Mos-klok 5314
De hier beschreven digitale klok heeft als 'brein' het klok-IC MM5314, waardoor weinig andere onderdelen nodig zijn. Voor het aanwijzen van de tijd zijn zevensegment-GaAs-displays gebruikt, waarvan de prijs in de afgelopen weken aanmerkelijk vriendelijker is geworden. Aantrekkelijk is verder dat, als bij de bouw wordt afgezien van sekonden-aflezing, nog het een en ander kan worden bespaard terwijl toch het toevoegen van sekonden in een later stadium mogelijk blijft.
Het klok-IC
Het klok-IC MM5314 is van huis uit geschikt voor uitlezing van sekonden, minuten en uren met behulp van zevensegment-displays. In tegenstelling tot het IC MM5313, dat onder andere werd toegepast in de 'monolitische buroklok' (elektuur, sept. '72) heeft dit nieuwe IC geen BCD uitgang. Hierdoor zijn de afmetingen kleiner (DIL-24 pens), de konstruktie is eenvoudiger en, wat misschien nog belangrijker is, de prijs een stuk lager. Zoals echter uit het principeschema van het IC MM5314 (figuur 1) blijkt, zijn desondanks alle voor de bouw van een klok benodigde elementen aanwezig.
Figuur 1. Blokschema van het IC MM5314. Duidelijk is dat eigenlijk de hele klok, behalve de voeding en de sturing voor de displays, al zit samengeperst in dit ene IC.
Het IC krijgt zijn impulssturing (clock) uit het lichtnet en is geschikt voor 50 en 60 Hz aansluiting. De voedingsspanning mag tussen 8 V en 17 V liggen en hoeft niet gestabiliseerd te zijn.
Alle stuur-ingangen bevinden zich, als zij niet zijn aangesloten, in logische toestand '1' omdat zij al met ingebouwde weerstanden aan de plus van de voedingsspanning liggen.
Het IC biedt, voor wat betreft de uitvoering van de klok, de keus uit verschillende mogelijkheden die alleen afhangen van een bepaalde logische toestand van een betreffende stuuringang.
Zo kan er bijvoorbeeld gekozen worden tussen een 24-uren- en een 12-uren-cyclus. Bij de 12-uren-cyclus wordt de 10-uren nulindikatie automatisch onderdrukt. Dit laatste heeft energiebesparing tot gevolg. Wanneer voorts geen behoefte bestaat aan uitlezing van sekonden, kunnen twee zevensegment-displays en twee transistoren worden weggelaten, wat tevens een aardige kostenbesparing geeft. De ingang 'strobe' maakt het mogelijk de uitlezing te onderdrukken, terwijl er voorts natuurlijk ook stuur-ingangen zijn voor het langzaam of snel vooruit laten lopen van de klok. Het stoppen van de klok voor het gelijkzetten is uiteraard ook mogelijk.
In de tabel zijn de mogelijkheden voor het instellen van de stuur-ingangen opgesomd. Figuur 2a toont, van boven gezien, de aansluitpennen van het IC MM5314.
Figuur 2a. De aansluitpennen van het IC (van boven bezien). Hier zijn ook de geringe afmetingen van het IC te zien (ca. 16 x 32 mm).
Figuur 2b. De aansluitpennen van de rode GaP-zevensegment-displays SLA 1 van Opcoa. Bij de meeste andere zevensegment-displays liggen ook afzonderlijke anoden aan de pennen 3 en 9, waarvoor een ekstra verbinding tussen deze pennen en pen 14 nodig is.
| Funktie | Toestand | Pen |
|---|---|---|
| stop | '0' | 13 |
| langzaam bijstellen | '0' | 14 |
| snel bijstellen | '0' | 15 |
| netfrekwentie 50 Hz | '1' | 11 |
| netfrekwentie 60 Hz | '0' | 11 |
| 12-urige cyclus | '0' | 10 |
| 24-urige cyclus | '1' | 10 |
| met sekonden | '0' | 24 |
| zonder sekonden | '1' | 24 |
| strobe | '0' | 1 |
| Een niet-aangesloten ingang bevindt zich in logische toestand '1', omdat de ingangen in het IC met weerstanden aan de plus van de voedingsspanning liggen. | ||
Werking
In de totale schakeling van het IC kunnen twee hoofdfunkties worden onderscheiden:
- de teller met bijbehorende schakelingen,
- de schakelingen nodig voor dekode-ring en sturing van de displays (getekend binnen de stippellijn in figuur 1).
