Konstrukce - CMOS hodiny

Klasické zapojení CMOS hodin s atypicky řízeným oscilátorem


Popis

Přes dostupnost nabídky v obchodech jsou stále oblíbené konstrukce obyčejných digitálních hodin. Je to obyčejná výzva, jestli koupit nebo v podstatě za stejnou cenu udělat jen tak. Většina schémat, které jsem nalezl, používala klasické IO, případně obvody CMOS, ale s použitím zbytečně velkého počtu doplňkových hradel. Největším problémem je, mimo nulování v daném čase, jeho nastavování. Při použití běžných neošetřených tlačítek dochází k řadě zákmitů, naopak při ošetření jejich kontaktů hradly se zbytečně zvyšuje počet IO nutných k postavení hodin.

Dále uvádím příklad hodin, postavených s využitím moderních CMOS obvodů s minimem součástek a s elegantním způsobem nastavení. Případné zájemce o DPS zklamu, zapojení jsem realizoval na univerzální DPS. 

Technické parametry

Oscilátor - popis funkce

Řada CMOS obsahuje několik obvodů přímo použitelných ke stavbě hodin. Patří sem 4536, programovatelný dělič kmitočtu s celkem 24 stupňovým čítačem. Dělicí poměr se nastavuje pomocí vstupů A, B, C, D; přičemž další vstup BI přidává / ubírá další 8 stupňový dělič. A právě tyto vstupy jsou klíčem k úspěšnému a jednoduchému nastavování. Pokud je připojíme přes odpory  na +Ucc a vnutíme jim úroveň log.H, pak připojením pomocí přepínače či tlačítek na zem se mění dělicí poměr obvodu a tím i výstupní frekvence bez jakýchkoliv škodlivých zákmitů. S obvodem je často udáván jeden omezující údaj – použitelný kmitočet maximálně 500 kHz. Tento údaj se ale vztahuje k vnitřnímu hradlu při použití RC oscilátoru, nikoliv na běžný provoz s externím zdrojem signálu.

Při použití běžného krystalu 4.194304 Mhz se např. základním nastavením logických hodnot na vstupech  A až D docílí výstupní frekvence 1 Hz. Po jejím dělení 60 obvodem 4566 dostáváme minutové impulsy. Nastavení správného času na hodinách je řešeno otočným přepínačem 4x 4 polohy se stavy – normální provoz – stop - nastavení minut – nastavení hodin. Při nastavení hodin je dělicí poměr změněn na 2048, na výstupu je 2048 Hz a zvyšuje čítač hodin o jednu za 2 sekundy, při nastavení minut je dělicí poměr 131 072 s výstupem 32 Hz, frekvence změny je pak 1 minuta za 2 sekundy.Po přepnutí na normální provoz základna pracuje s frekvencí 1 Hz. 

Tabulka uvádí dělicí poměry a frekvence pro daný stav na vstupech A až D integrovaného obvodu 4536

2n

Dělicí poměr

Kmitočet

A

B

C

D

Poznámka

11

2048

2048

0

1

0

0

f = 2048 Hz pro nastavení hodin

17

131072

32

0

0

0

1

f = 32 Hz nastavení minut

22

4194304

1

1

0

1

1

f = 1 Hz standardní čas

Realizace

Zapojení jsem realizoval na desce univerzálního plošného spoje, jde o nefalšovaný bastl, prostě se mi nechtělo navrhovat oboustranný plošný spoj. Takže se smiřte s relativně nevzhlednou, leč několik let plně funkční konstrukcí, je zobrazena na následujících dvou fotografiích včetně zdroje.

Rovněž tak malinkatý spínaný zdroj napětí 5 V s obvodem 34063 ve standardním zapojení podle výrobce byl realizován na univerzální desce. Je použito síťové trafo 2,5 W / 12 V, výstupní napětí je 5 V, při trvalém provozu zůstává chladné, téměř se nehřeje.

Dále uvedené zapojení včetně schémat je bez záruky, přece jen předpokládám, že když se do konstrukce někdo pustí, bude vědět o čem je řeč. Každopádně je vhodná znalost základních obvodů číslicové techniky (čítače, hradla, ...) a dále práce s obvody CMOS. 

Osobně jsem volil pro integrované obvody objímky z jednoduchého důvodu, nemám mikropájku s možností uzemnění, ani vodivou pracovní podložku k odvedení statické elektřiny. 

Jinak při pečlivé práci má číslicová technika výhodu ve fungování na první zapojení. Je samozřejmě vhodnější použít tenčí provedení vodičů, přece jen se silnější typy špatně provlékají mezi objímkami integrovaných obvodů. Ještě musím podotknout, že použité displeje jsou staršího typu "ze šuplíku", takže vypadají, jak vypadají. Dneska bych použil typy s větším rozměrem a nádherně tlumeným svitem segmentů.

Schéma zapojení

Snad jen pár slov hodinám a jejich resetu při stavu 24:00 nebo 12:00. Většina zapojení, které jsem našel, používá reset k nulování všech čítačů, navíc s použitím řady hradel. Za prvé, nulovat čítače minut je zbytečné, rovněž tak pracně vytvářet obvod resetu pro přechod 59 – 60, protože obvody 4566 obsahují dva samostatné čítače s přímým čítáním do 50 nebo 60 bez dalších prvků. Dále obsahují dvouvstupový obvod s výstupem generujícím nulovací impuls. Nulovací impuls je generován ve dvou případech a) sestupnou hranou na B, pokud A je na úrovni H; b) vzestupnou hranou na A, pokud B je na úrovni L.

Pro nulování v režimu 24 nebo 12 hodin pak stačí doplnit jediný invertor a využít vlastnosti tohoto obvodu. Pro situaci, kdy oscilátor s kmitočtem nad 500 kHz nelze postavit s využitím hradla obsaženého v 4536 (podle výrobce) je stejně potřeba minimálně dvou invertorů pro oscilátor. A další zůstávají volné. Ve schématu je jeden využit pro reset, další pro LED indikující sekundy a poslední pro zhasínání desítek hodin při stavu 0.

Vývod pro segment f obvodu 4543 je použit ke zhasínání nepodstatné nuly. Při sepnutí (segment svítí) je na jeho výstupu napětí 2,4 V, při zhasnutí 5,0 V (napájecí napětí 5,0 V). Na vstupu řízení displeje potřebujeme úroveň H pro zhasnutí a L pro rozsvícení znaku. Dvě diody v sérii zajišťují úbytek napětí 1,2 V, tím se dostáváme na log. L a po negaci invertorem nula zhasíná. Pro čísla 1 a 2 je segment f nepoužit a log. úroveň H po negaci rozsvěcí daná čísla.

Ve schématu jsou vypuštěny klasické omezující odpory pro jednotlivé LED segmenty, předpokládám, že jejich doplnění není žádný problém.

Seznam součástek

 

Polovodiče
2x CMOS 4011
1x CMOS 4536
3x CMOS 4566 
4x CMOS 4543
4x LED displej libovolný se společnou anodou
Odpory (miniaturní)
28x 680 ohmů
6x 4k7
1x 10k
1x 10M
Kondenzátory
1x 22 pF keramický miniaturní
1x kondenzátorový trimr 5 - 60 pF
Ostatní součástky
1x Krystal 4.194.304 Hz
1x Otočný přepínač 3x 4 polohy

 


Home