Часы на микросхемах

Электронные часы отличаются от часов других систем (механических и электромеханических) повышенной на­дежностью, точностью хода и удобством отсчета време­ни. Интерес к разработке электронных часов особенно возрос в связи с быстрым ростом производства и приме­нения интегральных микросхем. Каждая ступень про­гресса в технологии интегральных схем — появление схем средней степени интеграции (СИС), больших ин­тегральных схем (БИС) и, наконец, сверхбольших инте­гральных схем (СБИС) способствует и будет способство­вать появлению новых поколений электронных часов. Интегральная технология позволяет значительно повы­сить надежность работы часов, упростить их изготовле­ние, существенно уменьшить габариты и массу и, в ко­нечном итоге, снизить их стоимость.

Рис. 1. Структурная схема электронных часов

В отличие от описанных ранее электронных часов (см. например, «Радио», 1974, № 9 11; сборник «В по­мощь радиолюбителю», выпуск 54. М., ДОСААФ, 197Ь), предлагаемые часы выполнены на микросхемах повы­шенной степени интеграции, что позволяет существенно снизить трудоемкость их изготовления и увеличить на­дежность работы. Часы обеспечивают отсчет времени с точностью до 1 мин при нестабильности хода ±0,2 с в сутки Для отсчета используются цифровые газораз­рядные индикаторы ИН12Б. Питаются часы от сети пере­менного тока напряжением 220 В. Потребляемая мощ­ность 6 Вт (при отключенной индикации 3 Вт). Диапа­зон рабочих температур — от плюс 5 до плюс 45 С. Часы восстанавливают работоспособность после воздействия предельных температур -40 и +60° С при относитель­ной влажности 65%, а также после воздействия пре­дельной степени влажности 95% при температуре 25 С.

Структурная схема часов приведена на рис. 1. Квар­цевый задающий генератор 1 последователь­ность импульсов с частотой следования 166,666 кГц. Эта частота понижается последовательно включенными де­лителями частоты 2 и счетчиками минутных «5 и часовых 4 импульсов. Делитель, коэффициент деления которого равен 10⁷, формирует импульсы с периодом следования 1 мин. Эти импульсы, в свою очередь, подаются на счет­чик минутных импульсов с коэффициентом пересчета 60.

Сформированные этим счетчиком импульсы (их период следования равен одному часу) поступают на вход счет­чика часовых импульсов, коэффициент пересчета кото­рого равен 24. На выходе последнего формируются им­пульсы с периодом следования, равным одним суткам. Кодовые комбинации импульсов со счетчиков 3 и 4 по­ступают на дешифратор 5 и управляют через него рабо­той ламп в блоке индикации 6, а также в определенный момент включают узел звуковой сигнализации 7.

Рис. 2. Принципиалъная схема электронных часов

Принципиальная схема электронных часов приведена на рис. 2. Задающий генератор выполнен на транзисто­рах Т1 — ТЗ (все они входят в сборку транзисторов К2НТ171). Генератор собран по схеме автоколебатель­ного мультивибратора с эмиттерной связью на транзи­сторах Т1 и Т2. Частота колебаний мультивибратора стабилизирована кварцевым резонатором Пэ1, включен­ным в одну из цепей обратной связи. Для повышения температурной стабильности частоты генератора рези-сторы, входящие в него, должны быть БЛП или УЛИ. Последовательность импульсов с выхода мультивибрато­ра через буферный эмиттерный повторитель на транзи­сторе ТЗ и инвертор MCla подается на делитель частоты.

Делитель частоты выполнен в виде семи последова­тельно соединенных декадных счетчиков (МС2 — МС8) с фазоимпульсным представлением информации. Каж­дый из них считает поступившие на его вход импульсы и пропускает на выход лишь один из десяти импульсов. С уменьшением частоты следующими счетчиками дли­тельность импульса на выходах счетчиков остается неиз­менной, такая же, как и на входе первого из них.

Рис. 3. Эпюры напряжений в различных точках элект­ронных часов

С выхода счетчика МС8 через инвертор МС16 узкие положительные импульсы с периодом следования, рав­ным 1 мин (А), поступают на счетчик минутных импуль­сов, который в свою очередь состоит из декадного счет­чика МС10 и счетчика МС11 с коэффициентом пересчета, равным 6. Счетчик МС10, считающий единицы минут, выполнен на основе двоично-десятичного счетчика К155ИЕ2. Триггерные разряды счетчика (В, С, D, Е) в процессе счета переключаются в соответствии с одной из разновидностей двоично-десятичного кода — кодом 1-2-4-8 от отрицательных спадов минутных импульсов (рис. 3, а).

