Материал: МРБ 1074. Бирюков С.А. Цифровые устройства на интегральных микросхемах

Электронные часы на интегральных микросхемах серии к134

Описанные выше электронные часы на интегральных микросхемах се­рии К.155 потребляют от источника питания +5 В ток 0,4 — 0,8 А в зависимости от типа использованных индикаторов. Питание таких часов необходимо осу­ществлять от сети через понижающий трансформатор, выпрямитель и стабили­затор напряжения, в результате чего часы получаются довольно громоздкими.

Применив интегральные микросхемы серии К134, можно построить элект­ронные часы с бестрансформаторным питанием. Интегральные микросхемы се­рии К134 отличаются от ИС серии К155 прежде всего значительно меньшей по­требляемой мощностью, типом корпуса, наличием ИС, содержащих два JK-триг-гера в одном корпусе. В серии К134, однако, нет дешифратора с высоковольт­ным выходом, поэтому в часах использованы интегральные микросхемы К133ИД1, совпадающие по характеристикам с ИС КГ55ИД1. Корпус ИС К133ИД1 — плоский, с пленарными выводами, по конструкции близок к корпу­су ИС серии К134.

Часы на ИС серии К134 потребляют по цепи +5 В ток около 100 мА. В часах применен делитель частоты кварцевого генератора с переключаемым ко­эффициентом деления, что позволяет применять в них кварцевый резонатор с любой частотой в пределах от 50 до 559,24 кГц.

Принципиальная схема часов приведена на рис. 48. На ИС DD1 собран кварцевый генератор с резонатором Z1. Импульсы с выхода генератора по­ступают на делитель с коэффициентом пересчета 4 (ИС DD3) и далее на де­литель с переключаемым коэффициентом деления (ИС DD4 — DD14).

Этот делитель работает по принципу предварительной записи в счетчик числа, на которое нужно уменьшить коэффициент пересчета (см. с. 9). В таком делителе часть триггеров устанавливается при переполнении счетчика в 0, а часть — в 1. В результате переполнение счетчика происходит не после по­ступления 2™ импульсов делителя (n — число триггеров делителя), а ранее. В момент переключения последнего триггера в нулевое состояние вновь произ­водится установка части триггеров в 0, части — в 1. Таким образом, коэффици­ент пересчета делителя уменьшается относительно 2ⁿ на число, записываемое в делитель при сбросе.

Триггеры К134ТВ14 имеют лишь входы установки в 0. Поэтому структура делителя по сравнению с описанной выше несколько изменена — триггеры DD10 — DD14 делителя устанавливаются в 0, а сигналы на следующие за ними триггеры подаются либо с прямого, либо с инверсного выхода. Это эквивалентно установке триггеров соответственно в 0 и 1.

Входы триггеров DD4 — DD9, DD10.1 подключены к инверсным выходам предыдущих триггеров, в результате чего их частичная установка в 0 также эк­вивалентна записи в делитель некоторого числа. Ошибка, возникающая вслед­ствие невозможности установки части триггеров DD4 — DD9 в необходимое со­стояние, не превышает 0,1 с и существует лишь в момент пуска часов, на коэф­фициенте пересчета делителя она не сказывается,

Запись необходимого числа в делитель в момент переключения триггера осуществляется с помощью дифференцирующей цепочки C3R4R5 и элементов DD2.3 и DD2.4.

Делитель DD4 — DD14 настраивают так, чтобы на его выходе формировал­ся один импульс в минуту. Импульсы с выхода делителя поступают на вход счетчика единиц минут DD1S — DD16 и далее на счетчики десятков минут DD17 — DD18, единиц часов DD19 — DD20, десятков часов DD21. Коэффициент пересчета счетчика часов, равный 24, реализован с помощью схемы сброса на элементах DD22.1, DD22.2, DD22.3. Состояние счетчиков дешифрируется микро­схемами DD23 — DD26 и индицируется газоразрядными индикаторами HG1 — HG4.

