Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Arrow Multisolution Day
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Zegarek elektroniczny

Joker2 24 Sty 2016 11:36 6444 9
  • Witam, chciałbym przedstawić swój zegarek elektroniczny.

    Zegarek elektroniczny

    Zegarek jest wykonany w technologii CMOS. Taktowany generatorem stabilizowanym rezonatorem kwarcowym. Po wykalibrowaniu można osiągnąć dokładność do 0,26s na dobę, co jest bardzo dobrym wynikiem. Pobór mocy z sieci wynosi 2,8W. Zegar jest wyposażony w układ automatycznej regulacji jasności wyświetlaczy, zrealizowany na fototranzystorze. Wyświetla sekundy, minuty, oraz godziny. Liczeniu sekund towarzyszy mruganie kropek oddzielających minuty od sekund i godziny od minut. Na tylnym panelu znajdują się przyciski służące do zerowania sekund, oraz ustawiania minut i godzin. Obsługa jest intuicyjna.

    Zegarek elektroniczny Zegarek elektroniczny

    Całość jest złożona przy użyciu płytek uniwersalnych. Na płytce pionowej (zdjęcie poniżej) znajdują się wyświetlacze zegara, połączone przewodami z płytką modułu wykonawczego, oraz w tylnej części układ zasilania razem z generatorem i dzielnikiem częstotliwości.

    Zegarek elektroniczny

    Układ zasilania:

    Zegar wymaga stabilnego napięcia zasilania, ponieważ nawet niewielkie zmiany napięcia dla generatora skutkują zmianami jego częstotliwości wyjściowej, co zmniejsza dokładność prezentowanego układu. Oczywiście nie są to zmiany duże, ale dla uzyskania możliwie najlepszej dokładności zegar został wyposażony w stabilizator działający na zasadzie porównywania napięcia referencyjnego z napięciem wyjściowym. Zmiany spowodowane zmiennym obciążeniem, lub zmianami parametrów tranzystorów pod wpływem temperatury są kompensowane z dużą szybkością, także nie ma mowy o żadnych pikach napięciowych na napięciu wyjściowym.
    Dla generatora zasilacz dostarcza napięcia stałego 5V, natomiast dla modułu wykonawczego zegara napięcia stałego zmieniającego się w zakresie 4-6,2V, w zależności od natężenia światła, w którym docelowo znajduje się zegar. Zasada działania jest typowa. Napięcie na wyjściu transformatora jest prostowane za pomocą mostka Greatz'a, a następnie wstępnie odfiltrowanie na kondensatorach C1 i C2. Na TL431 uzyskuje się napięcie referencyjne układu, o wartości 5V, które jest ustalone za pomocą dzielnika napięcia złożonego z rezystorów R2 i R3. TL431 jest wewnętrznie kompensowany temperaturowo. Rezystor R1 ogranicza prąd do bezpiecznej wartości.





    Zegarek elektroniczny

    Kondensator C3 dodatkowo odfiltrowuje szumy pojawiające się na napięciu referencyjnym. Napięcie referencyjne jest podane na wejście nieodwracające wzmacniacza operacyjnego U1 (a), natomiast jego wejście odwracające monitoruje napięcie wyjściowe stabilizatora, za tranzystorem wykonawczym T1. Wzmacniacz operacyjny dąży do wirtualnego zwarcia między swoimi wejściami, kompensując napięciem wyjścia wszystkie zmiany napięcia wyjściowego stabilizatora (zmienia prąd bazy tranzystora wykonawczego). Dzięki temu napięcie wyjściowe stabilizatora jest zawsze równe napięciu odniesienia 5V. Rezystor R4 służy do polaryzacji tranzystora, aby pracował w zamkniętym obwodzie. Sam generator, który jest zasilany ze stabilizatora również zamyka obwód, jednak pobiera on minimalny prąd, przez co jest bardzo dużą rezystancją, przy której praca stabilizatora może być niepewna (wzrost napięcia).
    Zasilacz posiada drugie wyjście, które dostarcza napięcia zmieniającego się w zakresie od 4V do 6,2V. Napięcie wyjściowe jest zależne od natężenia światła, przy którym pracuje zegar. Do tego celu został użyty fototranzystor, który pod wpływem natężenia światła zmienia swoją rezystancję. Jednak jego nieliniowa charakterystyka okazała się niesprzyjająca do odpowiedniej regulacji jasności wyświetlaczy zegara. Dlatego zdecydowano, że wartość napięcia panująca na dzielniku złożonego z fototranzystora T4 i rezystora R10 będzie monitorowana przez dwa komparatory U2, z czego pierwszy będzie zmieniać napięcie wyjściowe stabilizatora na 5,1V, a drugi na 6,2V. Powstała w ten sposób regulacja trzystopniowa jasności wyświetlaczy zegara, która w praktyce jest w pełni wystarczająca. Napięcie na dzielniku T4, R10 zostało podniesione względem masy o około 1V za pomocą dzielnika R11, R12 ze względu na to, że wzmacniacze operacyjne w układzie są zasilane napięciem pojedynczym 0 i 5V, przez co nie pracują poprawie z napięciami od zera, a dopiero od około 0,7V. Wyjścia obu wzmacniaczy operacyjnych U2 sumują się na bazie tranzystora T3, który zmienia stosunek napięcia na ujemnym wejściu wzmacniacza U1(b) sterującego stabilizatorem. Pr3 znajdujący się na wejściu dodatnim tego stabilizatora ustala napięcie minimalne (korzystając z napięcia referencyjnego układu). Jest ono ustawione domyślnie na 4V, przy których wyświetlacze świecąc w ciemności nie oślepiają oczu. Kiedy pojawia się jakieś oświetlenie na wyświetlacze jest kierowane napięcie 5,1V, a następnie 6,2V. Ich wartości progowe załączenia można w małym zakresie zmieniać za pomocą potencjometrów montażowych Pr1 i Pr2.

