Modulo Decodificador BCDTOSEG
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| Fig1. Muestra cuatro pantallas de 7 segmentos |
Saludos cordiales, en esta entrada, veremos como describir con el lenguaje verilog un modulo decodificador de numero BCD a una pantalla de 7 segmentos, que son muy utilizados en diversas aplicaciones electrónicas, este trabajo complementa el avance académico para la materia de Sistemas Digitales I, siendo requisito que el lector ya tenga conocimientos sobre el diseño de circuitos combinatorios.
Para elaborar el código del modulo y llevar a cabo pruebas de funcionamiento, utilizaremos uno de los siguientes programas:
Y si queremos implementar en circuito el modulo decodificador, necesitaremos una tarjeta de ensayos, en mi caso utilizare una FPGA TangNANO.
Ahora si, manos a la obra, que llego la hora de comenzar.
Acerca de la Pantalla de 7 Segmentos
La pantalla o display de 7 segmentos, es un dispositivo opto-electrónico que nos permitirá visualizar un valor decimal de 0 a 9, con una distribución de siete diodos LED que se activaran individualmente para representar un numero decimal.
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| Fig2. Distribución de los segmentos para representar números |
Existen dos tipos de pantallas de 7 segmentos que son: Ánodo Común y Cátodo Común, y se diferencian por la manera de como están conectados los LED's que conforman cada segmento, observe la siguiente figura.
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| Fig3. Conexión interna de los LED's |
La configuración en Cátodo común requiere un voltaje positivo de 5V o 1 logico para activar cada LED. Mientras que en Ánodo común se necesita 0V o 0 logico, debido a que estos LED operan con una corriente de circulación nominal, es necesario utilizar resistencia limitadoras para no exceder la capacidad de corriente maxima y agota la vida útil del dispositivo.
Una ventaja que aun mantiene la demanda de las pantallas de 7 segmentos es su coste y fácil implementación, además de la variedad de presentaciones disponibles con dimensiones que van desde las 6 a 32 pulgadas y bloques de 1 a 4 dígitos.
Descripción del modulo
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| Fig4. Esquema del decodificador |
Para describir el modulo de un decodificador BCD a 7 segmentos, necesitaremos en primer lugar conocer los segmentos que se activaran en la salida para cada cada numero presente en la entrada, esto es básicamente un circuito combinatorio. La siguiente tabla nos muestra esta relación de entrada a salida, el numero decimal a mostrar ingresa en su equivalencia binario a las 4 entradas, siendo e3 el bit mas significativo y e0 el de menor peso, entonces la salida deberá activar los LED's o segmentos necesarios para forman el símbolo decimal.
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| Fig5. Decodificación para pantalla tipo CC |
En la tabla inferior podrá observar los valores de salida para cada numero binario, considerando ambos tipos de pantalla: Cátodo Común y Ánodo Común.
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| Fig5. Tabla de salida para pantallas CC y AC |
Describiremos de manera funcional un modulo verilog con el nombre bcdtoseg, asumiendo que se utilizara una pantalla del tipo CC. para lo cual utilizamos el editor de texto de los programas de simulación citados previamente. a continuación se detalla el código del modulo respectivo con sus comentarios.
input en; //Habilitador de salida
input d0,d1,d2,d3; //Entradas de numero binario
output a,b,c,d,e,f,g;//Salidas para los segmentos
wire [3:0] bcd; //Bus para los datos de entrada
reg [6:0] seg; //Registro para guardar valor de segmentos
assign bcd = {d3,d2,d1,d0}; //Asignación del numero binario al bus bcd
assign {g,f,e,d,c,b,a} = seg; //Asignación del registro seg a cada segmento
always @ (en, bcd) //Lista de eventos
if(en) //Solo si en esta activo
case(bcd) //Salida gfedcba segun numero bcd
4'b0000: seg = 7'b0111111; //numero 0
4'b0001: seg = 7'b0000110; //numero 1
4'b0010: seg = 7'b1011011; //numero 2
4'b0011: seg = 7'b1001111; //numero 3
4'b0100: seg = 7'b1100110; //numero 4
4'b0101: seg = 7'b1101101; //numero 5
4'b0110: seg = 7'b1111100; //numero 6
4'b0111: seg = 7'b0000111; //numero 7
4'b1000: seg = 7'b1111111; //numero 8
4'b1001: seg = 7'b1100111; //numero 9
default: seg = 7'b0000000; //Apaga todos los segmentos
endcase
endmodule
En caso de utilizar una pantalla del tipo AC, bastaría solo invertir la asignación del registro seg a cada segmento, esto seria así: assign {g,f,e,d,c,b,a} = ~seg;
Otra manera mas simplificada de describir este decodificador, seria utilizar directamente una bus de entrada para el numero y un bus de salida para los segmentos, tal como ser observa en el siguiente esquema.