Als impulssturing voor de teller worden halve perioden van de netfrekwentie gebruikt, die uit het lichtnet worden betrokken. De impulsvormer aan de ingang van de teller verandert de sinusgolven in blokvormige met behulp van een schmitt-trigger. Deze schmitttrigger heeft een hysteresis van ongeveer 5 V. Afhankelijk van de logische toestand aan pen 11 van het IC wordt het impulssignaal door 50 of 60 gedeeld, waardoor steeds een signaal van 1 Hz beschikbaar is voor de volgende deler. In drie volgende trappen van de teller wordt het impulssignaal in minuten en 12 of 24 uren onderverdeeld, afhankelijk van de gekozen cyclus die wordt bepaald door de logische toestand aan pen 10.
Via de poorten tussen de afzonderlijke trappen van de teller kan de klok worden gelijkgezet.
Wanneer pen 14 van het IC aan '0' ligt, loopt de klok met een snelheid van een minuut per sekonde. Bevindt zich pen 15 in de logische toestand 'Q' dan lopen de uren met een snelheid van een uur per sekonde. Wanneer pen 13 op '0' ligt staat de klok stil. Als voor een 12-uren-cyclus is gekozen wordt automatisch de eerste nul (10-uren) onderdrukt vanuit een speciaal circuit in het IC.
Het uitlezen van de teller en het sturen van de displays gaat met behulp van multipleks-techniek. De multiplek-ser tast de verschillende tellerstanden na elkaar af in het ritme van een multipleksfrekwentie en geeft deze waarde via een dekoder door aan een uitgangsgeheugen (ROM-Read Only Memory). De multipleksfrekwentie is met een simpel RC-netwerk aan pen 23 instelbaar gemaakt.
Na de multipleksoscillator komt een deler die, afhankelijk van de logische toestand aan pen 24, vier- of zes-cijferige stuurimpulsen doorgeeft (resp. zonder of met sekonden).
De toepassing van multipleks-techniek houdt in dat de displays niet parallel worden gestuurd maar in serie. Parallelsturing betekent dat alle tellerstanden tegelijk kunnen worden uitgelezen. Hiertoe wordt de tellerstand van iedere dekade op een bepaald moment doorgegeven aan een bij elke dekade behorend geheugen. Deze vastgelegde informatie stuurt dan via een dekoder de displays voor de teller-standen. Dit speelt zich steeds voor alle dekaden tegelijk af, vandaar de naam parallelsturing.
Multipleks-techniek daarintegen betekent dat alle fellerstanden zeer snel na elkaar worden afgetast en in deze volgorde worden doorgegeven aan een uitgangsgeheugen, dat bij dit IC geprogrammeerd is voor zevensegment-displays. Op hetzelfde ogenblik dat de tellerstanden worden uitgelezen wordt het bij elke teldekade behorende display voorzien van voedingsspanning via de stuurlogika van het met 'Digit Enable' gemerkte blok. Bij deze klok houdt dat in dat overeenkomstig de gemaakte keuze tussen vier- of zes-cijferige uitlezing (mogelijk door logische toestand van pen 24 van het IC) de tellerstanden ofwel 1 uit 4 of 1 uit 6 worden uitgelezen en zichtbaar worden gemaakt. Wanneer bijvoorbeeld de stand van de één-sekonde-teller wordt uitgelezen, dan wordt via 'Digit Enable' tegelijkertijd de één-sekondedisplay van voedingsspanning voorzien en wordt aldus de stand van deze dekade zichtbaar.
Korresponderende segmenten van elke display zijn met elkaar verbonden, maar alleen de bepaalde segmenten van een display dat spanning krijgt, lichten op. Ondanks het feit dat de sturing in serie gebeurt, is een voor het oog ononderbroken aflezing mogelijk, als de multipleksfrekwentie maar hoger dan ca. 100 Hz wordt gekozen. Deze frekwentie is bij het IC MM5314 instelbaar tot 60 kHz.
Wanneer via aansluitpen 1 ('strobe') van het IC de uitlezing wordt onderdrukt, loopt de klok toch normaal door. Door deze eigenschap is eenvoudig een noodvoeding in te bouwen.
De schakeling
Uit de totale schakeling (figuur 3) blijkt dat naast het IC MM5314 maar weinig ekstra komponenten nodig zijn om een komplete klok te kunnen maken.
Figuur 3. De totale schakeling kompleet met netvoeding. Hieruit blijkt de simpele opbouw pas goed. Wanneer overigens voor T1 ... T7 in plaats van TUN's goede transistoren worden gebruikt (bijvoorbeeld BC 107), kunnen ook nog de weerstanden R8 ... R14 vervallen.
