Материал: Электронные часы с функциями календаря и будильника

Введение

Электронными цифровыми часами принято называть устройства для измерения текущего времени, все функциональные узлы которых выполнены на электронных элементах. Элементную базу таких устройств составляют интегральные цифровые микросхемы и электровакуумные, полупроводниковые или жидкокристаллические индикаторы.

Появлению первых электронных часов в начале 70-х годов предшествовали поиски оптимальных электронно-механических конструкций. Так, в начале 60-х годов для повышения точности хода анкерный механизм механических часов был заменен более стабильным электронно-механическим источником опорных колебаний. Основу узла составлял камертон, резонансные колебания которого поддерживались транзисторным RС-генератором. Преобразование колебаний камертона во вращательное движение зубчатых колес осуществлялось храповым механизмом. По точности хода (±5 с в сутки) первые серийные образцы камертонных часов в несколько раз превосходили механические.

С развитием микроэлектронной технологии оказалось возможным расширить электронную часть часового механизма за счет микросхем с малой потребляемой мощностью. Подвергается изменению структурная схема часов: источник опорных колебаний становится полностью электронным и строится на основе транзисторов или микросхем с использованием миниатюрных кварцевых резонаторов с частотой собственных колебаний порядка десятков килогерц. Камертон выполняет роль двигателя. Для снижения частоты опорных колебаний до резонансной частоты камертона вводится микросхема счетчика-делителя. В таких часах удалось обеспечить точность хода ±0,5 с в сутки. Однако широкого распространения камертонные часы не получили из-за относительно быстрого износа механических частей.

электронный календарь будильник микросхема

В последующие годы были разработаны электронно-механические часы с миниатюрными шаговыми и балансными электродвигателями, которые приводились в движение электрическими импульсами с частотой 1 или 2 Гц.

В настоящее время серийно выпускаются электронные часы для самых различных применений и с разным оформлением: наручные, настольные, настенные, автомобильные, спортивные и т.д. По комплексу основных показателей: информативности, функциональным возможностям, точности хода, энергетическому ресурсу и надежности электронные часы значительно превосходят механические и электронно-механические часы.

Накоплен значительный опыт по созданию радиолюбительских образцов часов с цифровой индикацией на микроэлектронной основе.

Сравнительный анализ систем аналогичного назначения, выбор и обоснование структурной схемы

Электронные часы, представленные в [6], предназначены для индикации текущего времени суток (минуты и часы), дней недели (понедельник - воскресенье), месяца и дня месяца, а также имеют будильник и схему установки требуемого времени суток и дня месяца. Часы реализованы на шести микросхемах серии К176.

Отличительной особенностью данного устройства является динамический режим работы светодиодных индикаторов, позволяющий выводить на одни и те же индикаторы информацию о текущем времени суток, с календаря и будильника. Принципиальная схема часов представлена на рис. 1.

Рис. 1 Схема электронных часов с будильником и календарём

На микросхеме DD1 выполнены генератор импульсов, делитель частоты с коэффициентом деления 2¹⁵ и счетчик 60 импульсов. На ней собран кварцевый генератор с резонатором ZQ1 и частотой генерации 2¹⁵ = = 32 768 (Гц). С помощью подстроечного конденсатора С1 можно изменять частоту в пределах ±2 Гц от номинала. С выходов триггеров делителя 2¹⁵ снимаются специальные служебные сигналы. С вывода 11 поступают импульсы с частотой следования 1024 Гц для синхронизации работы микросхем DD2, DD3 и DD4. С вывода 6 - сигналы с частотой следования 2 Гц, необходимые для установки требуемого времени суток и дня месяца. С выводов 1, 2, 3, 15 снимаются управляющие импульсы Т1 - Т4, сдвинутые относительно друг друга по фазе и осуществляющие динамический режим работы индикаторов HG1 - HG4. Секундные импульсы с вывода 4 поступают на вход С2 счетчика 60 импульсов, с выхода Q0 которого уже минутные импульсы подаются на микросхему DD2, включающую в себя счетчики минутных и часовых импульсов и схему будильника. На выходах А, В, С, D микросхемы DD2 поочередно и синхронно с сигналами Т1, Т2, ТЗ, Т4 в коде 1 - 2 - 4 - 8 появляется информация, соответствующая текущим часам и минутам суток. Дешифратор DD4 преобразует этот двоичный код в соответствующий семисегментный, который высвечивается на светодиодных индикаторах с общим анодом типа АЛС324Б.

Микросхема DD3 - календарь. Она состоит из следующих блоков: счетчика 40 импульсов для счета дней месяца, счетчика 12 импульсов для счета месяца, счетчика 7 импульсов для счета дней недели и блока управления. Общую синхронизацию работы часов осуществляет микросхема DD5.

Входы S микросхем DD2 и DD3 управляют выходами А, В, С, D. При логической 1 на входе 5 состояние А, В, С, D определяется информацией с внутренних счетчиков микросхем, а при логическом 0 выходы А, В, С, D блокируются с образованием неопределенного состояния (высокий импеданс). Секундные импульсы с микросхемы DD1 выводятся для мигания на запятую индикатора HG2. На выходе К микросхемы DD2 формируются суточные импульсы. Високосный год календарь DD3 не фиксирует, т.е. число 29.02 отсутствует. Неиспользованные выходы Al, Bl, C1 (на схеме не показаны) никуда не подключаются, но могут быть использованы для индикации дней недели с внутреннего счетчика 7 импульсов в коде 1 - 2 - 4. Однако, при наличии на входе V2 календаря DD3 сигнала ТЗ с микросхемы DD1 через выходы А, В, С, D микросхемы DD3 выводится информация и со счетчика 7 импульсов.

