ЭЛЕКТРОННЫЕ ЧАСЫ-ТЕРМОМЕТР

May 26, 2010 by admin Комментировать »
С. Горшков

Предлагаемое устройство состоит из электронных часов, термометра и общего индикатора, на котором поочередно, с интервалом в 7,5 с, высвечиваются значения текущего времени и температуры (наружной или комнатной).

Часы обеспечивают индикацию часов и минут текущего времени с погрешностью хода не более ±1 с за сутки. Термометр обеспечи­вает индикацию температуры в диапазоне ±59 °С с погрешностью не более ±08 °С (±0,3 °С — погрешность преобразования температу­ры в код и ±0,5°С — погрешность за счет дискретности отсчета температуры через 1 °С).

clip_image002

Рис. 1. Принципиальная схема часов

Часы и цифровая часть термометра выполнены на цифровых микросхемах МОП-структуры, отличающихся микроваттной потреб­ляемой мощностью, что позволило ввести автономный источник пита­ния (батарею «Крона»), автоматически включающийся при про­падании напряжения в электросети, и тем самым обеспечить бесперебойную работу часов.

Часы (рис. 1) состоят из кварцевого генератора на элементах DD1.1 и DD1.2, делителя частоты на микро­схемах DD2 — DD7 и десятичных счетчиков времени DD8 — DD16. Кварцевый генератор вырабатывает пря­моугольные импульсы частотой 1024 кГц. От стабильности частоты генератора, определяемой резонатором ZQ1, зависит точность хода часов. В данных часах при­менен вакуумный кварцевый резонатор типа С2, имею­щий стабильность порядка ±10~5, что соответствует ухо­ду времени за сутки не более ± 1 с. Если часы будут работать в комнатных условиях при относительно ста­бильной температуре окружающей среды, то стабиль­ность частоты кварцевого генератора может быть зна­чительно выше и обеспечит уход времени :на ±1 с за месяц работы. Подбором конденсаторов Cl, C2 можно в небольших пределах подстраивать частоту кварцевого генератора.

Делитель частоты, делящий частоту генератора до 1/60 Гц, выполнен на основе двоичных четырехразрядных счетчиков DD2 — DD5. Счетчики DD2.1, DD4.2 и DD5 обеспечивают коэффициенты деления, равные 16. Счет­чики DD2.2, DD3.1 и DD3.2 за счет включения в обрат­ные связи логических элементов И-НЕ (микросхемы DD6, DD7) обеспечивают коэффициенты деления, рав­ные 10. Счетчик DD4.1 обеспечивает коэффициент деле­ния, равный 15. Кнопочными переключателями SB1 и SB2 можно увеличить частоту выходных импульсов де­лителя в 4000 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 DD1.4 форми­руется сигнал с частотой 640 Гц, промодулированный импульсами частотой 64/15 Гц, который может исполь­зоваться в качестве сигнала будильника, если он будет встроен в часы. С вывода 4 счетчика DD5 снимается сигнал «Упр.» с частотой: Vis Гц, используемый для управления работой термометра и индикатора. Конден­саторы С4 — С7 повышают стабильность работы делите­ля частоты.

Счетчики времени включают в себя: счетчик единиц минут на микросхемах DD8, DD11, DD12; счетчик де­сятков минут на элементах DD9.1, DD9.2 и микросхеме DD13; счетчик единиц часов на элементах DD9.3, DD9.4 и микросхемах DD10, DD14, DD15; счетчик де­сятков часов на микросхеме DD16. Они построены на основе счетчиков-делителей на 8.

