Электронные часы на микромощных интегральных схемах

Широко распространенные микросхемы серий К155 и К133 имеют существенный недостаток — сравнительно большую потребляемую мощность. В связи с этим устройства, собранные на этих микросхемах, нельзя питать от малогабаритных гальванических батарей и аккумуляторов. В электронных часах с питанием от сети усложняется построение цепей резервного питания, предотвращающего сбои в ходе часов при временных выключениях напряжения электросети. Кроме того, микросхемы названных серий имеют сравнительно невысокую степень интеграции и поэтому для реализации конкретных конструкций требуется достаточно большое число корпусов.

Ниже описаны электронные часы, собранные на микромощных элементах повышенной степени интеграции-—серии КД76. Все пересчетные элементы часов могут питаться или от выпрямителя, или от маломощного источника напряжением 9В (батареи Крона, двух батарей-3336Л, аккумулятора 6Д-0Д и т. д.) Индикаторы питаются только от выпрямителя. Таким образом, при перерывах в работе сети индикация выключается, а счет времени продолжается. Это наряду с простотой реализации, является существенным достоинством предлагаемой схемы.

Часы обеспечивают отсчет времени с точностью до одной минуты при нестабильности хода ±0,2 с в сутки. Для отсчета времени применены девятисегментиые вакуумные индикаторы типа ИВ-3, однако можно использовать и другие, например ИВ-6 или ИВ-12. Существенным преимуществом этих индикаторов по сравнению с широко распространенными газоразрядными индикаторами ИН является то, что все их аноды — сегменты расположены в одной плоскости и угол обзора индикатора достигает 130—150°. Общая мощность, потребляемая часами, не превышает 0,8 Вт, а при отключении индикации в режиме питания от батареи — не более 0,05 Вт.

Структурная схема часов приведена на рис.1. Кварцованный задающий генератор ЗГ, выполненный совместно с многоразрядным делителем частоты, формирует импульсы с частотой следования 1 Гц. Эта частота понижается последовательно включенными счетчиками секундных С , минутных М и часовых Ч импульсов. Коэффициенты пересчета этих счетчиков соответственно равны 60, 60 и 24. Кодовые комбинации счетчиков используют для коммутации сегментов вакуумных индикаторов блока индикации БИ, а также для управления блоком звуковой сигнализации БЗ. Блок БЗ в начале каждого часа подает звуковые сигналы (бой).

Принципиальная схема электронных часов приведена на рис. 2. Задающий генератор выполнен на микросхеме D1, в одном корпусе с двумя делителями частоты. Коэффициент деления первого Делителя равен 29, а второго — 26 Генератор с кварцем Z1 формирует последовательность импульсов частотой 215 Гц == 32 768 Гц. Эти импульсы подаются на вход 9-разрядного делителя частоты. Для образования 15-разрядного делителя выход первого делителя (9) соединяется со входом второго (10). На выходе микросхемы D1 частота генератора понижается до 1 Гц.

Счетчики секундных, минутных и часовых импульсов, выполненные в основном по однотипной схеме, состоят из декадных счетчиков D2, D4, D7 и счетчиков D3, D6, D8 с коэффициентом пересчета, равным 6. Входные импульсы подаются в этих счетчиках на входы Т , выходной сигнал снимается с выходов 10 или 6 и имеет частоту в десять или шесть раз ниже, чем на входе. Для установки делителя D1 и счетчиков в исходное (нулевое) состояние на соответствующие входы установки нуля R необходимо подать уровень логической единицы. В рабочем режиме (режиме пересчета) на этих входах должны быть уровни логического нуля.

Необходимый коэффициент пересчета счетчика часовых импульсов (24) достигается введением сигнала обратной связи, который формируется специальным дешифратором, выполненным на элементах D9.1 и D9.2.

Для этого используют дополнительные выходы микросхем (вывод 3). В счетчике D7 на дополнительном выходе в интервале чисел 9-0-1-2-3 устанавливается уровень 0, а в интервале 4-5-6-7-8 — уровень 1. В счетчике D8 в интервале 0-1 — уровень 0, а в интервале 2-3-4-5 — уровень 1. При установке счетчиков D8 и D7 соответственно в положение 2 и 4 на дополнительных выходах появляются уровни 1. При этом на входы начальной установки R счетчиков D8 и D7 через дешифратор также подается уровень 1, и последние устанавливаются в исходное (нулевое) состояние. После этого цикл пересчета повторяется.

На счетчик D6, просчитывающий десятки минут, импульсы поступают через узел, выполненный на инверторах D5.1—D5.3. Этот узел необходим для безошибочной работы часов в режиме установки точного времени. На входы инвертора D5.2 поданы взаимноинверсные импульсы со входа и выхода инвертора D5.1, при этом первый из них задержан интегрирующим RС-звеном . В статическом режиме сигнал на выходе инвертора D5.3 соответствует уровню 0. Уровень 1 на этом выходе появляется лишь, тогда, когда сигнал на входе инвертора D5.1 переходит из единичного состояния в нулевое, т. е. в момент перехода счетчика D4, просчитывающего единицы минут, из состояния 9 в состояние 0. Длительность положительного перепада зависит от параметров звена R4C4. Счетчик D6 запускается задним фронтом этого перепада.

Выключатель S1 Пуск и кнопка S2 Уст. предназначены для остановки часов, начальной установки на индикаторах точного времени и последующего запуска часов. Выключатель S1, подавая на входы R делителя D1 и счетчиков D2—D4 уровень 1, блокирует процесс счета и устанавливает их в исходное состояние. При нормальном положении кнопки S2 на тактовом входе D6 устанавливается нулевой потенциал. При нажатии и последующем отпускании кнопки S2 на входе D6 появляется сначала положительный, а затем отрицательный перепады напряжения. Цепь установки часов охватывает три счетчика D6—D8. Таким образом, нажимая и отпуская кнопку, можно установить часы на любой (с точностью до 10 мин) требуемый момент времени, Максимально необходимое число нажатий кнопки, которое может понадобиться в наиболее неблагоприятном варианте установки, равно 24 X 6— 1 = 143. При наступлении заранее установленного момента времени, например по началу шестого импульса сигналов точного времени, передаваемых каждый час по радио, необходимо нажать кнопку SL

Переключение механических контактов обычно сопровождается дребезгом. Для предотвращения дребезга контактов кнопки S2 использован специальный формирователь, выполненный в виде простого RS-триггера на двух инверторах D5.3—D5.4. Нулевой потенциал, прикладываемый при нажатии кнопки к одному из входов триггера, опрокидывает его в одну сторону, а при отпускании— в другую. При каждом срабатывании кнопки триггер реагирует только на первое ее замыкание, и последующий дребезг уже не меняет его состояния.

Кодовые двоичные комбинации счетчиков D2—D4 и D6—D8 преобразуются встроенными дешифраторами в специальный код, предназначенный для управления се-мисегментными индикаторами. В описываемых часах отсчет секунд не выводится на индикаторы, поэтому выходы дешифраторов D2 и D3 на схеме не показаны. Соответствующие выходы D4, D6—D8 обозначены последовательностью строчных букв латинского алфавита а—g с цифровыми индексами. Светящемуся сегменту индикатора соответствует уровень нуля на выходе дешифратора и, наоборот, несветящемуся сегменту соответствует уровень единицы. Для обеспечения данной полярности позиционного кода выходы управления С счетчиков D4, D6, D7 и D8 присоединены к шине питания U1. Одноименные выводы счетчиков D2 и D3 присоединены к корпусу.

Индикаторы ИВ-3 являются триодами с положительным потенциалом на сетке, величина которого должна быть равной потенциалу на светящемся аноде-сегменте Ua = U с = 20 В. Раскаленная нить прямого накала (Uн = 0,85 В; Iн = 50 мА) испускает электроны, которые бомбардируют покрытые слоем люминофора аноды. Аноды под воздействием потока электронов светятся зеленым светом. Для управления индикаторными лампами используют специальные буферные каскады, которые согласуют выходы дешифраторов со входами индикаторов и формируют необходимые перепады напряжений.

Эти каскады выполнены на основе транзисторных сборок К1НТ661А. Каждая сборка состоит из четырех высоковольтных транзисторов, включенных по схеме с общим эмиттером. Могут быть использованы и каскады на основе обычных транзисторов, например КТ315. Принцип синтеза цифр в семисегментном коде иллюстрируется рис. 3. На рис. 3, а приведена семисегментная матрица. Ее отдельные сегменты, соответствующие определенным выходам дешифраторов D4, D6—D8, обозначены последовательностью прописных букв латинского алфавита (А — G). Здесь же приведены номера выводов, которые соответствуют данным сегментам в де-вятисегментном индикаторе ИВ-3. Два сегмента данного индикатора, представляющие собой диагонали верхнего и нижнего квадратов матрицы, в данной схеме не используются. На рис. 3, б приведена конфигурация цифр 0...9, выраженная в семисегментном коде.

Таков представление цифр является наиболее распространенным, хотя используются и другие начертания.

Исходя из того, что светящемуся сегменту индикатора соответствует уровень 0 на выходе дешифратора, а несветящемуся—уровень 1, можно рассмотреть примеры формирования отдельных цифр. Для формирования цифры 5 необходимо обеспечить уровень 1 на выводах с и f , а на остальных — уровень 0. Для формирования цифры 1 необходимо обеспечить уровень 0 только на выходах с и d , а на остальных — уровень 1. На рис. 3, в приведена диаграмма, иллюстрирующая распределение потенциалов на выходах дешифратора в процессе синтеза всей последовательности цифр в семисегментном коде. На этой диаграмме выделены рабочие интервалы счетчиков D6 и D8, просчитывающие десятки минут (Мю) и десятки часов (Ч10), а также счетчиков D4 и D7, просчитывающих единицы минут (M01) и единицы часов (4oi). Здесь же приведено распределение потенциалов на тактовых (10) и дополнительных (4) выходах счетчиков М01 и Ч10 а также на соответствующих выходах 6 и 2 счетчика М10. Дополнительные выходы обозначены латинской буквой К. с цифровым индексом. По диаграмме рис. 3, в, в частности, можно видеть, что у индикатора Ч10 сегмент С 4 должен светиться постоянно, а сегменты В4, Е4, F4 переключаются синхронно и могут поэтому быть соединенными между собой и управляться одним из выходов дешифратора D8, например выходом В4. Кроме того, сегменты В 2 и Е2 индикатора М10 также должны переключаться синхронно и могут быть соединены между собой. Это упрощает схему управления индикаторами (см. рис. 2).

Блок звуковой сигнализации БЗ в начале каждого часового интервала формирует сигнал боя. Схема блока БЗ, приведенная на рис. 4, а, реализована на логических ячейках 2И—НЕ D10—D11. Звуки боя формируются одновибратором на элементах D10.3—D10.4 с постоянной времени 3,5 с и мультивибратором на элементах D11.1— D11.2 с частотой колебаний около 800 Гц. Эмиттерный повторитель V26 служит для согласования нагрузки с выходом мультивибратора. Как следует из диаграммы, изображенной на рис. 3, е, каждый раз при переходе от одного часового интервала к другому образуется отрицательный перепад напряжения на выходе С 2 счетчика десятков минут М10. Этот перепад, пройдя через дифференцирующую цепь R57C5 и элементы D10.1 и D10.2, запускает одновибратор , который в свою очередь подает разрешающий потенциал на мультивибратор. Блок БЗ формирует звуковой сигнал частотой около 800 Гц, продолжающийся 3,5 с . Работа блока БЗ иллюстрируется диаграммами, изображенными на рис. 4, б.

Чтобы использовать блок БЗ в качестве будильника, в него следует дополнительно ввести преобразователь семисегментного кода в позиционный десятичный код и устройство набора времени.

Схема блока питания изображена на рис. 5. Выпрямленное напряжение. U2 = 23В поступает на аноды и сетки индикаторов. Микросхемы питаются стабилизированным напряжением U1 = 9,5 В.

Для питания нитей накала индикаторов используется переменное напряжение Ub = 0,85 В. Резервом служит батарея гальванических элементов Крона. В нормальном режиме работы, когда есть напряжение сети, диод V29 открыт, а диод V30 — закрыт, и батарея выключена. При отключении сетевого напряжения диод V29 закрывается, a V30 открывается, и напряжение батареи поступает для питания микросхемы.

При появлении напряжения сети функция питания микросхем автоматически переходит к блоку питания. Таким образом, случайные перерывы и броски в работе сети не нарушают отсчет времени. Гальванический элемент, который работает в данной схеме в буферном режиме, сохраняет свою работоспособность в течение длительного времени.

Трансформатор питания Т 1 выполнен на магнитопроводе ШЛ 16 X 16. Обмотки I и II содержат соответственно 2250 и 1650 витков провода ПЭВ-1 0,25, обмотка III — 360 витков провода ПЭВ-1 0,25, обмотка IV — 15 витков провода ПЭВ-1 0,56.

При условии безошибочной сборки с использованием исправных микросхем электронные часы не требуют налаживания и работают сразу после включения.