Тема 1.6 Электронные часы. Электронные часы на микросхемах Издательство Радио и связь, 1985 предисловие

• Название: Электронные часы на микросхемах Издательство Радио и связь, 1985 предисловие
• Дата: 14.12.2022
• Размер: 0.82 Mb.
• Имя файла: Тема 1.6 Электронные часы.doc
• Тип: Документы; #844625
• страница: 3 из 5

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ БЛОКИ ЭЛЕКТРОННЫХ ЧАСОВ

5. ГЕНЕРАТОРЫ СЕКУНДНЫХ И МИНУТНЫХ ИМПУЛЬСОВ
Для формирования импульсной последовательности с периодом повто­рения 1 с (секундных импульсов) в электронных часах обычно используют мик­росхемы, специально предназначенные для этой цели: К176ИЕ5, К176ИЕ12, К176ИЕ18. В структуре указанных микросхем предусмотрены ключевые элемен­ты (инверторы), выполняющие роль усилителей-формирователей и в этом каче­стве составляющие основу ЗГ. На рис. 17 приведены структурная схема К.176ИЕ5 и варианты подключения к ней внешних радиодеталей для образова­ния схемы ЗГ. Рассмотрим приведенные варианты, предварительно заметив, что они не исчерпывают возможность схемотехнических решений этого функцио­нального узла, а представляют собой примеры схем, получивших широкое рас­пространение на практике.

В первых двух вариантах (рис. 17,а,б) ЗГ построен по схеме несиммет­ричного мультивибратора с одной времязадающей RС-цепью. Вместо конден­сатора в цепь положительной обратной связи (ПОС) включается кварцевый ре­зонатор Z. Для обеспечения режима устойчивых автоколебаний вводится цепь отрицательной обратной связи (ООС) по постоянному току, благодаря кото­рой инверторы выводятся на линейный участок характеристики передачи, где они обладают усилительными свойствами.



Рис. 17. Генераторы импульсов на микросхеме К176ИЕ5:

а, б — на основе мультивибраторов, в — на основе задающего генератора с трехточечной схемой
Менее критичной к сопротивлению резистора в цепи ОС является схема второго варианта (рис. 17,6). При необходимости подстройки с целью стабили­зации режима генератора в цепь ОС вводится переменный резистор R2. При использовании низкочастотного кварцевого резонатора с частотой до 100 кГц рекомендуется включение конденсатора С небольшой емкости между входом первого инвертора и корпусом для устранения паразитного высокочастотного самовозбуждения генератора.

Третий вариант (рис. 17,в) ЗГ реализуется по трехточечной схеме, в кото-_кой кварцевый резонатор включается в диагональ резистивно-емкостного моста, подключаемого другой диагональю к инвертору. Инвертор должен работать в режиме усиления. Настройка генератора на частоту кварцевого резонатора производится подбором емкости С2 и с помощью переменного конденсатора СЗ.

Наиболее удобным для совместного применения с микросхемами серии К.176 являются стандартные кварцевые резонаторы на частоту 32 768 Гц. Это объ­ясняется тем, что имеющиеся внутри указанных выше микросхем делители обес­печивают деление частоты ЗГ [_тв 2¹⁵ раз, т. е. в 32 768 раз, что позволяет на выходе микросхем получить секундные импульсы. В микросхеме К176ИЕ5 для этого требуется дополнительное внешнее соединение (рис. 17), в других (К176ИЕ12, К176ИЕ18) необходимость в таком соединении отсутствует.

На рис. 18,а приведена принципиальная схема генератора секундных им­пульсов на микросхеме К176ИЕ5. Здесь и в других схемах на этом рисунке численные данные приведены для варианта применения стандартного кварцево­го резонатора на частоту 32 768 Гц. Микросхемы допускают также использо­вание кварцевого резонатора на частоту 16 384 Гц. Тогда секундные импульсы выделяются на выходе 2¹⁴ (вывод 4). Назначение других выходов и получаемых на них сигналов рассмотрено в § 3.

На микросхемах К176ИЕ12, К176ИЕ18 могут быть реализованы также и ге­нераторы минутных импульсов. Структура этих микросхем по сравнению с К176ИЕ5 дополнена делителем на 60, который в микросхеме К176ИЕ12 имеет отдельный вход Т2 (рис. 18,6).



Рис. 18. Генераторы импульсов на микросхемах серии К176:

а — К176ИЕ5, б — К176ИЕ12, в — К176ИЕ18
Для образования генератора минутных импульсов необходимо выход 2¹⁵ (вывод 4) внешним соединением подключить ко входу Т2 (вывод 7). Минут­ные импульсы выделяются на выходе 60 (вывод 10).

В микросхеме К176ИЕ18 делитель на 60 внешнего входного вывода не имеет. Его вход внутренним соединением подключен к выходу генератора се­кундных импульсов. Таким образом, микросхема К176ИЕ18 при подключении к ее выводам 12, 13 резистивно-емкостной цепи с кварцевым резонатором на частоту 32768 Гц (рис. 18,б) позволяет получить последовательность секундных (вывод 4), минутных импульсов (вывод 10), а также другие импульсные по­следовательности, назначение которых описано в § 3.