С выхода Q2 (вывод 4) микросхемы DD2 осуществляется синхронизация работы внутренних генераторов микросхем DD1 и DD3 по установочным входам R1 (вывод 5 микросхемы DD1) и R (вывод 12 микросхемы DD3) и производится сброс триггеров микросхем DD4 и DD5 по входам К и R2. При лодаче +9 В на вход М микросхемы DD4 на выходах а - g появляются инверсные сигналы.

Будильник реализован на микросхемах DD2 и DD6. Когда текущее время совпадает с установленным на будильнике, то на выходе HS (вывод 7) микросхемы DD2 в течение минуты появляются импульсы, разрешающие сигналам частотой 1024 Гц, модулированной частотой 2 Гц, проходить через логическую ячейку DD6.3 на динамическую головку BAL

Управление часами осуществляется кнопками SB1, SB2, SB3 и переключателями SA1, SA2, SA3. В верхнем положении переключателя SA1 на индикаторы выводится информация о текущем времени суток, в нижнем - с календаря. Допустим, SA1 находится в верхнем положении, тогда замыканием кнопки SB1 можно установить требуемую минуту, а кнопкой SB2 - час суток. При включении тумблера SA3 будет высвечиваться информация с будильника. Замыканием кнопок SB1 и SB2 при включенном переключателе SA3 можно установить желаемое время срабатывания будильника. В нижнем положении переключателя SA1 с помощью кнопок SB1 и SB2 устанавливается соответственно число месяца и месяц. При замыкании тумблера SA3 на индикаторы выводится информация о дне недели (1 - 7). С помощью кнопки SB1 при включенном тумблере SA3 можно устанавливать требуемый день недели.

Для установки точного времени применяется кнопка SB3, которая сбрасывает в нуль только минуты. Если на индикаторах высвечивается 40 мин текущего часа и более, то сбрасываются в нуль минуты и к числу часов прибавляется единица. Если в данный момент - менее 40 минут на табло, то час не прибавляется. С шестым сигналом точного времени кнопка SB3 кратковременно нажимается, и часы считаются установленными. Тумблер SA2 отключает будильник, если в нем нет необходимости.

Часы питаются от стандартного источника питания с параметрическим стабилизатором на +9 В. Особенностью данной схемы часов является сохранение их работоспособности при долговременном (до 7 дней) отключении сетевого питания, так как при этом микросхемы запитываются от батареи GB1 "Крона". Светодиодные индикаторы в это время не светятся, а потребляемый микросхемами ток невелик. При включении сетевого питания диод VD10 закрывается и не дает разряжаться батарее GB1.

Питание на индикаторы берется непосредственно с выхода моста VD9. Для предотвращения возможного тиристорного эффекта в КМОП серии К176 в цепи питания микросхем DD1 - DD6 поставлены конденсаторы С10 - С15.

Выбор и обоснование элементной базы

В качестве элементной базы выберем микросхемы К176. Основная особенность и достоинство микросхем серии К176 - экономичность. Они потребляют от источника питания минимальное количество энергии. Микросхемы этих серий изготовляются по технологии комплементарных транзисторов структуры металл-диэлектрик-полупроводник (КМДП). Ранее в качестве диэлектрика использовался окисел кремния, поэтому сокращенным обозначением структуры этих микросхем было КМОП. Но микросхемы серии К176 можно заменить на аналогичные серии К561 без каких-либо переделок печатной платы. Резисторы и конденсаторы могут быть любых типов, подходящие по размерам. Все элементы не имеют высокой стоимости и легкодоступны.

Внутренняя структура и принцип работы микросхем серии К176

Основная особенность микросхем КМОП - ничтожное потребление тока в статическом режиме - 0,1.100 мкА. При работе на максимальной рабочей частоте потребляемая мощность увеличивается и приближается к потребляемой мощности наименее мощных микросхем ТТЛ

Рис. 2 Принципиальная схема ИЛИ-НЕ

Рассмотрим внутреннюю структуру микросхем КМОП на примере двухвходового логического элемента ИЛИ-НЕ (рис.2). Основу этого элемента составляют два транзистора структуры МОП с индуцированным каналом р-типа VT1 и VT2 и два транзистора с каналом n-типа VT3 и VT4. Резисторы и диоды являются вспомогательными и в нормальной работе элемента участия не принимают.

При подаче на оба входа напряжения, близкого к нулю (лог.0), транзисторы VT3 и VT4 закрыты, транзисторы VT1 и VT2 открыты и соединяют выход элемента с источником питания. На выходе элемента напряжение близко к напряжению источника питания (лог.1). Если на один из входов, например вход 1, подать лог.1, транзистор VT2 закроется, транзистор VT4 откроется и соединит выход элемента с общим проводом, на выходе элемента появится лог.0. Такой же результат будет при подаче лог.1 на вход 2 или при подаче лог.1 на оба входа одновременно. Таким образом, изображенный на схеме рис. 2 элемент выполняет функцию ИЛИ-НЕ на два входа. Для увеличения числа входов элемента увеличивают число последовательно соединенных транзисторов с каналом р-типа и параллельно соединенных транзисторов с каналом n-типа.

Для построения элементов с функцией И-НЕ транзисторы с каналом р-типа соединяют параллельно, с каналом п-типа - последовательно.