ЭЛЕКТРОННЫЕ ЧАСЫ НА ИМС МОП-СТРУКТУРЫ

May 26, 2010 by admin Комментировать »

С. Горшков

Микросхемы (ИМС) МОП-структуры отличает от других малая мощность, потребляемая от источника пи­тания. Это-то и привлекает в них создателей электрон­ных часов.

В часах, выполненных на ИМС МОП-структуры, ос­новными потребителями мощности являются индикато­ры, сами же микросхемы потребляют единицы или даже доли милливатт. В такие часы целесообразно ввести автономный источник питания (например, батарею «Кро­на» или аккумулятор), автоматически включающийся при пропадании напряжения в электросети, что обеспе­чивает безперебойную работу часов. Напряжение с авто­номного источника следует подавать только на микро­схемы, т. е. индикаторы во время отсутствия напряже­ния в сети будут гаснуть.

Ниже рассмотрены узлы электронных часов на ИМС серии К561. Микросхемы данной серии кроме микро­ваттной потребляемой мощности отличаются способ­ностью работать в широком интервале изменения питаю­щего напряжения (от 3 до 15 В), что снижает требова­ния к источнику питания и позволяет значительно его упростить.

clip_image001

Рис. 1. Принципиальная схема кварцевого генератора с дели­телем до 1 Гц

Обычные электронные часы состоят из следующих узлов: кварцевого генератора с делителем частоты, счет­чиков времени, узла индикации, будильника и блока пи­тания. В простых конструкциях счетчики времени вклю­чают в себя счетчики минут и часов. Делитель частоты в этом случае делит частоту кварцевого генератора до

1/60 Гц. В более сложных конструкциях в счетчики вре­мени могут также входить счетчики секунд и дней. При наличии счетчика секунд делитель частоты должен де­лить частоту кварцевого генератора до 1 Гц.

Схема кварцевого генератора с делителем частоты до 1 Гц приведена на рис. 1. Генератор собран на эле­ментах DL1 и D1.2. Он вырабатывает колебания часто­той 1024 кГц. Конденсаторами С2 и СЗ точно устанавли­вают частоту генератора. Делитель частоты выполнен на основе двоичных счетчиков D2, D3, обеспечивающих ко­эффициенты деления частоты, кратные 2, и счетчиков-де­лителей на 8 D4D6, которые за счет подачи сигналов с выхода «5» на входы R имеют коэффициенты деления частоты, равные 5.

С вывода 11 микросхемы D3.2 снимается сигнал ча­стотой 1 Гц, а с вывода 13 — частотой 1/4 Гц, который может использоваться для дальнейшего деления частоты до 1/60 Гц.

Кнопками S1 и S2 можно увеличить частоту выход­ного сигнала в 3200 и 100 раз соответственно. Это необ­ходимо для быстрого набора значений часов и минут при начальной установке времени или при проверке пра­вильности работы часов.

На выходе элемента D1.4 формируется сигнал будиль­ника с частотой 1 кГц, промодулированный частотой 10 Гц. Он напоминает звук механического будильника и приятен на слух.

Для получения сигнала с частотой 1/60 Гц к делите­лю частоты, изображенному на рис. 1, должен быть до­бавлен делитель, схема которого приведена на рис. 2. Этот делитель выполнен.на основе двоичного счетчика D1, в котором за счет подачи выходных сигналов через элементы D2, D3 на вход R обеспечен коэффициент де­ления 15.

clip_image002

Рис. 2. Принципиальная схема де­лителя частоты до 1/60 Гц

Двоичный счетчик D3.2 в делителе частоты до 1 Гц (рис. 1) и делитель частоты на 15 (рис. 2) имеют вхо­ды установки нуля, на которые подается сигнал с кнопки установки нуля счетчиков секунд и минут. Это необхо­димо для того, чтобы при корректировке часов по сиг­налам проверки времени, передаваемым по радиовеща­тельным станциям, первый минутный импульс (1/60 Гц) на выходе делителя частоты на 15 появился ровно че­рез 60 с после отпускания кнопки.

clip_image003

Рис. 3. Принципиальная схема счетчика секунд

Счетчики времени — десятичные. По сравнению с дво­ичными десятичные счетчики позволяют упростить узел индикации и обеспечить установку времени будильника при помощи галетных переключателей.