Рассмотренные схемы относятся к варианту применения специальных часо­вых кварцев. При их отсутствии можно воспользоваться кварцем на другую частоту, но при выполнении некоторых условий. Прежде всего следует учиты­вать, что наибольшая частота переключения микросхем серии К176 равна 1 МГц и поэтому собственная частота резонатора не должна превышать это­го значения. При необходимости использовать кварцевый резонатор с более высокой собственной частотой рекомендуются микросхемы серий К561, К564 — дс 2 — 3 МГц, серии К155, К555 — до 10 — 15 МГц. Последние две серии отно­сятся к классу микросхем транзисторно-транзисторной логики (R155) и ТТЛ с диодами Шотки (К555) [4].

Следует также принять во внимание, что герметизированный кварц можно использовать только на номинальной частоте. Если эта частота кратна 10, то для ее деления до 1 Гц целесообразно использовать делители на 10 — микро­схемы К176ИЕ2, К176ИЕ4, К176ИЕ8. Например, если частота кварца равна . 1 МГц, то для реализации генератора секундных импульсов необходимы шесть микросхем делителей на 10.

Практический интерес представляет вопрос о реализации генератора секунд­ных и минутных импульсов на основе кварцевого резонатора, который не гер­метизирован и допускает увеличение рабочей частоты уменьшением длины пластины.

При подгонке частоты кварцевого резонатора целесообразно исходить из того, что наиболее простым и удобным для реализации является схемотехниче­ский вариант генератора секундных импульсов на основе двоичного счетчика с последовательным переносом (рис. 14). Такой счетчик в режиме делителя час­тоты позволяет получить коэффициент деления 2ⁿ, где n— число разрядов (триггеров) делителя. Следовательно, в частоте кварцевого резонатора необхо­димо предъявить требование ее кратности числу 2ⁿ. Например, микросхема К.176ИЕ5, имеющая в своей структуре 15-разрядный двигатель, предназначена для формирования секундных импульсов при использовании кварцевого резона­тора с номинальной частотой 32768 Гц. Наличие у данной микросхемы выхода от 14-го разряда делителя позволяет получить секундные импульсы и при ис­пользовании кварцевого резонатора с частотой 16384 Гц.

В случае включения в схему ЗГ резонатора с частотой, отличающейся ог указанных значений, например, 131072 Гц (рис. 19), для формирования по­следовательности секундных импульсов к делителю микросхемы К176ИЕ5 не­обходимо добавить делитель на 4, выполненный на двух Д-триггерах микросхе­мы К176ТМ1.



Рис. 19. Генератор секундных импульсов на КП6ИЕ5, К176ТМ1
При изготовлении часов с индикацией только часов и минут целесообразно иметь в схеме ЗГ кварцевый резонатор с номинальной частотой, кратной 2ⁿ/60, из следующего ряда значений (с округлением до 1 Гц):
Частота кварцевого Число разрядов nрезонатора, Гц

30 17477

21 34952

22 69905

23 139810

24 279620

25 569240

26 1118480

Если имеется кварц с частотой от 70 до 130 кГц, то подстройка должна производиться до частоты 131 072 Гц (для секундной последовательности) или до 139810 Гц (для минутной последовательности). В этом случае делители должны иметь 17 или 23 разряда соответственно, что может быть реализовано на микросхемах К176ИЕ5 и К176ТМ1.

При практической реализации ЗГ следует помнить, что точное значение час­тоты генератора зависит не только-от геометрических размеров пластины квар­ца, но и от паразитных емкостей реальной схемы его выполнения. Поэтому точную подгонку кварца следует производить в той схеме, где он будет рабо­тать. Значение частоты измеряется электронным частотомером, подключенным через конденсатор емкостью 10 — 20 пФ к выводу 11 или 12 (для микросхемы К176ИЕ5) или к 14 (для К176ИЕ12).

Подгонка частоты генератора должна осуществляться с максимальной точ­ностью, так как расхождение частоты в 1 Гц соответствует примерно неточнос­ти хода часов 1 с в сутки. Однако при недостаточном опыте в подточке квар­цев и в точном измерении частоты генераторов подточку лучше закончить, не доходя до номинальной частоты 10 — 15 Гц. Точное значение частоты при рабо­те кварца в реальной схеме устанавливается в этом случае с помощью под-строечного конденсатора, включаемого последовательно с кварцем. Емкость этого конденсатора в процессе эксплуатации часов можно также изменять при отклонении частоты ЗГ из-за изменения температуры окружающей среды или старения кварца. На частоте 139 кГц с помощью конденсатора, включаемого последовательно с кварцем, можно увеличить частоту на 100 Гц. Если при под­гонке кварца частота завышена, то параллельным включением конденсатора Удается ее понизить только на 7 — 10 Гц, при этом ухудшается стабиль­ность ЗГ.
6. БЛОК СЧЕТЧИКОВ
Структурная схема блока счетчиков приведена на рис. 1. Для ее ре­ализации наиболее удобны микросхемы К176ИЕ4 и К176ИЕЗ, так как они име­ют коэффициенты деления 10 и 6 соответственно и позволяют при последова­тельном соединении (рис. 20) производить отсчет секунд (минут). Встроенный в каждую микросхему дешифратор формирует сигналы для управления сег­ментами одного индикатора. Для установки счетчиков в нулевое состояние кнопкой 57 («Уст. 0») на объединенные входы Rчерез резистор R1 (десятки-сотни килоом) подается напряжение источника питания. В рабочем режиме входы Rподключены к корпусу.

