ساعت دیجیتال- جلسه چهارم

 اهداف این جلسه :
1- آشنایی با اساس کار ساعت های دیجیتالی (چگونگی برقراری ارتباط بین مبحث "مفهوم زمان" و "الکترونیک دیجیتال" )
2- آشنایی ملموس با مفهوم "فرکانس" برای درک بهتر قوانین حاکم بر مدار ساعت دیجیتال
3- معرفی آی سی 555 بعنوان ساده ترین و پرکابردترین آی سی فرکانس ساز
4- آشنایی با پایه های مختلف آی سی 555 و نحوه استفاده از آن در مدار
5- تقویت مهارت در بستن مدار روی بردبورد و آزمایش آن (کسب آمادگی برای بستن مدار نهایی پروژه)
6- بستن مدار "چراغ چشمک زن" روی بردبورد و محاسبه فرکانس چشمک زدن LED
7- بستن مدار "تولید بوق" روی بردبورد و آزمایش تاثیر مقاومت ها روی فرکانس تولید شده توسط 555

زمان عملیاتی:
• 10 دقیقه صرف تحویل دادن تکلیف جلسه قبل از سوی گروه ها و آماده کردن کلاس برای شروع مبحث جدید
• 15 دقیقه صرف ارایه مطالب بخش اول (اساس کار ساعت دیجیتال )
• 15 دقیقه صرف ارایه مطالب بخش دوم (مفهوم فرکانس)
• 10 دقیقه صرف ارایه مطالب بخش سوم (رابطه بین فرکانس و صداها)
• 10 دقیقه صرف ارایه مطالب بخش چهارم (فرکانس در سیگنال های ولتاژ)
• 15 دقیقه صرف ارایه مطالب بخش پنجم (معرفی آی سی 555)
• 30 دقیقه صرف بستن مدار "چراغ چشمک زن" توسط گروه ها و محاسبه فرکانس چشمک زدن LED و نتیجه گیری
• 20 دقیقه صرف بستن مدار "تولید بوق" توسط گروه ها و نتیجه گیری از آزمایش
• 5 دقیقه صرف توضیح تکلیف جلسه بعدی
(مجموعاً این جلسه در حدود دو ساعت خواهد بود.)

وسایل لازم :
1- دفتر ثبت فعالیت کلاسی گروه ها
2- کامپیوتر و امکانات نمایش تصویر برای ارایه عکس ها
3- وسایلی که در زیر نام می بریم مورد نیاز یک گروه است. پس باید این مجموعه به تعداد گروه ها تهیه گردد:
* بردبورد - 1 عدد
* منبع تغذیه DC یا آداپتور – 1 عدد
* سیم های مفتولی رنگی – به میزان لازم
* سیم چین
* آی سی 555 – 1عدد
v LED – 1 عدد
* مقاومت 1 کیلو اهمی – 2 عدد
* مقاومت 82 کیلو اهمی – 1 عدد
* خازن الکترولیتی 4.7 میکروفاراد – 1عدد
* بلندگوی 8 اهمی 0.5 وات – 1 عدد
* ولوم 100 کیلو اهمی – 1عدد
* قلم و کاغذ

 روند کار:  ١- اساس کار ساعت دیجیتال :
اگر درس جلسه اول را به خاطر داشته باشید یا به آن مراجعه کنید ملاحظه می کنید که در بخش " زمان و پدیده های تکرار شونده در جهان " به این نکته اشاره شده که برای اندازه گیری زمان احتیاج داریم تا یک پدیده تکرار شونده منظم را ملاک قرار دهیم و با شمردن تعداد دفعات تکرار ، زمان را بسنجیم.
در جلسه سوم هم در بخش "الکترونیک دیجیتال" به پدیده هایی که بصورت طبیعی یا ساخته دست بشر دارای دو حالت هستند (روشن و خاموش ، قطع و وصل ، High & Low و ...) اشاره شد.
از ترکیب این دو مبحث می توانیم به اساس کار ساعتهای دیجیتال پی ببریم.
یعنی با ایجاد مداری که بتواند دو سطح ولتاژ High و Low را بصورت منظم تولید کند
(یعنی یک سیگنال منظم) ، و شمارش این پدیده تکرار شونده توسط یک مدار دیگر ، زمان اندازه گیری می شود.