clip_image003

Рис. 2. Схема будильника

Счетчик единиц минут работает следующим образом. Импульсы с делителя частоты поступают через элемент DD8,1 ,на счетные входы микросхем DDI1 и DD12. В начальный момент, т. е. после установки счетчиков делите­лей DD11 — DD13 кнопкой SB3 в нулевые состояния, на выходе 5 микросхемы DD11 появляется логический О, который поступает на разрешающий вход V этой же микросхемы и через инвертор DD8.2 — на разрешающий вход V микросхемы DD12. В результате у микросхемы DD11 счетный вход С оказывается открытым, а у микро­схемы DD12 закрытым. При поступлении первых четы­рех импульсов начинает работать счетчик-делитель DD11., и на его выходах 0 — -4 поочередно появляются единичные сигналы. С приходом пятого импульса на выходе 5 микросхемы DD11 появляется единичный сиг­нал, который закрывает счетный вход С у микросхемы DD11 и открывает у микросхемы DD12. В результате начинает работать счетчик-делитель DD12 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 DD12, который через элементы DD8.3 и DD8.4 поступают на входы R микро­схем DD11, DD12 и устанавливает их в нулевое состоя­ние. Далее процесс счета единиц минут повторяется. Счет десятков минут осуществляется счетчиком-делите­лем DD13, на счетный вход С которого поступают им; пульсы с выхода переноса Р микросхемы DD11. За счет подачи сигнала с выхода 6 через элементы DD9.1 и DD9.2 на вход R коэффициент пересчета счетчика-дели­теля DD13 равен 6. Выходной сигнал на счетчик часов, снимается с выхода переноса Р микросхемы DD13.

Счетчик часов отличается от счетчика минут тем, что имеет общий коэффициент пересчета, равный 24. До­стигнуто это введением элементов DD9.4, DD10.1 и DD10.4, образующих узел совпадений, на входы которого посту­пают сигналы 4 ч и 20 ч, а выход подключен через элементы DD10.2 и DD10.3 ко входам R микросхем DD14 и DD15. В результате с приходом 24-го входного импульса счетчшш-делители DD14, DD15 устанавли­ваются в нулевое состояние. При этом на выходе переноса Р микросхемы DD14 вырабатывается импульс, пе­реключающий счетчик-делитель DD16, имеющий коэф­фициент пересчета, равный 3, также в нулевое состояние. Конденсаторы С8, С9, как и в делителе частоты, обеспе­чивают более стабильную работу счетчиков.

Питание микросхем часов осуществляется от двух источников: +15 В — от сетевого блока питания (основ­ное питание) и +9 В — от батареи «Крона» (дополни­тельное питание), включающееся при отключении элек­троосветительной сети. При наличии напряжения +15 В диод VD2 будет закрыт, так как напряжение на его катоде выше, чем на аноде, и батарея практически не будет разряжаться. При пропадании напряжения +15 В диод VD2 открывается, и микросхемы будут питаться от батареи. Ток, потребляемый от батареи, не превы­шает 3 мА, поэтому она может работать длительное время, в основном органиченное сроком ее хранения, так как перебои в электросети обычно бывают редки и не­продолжительны.

При желании в часы может быть встроен будильник, схема которого приведена на рис. 2. Он включает в себя переключатели SA1 — SA4, которыми устанавливают время включения будильника, узел сравнения и звуко­вой узел. На переключатели подают сигналы со счет­чиков минут и часов, а общие панели переключателей подключены к 1-й группе входов DD-1, представляющей собой устройство сравнения кодов, на 2-ю группу кото­рой подают единичные сигналы ( + 15 В), а на вход «Е = » — сигнал будильника, формируемый делителем частоты (см. рис. 1). При совпадении значений минут и часов, определяемых счетчиками времени и положения­ми контактов переключателей SA1 — SA4, на входы 1-й группы DD1 поступят единичные сигналы, в резуль­тате на выходе « = » этой микросхемы появляется сигнал будильника, который через буферные усилители DD2 и конденсатор С1 подается на телефонный капсюль BF1. Включают и выключают будильник кнопочным выклю­чателем SB1. Дискретность установки времени будиль­ника — 1 мин. Если достаточна дискретность 10 мин, то переключатель SA3 из будильника можно исключить. При этом на вход 0 микросхемы DD1 необходимо подать сигнал «О мин» со счетчика минут, чтобы время звучания будильника не превышало 1 мин.