Функциональные узлы, построенные по схеме рис. 20 (назовем их счетны­ми секциями), в блоке счетчиков выполняют отсчет единиц и десятков секунд и минут. Для отсчета единиц и десятков часов требуется снизить коэффициент счета рассмотренной счетной секции до 24. С этой целью в ее схему вводится логическая ОС, схемотехнические варианты которой показаны на рис. 21.

В схеме на рис. 21, а в цепь ОС включен логический элемент И (схема совпадения) на диодах VD1, VD2 (КД522) и резисторе R(20 — 30 кОм). Исход­ными для формирования сигнала ОС являются сигналы с выхода 4 (вывод 3) микросхемы К176ИЕ4 и с выхода 2 (вывод 3) микросхемы К176ИЕЗ. Напомним (см. § 3), что на выходе 4 сигнал получает уровень 1 после четвертого импуль­са в каждой серии из десяти входных импульсов, а на выходе 2 после второго импульса в каждой серии из шести входных импульсов. Поскольку микросхемы соединены последовательно, то на выходе 2 микросхемы К176ИЕЗ сигнал 1 появляется после 20 импульсов на входе микросхемы К176ИЕ4. Таким образом, после 24 входных импульсов Т_часс периодом 1 ч на выводах 3 обеих микро­схем появятся сигналы с уровнем 1. Диоды VD1, VD2 закроются и на входы обнуления счетчиков поступит напряжение высокого уровня.



Рис. 20. Счетная секция секунд (минут)



Рис. 21. Варианты схем счетной секции часов:

а — с диодами в цепи ОС, б — с элементами И-НЕ, в — с элементами ИЛИ-НЕ
После перевода счетчиков в нулевое состояние на их выходах, в том числе и на выходах 4 и 2, напряжения будут иметь нулевой уровень. Тогда диоды схемы совпадения откроются и счетчики начнут отсчет нового 24-часового ин­тервала. Во всем этом интервале один или оба диода открыты, чем и обеспечивается на установочных входах счетчиков низкий, около 1 В, уровень напря­жения. В другом варианте (рис. 21,6) логический элемент И в цепи ОС построен на двух последовательно соединенных элементах И-НЕ микросхемы К176ЛА7. В момент достижения счетчиками К176ИЕ4, К176ИЕЗ состояния, соответствую­щего 24 ч, на входы логического элемента DD1 поступает сигнал 1 и включа­ет его: на выходе (вывод 10) напряжение получает уровень 0. Элемент DD2 этим сигналом устанавливается в закрытое состояние, которому соответствует высокий уровень выходного напряжения. Появление на выводе 3 микросхемы К176ЛА7 сигнала 1 вызывает обнуление счетчиков.

Заметим, что по аналогичной схеме составляется логический элемент II на основе микросхем К176ЛА8, К176ЛА9. В этом качестве могут быть примене­ны и микросхемы К176ЛЕ5, К176ЛЕ10 и др., содержащие логические элементы ИЛИ-НЕ. Пример реализации элемента И на микросхеме К176ЛЕ5 приведен на рис. 21,s.

Соединение счетных секций производится через контакты переключателей SI, S2, что дает возможность быстрой установки счетчиков в требуемое состоя­ние. В качестве установочной используются последовательность импульсов с вы­хода генератора секундных импульсов (ГСИ), подключаемая ко входам счет­ных секций минут и часов (рис. 22,а).

Установка состояний счетчиков контролируется по индикаторам. При воз­вращении переключателя S1 или S2 в исходное положение возможно ложное сра­батывание счетчика из-за разности уровней напряжения на выходах ГСИ и предыдущей счетной секции к моменту переключения, которая воспринимается как дополнительный установочный сигнал. В результате индикатор показывает значение на единицу больше устанавливаемого. Частичной защитой может слу­жить конденсатор С1 на входе счетной секции. Для устранения такого рода сбоев в схеме на рис. 22,6 между счетными секциями включена .RC-цепь (Rl = = 560 кОм, R2=10 кОм, С1 = 680 пФ), дифференцирующая выходной сигнал предыдущей секции с постоянной времени C1R1/2. Таким способом на входе счетной секции обеспечивается кратковременное отклонение напряжения от по­стоянного уровня логической 1, который создается источником питания, подклю­ченным ко входу секции.



