Об электронных часах на микромощных интегральных схемах

Отклики читателей на статью Электронные часы, на микромощных интегральных схемах (ВРЛ № 72) показали, что данная публикация вызвала большой интерес. Однако при повторении конструкции часов у радиолюбителей возникло много вопросов и пожеланий, на которые мы постараемся ответить.

Многие читатели интересуются, нельзя ли присоединить к корпусу входы С микросхем D4, D6, D7, D8, как это сделано для микросхем D2 и D3. Входы С предназначены для управления полярностью семисегментных кодов, формируемых выходными дешифраторами счетчиков. При С = 0 команды включения сегментов формируются в положительной полярности, а при С = 1 — в отрицательной. Так как в данной конструкции выходы дешифраторов соединены с сегментами индикаторов, через инвертирующие буферные каскады, то для правильного функционирования часов необходимо на входы управления D4, D6, D7 и D8 подать С = 1, т. е. напряжение питания. При этом светящемуся сегменту индикатора соответствует уровень нуля на выходе дешифратора и, наоборот, несветящемуся сегменту соответствует уровень единицы. При неправильном подключении входов С на индикаторах будут засвечены сегменты, которые при отображении данной цифры должны быть погашены. Например, при отображении цифры 0 будет светиться только сегмент G.

В принципе на индикаторы вместо U2 = 23 В можно подать пониженное напряжение U—U1. При этом сегменты присоединяются к выходам дешифраторов без буферных каскадов и схема существенно упрощается. Однако яркость свечения индикаторов падает, но, как показывает практика, она остается достаточной для использования часов при нормальных условиях освещения. В этом случае на входы управления С микросхем D4, D6, D7 и D8 необходимо подать нулевой потенциал.

Счетчики D2 и D3 просчитывают соответственно единицы и десятки секунд. Так как в описанных часах отсчет секунд не выводится на индикаторы, то входы управления С этих микросхем можно присоединить к любому потенциалу, например к нулевому. При необходимости отображения на индикаторной панели секунд на входы С микросхем D2 и D3 следует подать напряжение питания.

Радиолюбители интересуются возможностью замены микросхем и транзисторов на другие типы. Микросхемы, аналогичные К176ИЕЗ, К176ИЕ4, К176ИЕ5, в настоящее время в составе других серий не выпускаются. Микросхему К176ЛА7 можно заменить на 164ЛА7, К561ЛА7 или 564ЛА7. Буферные каскады могут быть выполнены на п-р-п транзисторах следующих типов: КТ301А—Ж; FT312B; КТ315А—Е; КТ340Б; КТ342А,Б; КТ358Б и т. д.

Много вопросов касается выбора частоты кварцевого генератора, его стабильности, подстройки и возможности использования генераторов, работающих на других частотах. В описываемых часах использован кварцевый генератор с частотой 215 = 32768 Гц. Собранный по приведенной схеме кварцевый генератор с применением деталей с малой температурной зависимостью работает надежно и обеспечивает стабильность порядка ± (0,2—0,6) с в сутки. Подстройка частоты генератора может производиться изменением емкости конденсатора С2. С уменьшением емкости этого конденсатора частота может быть увеличена на несколько герц.

Если, например, собственная частота резонатора равна 32766Гц, то, уменьшая емкость конденсатора С2, можно сделать ее равной точно 32768 Гц. Устойчивость колебаний генератора и форма импульсов определяются конденсатором С1.

Задающий генератор на микросхеме К176ИЕ5 можно выполнить иначе. На рис. 1 в качестве примера приведена схема генератора, используемая в ряде электронных часов, выпускаемых промышленностью. В состав микросхемы. КД76ИЕ5 кроме логических ячеек, используемых в генераторе, входят два последовательно соединенных делителя частоты. Структурная схема данной микросхемы приведена на рис. 2. Коэффициент деления первого делителя 29 == = 512, а второго, который, в свою очередь, состоит из двух делителей, составляет 26 = 25-2 = 32-2. Выход первого делителя (вывод 1) обычно соединяют со входом второго (вывод 2). На выходах второго делителя формируются односекундные импульсы — на выводе 5 в случае использования кварцевого резонатора с частотой 215 = 32768 Гц или на выводе 4 в случае использования частоты 214= 16384 Гц. Используя данную микросхему и другие из серии К.176, например двоичные (К176ТМ2, К176ИЕ1, К176ИЕ2) или десятичные (К176ИЕ4, К176ИЕ8) делители частоты, можно получить односекундные импульсы при наличии кварцевых резонаторов других частот.