    Generator:

    W celu uzyskania częstotliwości 1Hz o dużej dokładności, która docelowo służy do taktowania zegara, należy najpierw wygenerować częstotliwość większą, a następnie za pomocą dzielników częstotliwości podzielić. W układzie zegara wygenerowana jest częstotliwość 32768kHz na rezonatorze kwarcowym. Następnie za pomocą układu CD4060 częstotliwość jest podzielona przez 214. Po podzieleniu na wyjściu otrzymuje się 2Hz. Ogólnie za pomocą tego układu można uzyskać też inne dzielniki częstotliwości wejściowej, ponieważ składa się z kilku przerzutników typu D połączonych szeregowo, z czego wyjście każdego kolejnego przerzutnika jest wyprowadzone na inny pin. Otrzymane 2Hz należy jeszcze podzielić przez 2 do uzyskania częstotliwości 1Hz. Odbywa się to na dołączonym przerzutniku typu D (układ 4013) szeregowo połączony z układem CD4060.

    Zegarek elektroniczny

    Trymer C2 służy to wykalibrowania częstotliwości pracy przy użyciu zewnętrznego miernika częstotliwości (którym był ZOPAN PFL-34). Częstotliwość generatora można bez większych problemów ustawić z dokładnością do 0,1Hz, co w rezultacie daje błąd 0,26s na dobę. Niestety w rzeczywistości nie wygląda to tak dobrze, ponieważ generator po kilkugodzinnej pracy lekko się odstraja, jednak nie są to zmiany duże i tylko minimalnie wpływają na zwiększenie błędu.

    Moduł zegara:

    Zegar jest oparty na układach liczników dziesiętnych CD4033. Układy są o tyle wygodne, że zawierają w swojej strukturze zintegrowane dekodery na kod 7-segmentowy, także, prosto do wyjść układów podłączone są wyświetlacze. Każdy licznik po doliczeniu do 10 podaje impuls na wyjściu nr 5, którym taktuje kolejny układ. Sytuację komplikuje fakt, że minuta ma 60 sekund, więc licznik drugi musi doliczyć do 5, a gdy na jego wyświetlaczu pojawi się 6 natychmiast zresetować się i puścić sygnał na kolejny układ. Ta sama operacja odbywa się przy minutach, oraz godzinach. Z tym że w przypadku godzin jest to szczególnie utrudnione, gdyż układy muszą zerować się gdy na pierwszym wyświetlaczu pojawi się 2 a na drugim 4. Do resetowania układów służą bramki wykonane na tranzystorach BC550 i diodach impulsowych 1N4148. Układy bramek są zrealizowane na tranzystorach, ponieważ pracują w nietypowych warunkach. Tzn. napięcia segmentach wyświetlaczy są na tyle małe (1,7V), że nie są w stanie otworzyć żadnej bramki logicznej, w których stan wysoki rozpoczyna się od 4,2V. Można zastosować by wzmacniacz na jednym tranzystorze dla każdego z wyjść i bramki logiczne za nimi, jednak mija się to z celem, a układ zaprojektowany w tej postaci działa poprawnie, nie jest szczególnie skomplikowany ani kosztowny, a jego analiza zmusza do myślenia.
    Moduł wykonawczy jest zasilany napięciem zmieniającym się skokowo 4V, 5,1V, 6,2V.
    Bramka logiczna użyta do resetowania układów przy danej liczbie, dla minut i sekund, (konstrukcja tranzystorowa) jest tożsama z dwuwejściową bramką AND, na której na jednym z wejść znajduje się inwerter. Układ korzysta z informacji, że na segmencie b wyświetlacza panuje stan niski (segment b nie świeci), a na segmencie e stan wysoki (segment świeci, a napięcie na nim panujące jest równe 1,7V). Służą do tego układy negacji złożone z tranzystora pracującego w układzie wspólnego emitera z kolektorem spolaryzowanym do plusa zasilania. Natomiast jako końcówka bramki AND, tranzystor, na którego kolektor idzie jeden sygnał, a na bazę drugi. Typowa koniunkcja logiczna. Oczywiście jest to poprzedzone wcześniej omówionymi układami, które mają za zadanie odpowiednio wzmocnić napięciowo sygnał, a następnie go zanegować, lub nie. Na tej zasadzie działają wszystkie resetowania poszczególnych układów w zegarze.
    Przełączniki znajdujące się na tylnym panelu zegara służą do ustawiania kolejno: godzin (SW3), minut (SW2), sekund (SW1). Sekundy są jedynie zerowane, ponieważ z praktycznego punktu widzenia ich ustawianie nie ma sensu. Ustawianie wartości czasowych z elektronicznego punktu widzenia zegara, to nic innego, jak zewnętrze taktowanie danego układu licznika, z tym że tak jak jest to proste w przypadku sekund, gdzie oba układy są resetowane za pomocą sumatora złożonego z dwóch diod (D5 i D6), to w przypadku minut i godzin wymaga odpowiedniej modyfikacji aplikacji. Przyczyną jest to, że takt jednej minuty powtarza się co 60 sekund, gdzie przez 30 na wejściu kolejnego układu panuje stan logiczny wysoki, a przez kolejne 30 niski.

    Zegarek elektroniczny

    Oznacza to, że zewnętrze ustawiania minut i godzin możliwe jest tylko wtedy, kiedy na liczniku sekund jest wartość od 31 do 59sekund. Aby zniwelować to niepożądane zjawisko, między wyjściem taktującym jednego układu, a wejściem kolejnego znajduje się kondensator, który stanowi przerwę dla prądu stałego, jednak w pierwszej chwili przewodzi szpilkę pochodzącą z sygnału wysokiego każdego taktu. Dzięki temu przez cały czas można zewnętrznie taktować dany wyświetlacz, co jest po prostu ustawianiem wartości czasu (minut i godzin). Rolę tą spełniają kondensatory C4 i C2, natomiast szeregowo połączone z nimi diody D4 i D2 mają za zadanie nie przepuścić na wyjścia układów stanu wysokiego panującego w czasie ustawiania czasu, bo takie impulsy mogły by je uszkodzić. Rezystor R4 i R8 służą do rozładowania pojemności złącza p-n wspomnianych diod.
    Jak widać, nawet w pozornie prostym układzie, jakim jest zegar, kwestia rozważenia wszystkich niesprzyjających efektów, których przejawem było by nieprawidłowe działanie układu, nie jest tak intuicyjna jak mogło by się wydawać. Dodatkowym problemem są drgania styków, które objawiają się kilkukrotnym przetaktowaniem zegara po pojedynczym naciśnięciu przycisku. Rozwiązaniem jest kondensator (C1, C3, C5), który podczas naciskania przycisku ładuje się, a po osiągnięciu stanu wysokiego panuje na nim przez chwilę, eliminując drgania styków.
    Aplikacja zegara nie jest niepotrzebnie rozbudowana przez zastosowanie scalonych liczników z dekoderami (CD4033), które oprócz tego, że zmniejszają gabaryty układu przez mniejszą ilość układów scalonych, oraz obniżają koszty, posiadają wiele przydatnych funkcji, których część została wykorzystana w aplikacji. Zaczynając od pierwszego pina układu:

    1. CLOCK - wejście służące do taktowania
    2. CLOCK INHIBIT - zatrzymanie taktowania, przez spolaryzowanie pinu z plusem zasilania. Standardowo do masy.
    3. RIPPLE BLANKING IN - spolaryzowanie do plusa powoduje, że podczas liczenia, zero nie jest wyświetlane. Standardowo do masy.
    4. RIPPLE BLAKING OUT - stan wysoki w czasie wyświetlania zera.
    5. CARRY OUT - stan wysoki pojawiający się po każdym cyklu liczenia. Wykorzystuje się go do taktowania kolejnego układu.
    6. Segment f
    7. Segment g
    8. Vss - minus zasilania
    9. Segment d
    10. Segment a
    11. Segment e
    12. Segment b
    13. Segment c
    14. LAMPTEST - po spolaryzowaniu do plusa wszystkie segmenty świecą. Standardowo do masy.
    15. RESET - zeruje dowolną wskazywaną cyfrę do zera po spolaryzowaniu do plusa zasilania. Podczas pracy powinien być połączony do masy. Wiszący luźno, nie podłączony do niczego powoduje nieprzewidziane resetowanie układu przez czynniki zewnętrzne.
    16. Vdd - plus zasilania, katalogowo napięcie zasilania od 3V do 18V.
    Układ obsługuje wyświetlacze ze wspólną katodą.


    Fajne!
  • Arrow Multisolution Day
  • Arrow Multisolution Day
  • #3 24 Sty 2016 13:52
    Joker2
    Poziom 23  

    W sklepie elektronicznym Maxtronic u mnie w Częstochowie. Z tym, że to było około 5 lat temu. Pozdrawiam

  • #5 24 Sty 2016 20:19
    janek1815
    Poziom 38  

    Trochę platanina kabli ale inaczej tutaj się tego nie da zrobić. Ach przypomniała mi się konstrukcja miernika częstotliwości na dwudziestu kilku cmosach. Teraz wiadomo można wszystko zrobić na jednym atmelku. Gratuluję samozaparcia w konstruowaniu tego zegarka. Budowaleś teraz czy 5 lat temu?

  • #6 24 Sty 2016 20:48
    Christophorus
    Poziom 41  

    Plątaninę kabli można wyeliminować projektując odpowiednie płytki drukowane połączone goldpinami. Trzeba trochę czasu stracić na projekt płytki, ale później oszczędzamy czas przy montażu całości. Zastosowanie czerwonego filtru na wyświetlacze poprawiło by wygląd z przodu zegara i poprawiło czytelność odczytu wskazań.

  • #7 24 Sty 2016 20:59
    Joker2
    Poziom 23  

    janek1815 napisał:
    Trochę platanina kabli ale inaczej tutaj się tego nie da zrobić. Ach przypomniała mi się konstrukcja miernika częstotliwości na dwudziestu kilku cmosach. Teraz wiadomo można wszystko zrobić na jednym atmelku. Gratuluję samozaparcia w konstruowaniu tego zegarka. Budowaleś teraz czy 5 lat temu?


    Nawet ten miernik częstotliwości posiadam (PFL-34). Ogólnie mam jeszcze sporo sprzętu ZOPANa i go bardzo cenię ze względu na parametry, które potrafi niezmiennie trzymać przez 30 lat i dłużej.
    Budowałem zegarek jakieś 5 lat temu. Kończyłem wtedy pierwszy rok studiów i nie znałem ani procesorów ani innych niż PCB Express programów do rysowania schematów. A wystawiam w DIY, aby pokazać, że bez procesora można i dzisiaj zbudować jakieś proste urządzenie.

    Pozdrawiam

  • #8 24 Sty 2016 21:10
    Christophorus
    Poziom 41  

    Wiele lat temu zbudowałem analogowy zegar cyfrowy. To była karkołomna konstrukcja zbudowana w oparciu o około 30 układów cyfrowych TTL. Aż dziwne było, że zegar zadziałał od pierwszego włączenia bez większych problemów. Płytki drukowane projektowane na papierze z drukarki. Diody LED rozmieszczone na okręgach za pomocą cyrkla i kątomierza.

  • #9 25 Sty 2016 15:42
    pawel1029384756
    Poziom 20  

    Zawsze podobają mi się takie projekty, nawet kiedyś jeden taki wykonałem, ale ostatecznie został on tylko w strefie wirtualnej, bo jakoś nie było czasu na montaż tego wszystkiego. Na pewno zaprojektowanie płytek na komputerze poprawił by estetykę i bezawaryjność urządzenia, ale czasem dobrze jest udowodnić, że stare metody też są skuteczne.

  • #10 25 Sty 2016 20:03
    Christophorus
    Poziom 41  

    Tu nie chodzi tylko o estetykę wnętrza urządzenia, którą także mój zegar nie grzeszy. Projektując płytki łączone złączami mamy szybszy, wygodniejszy i łatwiejszy montaż całości. Gdybym raz jeszcze miał projektować płytki do mojego zegara to była by to prawdopodobnie jedna duża płytka drukowana. Tego rodzaju konstrukcje pomimo stosowania starych rozwiązań konstrukcyjnych bardziej zwracają na siebie uwagę niż zegar na kolejnej "atmedze" z wyświetlaczem LED.