2- مفهوم فرکانس :
پدیده های تکرار شونده بسیار زیادند ( از دانش آموزان پرسیده می شود.)
1- حرکت بال پرندگان
2- حرکت یک خط کش که از یک طرف به میز متصل است
3- فلاشر ها
4- موج برق شهر
5- ....
هر کدام از این پدیده ها با چه سرعتی تکرار می شوند ( چند بار در ثانیه ؟)
ü بال گنجشک : 5 بار
ü خط کش متصل به میز : به طول آن بستگی دارد ، بین 5 تا 100 بار
ü فلاشر ها : 2 بار
ü موج برق شهر : 50 بار

به تعداد تکرار در ثانیه ، "فرکانس" گفته می شود و آن را با واحد هرتز بیان می کنیم. (مثلا فرکانس برق شهر 50 هرتز است).

نوسان برق شهر

3- رابطه بین فرکانس و صداها :
صدا از حرکت لرزشی و سریع مولکول های هوا ایجاد می شود. این لرزش و ارتعاش هم قابل اندازه گیری است (چند حرکت رفت و برگشت در ثانیه ؟).
پس صداها هم داری فرکانس هستند و می توانند بر حسب هرتز اندازه گیری شوند.
گوش انسان فقط قادر به درک صداها در محدوده فرکانسی مشخصی است، از 20 هرتز تا 20000 هرتز. یعنی صداهای    بی شمار دیگری هم در دنیا هست که چون فرکانس آنها یا از 20 هرتز کمتر است یا از 20000 هرتز بیشتر است ، ما آنها را نمی شنویم !
هوای مرتعشی که صدای مارا منتقل می کند با توجه به صدای ما از 100 تا 10000 بار در ثانیه نوسان می کند (100Hz – 10000Hz) که البته مرتب نیست و به هم ریخته است.
جالب اینکه صداهای لطیف موسیقی صداهایی هستند که دارای یک فرکانس خاص منظم و یا ترکیب دو فرکانس منظم هستند. و جالب تر آنکه صداهای غیر لطیف موسیقی فرکانس های به هم ریخته ای دارند.

نت های موسیقی هر کدام یک فرکانس خاص خود را دارند.
برای مثال در سازی مانند سنتور که نت ها پشت سر هم چیده شده اند ، فرکانس هر نت برابر با فرکانس رفت و برگشت سیم مربوط به آن است. و هر چه طول سیم ها کوتاه تر باشد ، فرکانس بالاتر و صدا زیر تر خواهد بود.

سنتور

نت های موسیقی: دو – ر – می – فا – سل – لا – سی
v برای مثال نت "لا" دارای فرکانس 440 Hz است.

4- فرکانس در سیگنال های ولتاژ :
در سیستم دیجیتال ، رفت و برگشت معادل است با 0v و 5vشدن یک سیگنال.
در نتیجه فرکانس یک سیگنال برابر می شود با تعداد 0 و 5 ولت شدن ها در یک ثانیه.
مثلا در شکل زیر یک سیگنال منظم با فرکانس 3 هرتز را مشاهده می کنید. زیرا در طول یک ثانیه سه بار سطح ولتاژ High و سپس Low شده است.

5- ایجاد سیگنال توسط آی سی "555" :
در این جلسه می خواهیم با استفاده از یک آی سی ساده ولی مهم ، یکی از پر کاربردترین مدارها را به عنوان اولین مدار آی سی دار ببندیم.

این آی سی ، دارای هشت پایه است و در ابعاد نوک انگشت است. در حالی که اگر اجزای داخلی آن را بخواهیم روی یک مدار با دست ببندیم ، مداری به ابعاد یک صفحه دفتر ایجاد می شود.
این آی سی به آی سی Timer یا زمان سنج معروف است ولی معمولاً به آن آی سی 555 گفته می شود.
آی سی 555 توانایی تولید فرکانس های مختلف را دارد. این امر بستگی به مقدار مقاومت و خازنی دارد که در مدار به آن وصل می کنیم.

شماره گذاری پایه های این IC به صورت زیر است :

شماره گذاری و نام هر پایه این IC

نکته : البته لازم نیست نام این پایه ها را بلد باشید ، فقط لازم است ترتیب شماره پایه ها را یاد بگیرید و این ترتیب برای همه آی سی ها به همین صورت است. به نیم دایره بریده شده از بالای آی سی توجه کنید چرا که این بریدگی است که جهت آی سی را نشان می دهد.
نکته : اکثر آی سی ها چنانچه بر عکس در مدار قرار داده شوند ، بلافاصله می سوزند ، پس کاملاً دقت کنید.

این آی سی به گونه ای طراحی شده است که خازن را پر و خالی می کند و وقتی ولتاژ خازن از حد خاصی می گذرد، خروجی خود را تغییر می دهد.
در واقع منشا ساخت این نوسان ها، زمان پر و خالی شدن خازن است که این عمل پشت سرهم و به صورت اتوماتیک انجام می شود.

این آی سی دارای کاربرد های بسیار زیاد دیگری هم هست که معرفی آن در این مبحث نمی گنجد.
ولی دو حالت استفاده اصلی دارد که یکی از آنها به نام Mono Stable معروف است و حالت دیگر Astable است.

حالت Monostable :
همانند زمان سنج است و هنگامیکی که به پایه Trigger مثبت وصل شود ، برای یک بار قطع و وصل انجام می شود و حالت وصل تا زمانی که تنظیم کرده ایم برقرار است تا اینکه با فعال شدن پایه Reset حالت قطع پیش می آید.

حالت مونواستابل 555 برگرفته از دیتاشیت

اگر خواستید مدار تاخیر یا چیزی شبیه به کلید روشنایی راه پله آپارتمان ها که تا یک دقیقه روشن می مانند بسازید می توانید از این مدار استفاده کنید.

حالت Astable :
در این حالت آی سی به صورت مداوم خروجی (Output) را مثبت و منفی می کند و فرکانس آن قابل تنظیم است.
در واقع در این حالت آی سی به صورت اتوماتیک فرمان Trigger را تولید می کند و در یک حلقه ی بی انتها می افتد.

حالت استابل 555 برگرفته از دیتاشیت

مداری که ما می خواهیم ببندیم بسیار مشابه این مدار است با کمی تغییر.
فرکانس نوسان این مدار برابر است با :

که بر حسب هرتز است و در آن مقاومت ها بر حسب اهم و خازن نیز بر حسب فاراد است.

مثال :
اگر RA برابر با 1kΩ و RB برابر با 2kΩ و C برابر با 1μF باشد فرکانس مدار چقدر می شود ؟

جواب :

پس به این صورت می توان با انتخاب خازن ها و مقاومت ها، هر فرکانس دلخواهی را با آن تولید کرد.


6- آزمایش اول: تولید فرکانس برای ساختن چراغ چشمک زن
حال می خواهیم با استفاده از قطعاتی که قبلا با آنها آشنا شده ایم، این مدار را بسازیم:

این یک مدار چشمک زن با LED است که به سادگی کار می کند.

با انتخاب مقادیر زیر برای مقاومت ها و خازن سرعت خاموش و روشن شدن LED را محاسبه کنید :
R1=82k
R2=1k
C1=4.7μF
جواب:

یعنی تقریبا دو بار در ثانیه

مراحل پیاده سازی مدار روی بردبورد:

1- یکی از ردیف های کناری بردبورد را با اتصال سر مثبت منبع تغذیه به آن، به ردیف ولتاژ مثبت تبدیل کنید. یک ردیف دیگر را نیز برای ولتاژ منفی (یا همان زمین) اختصاص دهید.
2- آی سی 555 را روی برد بورد قرار دهید بصورتی که بدنه آن روی شیار وسط برد بورد بیفتد (این کار برای اینکه پایه های سمت چپ و راست آی سی به هم متصل نشوند و مستقل از هم باشند برای تمام آی سی ها ضروری است).
3- با توجه به شیار روی آی سی و جهت قرار گرفتن آن شماره پایه ها را از روی نقشه مدار تشخیص دهید.

4- پایه 1 را با قطعه ای سیم به ردیف ولتاژ منفی (زمین) وصل کنید.
5- پایه های 4 و 8 را به ردیف ولتاژ مثبت وصل کنید.
6- پایه 2 را به پایه 6 وصل کنید.
7- یک خازن را بین پایه 6 آی سی و ردیف ولتاژ منفی قرار دهید به طوری که پایه مثبت خازن به پایه 6 آی سی وصل شده باشد.
8- یک مقاومت متغییر (ولوم) یا مقاومت معمولی بین پایه 6 و 7 آی سی قرار دهید(R1).
9- باید یک مقاومت دیگر بعنوان R2 بین پایه 7 و ردیف ولتاژ مثبت قرار گیرد.
10- در قسمت دیگری از بردبورد یک LED قرار دهید.
11- پایه منفی LED به ردیف ولتاژ منفی وصل شود.
12- یک مقاومت بعنوان R3 بین پایه مثبت LED و پایه 3 آی سی قرار دهید. (مقاومت R3 را یک کیلو اهم در نظر بگیرید.)

مراحل انجام آزمایش :
با اتصال کامل قطعات و برقرار ولتاژهای مثبت و منفی در ردیف های مربوطه روی بردبورد ، LED با فرکانسی که قبلاً محاسبه شد چشمک می زند.
با تغییر مقادیر مقاومت ها و خازن می توان به فرکانس های دیگری هم دست یافت که قابل محاسبه هستند ولی ممکن است گاهی به خوبی قابل مشاهده نباشند.

7- آزمایش دوم : تولید صدا با فرکانس های مختلف
حالا یک قطعه دیگر را معرفی می کنیم که مطمئناً همه با آن آشنا هستید .
این قطعه بلند گو است و در واقع صدا تولید می کند.

نمای زیرین بلند گو که آهن ربا و محل لحیم شدن سیم ها روی آن مشاهده می شود.

نمایی از روی بلند گو که پرده مرتعش شونده در آن قابل مشاهده می باشد.

اگر دو سیم آن را به باتری وصل کنیم مشاهده می شود که پرده روی آن حرکت می کند و صدای "تق" شنیده می شود.

نکته: زیاد باتری را متصل نگه ندارید که بلند گو می سوزد
حال اگر چند بار در ثانیه ، بلندگو را خاموش و روشن کنیم ، صدای بوق شنیده می شود.

مراحل پیاده سازی مدار روی بردبورد :
مدار دیگری را به شکل زیر می بندیم که بسیار مشابه مدار قبل است و فقط به جای LED از بلندگو استفاده شده است و به جای مقاومت ثابتR1 از مقاومت متغیر (ولوم یا پتانسیومتر) استفاده می شود تا صدای بوق را با فرکانس مختلفی تولید کنیم.

مراحل انجام آزمایش :
مقادیر مقاومت ها و خازن را بصورت زیر انتخاب می کنیم :
R1=Pot 100k مقاومت متغیر
R2=1k
C1=0.47μF
حال با چرخاندن پیچ ولوم ، مقدار مقاومت R1 بین 0 تا 100 کیلو اهم تغییر می کند و هر بار که مقدار آن را تغییر دهیم با فرکانس خاصی صدای بوق تولید می شود.
محاسبه فرکانس باز هم توسط همان فرمولی که در بخش قبلی با آن آشنا شدیم صورت می گیرد ولی در این آزمایش نیازی به محاسبه آن نیست ، فقط به روند تغییرات صدا بر حسب تغییر مقدار مقاومت R1 توجه کنید.


تکلیف: سعی کنید اطلاعات مربوط به آی سی 7448 را استخراج کرده و در جلسه بعد تحویل دهید.
به اختصار می توان گفت که کار این آی سی خواندن عدد از پایه های ورودی و نشان دادن آن بر روی سون سگمنت می باشد.
قبل از تحویل دادن کمی مطالب را مرور کنید و ببینید تا چه حد برایتان قابل فهم می باشد.
برای جستجو بهتر است از سایت www.google.com استفاده نمایید.

ارزیابی
در طول این جلسه در موراد زیر دانش آموزان را مورد ارزیابی قرار دهید و نتیجه را در دفتر ثبت کنید:
1- میزان مشارکت همه اعضای گروه در کارها
2- توانایی محاسبه فرکانس در مدار آی سی 555
3- میزان مهارت کسب شده در بستن مدار آی سی 555 روی بردبورد
4- نتیجه گیری صحیح از آزمایش ها

منابع بیشتر