Часы повышенной сложности

При усложнении схемы простейших часов может быть получен ряд дополнительных функций таймера или будильника, либо новое качество, на­пример повышенная яркость свечения или большие размеры индикатора ча­сов.

Таймер. При ведении собраний или в учебном процессе возникает задача-регламентировать время. Эту задачу решает таймер. Он обеспечивает индика­цию времени и возможность появления звукового сигнала в заданное время. Тай­мер рассчитан на отсчет времени в минутах и на возможность установления сигнализации на любое число от 0 до 99 мин.

Структурная схема таймера представлена на рис. 34. Таймер состоит из ге­нератора минутной последовательности импульсов и двух трактов по два счет­чика и дешифратора (единиц и десятков минут). Один из трактов (верхний на схеме) предназначен для отсчета и индикации времени с помощью семиэле-ментного цифрового индикатора, другой — для установки времени срабатыва­ния звукового сигнала.

Принципиальная схема таймера на шести микросхемах представлена на рис. 35. Генератор выполнен на микросхеме ИМС1 К.176ИЕ12 и кварце на частоту 32768 Гц. Импульсы с периодом следования 1 мин снимаются с выхо­да 10 микросхемы ИМС1 и подаются на счетные входы счетчиков единиц ми­нут (ИМС2 и ИМСЗ). Микросхема К176ИЕ12 создает также колебания часто­той следования 1024 и 2 Гц (выводы 11 и 6). Их используют для звуковой сигнализации.

Рис. 34. Структурная схема таймера

Рис. 35. Принципиальная схема таймера на шести микросхемах

Тракт отсчета времени выполнен на микросхемах ИМС2 и ИМСЗ К176ИЕ4 и цифровых индикаторах ИВ-11. Тракт звуковой сигнализации выполнен на микросхемах ИМС4 — ИМС6. На микросхемах ИМС4, ИМС5 К176ИЕ8 вы­полнены счетчики до десяти и дешифраторы двоичного кода в десятичный. Выходы дешифраторов подаются на два десятичных переключателя S2 и S3 установки единиц и десятков минут. Общие выводы переключателей подаются на входы микросхемы ИМС6 К176ЛА8, содержащей два логических элемента 4И-НЕ. На два других входа подаются колебания частотой 1024 и 2 Гц. В-результате при появлении на общих выводах переключателей сигналов логической 1 (+ 9 В) на выходе логического элемента появится прерывистый сигнал с частотой 1024 Гц. Для увеличения громкости звучания сигнала входы и выхо­ды двух логических элементов микросхемы К176ЛА8 объединены. К выходам логических элементов (выводы 1 и 13) подключен микрофонный капсюль типа ТК-47.

Установка 0 всех счетчиков таймера осуществляется подачей перепада на­пряжения от источника питания +9 В с помощью кнопки S1.

Питающее устройство должно обеспечить напряжение накала катодов ламп ИВ-11 (1,5 В), а также напряжение +9 В для питания микросхем, сеток и анодов цифровых индикаторов. Может быть использовано питающее устройство для простейших часов (см. § 9).

Рассмотрим варианты выполнения таймера с использованием других микро­схем. Это целесообразно в связи с тем, что таймер по схеме аналогичен часам с сигнальным устройством (будильником), но только имеет меньшее количество разрядов. Принципиальная схема таймера на девяти микросхемах, но с исполь­зованием микросхем К176ИЕ5, К176ИЕ2, К176ИД1 приведена на рис. 36. Гене­ратор минутной последовательности выполнен на микросхемах ИМС1, ИМС2 К176ИЕ5 и кварце на частоту 139810 Гц. Колебания с периодом следования 1 мин снимаются с вывода 4 микросхемы ИМС2. Колебания с частотами следо­вания 270 и 4 Гц для работы звукового сигнала создает микросхема ИМС1 (выводы 1 и 5). В тракте звуковой сигнализации применены микросхемы К176ИЕ2 (счетчик до десяти) и К176ИД1 (дешифратор двоичного кода в деся­тичный). В остальном схема не отличается от рассмотренной выше.

Рис. 36. Принципиальная схема таймера на девяти микросхемах

Микросхема К176ИЕ2 может быть заменена на микросхему К176ИЕ1 (рис. 37). Однако поскольку на данной микросхеме выполнен двоичный счет­чик до 32, то для превращения его в десятичный необходима логическая схема 2И. Она выполнена на диодах VD1, VD2 и резисторе R3. Еще два диода (VD3, VD4) требуются для реализации схемы 2ИЛИ, обеспечивающей установ­ку 0 микросхемы К176ИЕ1 (вывод 13) от двух схем: от схемы 2И и от общей системы установки О (S1).

