La visualizzazione dei numeri

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di Raffaele Ilardo

LA VISUALIZZAZIONE DEI NUMERI

Affinchè sia possibile venire a conoscenza dei valori numerici che originano dalle elaborazioni dei vari circuiti digitali, occorre che tali valori siano fisicamente mostrati, in modo da risultare chiaramente leggibili al nostro occhio. Uno dei dispositivi più utilizzati a tale scopo è il "display a sette segmenti".

Figura 1: Display a sette segmenti e visualizzazione delle cifre numeriche

Il nome deriva dal fatto che le varie cifre, dallo zero al nove, vengono composte "accendendo" dei segmenti luminosi, che non sono altro che dei normali led aventi una forma allungata.
Il display a sette segmenti è dotato sul lato posteriore di una serie di piedini che permettono di far arrivare tensione ai vari segmenti, così da poterli accendere nella combinazione che si desidera. Uno dei piedini è comune a tutti i sette segmenti, in quanto risulta collegato ad una delle due loro estremità. Quando vengono messe in comune le estremità che devono essere collegate al polo negativo, si dice che il display è del tipo a catodo comune; se invece sono messe in comune le estremità da collegare al polo positivo, si dice che il display è ad anodo comune.

Figura 2

Collegamenti in un display a catodo comune: come si vede, ogni segmento è identificato tramite una lettera da a a g;
con un display di questo tipo, occorre collegare a massa il piedino CC (catodo comune) e far pervenire una tensione positiva ai piedini corrispondenti ai segmenti da accendere.

Vediamo adesso come si possa procedere nella realtà per far apparire i numeri sul nostro display. La cosa più semplice, volendo realizzare un comando manuale, sarebbe quella di inserire tanti interruttori per accendere e spegnere a piacere i vari segmenti. Certo non sarebbe un sistema comodo da usare: per far apparire la cifra 1, ad esempio, dovremmo chiudere gli interruttori b e c; per la cifra due dovremmo chiudere gli interruttori a - b - g - e - d e così via. Si tratta insomma di operazioni lente e noiose.
Si potrebbe allora pensare di usare 10 interruttori, uno per ogni cifra, collegando ad ogni interruttore tutti i segmenti che rappresentano una certa cifra. L'idea è realizzabile, ma richiede un elevato numero di diodi, da interporre fra gli interruttori ed i segmenti; se infatti non si usassero i diodi, i segmenti risulterebbero collegati l'uno all'altro, e si accenderebbero tutti insieme.
Anche se un simile circuito è senz'altro fattibile, ci si rende presto conto della elevata quantità di collegamenti da realizzare: nella figura 3 sono stati rappresentati, come esempio, i collegamenti necessari per le sole cifre 1 - 2 e 3, e già si fa fatica a seguirli; figurarsi il lavoro occorrente per collegare tutte le 10 cifre!

Figura 3 - Accensione dei segmenti tramite l'uso di un interruttore per ogni cifra (sono raffigurati come esempio i collegamenti per le sole cifre 1, 2 e 3)

Per fortuna vengono in nostro aiuto i soliti circuiti integrati tutto fare; genericamente parlando, tali circuiti vengono detti "display drivers" e cioè "circuiti per pilotare display". Tutti questi integrati hanno piedini di uscita che si collegano ai segmenti del display, e ne comandano l'accensione in funzione del numero da rappresentare. Ciò che cambia è il modo in cui questi integrati accettano in ingresso il dato da rappresentare: uno dei più comuni è il cosiddetto formato "BCD", che significa "Binary Coded Decimal" (ovvero "valore decimale codificato in binario"). Nel sistema BCD ogni cifra viaggia, per così dire, su quattro fili, che trasportano ciascuno un valore binario, ovvero un livello di tensione H o L (alto o basso, e cioè 1 o zero). Nella tabella che segue vediamo le combinazioni di valori che corrispondono ad ogni cifra:

cifra	D1	D2	D3	D4
0	L	L	L	L
1	H	L	L	L
2	L	H	L	L
3	H	H	L	L
4	L	L	H	L
5	H	L	H	L
6	L	H	H	L
7	H	H	H	L
8	L	L	L	H
9	H	L	L	H

Sull'integrato sono presenti quattro piedini proprio per ricevere i quattro fili che portano l'informazione BCD; in genere sono indicati come A0, A1, A2, A3 oppure D0, D1, D2, D3 o ancora, semplicemente, A, B, C, D.
I circuiti integrati di questo tipo, che ricevono in ingresso un codice BCD e comandano di conseguenza i sette segmenti del display collegati sui piedini di uscita, vengono detti "BCD to 7segment decoder-driver", che è come dire che tali integrati decodificano il codice BCD in ingresso e lo trasformano in una combinazione adatta a pilotare i vari segmenti del display.
Ci sono circuiti integrati adatti a pilotare display a catodo comune ed altri che possono pilotare display ad anodo comune; il circuito 4511 che vediamo in figura 4 è del primo tipo.