В связи с тем что используемые JK-триггеры имеют по одному входу 1 и К, декады часов собраны по схеме, отличающейся от приведенных ранее. Код работы таких декад невесовой, он приводится к коду 1 — 2 — 4 — 8 с помо­щью диодов VD4 — VD7.

Для питания часов применен бестрансформаторный источник питания. На­пряжение сети гасится на конденсаторах С4 и С5, выпрямляется мостом VD2 и стабилизируется стабилитроном VD3. Пульсации напряжения на VD3 сглажи­ваются конденсатором Сб. Величина пульсации составляет около 500 мВ от пика до пика, но это допустимо для ИС ТТЛ.

Напряжение питания на аноды ламп HG1 — HG4 подается с однополупе-риодного выпрямителя на диоде VD1 через токоограничительные резисторы R8-R11.

Установка показаний часов возможна лишь в моменты, соответствующие целым часам. Порядок установки следующий. Нажимают кнопку SB1, при этом триггер на элементах DD2.1 и DD2.2, необходимый для подавления дребезга контактов кнопки (ом. с. 26), переключается в такое состояние, при котором на выходе элемента DD2.1 формируется уровень логического 0. Этот сигнал ус­танавливает триггеры делителя и счетчиков минут в нулевое состояние, а также вызывает появление на входе первого триггера счетчика часов DD19.1 логи­ческой 1. В момент отпускания кнопки сигнал на входе DD19.1 изменяется с логической 1 на логический 0, в результате чего к показаниям счетчика часов прибавляется единица. Нажимая необходимое число раз кнопку SB1, можно установить необходимое показание часов. Последний раз отпустить кнопку не­обходимо по шестому сигналу поверки времени.

Рис. 48. Схема электронных часов на МС серии К134

Коррекция показаний часов в процессе эксплуатации производится одно­кратным нажатием кнопки по первому и отпусканием по шестому сигналу. Если часы ушли вперед более чем на 5 с, кнопку следует нажать ранее, чем они переключатся самостоятельно, и отпустить, как обычно, по шестому сиг­налу.

Часы собраны на двух печатных платах разного размера 75X95 мм (рис. 49) и 55x95 мм (рис. 50). В часах использованы резисторы МТ, конденсаторы К73-17 (С4, С5), К50-6 (С6), К10-17 (остальные). На плате меньшего разме­ра детали установлены с двух сторон, их расположение показано на чертежах печатных плат. Вариант конструктивного оформления часов показан на рис. 51. Корпус оклеен из прозрачного органического стекла толщиной 3 ш и оклеен светлой декоративной пленкой под дерево. Торцевая и внутренняя поверхности верхней, нижней и боковых стенок корпуса окрашены темной коричневой нитро­эмалью. В планке на передней стенке корпуса после ее наклейки лезвием брит­вы вырезано окно против индикаторов. Платы и задняя стенка крепятся винтами М2 к четырем бобышкам из органического стекла, приклеенным к боковым стенкам корпуса.

В качестве кнопки SB1 использован микропереключатель МПЗ-,1, закреп­ленный на плате большего размера. Для нажатия на шток переключателя в нижней стенке часов напротив него просверлено отверстие 0 1,8 мм. Нажи- -мают на шток при пуске часов отрезком проволоки, например разогнутой кан- целярской скрепкой.

Платы соединяют между собой пятью проводниками, соответствующие кон­тактные площадки на платах помечены +5 В, Общ., 1, 2, 3.

Настройку делителя частоты под конкретный кварцевый резонатор произ­водят следующим образом. Частоту кварцевого резонатора делят на 4 (что соответствует делению в триггерах DD3.1 и DD3.2) и умножают на 60. В результате получается необходимый коэффициент деления. Его уменьшают на единицу и переводят в двоичную форму.

Рассмотрим в качестве примера настройку делителя под кварцевцй резо­натор с частотой 100 кГц. Необходимый коэффициент деления 100 000:4X60 = 1500 000. Двоичный эквивалент числа 1 499 999₁₀ равен 1 0110 1110 0011 0101 1111 г. Число знаков в двоичном эквиваленте определяет число необходимых триггеров, в данном случае 21, поэтому триггер DD14.2 не используется и сиг­нал на конденсатор СЗ снимается с прямого выхода 9 триггера DD14.1.