При этом величина собственной частоты кварцевого резонатора должна быть не более 1 МГц и равна произведению сомножителей типа 2™-10т, где п и т>0 — целые числа. Так, например, для частоты 51,2 кГц = 29 X X Ю2 Гц может быть построен делитель, схема которого изображена на рис. 3.

Для частоты 100 кГц = 105 Гц на рис. 4 в качестве примера приведены схемы двух вариантов делителей. Кварцевый генератор выполнен в виде несимметричного автоколебательного мультивибратора на логических ячейках типа 2И-НЕ, а делители частоты — на основе декадных счетчиков К176ИЕ4 или К176ИЕ8.

В описанных часах секундные импульсы выведены на индикатор в виде мерцающей точки между второй и третьей цифрами, т. е. между индикатором единиц часов и десятков минут. Для этого секундные импульсы (а0) с вывода 5 микросхемы D1 через буферный транзистор V25 поданы на вывод 6 (А0) индикатора НЗ. Чтобы вывести отсчет секунд на блок индикации, необходимо использовать не показанные на схеме дешифрирующие выводы счетчиков D2 и D3 (рис. 5). Схемы включения индикаторов Н5 (единицы секунд) и Н6 (десятки секунд) соответственно аналогичны схемам включения HI и Н2. При этом входы управления С счетчиков, как показано выше, необходимо присоединить к источнику питания U1.

Наибольшее число вопросов, полученных редакцией, касается применения часов в режиме будильника. Для реализации этого режима необходимо использовать преобразователь семисегментового кода в позиционный код, устройство набора времени и управляемый генератор низкой частоты с нагрузкой в виде малогабаритного динамического громкоговорителя. Для этого используют выводы 3 микросхем D6 и D7 в части схемы, показанной на рис. 2 п статье.

Принципы выполнения преобразователя кодов рассмотрим, используя диаграмму рис. 3, приведенную в статье. На этой диаграмме изображено распределение потенциалов на кодовых выходах счетчиков D4 (М01), D6 (М10), D7 (401) и D8 (410). При этом кодовые интервалы (0—9) счетчиков D7 и D4 на рис. 3, в показаны неточно. Вместо Ч10 и М10 следует читать Ч01 и М01. Импульс, соответствующий, например, цифре 1, может быть сформирован схемой совпадения, на входы которой поступают одновременно сигналы семисегментного кода с выходов a, b, e, f, g, а также инверсии (отрицания) сигналов с выходов с, d. Используя простейшие понятия алгебры высказываний, можно сформулировать, что для выделения этого импульса необходимо осуществить логическое умножение (конъ8юнкцию) функций a, b, e, f, g, а также инверсий функций c, d, Операция инверсии обозначается короткой чертой над знаком, например с (читается не с).

Логическое выражение для выделения цифры 1 может быть записано в следующем виде: 1 =ab с def g. Подобным образом можно записать выражения для остальных цифр. Все они в общем виде являются функциями семи входных переменных. Для дешифрации минут и часов понадобилось бы 29 таких выражений, что аппаратурно реализуется сложной схемой.

Однако преобразователь кодов можно существенно упростить. Для работы будильника вполне достаточно набирать время с точностью до 10 мин. При этом преобразователь кодов для единиц минут должен выполнять дешифрацию только одной цифры, например цифры 0. Используя семисегментную матрицу, можно в принципе отобразить 27 = 128 различных знаков. Так как реально отображаются лишь 10 знаков, семисегментный код обладает значительной избыточностью. Эта избыточность позволяет существенно упростить систему логических выражений преобразователя кодов, уменьшив тем или иным образом в каждом из них число входных переменных. При этом необходимо учитывать различие длины рабочих интервалов счетчиков. Счетчик D8 (410) работает в интервале 0—2, а счетчики D7 (401) и D6 (М10) соответственно в интервалах 0—9 и 0—5.