Рис. 22. Варианты соединения счетных секций:

а — с непосредственной связью, б — с резистивно-емкостной связью
Выход ТСИ, с которого снимаются установочные импульсы, имеет такую же R₁С₁-цепь и также соединен с источником питания. Поэтому при подключе­нии входа счетной секции к R₁С₁-выходу ГСИ условия на входе устанавливае­мой секции остаются неизменными как в отношении уровня напряжения, так и длительности воздействующих сигналов.

Установка счетчиков в нулевое состояние (обнуление счетчиков) произво­дится кратковременным подключением к их входам R(установки 0) источника напряжения высокого уровня, соответствующего логической 1. В общем слу­чае в часах могут быть предусмотрены два способа обнуления счетчиков — при­нудительный и автоматический.

В схеме принудительного обнуления (рис. 23,а) ко входам счетчиков кно­почным контактом подключается напряжение источника питания через токо-ограничивающий резистор R1 с сопротивлением десятки килоом. При необходи­мости в цепь обнуления может быть включена и счетная секция часов, но для этого потребуется внести некоторые изменения в ее цепь ОС: либо включить дополнительный инвертор DD3 и через него подать сигнал установки на вход 2 элемента DD2 (рис. 23,6). Наименьшими будут изменения в схеме включения логических элементов ИЛИ-НЕ: достаточно объединить по одному входу эле­ментов DD1, DD2 (рис. 23,б) и подать на них сигнал установки нуля. Поскольку задержка во времени установления счетчиков серии К176 составляет десятые-доли микросекунды, замыкание кнопочного контакта должно быть кратковремен­ным. В рабочем режиме на входах установки нуля всех счетчиков должен со­храняться нулевой потенциал.

Автоматическое обнуление счетчиков обычно вводится для защиты от помех в цепях питания, а также в тех случаях, когда в часах имеется сигнальное ус­тройство с блоком программирования на основе счетчиков. При включении пи­тания эти счетчики могут установиться в произвольное состояние, проконтро­лировать которое невозможно, поскольку индикация состояний счетчиков блоха программирования отсутствует.



Рис. 23. Варианты схем принудительного обнуления:

а — счетчиков секунд и минут, б, в — счетчиков часов с разными логическими элементами в цепи ОС
Вариант схемы автоматической установки счетчиков в нуль приведен на рис. 24. Основу схемы составляет транзисторный ключ с общим коллектором wинтегрирующей R₁С₁-цепью на входе. При включении питания некоторое время, необходимое для заряда конденсатора С1 до напряжения открывания транзистора VT1, ключ закрыт и сигнал на его выходе имеет нулевой уровень. Этот уровень преобразуется логическим элементом DD1 в уровень 1 и подается на установочные входы Rвсех счетчиков. Так обеспечивается их обнуление.

Когда напряжение на конденсаторе С1 достигает порогового значения, транзистор VT1 открывается и подключает ко входу элемента D1 напряжение источника питания. В результате на всех входах Rустанавливается 0 и счетчи­ки переходят в рабочий режим.

В схеме на рис. 24 предусмотрено и принудительное обнуление. Для этого контактом переключателя S2 необходимо на входе элемента DD1 обеспечить нулевой потенциал.
7. УСТРОЙСТВО СИГНАЛИЗАЦИИ
Назначение и принцип построения устройства сигнализации рассмотре­ны в § 1. В его структурной схеме (см. рис. 3) можно выделить два функцио­нальных блока: программирования (установки времени) и звуковой сигнали­зации. Реализация блока программирования существенно зависит от конструк­тивных и функциональных особенностей микросхем, на которых построен блок счетчиков.

Рассмотрим несколько вариантов построения блока программирования применительно к случаю реализации элек­тронных часов на микросхемах серии К176. В наиболее простом варианте (рис. 25,а) блок программирования представляет собой многовходовую схему совпадения (логиче­ский элемент И) на диодах VD1 — VD28 и резисторе R1 и кнопочное наборное устрой­ство SI — S28. Для установки времени ис­пользуются выходы микросхем К176ИЕЗ, К176ИЕ4 блока счетчиков, которые через контакты нажатых кнопок соединяются со входами схемы совпадения. При от­жатой кнопке такого соединения нет, т. е. соответствующий вход схемы совпаде­ния изолируется от внешней цепи.

Конструктивно наборное устройство выполняется в виде аппликаций че­тырех цифр, в сегментах которых расположены кнопки, как показано для одного разряда на рис. 25,6. Для наглядности может быть использована подсветка кнопки светодиодами.



Рис. 24. Схема автоматического об­нуления счетчиков
Рис. 25. Блок программирования:

а — функциональная схема, б — элемент наборного устройства
Установка времени производится нажатием кнопок сегментов, образующих наружную цифру в каждом знаковом разряде. До установленного таким обра­зом времени схема совпадения открыта, так как в любой момент времени не­сколько диодов имеют на своих базах нулевой потенциал. Диоды в цепях от­жатых кнопок изолированы от внешней цепи и тока не пропускают, что экви­валентно их закрытому состоянию. С наступлением установленного времени на соответствующих выходах микросхем счетчиков появятся сигналы 1, которыми все диоды схемы совпадения закрываются. В результате на ее выходе форми­руется напряжение высокого уровня, включающее блок звуковой сигнализации. При построении схемы совпадения необходимо выполнить условие (U_и.п — U_д.пр)/R₁вых _max, где U_и.п — напряжение источника питания; U_д.пр — падение напряжения на открытом диоде; Рвах тих — максимальный выходной ток логического элемента в открытом состоянии.