Если необходимое число триггеров составляет 22 (частота кварцевого ре­зонатора находится в пределах от 139 810 до 279 620 Гц), сигнал снимается с вывода 12 DD14.2.

Рис. 49. Печатная плата электронных часов большая

Двенадцать младших разрядов двоичного эквивалента определяют подклю­чение входов R микросхем DD4 — DD9 к шине установки нуля — если в соответствуюшгм разряде 0, вход R подключают к шине с помощью перемычки, если 1 — оставляют свободным. В данном случае 0 в 6, 8, 11 и 12 разрядах (начиная с младшего), следовательно, к шине установки нуля подключают входы R триггеров DD6.2, DD7.2, DD9.1, DD9.2 (счет начинается с триггера DD4.1, на триггеры DD3 установка 0 никогда не подводится). Остальные раз­ряды двоичного эквивалента определяют, какие входы (прямые или инверсные) триггеров DD10 — DD14 необходимо подключать ко входам следующих тригге­ров. Если в двоичном эквиваленте в соответствующем разряде 0, вход следу­ющего триггера подключается к инверсному выходу данного триггера (вывод 8 или 13), если 1 — к прямому (вывод 9 или 12). Неиспользуемый вывод триг­гера не подпаивается к контактной площадке, его оставляют свободным или обламывают. Так как в старшем разряде двоичного эквивалента всегда стоит 1, с последнего триггера выходной сигнал всегда снимается с прямого выхода.

Рис. 50. Печатная плата электронных часов малая

В данном случае ко входам следующих триггеров подключаются выводы 8 и 12 микросхемы DD10, 9 и 12 DD11, 8 и 12 DD12, 9 я 13 DD13, выходной сигнал снимается с вывода 9 DD14.

Рис. 51. Конструкция электронных часов

После установки теплового режима в корпусе часов проверяется уход по­казаний за 3 — 4 недели и уточняется настройка делителя. Предположим, часы спешат на 2 с в сутки. В этом случае коэффициент деления нужно увеличить на (2*1600 000)/86400 = 35 (86 400 — число секунд в сутках). Таким образом, необходимый коэффициент деления составит 1 500 035, его уменьшают на единицу и по нему вновь определяют двоичный экви­валент и рассчитывают установку перемычек (распайка выводов триггеров DD10 — DD14, как правило, не ме­няется).

При применении в часах кварцевого резонатора с частотой менее 69905 Гц микросхему DD3 не устанавли­вают, ее контактные площадки 1 и 8 соединяют между собой проволочной перемычкой, а частоту кварцевого резонатора при определении коэффициента деления на 4 не делят.

Если же частота кварцевого резонатора превышает 279 620 Гц, но менее 559 240 Гц, выход делителя (точка 2 платы большего размера) подключают ко входу 1 DD17 (точка а), выход 13 DD17 (точка б) подключают к точке 2 платы меньшего размера. При этом при расчете коэффициента деления частоты кварцевого резонатора делят не на 4, а на 8.

При налаживании часов следует помнить, что к включенным в сеть часам нельзя подключать приборы с металлическим корпусом, можно только логиче­ские щупы (питание на них можно взять со стабилитрона VD2) и авометры. Если для поиска неисправности или измерения частоты кварцевого резо­натора необходимо подключение осциллографа или частотомера, питание на часы следует подать от источника постоянного напряжения 15 — 18 В, замкнув выводы конденсаторов С4 — С5 между собой.

Для облегчения теплового режима часов целесообразно резисторы R13 — R15 в часы не устанавливать, на их место установить перемычку, а в сетевую вилку в разрыв одного из проводов включить проволочный резистор 51 — 75 Ом.

При правильной настройке делителя месячная ошибка в ходе часов не превышает 5 с.

