Predstavljen izdelek je ura tradicionalne oblike, izdelana s standardnimi CMOS vezji, katerih ni potrebno programirati. Ure in minute prikazuje na krožnici, za prikaz sekund pa skrbita dva 7-segmentna prikazovalnika
Uvod
Namen ure je vsem jasen: kolikor je mogoče točno merjenje in prikaz časa. Včasih pa ima ura še dekorativno funkcijo. V nadaljevanju opisana ura vsebuje vse našteto. Morda ni najlepša, je pa zagotovo ena bolj redkih izdelkov take vrste.
Razdeljena je v pet sklopov: napajalni del, generator 1s (1Hz), del za sekunde, del za minute in del za ure.
Napajalni del
Slika 1 prikazuje napajalni del, ki ima dva vhodna priključka. Eden je namenjen za priklop glavnega napajanja iz adapterja 230VCA/12VDC/200mA. Drugi priključek je namenjen za priklop pomožnega napajanja, katerega predstavlja 9V baterija. Diodno vezje v napajalnem delu skrbi za onemogočanje baterijskega napajanje ob delovanju glavnega napajanja in za preprečitev priklopa višje napetosti na baterijo.
Ta vsebina je samo za naročnike
Generator 1 Hz
Generator 1 Hz je izdelan s pomočjo kristalnega oscilatorja, ki niha na osnovni frekvenci 4,194304 MHz. To frekvenco z vezjem 4521 delimo z 222, ter tako dobimo 1 Hz. Taka rešitev ima kar nekaj dobrih lastnosti, med katerimi je najpomembnejša stabilnost frekvence, katero zagotavlja temperaturna in časovna stabilnost nihanja kristala. Ker pa tudi frekvenca oscilatorja ni popolnoma natančna, sta poleg oscilatorja vezana še dva spremenljiva kondenzatorja, ki omogočata točno nastavitev. V nekaterih primerih zadostuje že en sam, zato priporočam, da se vstavi samo Ctri1 in se z njim poizkuša nastaviti natančno frekvenco. Del generatorja je tudi LED 1, ki je v vezju opcijsko, utripa pa s frekvenco 2 Hz.
Del za sekunde
Štetje sekund in desetic sekund se vrši s pomočjo integriranih vezij 4026, ki vsebuje delilnik z deset in gonilnik za 7- segmentni LED prikazovalnik. V tem delu je uporabljenih še nekaj elementov, katerih namen je resetiranje desetic sekund po preteku 60 sekund. Vhod v vezje je 1 Hz, izhod, ki gre na naslednji del (del za minute), pa je izpeljan iz priključka za prenos vezja za štetje desetink sekund. Prikaz sekund je izvedeno z dvema 7 segmentnima LED prikazovalnikoma s skupno katodo, ki sta na vezje 4026 priključena preko zaščitnih preduporov. Tip prikazovalnika je skoraj nepomemben; pomembno je, da fizično ustreza tiskanini in da ima skupno katodo. Vezje na sliki 2 prikazuje generator 1 Hz in del za sekunde.
Del za minute
Vhod za minute je prenos iz dela za sekunde, poleg tega pa je možno minute nastavljati tudi s posebno tipko in sicer s hitrostjo ena minuta/sekundo. Zaradi uporabljenih logičnih vezij je nastavljanje minut možno le med 51 in 60 sekundami.
Štetje minut se vrši z uporabo dveh 7 bitnih števcev/deliteljev, ki s svojimi izhodi krmilita dva 8 kanalna multiplekser/demultiplekserja. Prikaz minut je izveden z LED-icami, ki so shematično razdeljene v vrstice in stolpce, katere krmilita že prej omenjena demultiplekserja. Nekaj dodatnih vrat skrbi za resetiranje po 60. minutah. Vklapljanje LED-ic se vrši z ustreznimi kombinacijami stanj obeh demultiplekserjev, od katerih eden sklaplja + napajanje, drugi pa maso preko ustreznih preduporov za omejitev toka skozi LED-ice. Vezavo števcev in mrežo za prikaz minut prikazujeta sliki 3 in 4.
Del za ure
je prikazan na sliki 5. Štetje ur se izvaja s pomočjo binarnega števca 4024. Ker je le 12 ur, so iz tega števca uporabljeni prvi štirje izhodi, ki ob pomoči enega negatorja in dveh BCD/desetiških dekoderjev krmilijo 12 LE diod, razporejenih po zunanji strani ure. Števec 4024 se resetira po dvanajstih periodah. Prikaz ure je možno nastavljati s tipko s hitrostjo ene ure/sekundo.
Varčno delovanje
Varčen način delovanja se izvaja ob izpadu glavnega napajanja. Njegova namen je, da se merjenje časa še vedno izvaja, izklopi se le prikaz. Ker je logika narejena s CMOS vezji, se poraba energije močno zmanjša (tok znaša okoli 2mA). Za izklop prikaza so uporabljeni trije tranzistorji, ki delujejo kot stikala; ko je glavno napajanje prisotno, so tranzistorji odprti, sicer pa so zaprti in s tem onemogočijo prikaz. Pomožno napajanje je izvedeno z uporabo 9V baterije.
Vezava je sicer funkcionalna, prihaja pa do preskokov ur in minut pri preklopu iz enega na drug način napajanja. Vzrok za to so verjetno napetostne konice, rešitev z gladilnimi kondenzatorji, vstavljenimi v napajalne linije pa še ni 100%.
Tiskano vezje
Tiskanina je dvostranska. Posamezno stran prikazujeta sliki 6 in 7, razporeditev elementov pa prikazuje slika 8. Zunanji premer ploščice je 26 cm (razdalja med zunanjimi priključki za priklop urnih LED-ic je 260,033mm) na katerem obodu sta dve krožnici. Zunanja predstavlja številčnico za uro, kjer so LED-ice razporejene na vsakih 30°. LED-ice za uro imajo katode obrnjene navzven.
Notranja krožnica je namenjena za LED-ice za minute, razporejene pa so na vsakih 6°, vse njihove katode pa so obrnjene navznoter plošče. Ostala elektronika je skupaj z obema prikazovalnikoma nameščena znotraj krožnice za minute. V originalni izvedbi so tako LED-ice, prikazovalniki, integrirana vezja in ostali elektronski elementi nameščeni na isti strani tiskanega vezja, tako da so vsi elementi vidni.
Izkušeni graditelji elektronskih vezij že vedo, za začetnike pa namig: zaradi dvostranske tiskanine, ki se sicer lahko izdela v domači delavnici, je potrebno na nekaterih mestih povezati obe bakreni strani. Sam sem to naredil s spajkanjem elementov, če je bil tam vstavljen, sicer pa z žičko (npr. od odščipnjene žice upora, diode…) katero se prispajka na obeh straneh.
Boljša varianta kot domača izdelava pa je nabava/naročilo tiskanega vezja pri profesionalnih izdelovalcih. Možnosti je več, zaradi velikosti TIV pa je cena kar omembe vreden dejavnik, po katerem izberemo pravega.
Pri izbiri LED-ic še opozorilo. Za prikaz ur in minut je smiselno izbrati diode s približno enako svetilnostjo. V nasprotnem primeru lahko presvetla dioda zaslepi opazovalca in »preglasi« sosednjo, manj svetlo LED-ico.
Testiranje, vgradnja v ohišje
Ko je vezje sestavljeno, se lahko začne testiranje. Sam sem testiranje izvajal v etapah. Prvi korak je testiranje napajalnika, ko v podnožjih ni nobenega IC-ja. Če na vhod za +12V priklopimo napetost od 9 do max. 15V, se nekoliko nižja napetost pojavi na vseh VDD priključkih integriranih vezij.
Nato sem v podnožja vstavil IC 10 (4521). Če je v vezje vstavljena LED1 (v nekaterih primerih je njeno utripanje moteče, je pa dobrodošla ob prvem priklopu vezja), le-ta utripa s frekvenco 2 Hz.
Sledi vstavljanje IC 1 in IC 2 (4026). 7 segmentna prikazovalnik bosta štela od 0 do 99, kar pa se spremeni, ko v vezja damo tudi IC 3 (4081). Ta skrbi, da se števec, ki šteje desetice sekund, ob prehodu iz pet na šest resetira. Tako je doseženo štetje od 00 do 59.
Za prikaz minut je potrebno v vezje vstaviti IC 4 do IC 8 ter IC 13. Če je vse v redu, bi se morale diode prižigati v vrstnem redu vsako minuto. Nastavljanje minut pa zaradi logike ni možno ves čas; s tipko T2 je nastavljanje možno le v času, ko sekunde kažejo med 51 in 59 sekund. Če je tipka pritisnjena, se sekunde premikajo s hitrostjo 1 minuta/sekundo. Hitrejše premikanje se lahko doseže, če se tipko hitro pritiska.
Ostalo je še testiranje ur. Prikaz se začne, ko v vezje vstavimo še manjkajoče IC-je: IC 9, 11 in 12. Nastavljanje ur se lahko vrši ves čas, postopek pa je podoben kot pri nastavljanju minut.
Nekaj več problemov se lahko pojavi pri nastavitvi točne frekvence. Za to potrebujete kakšen točen števec ali merilnik frekvence (osciloskop -vsaj analogni – ni najboljša rešitev). Sam sem frekvenco s pomočjo trimer kondenzatorja nastavljal na pinu 12, kjer je frekvenca 4 Hz ali na pinu 11 (8 Hz) oziroma pinu 10 (16 Hz). Tukaj je potrebno povedati, da četudi nastavite frekvenco na 4 decimalna mesta natančno, je prehitevanje/zaostajanje ure na mesečnem nivoju kar opazno (trideset dni ima 2.592.000 sekund, in če se pri eni zmotimo za tisočinko, se to po enem mesecu kar konkretno pozna).
Še en problem je smiselno omeniti. V teoriji preklop med normalnim in varčnim delovanjem deluje, v praksi žal ne vedno. Ko se vršijo preklopi med enim in drugim načinom napajanja, lahko sekunde in/ali minute in/ali ure »preskočijo«. Rešitev bi bila morda uporaba dušilk ali večjih elektrolitov, ki bi preprečili hitre prehode.
Zaključek
Predstavljena ura je narejena iz diskretnih elementov, brez mikrokontrolerjev in brez potrebe po programiranju. Izdelavo ohišja prepuščam domišljiji izdelovalcev. Videl sem kar veliko oblik ohišja. Pri vseh pa so uporabniki v ohišje vstavili in »skrili« le diode za prikaz ur in minut, medtem ko je bila elektronika v vseh primerih vidna.
Če boste uro naredili, morda res ne boste imeli najbolj točnega merilnika časa na svetu, boste pa eden redkih, ki ima tako izvedbo.
Avtor: Nikolaj Potočar, Niko.Potocar@gmail.com
2021/295