Рис. 26. Дешифраторы блока програм­мирования:

а — десятков часов, 6 — десятков минут
Наибольший выходной ток микросхем серии К176 не превышает 1 мА (сц- § 3). Если принять в расчет напряжение источника питания 9 В, прямое падение напряжения на открытом кремниевом диоде 1 В, то получается, что сопротивление резистора R1 в схеме совпадения не должно быть меньше 8 кОм. учитывая разброс и температурный дрейф характеристик диодов и колебания напряжения источника питания, а также для снижения потребляемой мощности целесообразно иметь это сопротивление равным 50 — 100 кОм.

Рассмотренный вариант при сравнительно простой и удобной для реализа­ции схеме вместе с тем имеет и ряд недостатков: значительный уровень потреб­ляемой мощности, большое количество механических контактов, громоздкость наборного устройства.

Другой вариант построения блока программирования основан на преобра­зовании семиэлементного кода на выходе каждого из счетчиков секций минут и часов в десятичный код. На рис. 26,а приведен дешифратор для установки десятков часов. Входными для него являются сигналы с выходов микросхемы К176ИЕЗ, которая отсчитывает в блоке счетчиков десятки часов. Использова­ны всего три выхода сигналов сегментов a, d, g(выводы 8, 11, 1 соответствен­но). Дешифратор имеет три выхода, обозначенных цифрами 0, 1, 2 и построен на одном инверторе DD1 и двухвходовой схеме совпадения на диодах VD1, VD2 и резисторе R1. В качестве инвертора можно использовать один элемент лю­бой из логических микросхем серии К176, объединив входы этого элемента. Де­шифратор обеспечивает сигнал 1 на выходе 0 в интервале от 0 до 10 ч, на остальных выходах напряжение имеет уровень 0. В интервале от 10 до 20 ч сигнал 1 присутствует на выходе 1, от 20 ч до момента сброса счетчика — на выходе 2.

Исходя из аналогичных требований, но уже применительно к дешифрации десятков минут, построена схема дешифратора, приведенная на рис. 26,6. На семь входов этой схемы поступают сигналы с выходов счетчика К176ИЕЗ сек­ции минут. Использованы не только сигналы для управления сегментами, но и сигналы с выходов счетчика-делителя. Дешифратор имеет шесть выходов, обо­значенных цифрами 0 — 5, сигнал 1 на каждом из которых присутствует при отсчете счетчиком десятка минут, соответствующего номеру выхода. Схема де­шифратора построена на логических элементах ИЛИ-НЕ и требует для реали­зации двух микросхем К176ЛЕ5. Для уменьшения числа логических микросхем включен элемент ИЛИ на диодах VD3, VD4 и резистор R2, который может быть заменен двумя последовательно соединенными элементами ИЛИ-НЕ.

Таким же образом могут быть реализованы дешифраторы сигналов микро­схемы К176ИЕ4 для установки единиц минут и часов. При этом схемы полу­чаются несколько сложнее рассмотренных, что объясняется увеличением числа выходов дешифраторов, а также менее удобным для использования сочетанием выходных сигналов микросхемы К176ИЕ4. По этой причине для установки еди­ниц часов и минут в блоке программирования целесообразно использовать микросхему К176ИЕ8, представляющую собой счетчик с дешифратором на вы­ходе, который формирует выходные сигналы в десятичном коде (рис. 27). Обе микросхемы устанавливаются и работают параллельно счетчикам единиц минут и часов, имея на своих входах те же сигналы T_ЧАС, Т_мин. Входы установки ну­ля этих микросхем также соединены со входами установки нуля счетчиков ча­сов и минут.



Рис. 27. Функциональный узел блока про­граммирования на микросхеме К176ИЕ8 для установки единиц часов (минут)
Принципиально все узлы олока программирования можно построить на микросхеме К176ИЕ8. Необходи­мо лишь предусмотреть изменение ко­эффициента счета с помощью ОС.

Следует подчеркнуть еще раз, что включение в схему блока про­граммирования счетчиков обусловли­вает необходимость обязательного введения в структуру часов функцио­нального узла начального обнуления счетчиков при включении питания. Заметим, что на сочетании решений, приведенных на рис. 26 и 27, постро­ен блок программирования серийных электронных часов «Электроника 2-05» (см. стр. 54).

Блок звуковой сигнализации в простейшем исполнении представляет собой транзисторный ключ с динамиком в цепи эмиттера или коллектора {см. рис. 3). В более сложных вариантах этот блок дополняется узлами, расширяющими его функциональные возможности. На рис. 28 приведен пример блока сигнализации с автоматически изменяющейся частотой звуковых колебаний.