Схема счетчика секунд (аналогична схеме счетчика минут) приведена на рис. 3. Счетчик построен на основе счетчиков-делителей на 8 D3D5. Работает он так. Вход­ные импульсы с делителя частоты (или со счетчика се­кунд) поступают через элемент D1.1 на входы синхрони­зации микросхем D3, D4. В начальный момент, после установки счетчиков-делителей D3D5 кнопкой S1 в нулевые состояния, на выходе 5 микросхемы D3 — ло­гический 0, который поступает на разрешающий вход V микросхемы D3 и через инвертор D1.2 — на разрешаю­щий вход V микросхемы D4. В результате у микросхе­мы D3 вход синхронизации С открыт, а у D4 закрыт. При поступлении первых четырех импульсов начинает работать счетчик-делитель D3 и на его выходах 04 поочередно появляются единичные сигналы. С приходом пятого импульса на выходе 5 микросхемы D3 появляется единичный сигнал, который закрывает вход синхрониза­ции С у микросхемы D3 и открывает у D4. В результате начинает работать счетчик-делитель D4 и при поступлении следующих пяти входных импульсов на его выходах 1 — 5 по­очередно появляются единичные сигналы. С приходом десятого импульса появляется единичный сигнал на выходе 6 микросхемы D4, который поступает через элементы D1.3 и D1.4 на входы R микро­схем D3, D4 и устанав­ливает их в нулевые состояния. Далее про­цесс счета единиц се­кунд (минут) повторяется. Счет десятков секунд (минут) осуществляется счетчиком-делителем D5, на вход син­хронизации С которого поступают импульсы с выхода переноса Р микросхемы D3. За счет подачи сигнала с выхода 6 через элементы D2.1 и D2.2 на вход R коэффи­циент пересчета счетчика-делителя D5 равен 6. Выходной сигнал на счетчик минут (часов) снимается с выхода переноса Р микросхемы D5.

clip_image004

Рис. 4. Принципиальная схема счетчика часов

clip_image005

Рис. 5. Принципиальная схема счетчика дней

Схема счетчика часов приведена на рис. 4. Он отлича­ется от счетчика секунд (минут) тем, что имеет общий коэффициент пересчета, равный 24. Достигнуто это за счет введения элементов D4.2, D5.1 и D5.4, образующих узел совпадений, на входы которого поступают сигналы 4 ч и 20 ч, а выход подключен через элементы D5.2 и D5.3 ко входам R микросхем D1 и D2. В результате, с приходом 24-го входного импульса, счетчики-делители D1 и D2 устанавливаются в нулевые состояния. При этом на входе переноса Р микросхемы D1 вырабатывается им­пульс, переключающий счетчик-делитель D3, имеющий коэффициент пересчета, равный 3, также в нулевое со­стояние.

clip_image006

Рис. 6. Принципиальная схема индикатора декады на газоразряд­ной лампе

Схема счетчика дней (суток) приведена на рис. 5. Он отличается от счетчика часов тем, что он имеет коэф­фициент пересчета, равный 31, что достигнуто за счет подачи на входы узла совпадения (элементы D2.2, D2.3, D3.2) сигналов «2 дня» и «30 дней», устанавливающих счетчики-делители D4D6 в нулевые состояния. При­чем поскольку счет даты начинается не с 0, а с 1, нулевым состояниям счетчиков-делителей D4 — D6 соот­ветствуют единичные сигналы «1 день» и «00 дней», т. е., по сравнению со счетчиком часов, в счетчике дней нуме­рация выводов единиц дней сдвинута на единицу. Кро­ме того, счетчик дней имеет генератор одиночных им­пульсов (кнопка S1 и элементы Rl, R2, D1.2, D1.3),при помощи которого осуществляется начальная установка даты, а также корректировка даты при числе дней в ме­сяце, меньшем 31.

clip_image008

Рис. 7. Принципиальная схема индикатора декады на люминесцент­ном индикаторе

Схема индикации одной декады на газоразрядном ин­дикаторе приведена на рис. 6. Устройство состоит из вы­соковольтных транзисторов (транзисторные сборки А1 — A3), коллекторы которых подключены к катодам индика­тора H1, а базы — к выходам одной из декад счетчика времени. При поступлении единичного сигнала на базу одного из транзисторов происходит его открывание, что вызывает свечение катода индикатора, подключенного к данному транзистору. Схема индикации, приведенная на рис. 6, может использоваться для индикации декад еди­ниц секунд, минут, часов и дней. Для индикации декад десятков секунд, минут, часов и дней применяются ана­логичные схемы, но с меньшим числом транзисторов, так как декады десятков не полные.

clip_image009

Рис. 8. Принципиальная схема индикатора десятков секунд

При использовании люминесцентных семисегментных индикаторов необходим преобразователь десятичного ко­да в код индикатора. Поскольку в семисегментных инди­каторах каждая цифра образуется путем зажигания (или гашения) определенной комбинации сегментов, такой преобразователь строится на основе схем объединения. На рис. 7 приведена схема индикации на люминесцент­ном индикаторе одной декады, используемая для инди­кации единиц секунд, минут, часов и дней. Узел состоит из преобразователя десятичного кода в код индикатора, выполненного на элементах «ИЛИ–НЕ» (DlD3), на входы которых поступает десятичный код с одной из де­кад счетчика времени, а выходы подключены непосред­ственно к анодам индикатора. Схема индикации десят­ков секунд (минут) приведена на рис. 8, а десятков ча­сов (дней) — на рис. 9. Они отличаются более простыми схемами дешифраторов.