Все рассмотренные выше схемы имеют два раздельных тракта отсчета вре­мени — для часов и для сигнального устройства. Можно создать схему тай­мера, имеющую один тракт отсчета времени — общий для часов и сигнального устройства. В этом случае обычно используется тракт отсчета времени.

В связи с тем, что микросхемы КД76ИЕ4, используемые в этом тракте, име­ют выходы только в семизначном коде, то для работы сигнального устройства необходимо сделать дешифратор семизначного кода в десятичный или уста­навливать нужное время появления звукового сигнала в семизначном коде. Последний вариант не требует дополнительных микросхем, поэтому рассмотрим возможность его реализации.

В этом случае установка времени срабатывания сигнального устройства производится с помощью тумблеров, расположенных на наборном поле, выполненном в виде семиэлементного индикатора (рис. 38,6). Для набора любой де­сятичной цифры устанавливают семь тумблеров, по одному в середине каждого сектора. При необходимости задания определенной цифры она набирается включением тумблеров на сегментах, которые светятся на реальном индикаторе. Остальные тумблеры должны быть выключены.

Контакт, который замыкается при включении тумблера, подается на схему совпадения (логический элемент И) рис. 38,а. Она выполнена на 16 диодах и одном резисторе. На 14 диодов подаются выводы от тумблеров, на два — ко­лебания 1024 и 2 Гц от генератора импульсов. Подобная схема совпадения мо­жет быть выполнена на двух микросхемах К176ЛИ1.

Средние точки тумблеров подключаются к выводам соответствующих сег­ментов индикаторов. Один из контактов тумблера подключается к диоду схе­мы совпадения, другой контакт свободный. В зависимости от установленной цифры в схеме совпадения будет использовано от двух (цифра 1) до семи диодов (цифра 8) на каждый индицируемый разряд. Остальные диоды будут отключены. На выходе схемы И появится прерывистый сигнал частотой 1024 Гц только тогда, когда на всех диодах, подключенных к сегментам индикатора, будет положительное напряжение. Для получения большей громкости звучания используется транзистор VT1 типа КТ315Г. Может быть применен любой дру­гой транзистор типа n -р-n.

Рис. 37. Принципиальная схема таймера с использованием микросхем К176ИЕ1

Рис. 38. Таймер на трех микросхемах:

а — принципиальная схема, б — вид наборного поля

Часы с сигнальным устройством. Принципиальная схема часов приведена на рис. 39. Схема часов выполнена по обычной схеме на интегральных микро­схемах ИМС1 — ИМС5. Сигнальное устройство содержит три микросхемы ИМС6, ИМС7 К176ИЕ8 (счетчики до десяти с десятичными дешифраторами) и ИМС8 К176ЛА8 (две логические схемы 4И-НЕ). Оно позволяет устанавливать время сигнализации с дискретностью 10 мин с помощью десятичных переключателей S2 — S4 МПН-1 или любого другого типа. Звучание сигнала с частотой 1024 Гц обеспечивает микрофонный капсюль типа ТК-47, можно использовать и другие малогабаритные излучатели типа ЗП-1, ДЭМШ. Выключение сигнала произво­дится тумблером S5.

Данное устройство работает следующим образом. Вначале производится ус­тановка всех счетчиков часов и сигнального устройства в нулевое состояние кнопкой S1. Схема установки 0 по сравнению со схемой часов имеет некоторые особенности. В связи с тем, что микросхемы ИМС4 и ИМС5 должны устанав­ливаться в нулевое состояние от двух источников (S1 и схемы 2И на диодах VD2, VD3 и резисторе R4 при достижении 24 ч), то эти источники подсоеди­няются через логический элемент 2ИЛИ (диоды VD1 и VD4). Аналогичный эле­мент 2ИЛИ применен в микросхеме ИМС6 для установки ее в нулевое состоя­ние от S1 и при появлении сигнала на выводе 5 (соответствующем 60 мин).

Рис. 39. Принципиальная схема часов с сигнальным устройством

Затем импульсами с частотой следования 2 Гц нажатием кнопки S6 устанавли­вается необходимое время с дискретностью 10 мин.

Время включения звукового сигнала устанавливается переключателями S2 — S4. Подвижные контакты этих переключателей подаются на схему совпадения 4И-НЕ. На четвертый вход этой схемы поступают импульсы с частотой следова­ния 1024 Гц.