Применение многочастотных сигналов, управляющих выходным усилите­лем мощности, позволяет получить звучание различного характера, в частно­сти имитирующее звонок будильника. В рассматриваемой схеме управляющие выходным усилителем DD5 колебания формируются мультивибратором на элементах DD1.3, DD1.4, в цепь ОС которого включены конденсаторы С2 и на­бор резисторов R2 — R5, подключаемых к мультивибратору двунаправленными переключателями DD4. Управление переключателями осуществляется функцио­нальным узлом, который состоит из генератора DD1.1, DD1.2, двухразрядного счетчика DD2.1, DD2.2 и дешифратора DD3. Частота генератора задается R₁C_1rцепью и может быть установлена в широком диапазоне значений. Однако в дан­ном! варианте применения генератора его частота должна составлять единицы-десятки герц, что соответствует сопротивлению сотни килоом — единицы мегаом и емкости десятые доли микрофарады.



Рис. 28. Схема блока звуковой сигнализации
Под воздействием импульсов генератора счетчик последовательно проходит четыре состояния, которые отображаются комбинацией 0 и 1 на выходах триг­геров. Дешифратор DD3 выделяет последовательно сигнал 1 на одном из своих выходов, так что по мере прохождения счетчиком полного цикла из четырех состояний сигнал 1 последовательно переместится с первого выхода дешифра­тора на последний.

Выходные сигналы дешифратора управляют включением двунаправленных переключателей DD4 микросхемы К176КТ1: при сигнале 1 на управляющем вхо­де (выводы 13, 6, 5, 12) соответствующий переключатель замыкает (электричес­ки) два других вывода и таким образом создается цепь подключения резистора к мультивибратору DD1.3, DD1.4. Номиналы сопротивлений резисторов R2 — R5 могут выбираться в достаточно широком диапазоне значений, например от 100 до 200 кОм. Емкость конденсатора С2 также подбирается и составляет не­сколько нанофарад.
8. БЛОК ИНДИКАЦИИ
При выборе типа индикатора следует учитывать требования к разме­рам знаков, яркости свечения, возможность по размещению блока питания, совместимость с примененными микросхемами, энергопотребление. Из сопостав­ления характеристик индикаторов и микросхем серии К176 можно сделать вы­вод о том, что большинство индикаторов требуют сопряжения с микросхемами этой серии. Причины этого уже указывались — это либо недостаточное напря­жение для возбуждения сегментов и обеспечения их свечения с необходимой яркостью, либо недостаточный выходной ток.

Микросхемы счетчиков серии К176 в большинстве рассчитаны для совмест­ной работы с семисегментными индикаторами. Поэтому здесь основное внимание будет уделено рассмотрению условий и способов сопряжения микросхем К176ИЕЗ, К.176ИЕ4 с семисегментными индикаторами разных типов.

В крупногабаритных электронных часах наиболее широкое применение на­ходят катодолюминисцентные индикаторы. Приборы этого типа для своей рабо­ты в нормальном режиме требуют напряжений на анодах и сетке 20 — 30 В. От­сюда следует, что для управления ими требуется повысить напряжение, которое формируется на выходах микросхем серии К176.

Правда, в ряде случаев оказывается достаточной яркость свечения знаков при пониженном до 9 В напряжении на электродах индикатора. Тогда индика­тор выводами сегментов непосредственно подключается к выходам микросхемы счетчика, а сеткой к источнику питания. Однако для обеспечения нормальной по техническим условиям яркости свечения требуется сопряжение микросхемы и индикаторного прибора по уровню напряжения. Вариант элемента сопряжения на основе транзисторного ключа с напряжением питания U%, равным 20 — 25 В, приведен на рис. 29,а. Для компактности блок сопряжения целесообразно вы­полнять на транзисторных сборках, в частности К1НТ661.



Рис. 29. Узлы сопряжения микросхем серии К176 с индикаторами:

а — катодолюминесцентными, б — накальными, в — светодиодными, г — жидкокристалличе­скими
Поскольку транзисторный ключ с ОЭ инвертирует сигнал с выхода микро­схемы, то необходимо управляющие сегментами сигналы на выходах микросхе­мы представить в инверсном коде. Для этого на управляющий вход V(вывод 6) микросхемы К176ИЕЗ, К176ИЕ4 следует подать напряжение высокого уров­ня 10, например напряжение источника питания. Для обеспечения четкой ин­дикации в условиях сильной освещенности применяют электровакуумные на-кальные индикаторы. Эти приборы при работе пропускают через нить сегмен­та ток 20 — 30 мА.

Микросхемы серии К176 допускают через свои выходные цепи ток не более 1 мА. Следовательно, для совместного применения этих микросхем с накаль­ными индикаторами необходимо их сопряжение по току. Пример реализации элемента сопряжения приведен на рис. 29,6. Он состоит из транзисторного ключа с ОК. Сегмент индикатора включается последовательно с токоограни-чивающим резистором в цепи эмиттера. Для расчета сопротивления этого рези­стора следует исходить из ограничений на максимальный коллекторный ток транзистора и допускаемый ток накала нити сегмента.