clip_image010На рис. 10 приведена схема будильника. Он включает в себя переключатели S1 — S4, при помощи которых уста­навливается время будильника, узла сравнения и звуко­вого узла. На переключатели подаются сигналы со счет­чиков минут и часов, а общие ламели переключателей подключены ко входам К1 микросхемы D1, представляю­щей собой схему сравнения кодов, на входы К2 которой подаются единичные сигналы (+Uпит), а на вход «? = » — сигнал будильника, формируемый делителем ча­стоты (рис. 1). При совпадении значений минут и часов, выдаваемых счетчиками времени и установленных пере­ключателями S1 — S4, на входы К1 микросхемы D1 по­ступят единичные сигналы, в результате чего на выходе « = » микросхемы D1 появится сигнал будильника, кото­рый через буферные усилители D2 и конденсатор С1 по­дается на динамическую головку В1 от карманного радиоприемника. Включают и выключают будильник кнопочным выключателем 55. Дискретность установки времени будильника переключателя S1S4 — У мин. Если достаточна дискретность, равная 10 мин, то из бу­дильника можно исключить переключатель S4. При этом на вход О (К.1) микросхемы D1 необходимо подать сиг­нал «О мин» со счетчика минут, чтобы время звучания будильника не превышало 1 мин.

clip_image011

Рис. 10. Принципиальная схема будильника

clip_image012

Рис. 11. Принципиальная схема блока питания для часов с газо­разрядными индикаторами

На основе рассмотренных узлов были созданы элек­тронные часы в двух вариантах. В первом варианте при­менены газоразрядные индикаторы ИН12А, индицирую­щие значения минут и часов. Данные часы включают в себя кварцевый генератор с делителем частоты до 1/60 Гц (см. рис. 1, 2), счетчики минут (рис. 3) и часов (рис. 4), четыре узла индикации (рис. 6) и будильник (рис. 10). Схема блока питания для этих часов приведена на рис. 11. Он выдает стабилизированное напряжение + 10 В (+Uпит) для питания микросхем и +220 В для питания индикаторов. В качестве автономного источника питания G1 использована батарея «Крона» напряжением 9 В, подключенная к шине +?Лшт через диод V7. При на­личии напряжения в сети диод V7 будет закрыт, так как на катоде диода потенциал выше, чем на аноде, и ба­тарея G1 практически не будет разряжаться. При пропа­дании напряжения в сети диод V7- открывается, и микросхемы будут питаться от батареи G1. При этом поскольку будет отсутствовать напряжение +220 В, ин­дикаторы светиться не будут. Данные часы содержат 20 микросхем серии К561 и 7 микросхем К1НТ661А (в десятках часов цифра 0 не высвечивается).

clip_image013

Рис. 12. Принципиальная схема блока питания для часов с люми­несцентными индикаторами

Монтаж выполнен на двух платах размерами 140 X X 50 мм. При конструировании этих часов необходимо изолировать общую шину питания от корпуса, так как в них применен бестрансформаторный блок питания.

Во втором варианте часов использованы люмине­сцентные семисегментные индикаторы, индицирующие значения секунд, минут, часов и даты, причем для инди­кации минут и часов применены индикаторы ИВ22, имеющие размеры цифр 18 X 12 мм, а для индикации секунд и даты — индикаторы ИВЗА с размерами цифр 8,6 X 4,5 мм. Данные часы включают в себя кварцевый генератор с делителем частоты до 1 Гц (рис, 1), счетчи­ки секунд, минут (рис. 3), часов (рис. 4) и дней (рис.5), 8 узлов индикации (рис. 7 — 9) и будильник (рис. 10). Блок питания для этих часов собран по схеме, приве­денной на рис. 12, Он выдает напряжение +15 В (+Uпит) для питания микросхем и индикаторов и напря­жения ~ 2 В и ~1,6 В для питания нитей накала ин­дикаторов (нити накала у индикаторов соединяются по­парно последовательно). Следует отметить, что индика­торы ИВ22 и ИВЗА рассчитаны на напряжения на ано­дах и сетках, равные 27 В для ИВ22 и 20 В для ИВЗА. Однако, как показал опыт, они имеют достаточно яркое свечение и при напряжении питания, равном 15 В.

clip_image014

Рис. 13. Принципиальная схема узла управления счетчиками вре­мени

При пропадании напряжения питания в сети включа­ется автономный источник питания G1 (батарея «Кро­на ВЦ»), обеспечивающий питание микросхем. Так как напряжения ~2 и ~1,6 В для накала в этом случае будут отсутствовать, индикаторы погаснут. Данные часы содержат 48 микросхем серии К561. Монтаж выполнен на двух платах размерами 160 X 50 мм.