Установка десятков часов осуществляется без использования микросхемы К176ИЕ8. Десятки часов могут принимать значения 0, 1, 2. Однозначное опоз­навание 0 и 2 возможно по сегментам а и г цифрового индикатора. Они не­посредственно подключаются к соответствующим контактам переключателя S4. Опознавание цифры 1 возможно по отсутствию сигнала на одном из сегментов б, д, ж. Так как схема совпадения срабатывает при появлении на всех ее вхо­дах логической 1, то для опознавания цифры 1 приходится инвертировать сиг­нал с одного из указанных сегментов (в данной схеме используется сегмент б). Инверсия осуществляется инвертором, выполненном на втором логическом эле­менте 4И-НЕ (его входы соединены между собой) микросхемы К176ЛА8. Вы­ход логического элемента (вывод 13) подается на контакт 1 переключателя S4. Возможно выполнение часов с сигнальным устройством на других микро­схемах серии К176. Эти варианты рассмотрены на примере схемы таймера.

Часы с индикаторами больших размеров. При конструировании электронных часов для больших помещений (коридоры, большие аудитории, цеха) возника­ет проблема создания индикаторов увеличенных размеров.

Простейшим и наиболее экономичным является крупногабаритный индика­тор на основе неоновых или люминесцентных сигнальных ламп типа ТН или ТЛ. Используя эти лампы, можно создавать самые различные по размерам и конфигурации знаков индикаторы с различным цветом свечения (оранжевым, красным, зеленым, желтым, голубым). По форме каждый знак выполняется в виде обычного семисегментного индикатора типа ИВ-11, что позволяет проще согласовывать индикатор с микросхемами серии К176. В каждом сегменте ин­дикатора размещается от трех до 12 ламп в один или два ряда. На рис. 40 представлен один из возможных вариантов крупногабаритного индикатора с высотой цифр 170 мм и четырьмя лампочками ТН-0,2-2 в каждом сегменте. Всего для создания четырех цифр и мигающего тире потребовалось 114 лампо­чек.

Индикатор выполнен в деревянном корпусе размером 350X750X150 мм. Лампочки устанавливают в листе пенопласта толщиной 10 — 12 мм. Наружную поверхность индикатора для повышения контрастности покрывают бумагой или другим материалом черного цвета. Внутри каркаса устанавливают плату часов, питающее устройство и транзисторы схемы согласования. Часы могут быть вы­полнены по любой схеме, например приведенной на рис. 31.

Рис. 40. Внешний вид крупногабаритного индикатора

Рис. 41. Схема управления крупногабаритным индикатором

Схема согласования слаботочных выходов интегральных микросхем К176ИЕЗ, К176ИЕ4 с сегментами индикаторов, выполненных на лампах типа. ТН или ТЛ, приведена на рис. 41. Напряжение питания ламп 120 В, потребляе­мый ток 1 — 2 мА на сегмент. Для согласования используется ключ, выполнен- _: ный на транзисторе типа П-309. Последовательно с каждой неоновой лампой должен быть включен ограничивающий резистор сопротивлением 90 — 130 кОм. Всего для создания индикатора требуется 29 транзисторов. Число транзисторов может быть уменьшено до 25, если объединить некоторые сегменты в цифрах десятков часов и в десятках минут. Максимально допустимый ток через кол­лектор транзистора П-,309 30 мА. Вместо этого транзистора может быть ис­пользован транзистор КТ605, а также набор высоковольтных транзисторов d микросхемном исполнении 1НТ661. Транзисторы этой микросхемы допускают на­пряжение источника питания до 250 В при токе до 5 мА.

Индикаторы, в которых знаки десятичных цифр синтезируются семью сег­ментами, обладают одним недостатком — цифры имеют прямоугольную форму. В данном индикаторе этот недостаток частично компенсируется за счет разме­щения ламп в сегментах таким образом, чтобы в точках пересечения сегмен­тов ламп не было. Можно обеспечить большее скругление знаков за счет специ­альной схемы, обеспечивающей зажигание ближней лампы в соседнем сегменте.

Рис. 42. Форма «скругленных» цифр крупногабаритного индикатора

Ори этом возможны два варианта: скругляются левые (верхние и нижние) края цифр или левые и правые края цифр. В первом случае дополнительно вклю­чается одна или две лампы, во втором — две или четыре. Для получения нуж­ного эффекта соответственно требуется две или четыре дополнительных схемы. В большинстве случаев достаточно скруглять цифры только слева. Форма цифр в этом случае имеет вид, показанный на рис. 42.

Схема скругления для одной дополнительной лампы представляет логичес­кую схему 2И, выполненную на диодах КД105 (Д226). Могут быть использо­ваны любые другие диоды, имеющие обратное напряжение пробоя не менее 120 В, а допустимый ток — 1 мА. Полная схема управления одной цифрой со скруглением краев слева приведена на рис. 43.