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| Fig6. Decodificador con bus e/s |
Entonces considerando el uso de un bus para la entrada y salida, los cambios a nuestro modulo descriptivo quedaran de la siguiente manera.
module bcdtoseg(en, bcd, seg);
input en; //Habilitador de salida
input [3:0] bcd; //Bus de entrada para el numero binario
output reg [6:0] seg;//Bus de salida para registro de segmentos
always @ (en, bcd) //Lista de eventos
if(en) //Solo si en esta activo
case(bcd) //Salida gfedcba segun numero bcd
4'b0000: seg = 7'b0111111; //numero 0
4'b0001: seg = 7'b0000110; //numero 1
4'b0010: seg = 7'b1011011; //numero 2
4'b0011: seg = 7'b1001111; //numero 3
4'b0100: seg = 7'b1100110; //numero 4
4'b0101: seg = 7'b1101101; //numero 5
4'b0110: seg = 7'b1111100; //numero 6
4'b0111: seg = 7'b0000111; //numero 7
4'b1000: seg = 7'b1111111; //numero 8
4'b1001: seg = 7'b1100111; //numero 9
default: seg = 7'b0000000; //Apaga todos los segmentos
endcase
endmodule
Prueba de funcionamiento
Para ensayar el funcionamiento de nuestro decodificador, crearemos un modulo de estimulo con la que llevaremos a cabo una simulación. Este modulo llamara mediante una instancia al modulo bcdtoseg, para simplificar un poco consideraremos el decodificador que utiliza un bus para entrada y salida.
El modulo de estimulo tendrá la siguiente codificación:
module bcdtoseg_tb; //Nombre del modulo de estimulo
reg en; //Registro para estimular la entrada EN
reg [3:0] bcd;//Registro para estimular entrada bcd
wire [6:0] seg; //Bus de salida que muestra los segmentos
bcdtoseg ins0(en,bcd,seg); //crea instancia del modulo bcdtoseg
initial begin
#5 en=1;bcd=0; //Habilita e inicia el numero bcd a 0
#5 bcd=1; //numero bcd a 1
#5 bcd=2; //numero bcd a 2
#5 bcd=3;
#5 bcd=4;
#5 bcd=5;
#5 bcd=6;
#5 bcd=7;
#5 bcd=8;
#5 bcd=9; //numero bcd a 9
end
endmodule
Para efectuar la simulación, utilizare el software ModelSim, donde posterior a la compilación de ambos módulos bcdtoseg y bcdtoseg_tb, se procede a iniciar la simulación adicionando las entradas y salidas que se representaran en un diagrama de tiempo, que nos mostrara el siguiente resultado.
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| Fig7. Diagrama de tiempos para simulación del decodificador |
Este resultado no muestra que el decodificador funciona correctamente, y por lo tanto estará listo para su implementación.
Implementacion del circuito
Ahora como paso final veremos como implementar el decodificador que hemos creado en una FPGA, en mi caso utilizare la placa TangNANO y el software de diseño Gowin EDA, opcionalmente aquí te dejo un pequeño enlace introductorio que nos muestra como crear e implementar un proyecto con esta FPGA.
<<Introducción a FPGA TangNANO>>
Esta es la lista de los elementos utilizados:
- Placa FPGA TangNANO y cable USB-C
- Un HS-3191B, pantalla 7 segmentos tipo AC de 0.39 pulgadas.
- Una resistencia limitadora, lo recomendable es una por salida.
- Cuatro pulsadores para establecer los valores en la entrada
- Protoboard y cables de conexión.
Con referencia a la hoja de datos de la placa TangNANO y la pantalla HS-3191B llevo a cabo las siguientes conexiones:
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| Fig8. Esquema de conexión al FPGA |
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| Fig9. Circuito decodificador en TangNANO |
Como resumen de todo lo descrito en la sección, te dejo un vídeo donde se observa la creación e implementación del proyecto con el software GoWin EDA.
Para finalizar solo quiero agradecer tu visita a mi blog, espero que el contenido de esta entrada hubiera sido de ayuda en tu formación educativa, favor cualquier consulta al respecto pueden escribirme a:
pablinzte@gmail.com / pablinza@me.com
Pablo Cesar Zárate.
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