clip_image005

Рис. 3. Схема термометра

Принципиальная схема термометра приведена на рис. 3. Он состоит из датчиков R1 и R2, один из кото­рых предназначен для измерения наружной температу­ры, а второй — для измерения комнатной, переключа­теля датчиков SA1, измерительного моста R3 — R5, усилителя постоянного тока (DA1), стабилизатора об­разцового напряжения (DA2, VD2, VT1), формировате­ля знака температуры (DA3, VD5, VD6), преобразова­теля полярности (DA4, VT2), преобразователя напряже­ния — частота (DA5, DA6, VT3, VD7, VT4) и преобразо­вателя частоты — код (DD1 — DD6).

В качестве датчиков использованы терморезисторы ТСМ-6114, отличающиеся высокой временной стабиль­ностью и линейной зависимостью сопротивления от температуры. Датчик «Дт.1» или «Дт.2» включается в плечо измерительного моста, одна из диагоналей ко­торого питается образцовым напряжением, снимаемым со стабилизатора напряжения DA2, VD2, VT1, а вторая диагональ через резисторы R6, R7 подключена ко вхо­дам операционного усилителя DA1, работающего как усилитель постоянного тока. Элементы моста подобра­ны таким образом, что на его выходе напряжение будет равно 0 при нулевой температуре, когда сопротивление датчика равно 53 Ом. При температуре, отличной от нуля, полярность напряжения на выходе моста будет определяться знаком температуры, а само напряже­ние — численным значением температуры. Датчики со­единяют с измерительным мостом трехпроводной линией, что исключает влияние ее на показания термометра, так как два провода линии включены в разные плечи мо­ста и сопротивления их взаимно компенсируются.

Операционный усилитель DA1 усиливает выходной сигнал измерительного моста, размах которого при тем­пературе ±50 °С составляет примерно ±70 мВ, до зна­чения ±7 В, т. е. он имеет коэффициент усиления, рав­ный 100, определяемый отношением сопротивлений рези­сторов R6 — R8 (KУс= R8/R6). Резистор R9 и диод VD1, показанные на схеме штриховыми линиями, выравни­вают коэффициенты усиления для положительных и отри­цательных напряжений. При уменьшении сопротивления резистора R9 будет уменьшаться коэффициент усиления, при указанной на схеме полярности включения диода VD1, для отрицательных напряжений, при изменении полярности включения диода коэффициент усиления бу­дет уменьшаться для положительных напряжений.

Стабилизатор образцового напряжения, питающего измерительный мост, образуют стабилитрон VD2, опера­ционный усилитель DA2 и транзистор VT1. Напряжение, снимаемое со стабилитрона VD2, подается на один из входов операционного усилителя DA2, а на второй его вход — выходное напряжение стабилизатора. К выходу операционного усилителя подключен регулирующий транзистор VT1, включенный эмиттерным повторителем. Операционный усилитель DA2, управляющий транзисто­ром VT1, обеспечивает равенство образцового и выход­ного напряжения стабилизатора, снимаемого с эмиттера транзистора VT1.

Формирователь знака температуры представляет со­бой компаратор напряжения, выполненный на опера­ционном усилителе DA3, на один из входов которого подано выходное напряжение усилителя DA1, а на вто­рой — нулевое. При этом на выходе усилителя DA3 бу­дет напряжение +15 В или — 15 В в зависимости от полярности входного напряжения. Диоды VD5, VD6 формируют уровни О В — для положительной темпера­туры и +15 В — для отрицательной температуры, необ­ходимые для согласования с цифровыми микросхемами.

clip_image007

Рис. 4. Схема блока индикации

Преобразователь полярности напряжения состоит из операционного усилителя DA4 и полевого транзистора VT2. В зависимости от полярности выходного напряже­ния усилителя DA1 транзистор находится в открытом или закрытом состоянии, так как его затвор подключен к выходу компаратора DA3. При этом резисторы R16, R17 оказываются включенными или последовательно, или их общие выводы соединяются с общим проводом, в результате чего усилитель DA4 будет работать или как инвертирующий, или как неинвертирующий, и напряже­ние на его выходе будет иметь одну полярность вне за­висимости от полярности на входе.