Часы с индикацией на одной лампе. Для микросхем серии К176 нагрузка в виде цифровых индикаторов типа ИВ-11, ИВ-12, ИВ-22 является предельно допустимой. Поэтому, если необходимо обеспечить от одних часов работу не­скольких индикаторов, расположенных в разных местах, то можно использовать динамическую индикацию. В этом случае каждый цифровой индикатор подклю­чается к дешифратору на определенный промежуток времени. Если частота подключения каждого индикатора более 25 Гц, то периоды выключения не за­метны. Поскольку микросхемы работают в импульсном режиме, то нагрузка может быть увеличена до двух индикаторов, включенных параллельно.

В данном варианте часов динамическая индикация применена с целью уменьшения числа ламп в индикаторе до одной, что позволяет создать мало­габаритный индикатор, поместив его в фонарик или в игрушку, висящую на стене. Кроме того, такая схема позволяет иметь до восьми индикаторов, рабо­тающих от одних часов.

Индикация четырех цифр (часы и минуты) производится последовательно во времени. Вначале идет пауза (индикатор гаснет), затем высвечивается циф­ра десятков часов (например, 1), единиц часов (2), десятков минут (4) и еди­ниц минут (5). В результате получается число 1245. Каждая цифра высвечива­ется 1 с, весь цикл индикации занимает 5 с. Для опознания минут можно сде­лать индивидуальную «подкраску» с помощью высвечивания точки цифрового индикатора. Это в ряде случаев может уменьшить период отсчета времени.

Структурная схема часов с индикацией на одной лампе представлена на рис. 44. Они состоят из элементов обычных часов (без индикатора), распределителя импульсов, коммутатора и цифрового индикатора. Для обычных часоз может быть использована любая схема, например приведенная на рис. 31.

Распределитель импульсов предназначен для создания четырех импульсов, сдвинутых по времени на 1с. Импульсы управляют коммутатором. Принципи­альная ехема распределителя импульсов представлена на рис. 45. Схема имеет пять Д-триггеров, соединенных в кольцевой регистр. С помощью кнопки S1 первый триггер устанавливается в состояние логической 1, остальные — в 0. При подаче тактовых импульсов на входы С состояние 1 устанавливается по­следовательно во втором, третьем, четвертом, пятом, первом триггерах. Цикл непрерывно повторяется. С прямых выходов первых четырех триггеров импуль­сы подаются на коммутатор. Пятый триггер обеспечивает паузу в индикации. Распределитель выполнен на трех микросхемах R176TM2.

Коммутатор предназначен для подключения семи элементов цифрового ин­дикатора последовательно к одному из четырех дешифраторов схемы часов. Рас­смотрим коммутацию одного из элементов индикатора, например элемента «а». В обычных часах он соединяется с выходом 9 микросхем К175ИЕЗ или К176ИЕ4.

Рис. 43. Схема управления индикатором с «округлением» цифр

Рис. 44. Структурная схема часов с индикацией на одной лампе

Рис. 45. Принципиальная схема распределителя импульсов

В данной схеме он соединяется последовательно с одной из четырех этих мик­росхем с помощью коммутатора. Принципиальная схема коммутатора для од­ного элемента цифрового индикатора приведена на рис. 46. Он состоит из четы­рех логических элементов 2И-НЕ и одного 4И-НЕ (микросхемы К176ЛА7 и К176ЛА8). На один из входов элемента 2И-НЕ подается напряжение с вывода 9 -соответствующей микросхемы часов. На второй вход подается разрешающий импульс от распределителя импульсов. Затем выходы всех четырех элементов подаются на объединяющий элемент 4И-НЕ, а с его выхода — на сегмент «а» индикатора. Так как от распределителя подается только один импульс, то воз­можна индикация информации только с одного дешифратора. Весь коммута­тор содержит семь таких схем, т. е. требуется 28 элементов 2И-НЕ и семь элементов 4И-НЕ. Однако число элементов 2И-НЕ можно уменьшить до 24 путем объединения нескольких входов элементов 4И-НЕ при отображении цифр де­сятков часов и десятков минут. Соответствующие выходы микросхемы К176ИЕЗ не используются. В микросхеме десятков часов не используются выходы 10, 12, 13, а в микросхеме десятков ми­нут — выход 12.

Так как микросхемы К176ЛА7 содержат четыре элемента 2И-НЕ, а микросхема К176ЛА8 — два эле­мента 4И — НЕ, то весь комму­татор может быть выполнен на шести микросхемах, а все часы — на 14 микросхемах.

Рис. 46. Принципиальная схема коммутатора

Рис. 47. Принципиальная схема часов «Электроника 2-05»

При отключении индикатора схема потребляет около 1 мА от источника напряжения 9 В, при подключенном индикаторе — около 1 Вт. Для подключения еще двух инди­каторов необходимо иметь второй аналогичный коммутатор и распределитель импульсов.