cioè l'impulso che deve trasportare l'informazione di uno 0 o di un 1 lo fa modificando il suo duty-cicle; sta alto per e basso per se viene abbinato il livello 0 e viceversa se abbinato il livello 1.

Questa variazione di durata dell'impulso legata al valore dell'informazione da trasmettere si può chiamare anche modulazione di durata (PWM = Pulse Width Modulation). Per realizzare questo è necessario due FLIP_FLOP del tipo CD4027 e tre porte NAND CD4011 (U4A-B-D).

Il CD4014 acquisisce gli stati logici degli 8 INPUT e li manda in forma seriale ad U4A che combinandosi con l'uscita Q2 del 4027 (vedi grafico qui sotto) e l'uscita di U4D attraverso il NAND U4B escono ancora in modo seriale ma PWM come dal grafico OUT U4B TX SERIALE.

Alimentando il circuito la memoria SET-RESET formata da U2B-U2C riceve un livello basso dal C2 scarico sul pin 9 che imposta la memoria con livello alto sul pin 10 e basso sul pin 4 tenendo così bloccata la porta U2A e tenendo il MR pin 15 del CD4017 a livello alto cioè azzerate tutte le uscite eccetto pin 3 che va alto predisponendo PE del 4014 al preset (acquisizione stati 8 bit input) con il primo fronte di salita del clock sul pin 10.

Il sistema in queste condizioni tiene la linea dati d'uscita a livello 0 in quanto non potendo entrare gli impulsi di clock attraverso U2A bloccato anche il 4027 è bloccato. Appena si preme il pulsante START il pin 4 di U2B va alto e il pin 10 U2C va basso e cosi rimane fino a che attraverso R2 arriva un impulso di RESET generato del pin 11 del 4017 dopo aver contato 9 impulsi di cui 8 passati in uscita da U4B.

Come si osserva dal grafico il PE è alto quando avviene il primo CK sul pin 10 del 4014 e con questo avviene l'acquisizione degli 8 bit mentre in uscita sul pin 3 del 4014 ho il primo livello 0 o 1 del primo bit che fatto NAND con Q2 pin1 del 4027 attraverso U4A interagisce con U4B creando la modulazione PWM.

Intanto il CD4017, contatore decimal, conta quanti clock generati, raggiunto il nono (fatti cioè 8 impulsi PWM) manda alto il pin 11 che invertito da U2D attraverso R2 resetta la memoria S/R che manda basso il pin 4 di U2B, bloccando la porta U2A (niente più clock al 4027), e manda pure alto il pin 10 U2C che attraverso il pin 15 MR del 4017 farà ritornare il pin 3 alto (PE= 1) pronto per un altro ciclo.

Il pin 11 del 4017 ha pure settato a 1 le uscite Q1 e Q2 del 2027 (attraverso i pin 9 e 7) e resettato a 0 le uscite pin 14 Q1 e pin 2 Q2 negato.

Al nono impulso di clock il 4014 porta l'uscita pin 3 a livello basso indipendentemente dallo stato degli otto bit acquisiti, pertanto questo livello attraverso il pin 2 del NAND U4A basta per tenere alto il pin 3 di U4A.

Lo stato zero del pin 14 4027 da solo basta a mandare alto il pin 11 di U4B che assieme al livello alto del pin 3 di U4A attraverso il NAND U4B portano il livello basso dei dati in uscita che rimarrà tale fino al prossimo ciclo di trasmissione.

Grafico andamento impulsi - Trasmettitore

Grafico con andamento degli impulsi

Schema del ricevitore:

Schema del ricevitore

Funzionamento ricevitore:

All'accensione il CD4017 riceve un livello alto sul pin 15 (Master Reset), attraverso la carica del condensatore C4, azzerando i suoi contatori interni poi il pin 15 viene mantenuto basso dalla R4 proveniente dall'uscita pin 9 che andrà alta solo dopo aver ricevuto e contato 8 clock cioè 8 bit PWM in entrata.

Con il primo fronte di salita del primo impulso PWM di entrata C2 porta alto gli ingressi del NAND A di conseguenza bassa la sua uscita pin 3 che attraverso il pin 5 del NAND B porta l'uscita 4 alta che attraverso C2 porta alto anche gli ingressi pin 8-9 del NAND C e di conseguenza basso il pin 10 che riportato sul pin 6 del NAND B mantiene questo stato anche se viene a mancare lo zero del pin 3 di A. Questa condizione permane fino a che il C2 che si carica attraverso R2 mantiene alto i pin 8-9 del NAND C.

