Digitaal display

Jacco de Haan en Martijn van der Schoot

Ubbo Emmins

Jacco en Martijn willen een digitaal display maken waarop de cijfers 1 t/m 9 weergegeven kunnen worden. Hiervoor gebruiken ze 13 LED’s, die als volgt gerangschikt zijn:

De LED’s zijn genummerd van links naar rechts en van boven naar onder. Dus de LED links boven is nummer 1 en de LED rechts onder is nummer 13. De getallen 0 t/m 9 kunnen aangegeven worden met 10 drukknopjes of een pulsenteller. Bij de methode met 10 drukknopjes wordt elke LED in meerdere schakelingen gebruikt, hierdoor beïnvloeden de signalen van de cijfers elkaar. Dit kan verholpen worden door in elke schakeling een diode te plaatsen, zodat de stroom slechts één richting kan lopen. Hiervoor zijn echter heel veel diodes nodig. Daarom hebben Jacco en Martijn besloten met een pulsenteller te werken. De binaire pulsenteller heeft vier uitgangen A, B, C en D die resp. de waarden 1, 2, 4 en 8 aangeven. In tabel 1 is te zien welke LED wanneer moet branden. Een 0 staat voor laag of uit, een 1 voor hoog of aan.

Tabel 1

Dit houdt in dat voor elke LED een aparte schakeling gebouwd kan worden. Deze 13 schakelingen kunnen gebouwd worden m.b.v. tabel 1. LED 1 moet bijvoorbeeld altijd branden behalve wanneer uitgang A hoog is èn de andere uitgangen laag (dit staat voor het cijfer 1). Deze situatie wordt verkregen door A eerst aan een inverter te schakelen. Vervolgens wordt het aan een OR-poort met vier ingangen geschakeld. De andere drie uitgangen van de pulsenteller worden rechtstreeks aan de OR-poort verbonden.
Voor de meeste LED’s zijn de schakelingen echter ingewikkelder en is het moeilijk om ze direct uit tabel 1 af te leiden. Om deze schakelingen te maken wordt de theorie van de Karnaugh diagrammen gebruikt. In onderstaande figuur is de Karnaugh diagram voor LED 2 gegeven.

De plaatsen met een kruis zijn onbelangrijk, deze representeren de cijfers 10 t/m 15. In tabel 1 is te zien dat LED 2 altijd moet branden behalve bij het getal 1 en 4. Daarom staat er overal in het diagram een 1 behalve op de plaatsen ABCD=1000 en ABCD=0010. Dit kan op de volgende manier uitgedrukt worden: . Deze uitdrukking betekent dat er een 1 staat op alle plaatsen waar B=1, òf D =1, òf A èn C zijn allebei 1, òf A èn C zijn allebei 0. De plussen in deze uitdrukking staan dus voor OR-poorten en de vermenigvuldigingen geven AND-poorten aan. Met de uitdrukking E kan dus de schakeling worden gebouwd.
E kan afgeleid worden uit de Karnaugh diagram, door een rechthoek om een groep enen en/of kruisjes te zetten. Omdat de kruisjes onbelangrijk zijn, mogen ze ook in een rechthoek staan. De rechthoeken mogen de afmetingen 1´ 2, 2´ 2, 1´ 4, 2´ 4 en 4´ 4 hebben. Nu wordt gekeken welke uitgangen voor de hele rechthoek gelijk blijven. Als voorbeeld wordt de rechthoek uit het diagram van LED 2 genomen die links begint en rechts eindigt. Voor deze rechthoek geldt dat A en C gelijk blijven en wel 0 zijn. Dit wordt weergegeven door . Zo kan voor de drie andere rechthoeken respectievelijk B, D en AC gevonden worden.
De Karnaugh diagrammen van de andere LED’s kunnen op analoge wijze gemaakt worden. De uitdrukking E kan dan steeds afgeleid worden uit het diagram. M.b.v. deze uitdrukking kan de schakeling gebouwd worden.
Omdat Jacco en Martijn voor dit experiment veel inverters en OR- en AND-poorten nodig hadden, hebben ze gebruik gemaakt van IC’s met meerdere poorten.