Будильники и таймеры будильники и таймеры с набором времени переключателями

Электронные часы во многом теряют, если в них не встроен будиль­ник. Небольшое усложнение описанных выше вариантов часов позволяет исправить это положение. Близкими по схемам к будильникам являются тай­меры — электронные реле времени.

Пожалуй, самым простым по своей технической сути является построение будильников и таймеров по следующему принципу. В каждой декаде или счет­чике часов к выходам дешифраторов через переключатели подключают эле­мент ИЛИ — НЕ (ИЛИ) (рис. 52). На вход счетчика подают импульсы часто­той, определяемой шагом, с которым надо иметь установку времени. Число де­кад счетчика определяется максимальной требуемой выдержкой.

Рис. 52. Схема таймера с набором времени переключателями

Рис. 53. Многовходовый элемент ИЛИ — НЕ на ИС К155ЛА8

Переключателями устанавливают необходимое время. В момент пуска на вход Счет подают импульсы. Пока состояние счетчика не соответствует набран­ному переключателями времени, на всех или на части входов элемента ИЛИ — НЕ присутствует логическая 1 и на выходе элемента DD3 — логический 0. Ког­да счетчик придет в состояние, соответствующее набранному переключателями, на всех входах элемента ИЛИ — НЕ будет логический 0, элемент выключится и на его выходе появится сигнал логической 1, который включит соответствую­щий исполнительный механизм.

При числе декад более четырех в качестве элемента ИЛИ — НЕ удобно ис­пользовать микросхемы с открытым коллектором К155ЛА8, допускающие объ­единение выходов (рис. 53).

Если в качестве дешифраторов DD2, DD5 схемы рис. 52 использованы микросхемы К155ИД1, вывод 7 DD3 следует соединить с общим проводом че­рез любой маломощный кремниевый диод (см. сир. 19). Если же используются дешифраторы К155ИДЗ, К155ИД4 (см. рис. 23), этого диода, а также резис­торов Rl — R4 не требуется.

Если к выходу дешифраторов подключены газоразрядные индикаторы, не­обходима защита элемента ИЛИ — НЕ от высокого напряжения «а катодах лам­пы. Диоды в цепях входов микросхемы ИЛИ — НЕ приведут к еще большему рассогласованию уровней, поэтому элемент ИЛИ — НЕ лучше выполнить на ди­одах и транзисторе.

На рис. 54 приведена схема будильника для описанных выше часов на микросхемах серии К134.

Рис. 54. Схема будильника для часов на ИС серии К134

Диоды VD1 — VD11 и транзистор VT12 образуют элемент ИЛИ — НЕ. Если контакты переключателя SB5 замкнуты, триггер DD1.2, DD1.3 сигналом логиче­ского 0 закрывает прохождение сигналов с выходов делителя частоты кварце­вого генератора через DD1.4 и VT15 на головку НА1. В случае разомкнутого состояния контактов SA5 (включение будильника) при совпадении показаний часов и времени, набранного переключателями SA1 — SA4, транзистор VT15 вы­ключается, на выходе DD1.1 появляется уровень логического 0, триггер пере­ключается и на головку поступает сигнал 500 — 1000 Гц, прерываемый с часто­той 1 — 2 Гц. Сигнал будильника будет звучать до тех пор, пока контакты SA5 не будут вновь замкнуты. Конденсатор С1 служит для исключения ложного срабатывания будильника от помех и при переходных процессах в счетчиках часов. Диоды VD13 и VD14 и резистор R8 можно исключить, заменив элемент DD1.4 трехвходовым. Батарея GB1 из двух элементов 316 необходима, так как бестрансформаторный блок питания часов не может обеспечить необходимой мощности. Поскольку расход энергии батареи невелик, одного комплекта дос­таточно на год работы часов. Головка НА1 — любого типа. Переключатели SA1 — SA4 — М.ПН-1, SA5 — П2К, транзисторы — любые кремниевые соответ­ствующего типа проводимости. Диоды VD1 — VD4 на напряжение не менее 60 В, остальные — любые кремниевые маломощные.