Схема:
Прототипом для часов послужила схема опубликованная на сайте
http://www.electricstuff.co.uk/nixclock.htm и повторенная многими радиолюбителями. Восхищение вызывает малое число компонентов и завораживает простота схемы. Однако, анализ схемы показал, что при проектировании заложены некоторые упрощения. Во-первых, наличие RC-цепочек, что делает схему не чисто "цифровой". Во-вторых, несколько странный способ установки времени. Так же мало приемлемым кажется использование частоты сети в качестве опорной для отсчета времени, 12-ти часовой ход и наличие гальванической связи с электросетью.
Предлагаемые часы содержат на одну логическую микросхему больше (9 против 8), питаются от 12 вольт и свободны от недостатков прототипа, что совершенно не мешает иметь другие. Тактовый генератор на часовом кварце выполнен на микросхеме DD2. Эта микросхема содержит в себе генератор и 14-ти разрядный делитель, позволяющий получить набор поделенных частот. Используя часовой кварц (с частотой 32768Гц) на последнем делителе получим частоту 2Гц, которая пройдя делитель на 2, выполненный на триггере DD4A, даст секундные импульсы. Секундные импульсы далее поступают на счетчик секунд выполненный на счетчиках DD5 и DD8. Счетчик DD5 считает единицы секунд и с выхода переноса (вывод 12) поступает на счетный вход DD8, который считает десятки секунд. Для того, чтобы счетчик считал только до 60-ти выход Q6 счетчика DD8 соединен с входами сброс обоих счетчиков и триггера DD4A. Диод VD5 обеспечивает развязку выхода в случае, если сброс будет формироваться нажатием на кнопку S3 "Сброс секунд".
Счетчик минут выполнен аналогично на счетчиках DD1 и DD3. Отличие только в том, что сформированный сигнал сброса по достижении 60 сбрасывает только счетчик десятков минут DD3. Также отличается способ подачи тактовых импульсов. Сформированный сигнал сброса по переполнению счетчика секунд поступает на вход разрешения счета счетчика минут при постоянном наличии лог.1 на входе счетных импульсов через резистор R1. Аналогично сигнал переполнения счетчика десятков минут поступает на вход счетчика часов.
Счетчик часов выполнен на микросхемах DD6, DD9, а на микросхеме DD7 собрана схема сброса счетчика часов по достижении 24. Элемент И-НЕ DD7A устанавливается в лог.0 в том случае, если лог.1 появится на выходе Q4 счетчика DD6 и Q2 счетчика десятков часов DD9. Этот уровень опрокидывает триггер выполненный на элементах DD7B и DD7D, который и формирует сброс счетчиков DD6 и DD9. Активный уровень будет удерживаться около 1/8196 секунды, пока не придет импульс с выхода Q4 DD2 и не вернет триггер в исходное состояние. Такой сложный сброс выполнен потому, что из-за разного быстродействия микросхем одна может сброситься быстрее другой и сигнал сброса может сняться не успев сбросить второй счетчик. Это будет проявляться в том, что после 23:59 может установиться 04:00 или 20:00 вместо полуночи. Как правило, если микросхемы из одной партии - их параметры близки и такая проблема не возникает. В таком случае можно было бы обойтись всего двумя элементами И-НЕ, но так как остаются свободными еще два элемента - то почему бы не сделать всё "правильно"?
Для установки времени используются три кнопки S1-S3:"установка минут", "установка часов" и "сброс секунд". Нажав на кнопку S3 подается сигнал сброса на оба счетчика секунд и делитель DD4A и удерживая кнопку счетчики также остаются в сброшенном состоянии. Отпустив кнопку, счетчики начинают отсчет. Это позволяет установить время с дискретностью в пол-секунды (так как делитель DD2 не сбрасывается, а продолжает формировать импульсы в той же фазе, что и до сброса). Если необходимо точнее, то сигнал сброса надо было бы завести также на вход 12 микросхемы DD2, но это не позволит устанавливать минуты и часы удерживая кнопку сброса секунд.
Установка минут и часов производится кнопками S1 и S2 следующим образом: импульсы следующие с частотой 2 Гц при нажатии на кнопку поступают на вход CLK соответствующего счетчика. Чтобы не проявился эффект дребезга контактов выключателя приняты определенные меры. Самое главное - в момент замыкания контактов потенциалы на них должны быть одинаковыми. Правый по схеме контакт имеет потенциал питания (лог.1) через резистор R1 (R10 - для S2), а на левый большую часть времени подается лог.1 с выхода DD4B. Для инкремента счетчиков генерируются короткие отрицательные импульсы длиной 1/128 секунды. Эти импульсы формирует триггер DD4B. По фронту импульсов с частотой 2Гц с выхода Q14 микросхемы DD2 триггер устанавливается в единичное состояние, а через 1/128-ю секунды, когда на выходе Q9 DD2 устанавливается высокий уровень, триггер сбрасывается. Вероятность нажать кнопку именно в момент импульса очень мала, следовательно, низка вероятность получить ощущение дискомфорта при установке времени.
Конечно, установка времени сделана далеко не идеально. При сбросе секунд не происходит "округление" - просто сбрасываются секунды, а минуты и часы остаются неизменными. При установке минут, при переходе 59 -> 00 происходит инкремент часов. Но тем не менее, без существенного усложнения схемы удалось сделать установку более комфортной.
Сигналы с выходов счетчиков поступают на ключи, которые подают отрицательный потенциал на катоды индикаторов. Ключи выполнены на полевых транзисторах. Можно использовать ZVNL120A в корпусе E-line (совместимый с TO-92), но они достаточно дороги. Гораздо дешевле, но, вроде, сняты с производства BS107-BS108. Применение полевых транзисторов с изолированным затвором вызвано желанием уменьшить потребляемый цифровой частью ток. И именно с этой целью применена микросхема DD7 (этот узел можно сделать на двух диодах и одном резисторе, но потребление при этом возрастёт стократно). У изготовленного экземпляра потребление цифровой части составило 15мка от резервного литиевого элемента 3в (разумеется, ни одна кнопка не должна быть нажата!) и даже без резервного элемента при переключении источников питания ход времени не прерывался.
В случае, если не гнаться за минимальным потреблением, ключи можно выполнить на широкораспространенных биполярных транзисторах MPSA42, заменив сопротивления в цепи базы на 33 килоом.
Питание часов производится от источника тока напряжением 12 вольт, которое подается на разъем J1. Диод VD3 предназначен для защиты от переполюсовки. Далее это напряжение через интегральный стабилизатор DA1 78L05 (78L06) поступает на логические микросхемы через диод VD2. Резервное питание подается туда же от литиевого элемента через диод VD1.
Преобразователь высокого напряжения выполнен на микросхеме DA2 UC3843, транзисторе VT1 и трансформаторе T1. Схема преобразователя честно слизана с просторов интернета и мало чем отличается от типового включения примененной микросхемы. Подстроечный резистор R18 предназначен для установки выходного напряжения. Трансформатор намотан на магнитопроводе Epcos N87 EFD20 с зазором 0.5мм. Первичная обмотка содержит 29 витков провода 0.4 мм, вторичная 300 витков проводом 0.12 мм.
Конструктивно часы выполнены на двух платах 160x62мм: управления и индикации. Между собой соединены 50-ти контактным разъёмом. Плата индикации расчитана под лампы ИН-14, но легко можно переделать и под другие лампы. Обе платы изготавливаются из одностороннего стеклотекстолита. На плате управления перед установкой компонентов необходимо установить перемычки (по данным последнего учета 42 штуки). Транзисторы VT2-VT48 и резисторы R25-R69 устанавливаются так же как и в оригинальной конструкции (см.раздел "assembly notes"). Следует учесть, что цоколевка разных транзисторов различается, поэтому при их установке не следует руководствоваться сборочным чертежом, а проверить по справочному листку расположение выводов. Электролитические конденсаторы следует выбрать с диаметром не превышающем 10мм. Они устанавливаются на боку. Транзистор VT1 также изгибается горизонтально, чтобы высота компонентов не превышала 10 мм. Это позволит установить платы друг над другом с дистанцером 12мм. Приобрести 50-ти контактный разъём достаточно трудно, поэтому его можно составить из нескольких с меньшим числом контактов (на схеме он составлен из 2-х 25-ти контактных разъёмов JP1-JP2 и JP3-JP4). Приобретая их следует обратить внимание на возможность их объединять (stackable). В противном случае действует общее правило: "перед установкой деталь доводится по месту напильником". На плате управления устанавливается гнездовая часть разъёма, на плате индикации - штыревая. На плате индикации разъём устанавливается со стороны печатных проводников.
Микросхемы можно применить КМОП серий HEFxxxx, CDxxxx, 74НСxxxx. Нежелательно применение микросхем серии 74HCTxxxx (они не нормированы на питание ниже 4.5в, поэтому резервное питание придется переделать). Почти все логические микросхемы можно заменить отечественными аналогами (К561ИЕ8, К561ТМ1(2), К561ЛА7), кроме 4060 - ей аналога нет. Функционально её можно заменить двумя микросхемами: К561ИЕ16 и К561ЛА7.
Рекомендуется при сборке сначала установить компоненты высоковольтного преобразователя и его отрегулировать. Резистором R18 выставить выходное напряжение 180-200 вольт. Работу следует проводить осторожно: 180 вольт - опасное для жизни напряжение и это напряжение держится в конденсаторах несколько секунд после отключения питания. После настройки преобразователя можно установить остальные детали и проверить работу вцелом. При первом включении, из-за того что в часах не предусмотрена цепь сброса счетчиков в начальное состояние, может возникнуть ситуация, когда некоторые лампы не будут ничего показывать или наоборот, будут светить несколько цифр разом. Если это появилось на индикаторах отображающих секунды достаточно просто нажать кнопку сброс секунд. Если в часах и/или минутах, то соответствующей кнопкой установки надо "прокрутить" счетчики до получения вменяемых показаний.Если это не помогает, то возможной причиной может быть дефект монтажа - следует проверить нет ли коротких замыканий между дорожками или обрывов. Впоследствии, если установлен резервный элемент питания, такая надобность не должна возникнуть.
Если быть до конца честным с собой, то в этой схеме есть еще пара скользких моментов - это перенос из счетчика секунд в счетчик минут и со счетчика минут в счетчик секунд. По хорошему, там тоже следовало бы установить триггер - так как уровень появившийся на выходе Q6 создает и сброс для него же, и счетный импульс для следующего счетчика. И если сброс произойдет быстрее, чем следующий счетчик перейдет в следующее состояние, то произойдет сбой. На практике, такое маловероятно (если не собрать разношерстную компанию счетчиков с сильно различающимся быстродействием), но тем не менее теоретически возможно. Так что если случится такая ситуация - придется в схему вводить задерживающие RC-цепочки на сброс. Мне же очень не хотелось вводить десятую и одиннадцатую микросхему. И так уже простая схема превратилась в достаточно сложную.
Печатка