Указанная для накальных индикаторов особенность характерна и для ин­дикаторов на основе полупроводниковых светодиодов. Для свечения сегмента эти приборы требуют ток 10 — 20 мА. Поэтому подключение светодиодных инди­каторов к выходам микросхем серии К176 должно осуществляться через согла­сующий элемент, в частности через транзисторный ключ (рис. 29,в).

В цепь коллектора последовательно с органичивающим ток резистором вклю­чен светодиод (сегмент). При сигнале 1, подаваемом на базу транзистора с выхода микросхемы, он открывается, и через светодиод протекает ток, вызы­вающий свечение сегмента. Сопротивление резистора выбирается исходя из до­пустимого тока через транзистор и значения рабочего тока светодиода. Напря­жение питания ключа U₂ может быть равно напряжению источника питания микросхемы. Однако и в этом случае необходимо разделять источники питания для устранения влияния многоразрядного индикатора на режим микросхем.

Заметим, что в данном случае сопряжения свечение сегмента вызывается сигналом 1 па соответствующем выходе микросхемы счетчика. Следовательно, выходные сигналы микросхемы должны представляться своими прямыми зна­чениями, а для этого на входе V(вывод 6) должен быть обеспечен нулевой потенциал.

Все более широкое применение находят индикаторы на жидких кристаллах. С появлением ЖКИ с большими размерами знаков значительно расширилась об­ласть их практического применения за счет крупногабаритных электронных ча­сов и других устройств отображения информации. Благоприятные перспективы использования ЖКИ связывают с их низким энергопотреблением, удобной кон­струкцией и невысокой стоимостью.

Для большинства индикаторов на ЖК достаточным для управления являет­ся напряжение 9 В. Поэтому микросхемы серии К176 могут работать с этими индикаторами без сопряжения. Однако следует учитывать, что для увеличения срока служба индикаторов управление ими должно производиться переменным напряжением с частотой десятки герц. В типовых конструкциях часов для этой цели используется импульсная последовательность с частотой повторения 64 Гц. В микросхемах серии К176, в частности К176ИЕ5, на основе которых изготав­ливают генераторы секундных (минутных) импульсов, предусматривается выход, на котором при кварцевом резонаторе на частоту 32768 Гц получается импуль­сная последовательность с частотой 64 Гц (у микросхемы К176ИВ5 — это вы­вод 1, см. рис. 18,а). Эта последовательность, снимаемая с вывода 1 микросхемы К176ИЕ5, подается на вход V(вывод 6) микросхем (К176ИЕЗ, К176ИЕ4) и общий электрод индикатора (рис. 29,г). Тогда выходные сигналы микросхемы счетчика будут иметь значения, определяемые напряжением на входе Vв со­ответствии с выражением (на примере напряжений, подаваемых на сегмент а): A=aV+aV. Следовательно, при а=0(а=1) на этом выходе микросхемы будет переменное напряжение 64 Гц, так как A — V. Поскольку это напряжение син-фазно с напряжением на общем электроде индикатора, то разность напряжения между сегментом а и общим электродом равна нулю и жидкокристаллическое вещество сохраняет свою прозрачность, т. е. сегмент не виден.

В другом случае, когда значение сегментного сигнала а равно 1, результи­рующий сигнал на этом выходе А сохраняется в виде последовательности им­пульсов, но с противоположной фазой по отношению к импульсам на общем электроде, так как А = V. Таким образом, к сегменту относительно общего элек­трода прикладывается знакопеременное напряжение в виде противофазных им­пульсов, следующих с частотой 64 Гц, имеющих амплитуду 8 — 9 В. Этого на­пряжения достаточно для переориентации молекул вещества и, как следствие, потемнения сегмента. При использовании более высоковольтных ЖКИ появля­ется необходимость в их сопряжении с микросхемами по напряжению.

В заключение заметим, что рассмотрены примеры схемотехнических решений узла сопряжения микросхем с блоком индикации на основе дискретных ком­понентов, поскольку эти решения просты в реализации, требуют небольшого количества доступных компонентов и потому практичны.
РЕАЛИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ЧАСОВ НА МИКРОСХЕМАХ СЕРИИ К176
9. ПРОСТЕЙШИЕ СХЕМЫ
Простейшие часы настольного или настенного типа. Структурная схе­ма представлена на рис. 30. Часы содержат генератор минутной последова­тельности импульсов, счетчики, дешифраторы и цифровые индикаторы минут » часов. Первоначальная установка времени производится подачей импульсов с частотой следования 2 Гц на вход счетчика десятков минут. Установка «нуля» осуществляется подачей положительного перепада на делители генератора им­пульсов и на счетчик единиц минут. Таким образом, точная установка времени часов возможна каждые 10 мин. При достижении показаний, соответствующих 24 ч, счетчики единиц и десятков часов устанавливаются в нулевое состояние отдельной схемой.

Принципиальная схема часов представлена на рис. 31. Часы реализованы на пяти микросхемах. Генератор минутной последовательности импульсов вы­полнен на микросхеме К176ИЕ12. Задающий генератор использует кварцевый резонатор РК-72 с номинальной частотой 32768 Гц. Кроме минутной микросхема позволяет получить последовательности импульсов с частотами следования 1, 2, 1024 и 32768 Гц. В данных часах используются последовательности импуль­сов с частотами следования: 1/60 Гц (вывод 10) — для обеспечения работы счетчика единиц минут, 2 Гц (вывод 6) — для первоначальной установки вре­мени, 1 Гц (вывод 4) — для «мигающей» точки. При отсутствии микросхемы К176ИЕ12 или кварца на частоту 32768 Гц генератор может быть выполнен на ^: других микросхемах и кварце на другую частоту. Варианты таких генераторов рассмотрены в § 5.

Счетчики и дешифраторы единиц минут и единиц часов выполнены на мик­росхемах К176ИЕ4, обеспечивающих счет до десяти и преобразование двоич­ного кода в семиэлементный код цифрового индикатора. Счетчики и дешифра­торы десятков минут и десятков часов выполнены на микросхемах К175ИЕЗ, обеспечивающих счет до шести и дешифрирование двоичного кода в код цифро­вого индикатора. Для работы счетчиков микросхем К176ИЕЗ, К176ИЕ4 необхо­димо, чтобы на выводы 5, 6 и 7 подавался логический 0 (напряжение, близкое к 0 В) или эти выводы были соединены с общим проводом схемы. Выводы(вывод 2) и входы (вывод 4) счетчиков минут и часов соединяются последова­тельно.



Рис. 30. Структурная схема простейших часов настольного (настенного) типа



Рис. 31. Принципиальная схема простейших часов настольного (настенного) типа
Установка 0 делителей микросхемы К176ИЕ12 и микросхемы К176ИЕ4 счетчика единиц минут осуществляется подачей на входы 5 а 9 (для микросхе­мы К176ИЕ12) и на вход 5 (микросхемы К176ИЕ4) положительного напряже­ния 9 В кнопкой S1 через резистор R3. Первоначальная установка времени ос-стальных счетчиков осуществляется подачей на вход 4 счетчика десятков ми­нут с помощью кнопки S2 импульсов с частотой следования 2 Гц. Максималь­ное время установки времени не превышает 72 с.

Схема установки 0 счетчиков единиц и десятков часов при достижении зна­чения 24 выполнена на диодах VD1 и VD2 и резисторе R4, реализующих ло­гическую операцию 2И. Установка в 0 счетчиков происходит тогда, когда на анодах обеих диодов появится положительное напряжение, что возможно толь­ко при появлении числа 24. Для создания эффекта «мигающей точки» импульсы с частотой следования 1 Гц с вывода 4 микросхемы К176ИЕ12 подаются на точку индикатора единиц часов или на сегмент г дополнительного индикатора.

Для часов целесообразно использовать семиэлементные люминесцентные цифровые индикаторы ИВ-11, ИВ-12, ИВ-22. Такой индикатор представляет собой электронную лампу с оксидным катодом прямого накала, управляющей сеткой и анодом, выполненным в виде сегментов, образующих цифру. Стеклян­ный балон индикаторов ИВ-11, ИВ-12 цилиндрической, ИВ-22 — прямоугольной формы. Выводы электродов у ИВ-11 — гибкие, у ИВ-12 и ИВ-22 — в виде ко­ротких жестких штырей. Отсчет номеров ведется по часовой стрелке от укоро­ченного гибкого вывода или от увеличенного расстояния между штырями.

На сетку и на анод должно подаваться напряжение до 27 В. В данной схе­ме часов на анод и сетку подается напряжение +9 В, так как использование более высокого напряжения требует дополнительно 25 транзисторов для согласования выходов микросхем, рассчитанных на питание 9 В с напряжением 27 В, подаваемым на сегменты анодов цифровых индикаторов. Снижение на­пряжения, подаваемого на сетку и анод, уменьшает яркость свечения индика­торов, однако она остается на достаточном для большинства случаев приме­нения часов уровне.

Если указанных индикаторов нет, то можно использовать индикаторы типа ИВ-ЗА, ИВ-6, имеющие меньшие размеры цифр. Напряжение накала нити катода лампы ИВ-ЗА 0,85 В (потребляемый ток 55 мА) ИВ-6 и ИВ-22 — 1,2 В (ток 50 и 100 мА соответственно), у ИВ-11, ИВ-12 — 1,5 В (ток 80 — 100 мА). Один из выводов катода, соединенный с токопроводящим слоем (экраном), ре­комендуется соединять с общим проводом схемы.

Номера выводов наиболее распространенных цифровых люминесцентных ин­дикаторов и соответствующих им выводов микросхем приведены в табл. 1. Обозначение сегментов индикатора русскими и латинскими буквами показано на рис. 31.