Счетчик МС11, считающий десятки минут, выполнен на основе счетчика-делителя на 12 (К155ИЕ4). Его раз­ряды (F, G, Н, I) переключаются в соответствии с кодом 1-2-4-6 от отрицательных спадов импульсов, поступаю­щих со счетчика единиц минут (Е).

Как видно из рис. 3, а и б, в интервале чисел 0 — 5, в котором работает счетчик МС11, комбинации кодов 1-2-4-8 и 1-2-4-6 совпадают.

На счетчик часов импульсы, период следования кото­рых равен одному часу, поступают через узел укорачива­ния, выполненный на инверторах МС12а — МС12в. Уко­рачивание необходимо для безошибочной работы часов в режиме установки любого наперед заданного началь­ного времени. С выхода счетчика МСП на вход узла укорачивания поступает импульс положительной поляр­ности (Н на рис. 3, б). На входы инвертора МС126 по­даны взаимно-инверсные импульсы со входа и piixana инвертора МС12а. При этом первый из них задержан интегрирующим RС-звеном и в статическом режиме сиг­нал на выходе инвертора МС12в равен нулю. Единичный уровень на выходе (J) появляется лишь тогда, когда сигнал на входе переходит из «1» в «О», т. е. в момент спада импульса (Н), и удерживается до тех пор, пока происходит разряд интегрирующего конденсатора Сб.

Длительность импульса на выходе узла укорачивания подбирают изменением параметров RС-звена.

Счетчик часовых импульсов состоит из декадного счетчика МС13, считающего единицы часов, и счетчика МС17 с коэффициентом пересчета три, считающего де­сятки часов. Счетчик МС13 выполнен аналогично декад­ному счетчику МС10. Осциллограммы, иллюстрирующие его работу (J, K, L, M, N), приведены на рис. 3, а. Счет­чик МС17 состоит из двух D-триггеров (МС17а и МС176), включенных по синхронной схеме с обратной связью. Функционирование счетчика основано на особен­ностях работы D-триггера, который имеет вход управле­ния, установки в нуль, а также тактирующий вход. Информация, подаваемая на вход, фиксируется тригге­ром лишь при наличии импульса на тактирующем входе. Если на вход управления поданы сигналы логической «1» или «О», то после появления тактирующего импульса триггер устанавливается соответственно в единичное или нулевое состояние. D-триггеры тактируются положитель­ными перепадами, поэтому на входе счетчика установлен инвертор МС16в.

Когда оба триггера находятся в нулевом состоянии, по цепи обратной связи на входы управления и установ­ки первого из них (МС17а) поступает высокий логиче­ский уровень, который подготавливает его переключение в единичное состояние (рис. 3, в). При этом на вход управления второго триггера (МС176) подается логиче­ский «О», запрещающий его переключение.

С приходом первого входного импульса триггер МС17а устанавливается в единичное состояние, а МС176 — в нулевое. С приходом второго импульса пер­вый триггер возвращается в исходное состояние, а вто­рой — в единичное. При этом на входы управления обоих триггеров подается низкий логический уровень и с при­ходом третьего тактирующего импульса счетчик возвра­щается в исходное (нулевое) состояние. Таким образом, в интервалах чисел 0 — 2, в котором работает счетчик МС17, его кодовые комбинации совпадают с комбинаци­ями кода 1-2-4-8.

Необходимый коэффициент пересчета счетчика часо­вых импульсов (24) достигается введением сигнала об­ратной связи, который формируется специальным де­шифратором, выполненным на инверторах МС14а — МС14в и МС15а. При установке счетчиков МС17 и МС13 соответственно в положение 2 и 4 на выходе МС15а по­является низкий логический уровень, а на выходе инвер­тора МС14а — высокий логический уровень. Когда они поступают на входы R счетчиков МС17 и МС13, послед­ние устанавливаются в исходное (нулевое) состояние. После этого цикл пересчета повторяется.

Осциллограммы, иллюстрирующие работу счетчика часов в режиме счета до 24, приведены на рис. 3, г.

Для индикации состояний счетчиков используются цифровые газоразрядные лампы, а для преобразования цифровых кодов, формируемых счетчиками, в сигналы, необходимые для управления индикаторными лампа­ми, — специальные дешифраторы К155ИД1.

Как отмечалось ранее, все счетчики в пределах своих счетных интервалов работают в коде 1-2-4-8. Дешифра­торы К155ИД1, предназначенные для работы именно с этим кодом, преобразуют кодовые комбинации, посту­пающие со счетчиков, в единичный позиционный код. На каждом из выходов дешифратора сигнал соответствует уровню логического «О» только при определенном соче­тании входных сигналов, при остальных сочетаниях на выходе — высокий логический уровень. При изменении состояния счетчиков низкий логический уровень после­довательно появляется на всех выходах дешифратора и на индикаторе высвечиваются соответствующие цифры.