На основе рассмотренных узлов могут быть также построены шахматные часы. Они должны включать в себя кварцевый генератор с делителем частоты до 1 Гц, счетчики секунд и минут для каждого из шахматистов и узлы индикации секунд и минут, узел управления счет­чиками времени, узел установки времени игры, сигнали­зации об окончании игры и блок питания.

Узлы индикации могут быть выполнены как на газо­разрядных индикаторах (рис. 6), так и на люминесцент­ных (рис. 7, 8). Однако предпочтительнее люминесцент­ные индикаторы ИВЗА или ИВ6. В зависимости от выбо­ра индикаторов должен быть применен один из блоков питания, схемы которых приведены на рис. 11 и 12.

clip_image015

Рис. 14. Принципиальная схема узла установки времени игры и сигнализации

Узел управления счетчиками времени приведен на рис. 13. Он включает в себя триггер с тремя устойчивы­ми состояниями (D1.1, D1.2, D2), который управляется кнопками SJS3. При нажатии кнопки S1 («Левые ча­сы») появляется единичный сигнал на выходе элемен­та D2, при нажатии кнопки S2 («Правые часы») — на выходе элемента D1.2; при нажатии кнопки S3 («Стоп») на выходе элементов D1.2 и D2 будут нулевые сигналы. Сигналы с выходов D1.2 и D2 через инверторы D3.1 и D3.2 подают на выводы 1 микросхем D1.1 счетчиков се­кунд левого и правого игроков (рис. 3). Элементы Dl.l в счетчике секунд пропускают импульсы с делителя ча­стоты только при наличии нулевого сигнала на выводе 1. Поэтому при нажатли кнопки S1 («Левые часы») будут работать часы левого игрока, при нажатии кнопки S2 («Правые часы») — часы правого игрока, а кнопки S3 («Стоп») часы левого и правого игроков будут останов­лены, что необходимо, например, при перерывах в игре.

На элементах D4.1D4.4 (рис. 13) собран узел инди­кации работающих часов. На входы этого узла подаются сигналы с частотой 10 Гц с делителя (на вывод 1 эле­мента D4.1 и вывод 5 элемента D4.2) и сигналы управления счетчиками времени левого и правого игроков (на вывод 2 элемента D4.1 и вывод 6 элемента D4.2). При работе левых часов сигнал с частотой 10 Гц прохо­дит на выход элемента D4.4, а правых — на выход эле­мента D4.3. Так как эти выходы подключены к сеткам индикаторов левых и правых часов, в индикаторах рабо­тающих часов будут мерцающие цифры.

Узел установки времени игры и сигнализации об окончании приведен на рис. 14. Установка времени для левого игрока производится переключателями S1 и S2, а для правого — переключателями S3 и S4. Если время игры для обоих игроков одинаково, то переключатели S1, S3 и S2, S4 могут быть сдвоенными. На переключатели S1 и S2 подаются сигналы со счетчиков минут левого иг­рока, а на S3, S4 — co счетчика минут правого игрока. Общие ламели переключателей S1 — S4 подключены ко входам микросхемы 2И-2ИЛИ (D1), на выходе которой появляется единичный сигнал при совпадении значений минут, выдаваемых счетчиками минут, и значений минут, установленных переключателями в каких-л»бо из часов. Этот сигнал разрешает прохождение сигнала будильни­ка, формируемого делителем частоты через элемент D2.2. Далее, сигнал будильника усиливается буферными уси­лителями D3 и через конденсатор С1 подается на дина­мическую головку В1. При помощи выключателя 55 мож­но отключить звуковую сигнализацию.

Шахматные часы содержат 51 микросхему серии К561. В часах использованы резисторы МЛТ, конден­саторы KM, К50-6, МБГО, кварцевый резонатор В1 на 1024 кГц. Трансформатор Т1 в блоке питания (см. рис. 12) выполнен на магнитопроводе Ш12 X 17. Обмотка I содержит 6050 витков ПЭВ-2 0,08, II — 460 витков ПЭВ-2 0,22, III — 80 витков ПЭВ-2 0,33, IV — 47 витков ПЭВ-2 0,27.

Микросхемы серии К561 можно заменить на микро­схемы серии 564. Динамическая головка В1 может быть от любого карманного радиоприемника. Вместо индика­торов ИН12А могут быть использованы любые газораз­рядные цифровые индикаторы типа ИН. В качестве лю­минесцентных индикаторов могут быть применены инди­каторы ИВЗ, ИВЗА, ИВ6, ИВ8, ИВ 11, ИВ 12, ИВ22.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты