Prototyp zegara opartego na licznikach 74HC393

[Zimol]

Prototyp zegara opartego na licznikach '393

Witam.

Jest to pierwszy projekt, bardzo niedoskonały, posiadający wiele błędów ale również taki który wiele nas nauczył   Pomysł narodził się miesiąc temu, a motywacją była lepsza ocena z układów cyfrowych(z 4 na 5) na koniec drugiej klasy, przedmiot się już kończy a więc ocena leci na świadectwo ukończenia technikum. A więc zebrałem drużynę, rozdzieliliśmy zadania i ruszyliśmy z projektem

  Tak jak w tytule, projektem był zegar ale na licznikach 4-bitowych. Wiadomo że taki zegar można zrobić tysiąc razy lepiej, szybciej itd. używając np. układu MC1206 CEMI, tylko że to nam wiele by nie dało jeśli chodzi o naukę tego przedmiotu. Skoro poznaliśmy liczniki, dekodery, bramki to możemy coś wykombinować . Tutaj przy okazji chciałbym podziękować kolegom bez których na pewno nigdy by ten projekt nie powstał oraz nauczycielowi, który udostępnił nam odpowiednie urządzenia do jak najlepszego wytworzenia płytki PCB, a domowymi sposobami nie byłoby tak łatwo. Koniec wstępu, teraz projekt.

Jest to prototyp, zresztą bardzo widocznie zaznaczony na płytce, wiedzieliśmy że coś może nie działać - miało to pokazać na czym stoimy, jakie błędy popełniliśmy itp. Trochę jest ich, opisze je tutaj. Początkowo projekt składał się z 4 segmentów. Segment 1-sekundy, segment 2-minuty, segment 3-godziny oraz 4-kontrolny. Na prototypie jest jeszcze segment 5- ratunkowy. Wszystkie segmenty miały być na osobnych płytkach ale zrezygnowaliśmy z tego. Będę stosował te nazwy aby lepiej przedstawić projekt. 

Co kryje wnętrze? 

Układ jest zbudowany z trzech podwójnych liczników 4-bitowych 74HC393, sześciu dekoderów BCD na wyświetlacz 7-segmentowy CD4511BE, trzy bramki AND-CD4081BE, podwójny przerzutnik JK-CD4027, Dzielnik częstotliwości CD4060, jedyny w wersji SMD oraz licznik 7-bitowy CD4024. Trzy podwójne 7 segmentowe wyświetlacze LED LTD5523 o wspólnej katodzie. Kilka rezystorów, kondensatorów i diod.

Ogólna zasada działania

Sercem układu jest segment czwarty, kontrolny. Na nim znajdują się układy odpowiedzialne za poprawne działanie reszty segmentów. Segment pierwszy, drugi oraz trzeci posiadają wyświetlacz, który ma za zadanie pokazać ilość impulsów podanych na wejścia zegarowe liczników 4-bitowych, wykonanego w technologii TTL-74HC393. Na wejście zegarowe segmentu pierwszego zostaje wprowadzony przebieg prostokątny o częstotliwości 1Hz- czyli 1 sekunda. Następuje zliczanie tych impulsów podanych z segmentu 4, z odpowiedniego układu.

Jedności sekund to modulo 10 (od 0 do 9 i reset licznika), dziesiętne to już modulo 6(0-5 i reset),

jedności minut mają takie same modulo jak sekund,

natomiast godziny: jedności modulo 10, dziesiętne modulo 3.

Myśleliśmy że zegar, w momencie gdy go uruchomimy, będzie wskazywał godzinę 00:00:00. Wskazuje natomiast różnie, 11:00:01, 15:14:24, 14:21:30. W wersji 2.0 po prostu w momencie podłączenia do zasilania wszystkie układy będą się resetować. Też dosyć często zdarzało się że nie wszystkie wyświetlacze się zaświecały w tym samym momencie. Może ktoś wie dlaczego? Zdarzało się że wyświetlacz wskazywał 12:x1:x2, (x oznacza tutaj, że wszystkie diody były zgaszone)

“Segment 1, 2, 3” - czas 

Te trzy segmenty są do siebie bardzo podobne, różnica jest jedynie przy licznikach. Czyli jeden segment może nam wyjaśnić działanie pozostałych. Omówimy segment pierwszy, schematy zostaną podane dla wszystkich. 

Segmenty są odpowiedzialne za zliczanie impulsów zegarowych, czyli jeżeli podamy na jeden z liczników 74HC393 sygnał zegarowy, w tym przypadku sygnał prostokątny o częstotliwości 1Hz, o wypełnieniu 50%, to owy układ będzie zliczał sekundy. 1/60Hz- minuty, 1/3600Hz-godziny. 

Segment pierwszy jest zbudowany z jednego układu 74HC393, posiada on 2 liczniki 4-bitowe w obudowie dip14. A oznaczmy za jedności sekund, B za dziesiętne. Do wejścia zegarowego licznika A wprowadzamy sygnał 1Hz. Na wyjściach tego licznika (A)Qa, (A)Qb, (A)Qc i (A)Qd pojawiają się odpowiednie stany. Stany się zmieniają zawsze po sygnale zegarowym. A więc mamy takie stany na wyjściach: 

(A)Qa=1 

(A)Qb=0 

(A)Qc=0 

(A)Qd=0 

To po sygnale zegarowym na licznik A na wyjściach będą sygnały: 

(A)Qa=0 

(A)Qb=1 

(A)Qc=0 

(A)Qd=0 

Z kodu binarnego 0001 po sygnale przechodzimy w stan 0010. Czyli z 1 na 2. 

 

Bramka AND służy do wykonania do każdego licznika odpowiednie modulo. Do wejść bramki podłączmy (A)Qb i A(Qd), a wyjście do wejścia resetującego licznika A oraz do kolejnych segmentów. Tym sposobem dla jedności sekund mamy modulo 10, ponieważ licznik ma za zadanie liczyć od zera do dziewięciu, licznik odpowiedzialny za dziesiętne sekundy ma już modulo 6, ponieważ sekund mamy 60, nie 100.  

Teraz przechodzimy do dekodera z kodu BCD na kod dla wyświetlacza 7 segmentowego, jest za to odpowiedzialny układ CD4511. Wejścia D0, D1, D2, D3 są podłączone do wyjścia licznika A(Qa, Qb, Qc, Qd). Tak więc: 

(A)Qa -> D0 

(A)Qb -> D1 

(A)Qc -> D2 

(A)Qd -> D3 

 

Stany wysokie na wejściach D0-D1 definiują nam wyjścia a, b, c, d, e, f, g, one zaś są podłączone do wyświetlacza 7 segmentowego, jednakże pomiędzy połączeniem między dekoderem a wyświetlacze znajdują się rezystory o rezystancji 1k ohm, 5% tolerancji. Służą one do ograniczenia prądu diody, bez nich w ciągu kilku sekund wszystkie diody by się spaliły. Tak samo postąpiono dla dziesiętnych sekund.   

Niestety ręczne ustawianie w prototypie nie zawsze działa, zapewne działanie poprawiono by stosując kondensatory filtrujące oraz rezystory podciągające. Przyszła wersja będą posiadać taką ochronę przed drganiami styków. 

 

“Segment 4” - kontrolny 

Segment 4 jest sercem całego układu. Na nim znajduje się generator 1Hz (aktualnie nie sprawny), układ odpowiedzialny za pozbycie się problemu godziny 24 oraz zasilanie całego układu. 

Rezonator kwarcowy ma wartość 32,768 kHz, układ 4060 jest dzielnikiem częstotliwości. W momencie, gdy sygnał zostanie doprowadzony do wejścia zegarowego CLK układu CD4060, to na wyjściu Q14 pojawi się sygnał o częstotliwości 2Hz. Q14 oznacza, że sygnał CLK dzieli przez 2^14, czyli przez 

16 384. 

32 768/16 384 = 2 

Układ 4027 to podwójny przerzutnik JK. Pełni on funkcje dwójki liczącej, czyli zarazem dzieli częstotliwość przez 2. 

2/2 = 1 

Czyli na wyjściu otrzymujemy bardzo stabilny 1Hz.  

Niestety u nas  układ nie działał poprawnie. Dlatego też powstał specjalny segment, ratunkowy

 

“Segment 5” - ratunkowy 

Ten segment w początkowej fazie produkcji nie był przewidziany, został wymyślony z powodu możliwego niedziałania układu odpowiedzialnego za generowanie sygnału 1Hz.  

Jest to prosty układ oparty na bardzo znanym i powszechnie dostępnym układzie NE555. Na wyjściu 3 ukazuje się pseudo przebieg o częstotliwości 1Hz, nie jest on tak dokładny jak ten, którego opisaliśmy powyżej. Gdyby zegar działał 24 godziny, to możliwe, że albo by się spóźniał albo by przyśpieszał o ponad 20 minut w ciągu jednej doby. 

Problem godziny 24:00 

W trakcie projektowania jednym z problemów była godzina 24. Był pomysł, aby zastosować prosty układ, licznik 7-bitowy, który miał za zadanie zliczyć 24 impulsy zegarowe z segmentu 2, a dokładniej z wyjścia bramki podłączonej do licznika odpowiedzialnego za dziesiętne minuty. Po 24 impulsach miał na chwilę odłączyć zasilanie przez co cały układ zliczanie rozpocząłby od zera. 

23:59:59 -> przełączenie przekaźnika -> 00:00:00 

Niestety owy układ by nie działał, ponieważ nie uwzględniliśmy pojemności w układzie oraz stanów nieustalonych na licznikach binarnych.  

Płytka PCB

Płytka ma rozmiary 14cm x 17cm, wszystko się zmieściło, chociaż były problemy. PCB została wykonana metodą termotransferu, przy pomocy laminatora. Ścieżki oraz imiona naprawdę ładnie się wytrawiły, jesteśmy z tego bardzo zadowoleni.

Tutaj kilka zdjęć z realizacji. Projekt będzie rozwijany aż pozbędziemy się większości problemów jakie spotkaliśmy. Wersje 2.0 też będzie na forbocie:) Może we wrześniu, październiku:)

 

[Treker (Damian Szymański)]

@Zimol witam na forum i dziękuję za opis projektu. Wpis został właśnie zaakceptowany, więc jest już widoczny publicznie

[rafi8112]

Wow, moje klimaty. Uwielbiam w ten sposób konstruowane urządzenia - dzięki temu można zaprezentować jak taki niby niepozorny zegar wygląda bardziej od wewnątrz. Ciesze się, że są jeszcze użytkownicy którzy próbują okiełznać technikę cyfrową od podstaw. To nic, że wiele błędów jest w tym projekcie - każdy się na nich uczy i każdy je też popełnia. Jedyną sprawiedliwością pod tym względem jest to, że nie ma i nie będzie człowieka, który wszystko będzie wiedział na temat szeroko pojętej elektroniki.

Co do sprawy drgających styków koniecznym jest stosowanie przynajmniej prostego obwodu RC, a jeszcze lepszą praktyką jest połączenie wspomnianego obwodu RC z bramką z przerzutnikiem Schmitta (daje to prawidłowe, strome zbocza impulsów.) Też dobrą praktyką, a w niektórych przypadkach wręcz niepomijalną jest odsprzęganie zasilania cyfrowych układów scalonych kondensatorem najlepiej bezindukcyjnym o wartości np 100nF. Wiele niespodzianek zostanie wyeliminowanych.

Życzę determinacji i progresywnej nauki i czekam na prezentację kolejnych projektów z kategorii podstawowej techniki cyfrowej  

[Zimol]

@rafi8112 Serdecznie Panu dziękuję za ten komentarz! Takie rady jak te są bardzo potrzebne

Pana kalkulator jest niesamowity, żeby mieć kiedyś taką wiedze jak Pan...

Mam jedno pytanie z nim związane, jak Pan projektował płytkę? Ile to Panu zajęło? 

Bardzo Panu dziękuję za odpowiedź, dużo zdrowia

 

Edytowano Czerwiec 21, 2021 przez Zimol

[rafi8112]

Pierwsza wersja projektu miała się opierać na sześciu dwustronnych płytkach PCB o łącznej powierzchni 1,5m2. Część tych płytek nawet zaprojektowałem ręcznie w całości. Niestety przy dwóch warstwach uzyskałem bardzo małą gęstość elementów i bardzo dużą ilość przelotek szczególnie przy obwodach gdzie ilość połączeń była ogromna. Zdałem sobie też sprawę z problemami z integralnością sygnałów ze względu na zbyt długie połączenia, a na elementy kondycjonujące nie było już po prostu miejsca. Porzuciłem więc tę wersję ale wiedza, którą nabyłem okazała się bezcenna. Zdecydowałem się więc na jedną płytkę 8 warstwową o wymiarach 72cm*50cm. Przez kolejne prawie 9 miesięcy udało mi się ją w pełni zaprojektować również ręcznie (autoroutery jak dla mnie są zbyt mało "inteligentne", a konfiguracja reguł dla kilkunastu tysięcy ścieżek jak dla mnie mija się z celem). Dzięki temu, że ręcznie prowadziłem każdą ścieżkę byłem w pełni świadomy tego co robię, a co za tym idzie poczułem przy okazji na swojej skórze trud jaki kiedyś odczuwali konstruktorzy nie mający nawet komputerów do wspomagania projektowania PCB, a przecież powstawały komputery Mainframe nie mające w swoim wnętrzu kilkaset układów scalonych, a kilka tysięcy!

Ja również dziękuje za miłe słowa. Proszę nie zrażać się niepowodzeniami bo są one wpisane w każdego z nas. Prawdziwą sztuką jest się na nich uczyć i wyciągać prawidłowe wnioski, a wtedy da się dojść do rzeczy wielkich.

Powodzenia i też dużo zdrowia bo przy coraz większych projektach na pewno się przyda

[Zimol]

Założyłem nowy temat na forbocie, tym razem zegar 2.0, czyli naprawa błędów i kilka innych usprawnień

 

[Szern]

Bardzo podoba mi się ten projekt, a w szczególności jego walory edukacyjne. Trafiłem tu, zastanawiając się nad projektem zegara elektronicznego, a nie cyfrowego i wstępnie myślałem o "sercu" na NE555. Idę czytać o Twojej wersji 2.0...