Schaltung

Die meisten Anleitungen verwenden den Timer E555, um den Takt für die Uhr vorzugeben. Bei unserer Umsetzung sollte das Ganze über einen Schwingquarz gesteuert werden.
Die folgende Abbildung zeigt den kompletten Schaltplan der Uhr:

schaltplan-digitaluhr-groß-quer

Schaltplan der Digitaluhr (Klicken zum Vergrößern)

Für die Umsetzung werden eine Reihe an Bauteilen benötigt. Nachfolgend eine Auflistung der eingesetzten Bauteile:

  • 2x Taster
  • 6x IC7447
  • 1x IC 4001
  • 6x IC 4510
  • 2x IC 4040
  • 1x 4081
  • 48 x 470 Ω
  • 1x 1MΩ
  • 1x Kühlkörper
  • 6x 135KΩ
  • 1x 27KΩ
  • 6x 7-Segmentanzeige
  • 1x Spannungsregler
  • 1x 15 pF
  • 1x 150 pF x
  • 1x 33 pF -1
  • 1x 10 µF
  • 2x 220 nF
  • Quarz 32kHz

Das Ganze kann natürlich einfach anhand der Schaltung nachgebaut werden. Viel Interessanter wird das Ganze aber, wenn auch die Logik der Bausteine  und deren Arbeitsweise verstanden wird.

Die Basis der Digitaltechnik bilden logische Grundschaltungen, die in unterschiedlichen Logikfamilien realisiert werden, wie beispielsweise in der Transistor-Transistor-Logik (TTL) oder in der CMOS-Logik. Alle Symbole für logische Grundschaltungen können hier nachgeschlagen werden.

Integrierte Schaltkreis (kurz IC für "Integrated circuit") sind weitgehend vollständige Schaltkreise, bei denen alle verwendeten Bauelemente, einschließlich deren internen Verbindungen, in einem Fertigungsprozess hergestellt werden. Es handelt sich also um viele logische Schaltgatter, die in einem Baustein vereint sind.
Integrated Circuit

Verwendet wurden die folgenden IC's:

  • IC 4510 (Zähler)
  • IC 7447 (BCD-to-Seven Segment Decoder)
  • IC 4081 (CMOS, AND Gatter)
  • IC 4001 (NOR Gatter)
  • IC 4040 ()

Nachfolgend sollen kurz die Bedeutungen dieser Bausteine für die Digitaluhr verdeutlicht werden. Die dabei verwendeten Grafiken wurden aus den Datenblättern der Bausteine entnommen.

IC 4510

IC4510Pins

Pinbelegung IC 4510

Der IC 1 (4510) bekommt ein Signal von dem Pin 16 des ICs 16 (4040) auf den Pin 15. Dies ist die Frequenz von f = 1 Hz, welce für die Taktung der Sekunden verantwortlich ist. Somit kann die Segmentanzeige jede Sekunde aktualisiert werden. Die Signale hierfür erhält sie von dem IC 7 (7447) und dieser erhält die notwendigen Signale von dem IC 1 (4510) über die Pine 2, 6, 11 und 14. Der IC 7 erhält diese Signale über die Pinne 1, 2, 3 und 4. Diese unterschiedlichen Signale sind in dem oberen Bild unter den Bezeichnungen Q1, Q2, Q3 und Q4 zu finden.
Damit die Zehnersekunde (S2) wieder auf 0 springt, senden Q2 und Q3 jeweils dasselbe Signal, welches an den Eingängen 1 und 2 des IC 4081 (IC 13) anliegt. Durch die UND-Verknüpfung lässt der Baustein am Pin 3 ein High-Signal entstehen, welches den Takt für den IC 3 simuliert. Somit entsteht der 60 Sekundentakt für den IC 3.

IC 7447

Bei dem IC handelt es sich um einen BCD TO 7-SEGMENT DECODER. Das heißt, dass dieser Baustein das Signal so konvertiert, dass die 7-Segmentanzeige ein Signal erhält, das interpretiert werden kann. Der Baustein besteht aus einer Reihe logischer Verknüpfungen. Über die Tabelle mit den Wahrheitswerten kann genau abgelesen werden, welche Pinne entsprechende Signale benötigen, um wiederum passende Signale für die Segmentanzeige zu erhalten.