I NAND B e C creano pertanto un monostabile con costante di tempo legata a C2 R2 e dovrà durare un tempo pari a metà della durata di un impulso PWM.

Allo scadere di questo tempo il monostabile porta alto il pin 10 del NAND C che attraverso C3 da un fronte di salita sui pin 9-1 clock del CD4015 che a sua volta acquisisce attraverso il pin 7 il livello 0 o 1 dell'impulso PWM presente in quell'istante e memorizza questo stato al suo interno e diventerà lo stato del pin 2 del 4015 alla fine della ricezione degli 8 bit.

Finito la carica di C3 il pin 13 del CD4017 torna basso attraverso la R3 e si ha un clock che fa avanzare un conteggio, dopo otto clock il suo pin 9 va alto assieme ai pin 1 dei due CD4029 che acquisiscono dal 4015 lo stato degli o BIT e li memorizza presentandoli sulle uscite pin 6-11-14-2.

Questo livello alto sul pin 9 del 4017 arriva anche al pin 15 MR che azzererà nuovamente il 4017 così da essere pronto per un prossimo ciclo di ricezione.

Grafico andamento impulsi - Ricezione

Grafico con andamento impulsi di ricezione

Frequenza di clock:

Utilizzando nel ricevitore R2=22K e C2=22nF si ottiene sul pin 10 NAND C un'onda quadra simmetrica con un periodo di circa T= 2 x R2 x C2 = 968 uS.

Approssimando a 1 mS si ha una frequenza del segnali dati pari a 1Khz.

Osservando il grafico di trasmissione si osserva che ogni impulso ha bisogno di 4 clock pertanto ne consegue che la frequenza del clock d'ingresso in trasmissione dovrà avere una frequenza di circa 4 KHz.

Considerazioni:

Se si volesse rendere la trasmissione a ciclo continuo senza bisogno dello start bisogna apportare alcune modifiche e precisamente bisogna introdurre tra un treno di 8 bit e l'altro una pausa in cui la linea DATI resti a livello zero per un tempo superiore alla durata di un impulso cosi da poterla distinguere.

Cosi facendo si può ricostruire oltre al clock anche un riferimento di fine e inizio nuovo ciclo utile ai fini del sincronismo per l'acquisizione finale sicura sempre al termine degli 8 bit.

Nuovo Trasmettitore:

Schema nuovo trasmettitore

Finito il primo treno di 8 bit il pin 11 del 4017 va a livello alto che attraverso il C4 porta alto pure i pin 8-9 del NAND U2C che manderà basso il suo pin 10 così da bloccare la porta d'ingresso del clock.

Rimarrà in queste condizioni fino a quando C4 non si sarà caricato attraverso R4 (T= circa a C4 x R4) generando il tempo di pausa tra un treno e l'altro.

Terminata questa pausa i pin 8-9 tornano a livello basso attraverso R4 e il pin 10 ritorna alto liberando la porta d'ingresso e nel frattempo C2 porta per un istante (C2 x R2) alto il MR pin 15 del CD4017 portano il suo pin 3 alto abilitando il PE (preset) del 4014 che al primo clock acquisirà l'eventuale nuovo stato dei bit sui suoi pin d'ingresso.

Nuovo Ricevitore:

Schema nuovo ricevitore

Per quanto riguarda la ricezione è stato tolto il CD4017 ed aggiunto il NAND D che attraverso il diodo 1N4148 avrà i pin 12-13 sempre a livello alto per tutta la durata degli impulsi, infatti C3 viene ricaricato ad ogni fronte di salita degli impulsi in arrivo e tende a rimanere carico.

Soltanto a fine ricezione quando sulla linea DATI arriva un livello basso di pausa C3 avrà il tempo di scaricarsi attraverso R3 trascinando basso i pin 12-13 del NAND D così da portare alto il suo pin 11 che attraverso C4 fa arrivare ai pin 1 del CD4029 un fronte di salita abilitando l'acquisizione dei nuovi dati ricevuti.

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