В составе дешифраторов, кроме преобразователей ко­дов, имеются специальные усилительные каскады, пред­назначенные для согласования выходов дешифраторов со входами индикаторов. Эти каскады формируют пере­пады напряжений, необходимые для управления индика­торными лампами. Резисторы в цепях питания индикато­ров ограничивают их анодный ток, а также напряжение на коллекторах усилительных каскадов.

Выключатель «Пуск», а также кнопки «Мин.» и «Час.» предназначены соответственно для остановки и установки времени перед запуском. Выключатель размы­кает цепь прохождения тактовых импульсов между счет­чиками МС6 и МС7 и устанавливает эти счетчики в ну­левое состояние. При нормальном положении кнопок на входах счетчиков минут и часов — низкий логический уровень. При нажатии и последующем отпускании кно­пок на входах счетчиков должны появляться сначала по­ложительные, а затем отрицательные перепады напря­жения. Таким образом, нажимая и отпуская кнопки (сначала «Мин.», а затем «Час.»), можно установить на часах любое требуемое время. Установка счетчиков про­изводится при отпусканий кнопки. Затем при наступле­нии заранее установленного «а индикаторах времени ча­сы включают выключателем «Пуск».

Рис. 4. Принципиальная схема узла звуковой сигнализации

Механическое переключение контактов обычно сопро­вождается дребезгом (рядом кратковременных перехо­дов от замкнутого состояния к разомкнутому и наобо­рот). Дребезг может привести к формированию пачки импульсов вместо желаемого одиночного импульса или перепада напряжения.

Рис. 5. Принципиальная схема блока питании

В данном случае при срабатывании кнопок «Мин.» и «Час.» с дребезгом показания соответствующих индика­торов в принципе могли бы меняться не на единицу, а каждый раз на разное неизвестное заранее число. Для предотвращения этого явления в цепях установки исполь­зованы специальные формирователи, выполненные в ви­де простейших R5-триггеров на двух инверторах МС16, МС1в и МС12в, МС12г. Нулевой потенциал, прикладыва­емый при нажатии кнопки к одному из входов триггера, устанавливает его в одно устойчивое состояние, а при отпускании — в другое.

В состав электронных часов входит еще узел звуковой сигнализации. Он подает сигнал при наступлении опре­деленного времени. Узел звуковой сигнализации состоит из переключателей выбора времени, инверторов, схемы совпадения, мультивибратора и динамической головки.

Работает узел следующим образом. Необходимое вре­мя срабатывания набирают четырьмя переключателями, которые, как и индикаторные лампы, соединены с соот­ветствующими выходами дешифраторов (рис. 4). На ри­сунке переключатели установлены в такое положение, чтобы звуковой сигнал был включен в 17 ч 25 мин.

Схема совпадения подключается к дешифраторам через инверторы и диоды. Диоды предотвращают ложное срабатывание индикаторов, вызванное присоединением узла звуковой сигнализации.

Схема совпадения представляет собой многовходо-вый элемент «И-НЕ». При наступлении заданного време­ни на все входы элемента МС23 подается уровень логи­ческой «1». При этом на выходе элемента будет низкий логический уровень, а на выходе инвертора МС24а — высокий. При появлении высокого логического уровня начинает работать мультивибратор (элементы МС246, МС24в), вырабатывающий колебания частотой около 500 Гц. Мультивибратор через согласующий эмиттерный повторитель нагружен на малогабаритную головку пря­мого излучения.

Звуковой сигнал в данных часах оказывается моду­лированным импульсами с периодом следования 1,2 с, которые поступают с триггера МС9а. Через одну минуту после включения звукового сигнала изменяется распре­деление потенциалов на выходе дешифратора МС18 (единицы минут), совпадение потенциалов на входах элемента МС23 исчезнет, и звуковой сигнал выключится.

Светодиод Д1, подключенный к прямому выходу триг­гера МС9а, включается каждые 1,2 с. Он размещается на передней панели часов, разделяя цифры часов и минут.

Необходимые для работ часов питающие напряжения формируются в блоке питания (рис. 5). Питание индика­торов осуществляется пульсирующим напряжением, по­лучаемым при однополупериодном выпрямлении пере­менного напряжения частоты сети. Для питания микро­схем используется стабилизированный выпрямитель.

Трансформатор Tpl выполнен на магнитопроводе ШЛ16Х16. Обмотки I и II содержат соответственно 1200 и 1660 витков провода ПЭВ-1 0,15, обмотка III — 2200 витков провода ПЭВ-1 0,1, обмотка IV — 120 витков про­вода ПЭВ-1 0,56.

При условии безошибочной сборки электронные часы не требуют налаживания и работают сразу после вклю­чения.