clip_image008

Рис. 5. Схема блока питания электронных часов-термометра

На операционных усилителях DA5, DA6,. транзисторе VT3 и диоде VD7 собран преобразователь напряжения в частоту, представляющий собой управляемый напря­жением генератор. Принцип работы преобразователя описан в книге А. Г. Алексеенко, Е. А. Коломбета, Г. И. Стародуба «Применение прецизионных аналоговых ИС» (М.: Радио и связь, 1981). Подстроечным резисто­ром R25 регулируют частоту импульсов преобразова­теля. Выходные импульсы преобразователя подаются на ключевой каскад на транзисторе VT4, необходимый для согласования уровней импульсов с цифровыми микро­схемами.

Преобразователь частота — код содержит узел управ­ления, делитель частоты и счетчик импульсов. Преобра­зование частоты в код осуществляется путем подсчета импульсов частотного сигнала десятичным счетчиком за образцовый интервал времени. Частота импульсов пре­образователя напряжения — частота, коэффициент дели­теля частоты и образцовый интервал времени подобраны таким образом, чтобы число импульсов, подсчитываемое счетчиком, соответствовало значению температуры. Об­разцовый интервал времени определяется сигналом «Упр.», снимаемым с часов (см. рис. 1), и представляет собой меандр, период которого составляет 15 с, а дли­тельность 7,5 с. Этот сигнал через переключатель SA2, которым выключают термометр, поступает на один из входов логического элемента ИЛИ-НЕ DD1.1, а на вто­рой его вход подается частотный сигнал. В результате на выходе элемента формируются пачки импульсов ча­стотного сигнала длительностью 7,5 с, которые посту­пают на вход делителя частоты DD3 с коэффициентом деления 256. С выхода делителя импульсы поступают на вход десятичного счетчика DD4 — DD7, схема которо­го аналогична схеме счетчика минут. Сигнал «Упр.» по­дается через элемент DD1.2 на формирователь корот­ких импульсов на элементах DD2.2, DD2.3, который по фронтам управляющего сигнала формирует импульсы длительностью около 50 мкс, устанавливающие делитель частоты и счетчик в момент начала счета в нулевое состояние. С элементов DD1.2 и DD2.1 управляющие сигналы подаются к цифровым индикаторам. Элементы DD1.3 и DD1.4 формируют сигналы знака температуры, также поступающие к блоку индикации.

Блок индикации (рис. 4) состоит из пяти газораз­рядных индикаторов HG1 — HG5, четыре из которых яв­ляются цифровыми и предназначены для индикации значений часов и минут, и один — знаковый — для ин­дикации знака температуры. Индикаторы минут HG4, HG5 одновременно являются и индикаторами темпера­туры. Переключение индикаторов минут на индикацию времени и температуры осуществляется коммутатором, выполненным на логических элементах И-ИЛИ микро­схем DD1 — DD4. Коммутатор управляется сигналами «УПP1t°O и «УПР. Вр.», поступающими от термометра (см. рис. 3). Во время индикации температуры индика­торы часов HG1 и HG2 выключаются за счет подачи на их аноды низкого напряжения через транзисторные ключи VT1.1 и VT1.2, на входы которых поступает сиг­нал «УПP2t°C» от термометра. Индикаторами управ­ляют высоковольтные транзисторы (транзисторные сбор­ки VT1 — VT8). Коллекторы транзисторов подключены к катодам индикаторов, а на базы подаются сигналы десятичных кодов времени или температуры.

Питание всего устройства осуществляется от сетево­го блока, выполненного по схеме, приведенной на рис. 5. С выхода блока снимают стабилизированные напряже­ния + 15 В и — 15 В для питания микросхем и перемен­ное напряжение 220 В — для питания анодов газораз­рядных индикаторов.

