본문내용
1. 실험의 개요
1.1. 숫자표시기의 구성원리
7세그먼트 표시기는 일곱 개의 발광다이오드(LED)로 이루어진 숫자표시기이다. 각각의 LED는 a~g까지 명명되며, 이들 중 어느 LED가 점등되느냐에 따라 0에서 9까지의 숫자가 나타난다. 또한 소수점 표시를 위해 한 쪽에 추가로 하나의 LED가 더 있어 실제로는 여덟 개의 LED로 구성되어 있다. 이러한 7세그먼트 표시기에는 두 가지 타입이 존재하는데, 모든 다이오드의 아노드가 공통으로 연결된 공통캐소드형과 모든 다이오드의 캐소드가 공통으로 연결된 공통아노드형이 그것이다.
공통캐소드형의 경우, IC 출력이 HIGH일 때 LED가 켜지는 정논리 방식으로 작동한다. 이때 각 LED에 약 10mA의 전류를 흘려주어야 적절한 밝기로 점등된다. 반면 공통아노드형은 IC 출력이 LOW일 때 LED가 켜지는 부논리 방식으로 구동된다. 이 경우 전류가 저항을 통해 IC 출력으로 흘러 들어가는 sink 동작이 이루어진다. 따라서 부논리 회로에서는 저항값을 적절히 선택하여 LED에 충분한 전류가 흐르도록 해야 한다. 보통 5V 전원을 사용할 때 약 270Ω의 저항값이 적합하다.
7세그먼트 표시기를 구동하기 위해서는 BCD(Binary-Coded Decimal) 코드를 입력받아 이를 7세그먼트 LED의 점등 패턴으로 변환해주는 디코더 IC가 필요하다. 대표적인 디코더 IC로는 7446, 7447 등이 있다. 이러한 디코더 IC는 입력된 BCD 코드를 해석하여 각 세그먼트 LED의 점등 여부를 결정한다. 또한 보조 입력단자인 LT, RBI, RBO, BI 등을 통해 LED 테스트, 입력 값에 따른 점멸 제어 등 다양한 기능을 수행할 수 있다.
종합하면, 7세그먼트 표시기는 7개의 LED로 구성되어 있으며 공통캐소드형과 공통아노드형의 두 가지 타입이 존재한다. 이를 구동하기 위해서는 BCD 코드를 7세그먼트 패턴으로 변환하는 디코더 IC가 필요하다. 이를 통해 숫자 표시 기능을 구현할 수 있다.
1.2. 숫자표시기 구동 방법
숫자표시기는 일곱 개의 발광다이오드(LED)로 구성되어 있어, 각각의 LED에 전류를 흘려주어야 빛을 발한다. 이를 위해 두 가지 방식을 고려할 수 있다.
첫째, IC의 출력단에 저항을 거쳐 LED의 아노드를 연결하고 LED의 캐소드는 접지시키는 방식이다. IC의 출력전압이 HIGH이면 IC로부터 저항과 LED를 거쳐 접지로 전류가 흘러 LED가 켜지게 된다. 반대로 출력전압이 LOW이면 LED가 소등된다.
둘째, IC의 출력이 LOW일 때 LED가 켜지고 HIGH일 때 소등되는 방식이다. 이 경우 전원에서부터 LED와 저항을 거쳐 IC의 출력단자로 전류가 흘러 LED가 켜지며, IC 출력단에서 전류가 거꾸로 흘러들어가게 된다. 이때 저항은 전류제한용 저항으로 작용한다.
저항값을 줄여주면 LED가 켜질 때 전류가 더 많이 흐르므로 LED가 밝아지지만, 너무 작으면 IC의 구동능력을 넘어서거나 LED가 타버릴 수 있다. 따라서 적절한 저항 값을 선택하여 회로를 구성해야 한다.
이처럼 숫자표시기를 구동하기 위해서는 IC의 출력단과 LED 사이에 전류제한용 저항을 연결하여 각각의 LED에 적절한 전류를 공급해 주어야 한다.
1.3. 디코더를 이용한 BCD 코드 활용
BCD(Binary Coded Decimal) 코드는 10진수 숫자를 4비트의 이진수로 표현하는 방식이다. 이러한 BCD 코드를 활용하여 7세그먼트 숫자표시기를 구동할 수 있다.
7세그먼트 디코더/구동기(7-segment decoder/driver)는 BCD 코드가 입력되면 이에 해당하는 7세그먼트 표시기의 LED들을 적절히 켜서 숫자를 표시하도록 하는 IC이다. 대표적인 제품으로 7446, 74246, 7447, 74247 등이 있다.
이들 디코더 IC는 BCD 코드(0000~1001) 범위 안에서 0~9 사이의 숫자를 올바르게 표시하지만, 그 범위를 벗어나는 1010~1111 코드에 대해서는 특별한 형태의 문자(예: -, E, H, L 등)가 표시된다.
디코더 IC의 단자로는 LT(Lamp Test), RBI(Ripple Blanking Input), RBO(Ripple Blanking Output), BI(Blanking Input) 등이 있다. LT 단자를 LOW로 하면 7개 세그먼트 LED가 모두 점등되어 LED의 점등 상태를 확인할 수 있다. RBI 단자를 LOW로 하면 입력이 0일 때 숫자 0이 표시되지 않는다. RBO 단자는 모든 LED가 소등되면 LOW 출력이 나오며, BI 단자를 LOW로 하면 모든 LED가 소등된다.
이처럼 디코더 IC를 활용하면 BCD 코드를 간단히 7세그먼트 숫자로 변환하여 표시할 수 있다. 이는 마이크로프로세서나 기타 디지털 회로에서 숫자를 표시할 때 유용하게 활용된다.
2. 숫자표시기의 이론 및 동작 원리
2.1. 7세그먼트 표시기의 종류와 구조
숫자표시기는 일곱 개의 발광다이오드(LED: Light-Emitting Diode)로 이루어진 일곱 개의 LED a~g중 어느 것들이 켜지느냐에 따라 0~9까지의 숫자가 나타난다. 소수점을 표시할 수 있도록 한 쪽 귀퉁이에 LED가 있기 때문에 실질적으로 모두 여덟 개의 LED가 내장되어 있다. 숫자표시기는 모든 다이오드의 아노드가 공통으로 묶인 공통캐소드형(common cathod)과 캐소드가 공통으로 묶인 공통아노드형(common anode)으로 나뉜다.
공통캐소드형과 공통아노드형은 아노드와 캐소드의 연결 방식에 따라 서로 다른 동작 원리를 가진다. 공통캐소드형은 각 LED의 음극(캐소드)이 공통으로 연결되어 있고, 양극(아노드)에 저항을 통해 전압이 인가되는 방식으로 동작한다. 반면 공통아노드형은 각 LED의 양극(아노드)이 공통으로 연결되어 있고, 음극(캐소드)에 전압이 인가되는 방식으로 동작한다. 이와 같은 차이로 인해 구동 회로에서도 차이가 ...
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