Wahrheitstabelle7447

Wahrheitstabelle für den IC 7447 (Klicken zum Vergrößern)

IC 4081

Dieser IC sorgt dafür, dass die nächste Anzeige um 1 inkrementiert wird. Dazu gibt dieser IC an dem jeweiligen Ausgang(3, 4,10 oder 11) ein High-Signal. Das High-Signal entsteht jeweils wieder durch eine Verknüpfung von 2 Signalen. Beim Ausgang 3 wären das z. B. die Eingänge 1 und 2. Eine UND-Verknüpfung ist immer dann wahr, wenn alle Signale den Wert 1 haben. In diesem Fall heißt das, dass ein High-Signal entsteht, wenn die Eingänge ebenfalls High sind. Die Verknüpfung wird auch Konjunktion genannt. In unserer Schaltung wären die Eingänge 1 und 2 alle 60 Sekunden gleich. Somit ergibt sich hieraus der Takt für die Zehnerminute. Sobald die 7-Segmentanzeige aktualisiert wird, sind für einen Bruchteil einer Sekunde alle Segmente aus. Dies macht auch Sinn, weil die Anzeige ein ganz neues Signal erhält.

4081

Top Ansicht des IC 4081

IC4001

Der IC 4001 ist in unserer Schaltung an der Taktgebung beteiligt. Hier sorgt er dafür, dass die einzelnen Segmente jeweils zu einem festgesetzten Zeitpunkt um 1 inkrementiert werden.
Der Baustein besteht aus 4 NOR-Gattern. Bei NOR ist der Ausgang nur dann 1, wenn sich beide Eingänge im Zustand 0 befinden.
An Pin 1 und Pin 2 entsteht in einem gewissen Rhythmus gleichzeitig ein High-Signal. Das High-Signal, welches somit an Pin 3 entsteht, gibt eine Zeit an, mit der sich die Kondensatoren auf- und entladen. Das führt dazu, dass der Quarz zu schwingen beginnt. Immer wenn an dem Pin 2 ein High-Signal anliegt, ist an Pin 5 und Pin 6 auch ein High-Signal, da diese beiden Pinne mit Pin 2 verbunden sind. Das führt dazu, dass an Pin 4 ebenfalls ein High-Signal entsteht. Dieses Signal hat die Frequenz von 32kHz.

TOP4001

Top Ansicht des IC 4001

IC 4040

Der IC 4040 ist der wichtigste IC für die Taktung. Um das 32kHz Signal (Takt des Quarz) auf ein 1Hz Signal zu bekommen, muss das 32kHz Signal durch geteilt werden.

Dieser IC ist somit für den Sekundentakt verantwortlich. Es handelt sich um einen „Teilerbaustein“, der an dem ersten Ausgang (Pin 9) die Frequenz durch teilt, an dem nächsten (Pin 7) die Frequenz durch u.s.w. bis an den Pin 11, wo durch geteilt wird.
Da die Teilung nur bis bei einem Baustein funktioniert, werden zwei IC4040 benötigt.

Der IC verfügt über Insgesamt 16 Anschlüsse, einen „clock input“ (Pin 10),
einen „reset input“(Pin 11), sowie einen Pin für V++ (Pin 16), Ground (Pin 8) und
12 Teilerausgänge.

Der zweite Baustein bekommt über „clock input“ (Pin 10) ein Signal von Pin 1 des ersten Bausteins.
Das Signal von Pin 1 des ersten Bausteins beträgt 8Hz.
Da das Signal was von Pin 4 des IC 4001 kommt, welches 32 kHz ist, durch 2^12 geteilt wird.
Die 8Hz werden im zweiten Baustein durch geteilt. Dies ergibt an Pin 5 das 1Hz Signal.
Der Pin 11 wird nicht benötigt und ist bei beiden Bausteinen auf Ground gelegt, so wie alle anderen Ausgänge die nicht benötigt werden.

Funktionsweise der Quarztaktung

Damit der Quarz schwingen kann, braucht er eine gewisse Spannung. Diese Spannung erhält er über den IC 4001. Die Kondensatoren innerhalb der Schaltung dienen als Stützkondensatoren, damit die Frequenz möglichst stabil ist.
Damit die Uhr einen Sekundentakt erreicht wird, muss die Frequenz jedoch 1 Hz betragen. Deshalb wird diese Frequenz mit den beiden ICs 4040 zweimal geteilt, sodass sich eine Frequenz von ca. 1 Hz ergibt.
Damit der Quarz sofort anfängt zu schwingen und weil die 7-Segmentanzeigen mit 5 Volt betrieben werden müssen, wird die Uhr mit einer Spannung von 5 Volt betrieben. Wenn der Quarz nicht mit einer Spannung von 5 Volt betrieben würden, währen die ersten Sekunden ungenau, da er hier am einschwingen ist oder bei höheren Spannungen sofort zerstört werden kann.

Fazit

Letztendlich funktionierte die Uhr. Das Ganze war leider nur auf einem Steckbrett aufgebaut und nicht gelötet, aber für den Eigenbau und mit etwas mehr Zeit sollte das auch möglich sein.

digitaluhrkomplett

Komplette Digitaluhr (Klicken zum Vergrößern)

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.

Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.