В часах и будильнике применены резисторы МЛТ-0,125, конденсаторы типов KM, К50-6. Микросхемы серии К564 могут быть заменены на аналогичные микро­схемы серии К561. Возможно также использование микросхем серий К164, К176, но в этом случае напря­жение питания их должно быть +9 В. Кварцевый ре­зонатор ZQ1 любого типа на частоту 1024 кГц. При другой частоте резонатора необходимо перестроить де­литель частоты таким образом, чтобы на его выходе частота импульсов была Veo Гц.

Резисторы R3 — R8, R15 — R18, R21, R22 термометра должны быть прецизионными с допуском не более ±1 %, например ПТМН; резистор R25 — СП5-2, осталь­ные МЛТ. Конденсаторы С6, С7 типа ФТ, остальные — КМ. Операционные усилители К153УД2 можно заменить на К153УД1, К553УД1, К553УД2 с любыми буквенными индексами.

Транзисторные сборки К166НТ1А блока индикации можно заменить транзисторами КТ605А.

Трансформатор Т1 блока питания выполнен на маг-нитопроводе сечением 2 см2. Обмотки I и II содержат по 6000 витков провода ПЭВ-2 0,08, обмотка III — 640 + 640 витков провода ПЭВ-2 0,2.

Таблица 1

Сопротивление датчика. Ом

t °С

Частота, Гц

41,7

— 50

1708

44,0

— 40

1360

46,2

— 30

1028

48,5

— 20

680

50,7

— 10

348

51,9

5

166

53

0

0

54,1

+5

166

55,3

+ 10

348

57,5

+20

680

59,8

+30

1028

62,0

+40

1360

64.3

+50

1708

Правильно собранное устройство сразу начинает функционировать. Настройка часов заключается в под­гонке частоты кварцевого генератора, для чего при сред­нем положении подстроечного конденсатора С1 (см. рис. 1) подбирают конденсатор С2 таким образом, что­бы частота сигнала на выводе 4 микросхемы DD2, изме­ренная цифровым частотомером, отличалась от частоты 256 кГц не более чем на 2…3 Гц. При этом погрешность хода часов будет не более ± 1 с за сутки. Более точно частоту кварцевого генератора устанавливают под-строечным конденсатором С1, определяя уход часов за несколько суток по сигналам точного времени, переда­ваемым радиовещательными станциями.

clip_image009

Рис. 6. Конфигурация знаков светового табло

При настройке термометра (рис. 3) вместо датчика температуры включают магазин сопротивлений, напри­мер типа Р83. К коллектору транзистора VT4 подклю­чают цифровой частотомер. Переключатели магазина сопротивлений устанавливают в положение, соответ­ствующее 53 Ом. Частота импульсов на коллекторе транзистора VT4 должна быть не более 10 Гц. Если она больше, то более точно подбирают резистор R3. Затем переключатели магазина сопротивлений переводят в по­ложения, соответствующие 48,5 Ом, и подстроечньш резистором R25 устанавливают частоту импульсов, рав­ную 680 Гц. После этого проверяют частоты импульсов при различных сопротивлениях датчика в соответствии с приведенной табл. 1. Отклонения частот не должны превышать ±10 Гц, что соответствует погрешности пре­образования температуры в частоту ±0,3 °С. Несим­метричность характеристики преобразования для поло­жительных и отрицательных температур устраняют включением цепочки R9 VD1.

Электронные часы-термометр с индикацией на световом табло

Описанные здесь часы-термометр можно использовать для индикации времени и температуры на световом таб­ло, устанавливаемом на здании или другом сооружении. Световое табло состоит из ламп накаливания, образую­щих пять индикаторов — четыре цифровых и один зна­ковый. Изображение символов (цифр и знаков) осуще­ствляют зажиганием определенных комбинаций ламп. Лампы включают тринисторы, установленные непосред­ственно на световом табло. В отличие от встроенного индикатора на газоразрядных лампах в световом табло при индикации температуры на индикаторах часов фор­мируется символ «t°C». Конфигурации символов свето­вого табло для трех вариантов (09 ч 34 мин: t °C +26; 17 ч 58 мин) показаны на рис. 6. А на рис. 7 и 8 приве­дены таблицы истинности каждого индикатора светового табло, по которым определяют комбинации ламп, зажи­гающихся для индикации различных символов. Нули в этих таблицах соответствуют погашенным лампам, единицы — зажженным.