Figura 4

Integrato 4511 (Decodificatore binario - pilota di display a sette segmenti)

Per rendersi bene conto del funzionamento di questi circuiti è utile costruire lo schema che si vede nella figura 5; per la sua realizzazione è sufficiente procurarsi il seguente materiale:
- un integrato 4511
- un display a sette segmenti del tipo a catodo comune
- 7 resistenze da 680 ohm, 1/4 di watt
- 4 commutatori a levetta o a slitta
Per l'alimentazione va bene una tensione compresa fra 6 e 10 volt.

Figura 5 - Circuito sperimentale per lo studio del codice BCD: i commutatori da C1 a C4 sono raffigurati nella posizione corrispondente all'accensione della cifra 5

Come si vede dallo schema, le quattro entrate A, B, C, D sono collegate ai commutatori C1, C2, C3, C4: spostando la levetta di ciascun commutatore, ogni entrata può essere commutata a livello alto H oppure a livello basso L.
Le uscite che comandano i sette segmenti, corispondenti alle lettere da a a g, sono collegate ai piedini del display, interponendo sette resistenze (da R1 a R7) da 680 ohm: attraverso tali resistenze arriva la corrente ai segmenti del display che di volta in volta devono accendersi; il ritorno a massa avviene tramite il piedino CC (catodo comune) che è infatti collegato al negativo dell'alimentazione. Il valore delle sette resistenze non è vincolante: con valori più alti, per esempio 820 ohm, i segmenti del display saranno meno luminosi, mentre con valori più bassi (470 ohm) si accenderanno in modo più brillante; se si eccede usando valori troppo bassi, si rischia di bruciare qualche segmento. Naturalmente, in funzione del tipo di display che si utilizza, occorre conoscerne la piedinatura, e cioè l'esatta corrispondenza dei piedini con i vari segmenti.
I piedini 3, 4 e 5 dell'integrato 4511 hanno funzioni che in questo caso non ci interessano; per il corretto funzionamento, è necessario collegare i piedini 3 e 4 al positivo ed il piedino 5 al negativo dell'alimentazione.

Il circuito così realizzato consente anche di esercitarsi col sistema binario, e può avere pertanto una funzione "didattica": volendo, per esempio, far accendere sul display il numero "7", occorrerà spostare in posizione "H" le levette dei commutatori C1, C2 e C3 (come risulta dalla tabella vista in precedenza). Si può osservare che ad ogni commutatore corrisponde un certo valore o "peso" che contribuisce alla formazione del valore finale: il commutatore C1 vale 1, il C2 vale 2, il C3 vale 4 ed il C4 vale 8. Come si vede, in accordo col sistema di numerazione binario, ogni valore non è altro che una potenza del numero 2 (C1 equivale a 2 elevato a zero, C2 equivale a 2 elevato alla prima potenza, C3 equivale a 2 alla seconda e C4 equivale a 2 alla terza); il valore sette si ottiene pertanto come somma di 1 + 2 + 4.

Figura 6 - Circuito integrato MM74HC393, contenente due contatori binari a 4 bit; ogni contatore ha il suo ingresso di clock (CK1 e CK2), il suo CLEAR (CLR) e le sue uscite (Qa, Qb, Qc, Qd)

Nell'uso reale di tali circuiti, i valori binari (che noi abbiamo simulato muovendo le levette dei quattro commutatori) provengono da altri circuiti come risultato di conteggi ed elaborazioni diverse.
Un esempio classico è rappresentato dai "contatori", che, come dice il nome, sono circuiti in grado di contare (o totalizzare) il numero di impulsi in ingresso, e di fornire il valore di questo totale in forma di codice BCD, presente su quattro piedini di uscita. Per visualizzare il numero corrispondente, è sufficiente collegare i quattro piedini di uscita del contatore con i quattro piedini di entrata di un integrato pilota di display come il 4511, che abbiamo visto nell'esempio precedente.
In figura 6 si vede l'esempio di uno di questi contatori: si tratta dell'integrato MM74HC393 che contiene due contatori binari indipendenti; ciascun contatore totalizza gli impulsi che arrivano sull'ingreso di "clock" (piedini 1 o 13) e fornisce il totale sulle uscite da Qa a Qd. I piedini 2 e 12 servono per effettuare il "clear", ovvero per azzerare il conteggio e riportare a zero tutte le uscite.

email: raffaeleilardo@libero.it

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