Так, например, для счетчиков D8, D7 и D6 упрощенные логические выражения для выделения цифры 1 приобретают соответственно вид: 14 = b4; 1 з = b3g3, 12 = b2g2- Результат подобной минимизации неоднозначен. Один из вариантов минимизированной системы выражений преобразователя кодов приведен в табл. 1. Анализ выражений показывает, что большинство их представляет собой логическое произведение двух переменных. Остальные выражения, независимо от числа переменных, могут быть путем тождественных преобразований приведены к такому же виду. Так, например, d = d-1 или afg = (af)g. В первом случае в качестве дополнительной переменной используется потенциал логической единицы, а во втором выражение (af) формируется предварительно, а потом используется в качестве одной из переменных.

Преобразователь кодов, схема которого приведена на рис. 6, может формировать в зависимости от положения устройства набора сигналы длительностью в одну минуту через 10 мин в интервале времени от 00 ч до 23 ч 50 мин. Преобразователь реализован на логических ячейках 2И-НЕ микросхемы К176ЛА7 (D12—D15) и 9И микросхемы К176ЛИ1 (D16). Устройство набора времени может быть выполнено на основе переключателей типа П2К с зависимой фиксацией, шагом 10 мм, содержащих кнопки с двумя группами переключения. При этом переключатели 410, 401 и М10 должны иметь соответственно 3, 10 и 6 кнопок. Кроме того, устройство набора может быть выполнено на основе малогабаритных галетных переключателей. На рис. 6 контакты устройства набора установлены в такое положение, чтобы звуковой сигнал был включен в 06 ч 30 мин. При наступлении заданного момента времени на все входы схемы логического умножения D16 подается уровень 1. При этом на выходе D16 также появляется уровень 1.

В разрыв цепи, соединяющей вывод 11 микросхемы D10.3 и вывод 1 микросхемы D11.1 (см. рис. 4 статьи), устанавливается переключатель S3 для выбора режима работы блока БЗ. В положении I схема работает в режиме будильник, а в положении 2 — в режиме бой.

В режиме бой схема работает, как описано в статье. В режиме будильник разрешающий потенциал с выхода D16 через переключатель 55 подается на мультивибратор D11.1—D11.2. Кроме сигналов преобразователя кодов на вход D16 поданы также секундные метки ао с выхода делителя D1. Поэтому сигнал будильника представляет собой тон 800 Гц, модулированный одногерцовыми импульсами. Через одну минуту после включения звукового сигнала изменяется распределение потенциалов на выходе дешифратора D4 (единицы минут), совпадение единичных потенциалов на входах D16 исчезает, и звуковой сигнал выключается.

Согласующий каскад V26, приведенный на рис. 4 статьи, в целях повышения надежности целесообразно выполнить но иной схеме, подав на него напряжение питания U2. В этом случае при включении звуковой сигнализации не нагружается маломощный стабилизированный источник напряжения U1. Тумблер S3, предназначенный для выключения звуковой сигнализации, в данном случае целесообразно установить в цепях мультивибратора.

В заключение следует указать на несколько неточностей в принципиальной схеме (см. рис. 2 статьи). Индикатор Н4, предназначенный для отображения десятков часов (Ч10), воспроизводит только цифры 0, 1, 2. Поэтому, как можно видеть на рис. 3, его сегменты В4, Е4 и F4 переключаются одновременно и могут поэтому быть соединенными между собой и управляться через соответствующий ключ одним из выходов дешифратора D8, например выходом В4. На рис. 2 сегмент F4 следует соединить с Е4 и В4 и не выводить отдельным проводом. Кроме того, в проводной шине, соединяющей выходы буферных каскадов со входами управления индикаторов, пропущен провод ЕЗ и ошибочно вставлен провод С4. Дело в том, что сегмент С4 индикатора Н4 соединяется с источником U2 через резистор R56 и светится постоянно.