clip_image001

Рис. 7. Таблица истинности дешифраторов десятков и единиц минут (температуры)

clip_image002

Рис. 8. Таблица истинности дешифраторов часов, единиц часов И знаков

Световое табло (рис. 9) состоит из ламп накалива­ния HL1 — HL132, подключаемых группами через три­нисторы VD1 — VD64 к двухполупериодному выпрямите­лю на диодах VD65 — VD.68. Тринисторы же управляют­ся выходными сигналами дешифраторов. На рис. 9 эти управляющие сигналы обозначены буквами «а», «б», «в», «г»…, соответствующими значащимся в таблицах на рис. 7 и 8. Лампы HL9, HL10 подключены непосред­ственно к выходу выпрямителя, так как согласно табли­це истинности для индикатора десятков часов (см. рис. 7) лампы, обозначенные «б», горят при любом ин­дицируемом символе.

Дешифраторы, преобразующие десятичные коды вре­мени и температуры в коды индикаторов светового таб­ло, строят на основе логических элементов ИЛИ-НЕ со­гласно таблицам истинностей. Для переменных «а», «б», «в»…, у которых число единиц в столбце меньше числа нулей, дешифраторы строят на «зажигание» требуемых ламп, для чего на входы логических элементов подают те разряды десятичного кода, которым соответствуют единицы в таблице истинности, а для переменных с большим числом единиц дешифраторы строят на «га­шение» лишних ламп, для чего на входы элементов ИЛИ-НЕ подают разряды десятичного кода, соответ­ствующие нулям в таблице истинности, и полученный сигнал дополнительно инвертируют. Так как индикато­ры часов светового табло при отображении температуры должны индицировать символы «t °C», то коды десятков и единиц часов на входы дешифраторов подают через коммутаторы, управляемые сигналами «Упр(1 t°C» и «Упр. Вр.».

Принципиальная схема коммутатора часов и дешиф­ратора единиц часов (для переменных «а», «б» и «у») изображена на рис. 10. Схема коммутатора часов ана­логична схеме коммутатора минут (см. рис. 4). Дешиф­ратор единиц часов для переменных «а», «б» и «у» со­стоит из элементов DD5.1, DD6.1, DD9.3, на входы которых поданы разряды десятичных кодов в соответ­ствии с таблицей истинности (см. рис. 7). Дешифраторы для переменных «а» и «у» выполнены на «зажигание», а для переменной «б» — на «гашение», для чего допол­нительно включен инвертор DD6.2. Далее сигналы через буферные усилители DD10.1, DD10.2 и DD13.1 посту­пают на транзисторные ключи VT1, VT2… VT19, управ­ляющие тринисторами светового табло (см. рис. 9). Аналогично строят дешифраторы и для других пере­менных.

Для питания транзисторных ключей дешифраторов необходимо напряжение +8 В при токе нагрузки до 1,8 А, которое можно получить с дополнительной обмот­ки сетевого трансформатора блока питания (см. рис. 5) и введения диодного моста с фильтрующим конденсато­ром емкостью 1000 мкФ. При этом мощность сетевого трансформатора должна быть увеличена на 15 Вт.

В световом табло могут быть установлены лампы накаливания на напряжение 220 В мощностью до 40 Вт. Диоды VD65 — VD68 выпрямителя должны быть (рис. 9) на напряжение не менее 300 В и ток 10 А. В ком­мутаторе часов и дешифраторах вместо микросхем серии К564 можно использовать микросхемы серии К561, а также К164, К176 при напряжении источника питания +9 В.

clip_image004

clip_image006

Рис. 9. Схема светового табло

clip_image008

Рuc. 10. Схема коммутатора часов и дешифратора единиц часов

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