Anders dan gewoonlijk begint de schemabeschrijving met de voeding, omdat hieruit ook de impulsen voor de teller' worden betrokken. Omdat de voedingsspanning voor het IC niet gestabiliseerd hoeft te zijn, is de voeding zo eenvoudig mogelijk gehouden. De afgegeven gelijkspanning mag tussen 8 Ven 17 V liggen.
De halve perioden van de 50 Hz frekwentie worden via een ontkoppel-netwerk R22/C3 naar de impulsingang geleid. Deze ingang wordt door diode D1 tegen overspanning beveiligd.
Het RC-netwerk dat aan pen 23 van het IC ligt (R23/C4) bepaalt de multipleks-frekwentie. Bij de gegeven waarden is deze ongeveer 10 kHz.
Vanwege de lage uitgangsstroom van de zevensegment-uitgangen kunnen vanuit het IC de displays niet direkt worden gestuurd. Daarom zijn tussen de uitgangen 3 t/m 9 en de displays simpele buffertrappen aangebracht, waarvoor gewone TUN's worden gebruikt. De kollektorweerstanden vormen de stroombegrenzing van de segmenten, zodat de grootte ervan dus de lichtsterkte van de displays bepaalt. De toegestane minimumwaarde voor deze weerstanden is 330 Ω (+Ub = 17 V), maar in de praktijk bleek een waarde van 470 Ω goed te voldoen voor alle voedingsspanningen. Een lagere waarde gaf geen merkbare verhoging van de lichtsterkte, zodat eigenlijk alleen de levensduur van.de display er onnodig mee wordt verkort.
Ook tussen de 'Digit-Enable'-uitgangen en de anoden van de displays liggen buffertransistoren als schakelaar. Deze verbinden steeds op het juiste ogenblik de sekonden-, minuten- en uren-displays met de voedingsspanning. Als schakeltransistoren zijn hier TUP's gebruikt.
De totale schakeling is ondergebracht op twee prints: één voor de displays en één voor de eigenlijke klokschakeling met netvoeding.
De printen
In figuur 4 is de print en in figuur 5 de komponentenopstelling van de klokschakeling met netvoeding afgebeeld. Zoals blijkt zijn de afmetingen van de print minimaal, zodat als behuizing een aantrekkelijk klein kastje kan worden gekozen.
Figuur 4. De print van de klokschakeling plus netvoeding. De aansluitpunten zijn zo geplaatst dat maar heel korte verbindingen naar de displayprint nodig zijn.
Figuur 5. Komponentenopstelling voor de print van figuur 4. Er is ruimte voor bijna elk tipe trafo. Voor C2 zal zelfs een 40 Velko nog een plaatsje op de print vinden.
Voor de voedingstrafo en de elko C2 is toch zoveel plaats ingeruimd, dat hiervoor desnoods vrij grote tipen kunnen worden gebruikt. Een relatief grote trafo zal helaas ook weer een grotere kast nodig maken.
Alle aansluitingen en alle instelmogelijkheden ($0/60 Hz keuze, strobe, enzovoort) bevinden zich naast elkaar aan één kant van de print.
Voor een zo simpel mogelijke montage is voorts alles zo uitgekiend dat alle aansluitpunten precies tegenover de overeenkomstige punten liggen van de displayprint, die in figuur 6 is afgebeeld. Op de displayprint zijn, naast natuurlijk de displays, ook de minidrukknoppen gemonteerd voor 'stop', 'langzaam' en 'snel'.
Displays
De displayprint (figuur 6) wordt achter de frontplaat van de kast bevestigd. Naast de hier toegepaste zevensegment-LED-displays (bijvoorbeeld het tipe Opcoa SLA 1), zijn in principe ook de zevensegment-displays MAN 1, MAN 7 en MAN 10 van Monsanto, T6302 van Texas, 5082 en 7730 van Hewlett Packard en Data Lit van Litronix te gebruiken. Sommige hiervan hebben zelfs twee LED's per segment, wat resulteert in grotere lichtsterkte en iets geringere stroomopname. Jammer is echter dat bij veel displays niet alle anoden met pen 14 zijn verbonden, maar ook afzonderlijke anoden met pen 3 en 9. De pennen 3 en 9 (aan de onderkant van de betreffende displays) zullen dan geheel naar binnen moeten worden gebogen en met een stukje draad aan pen 14 worden gesoldeerd.
Figuur 6. De print voor de displays. Ook de kleine drukknoppen om de klok gelijk te zetten zijn aan de voorkant aangebracht.
Figuur 7. Een komplete digitale klok! De simpele opzet en het geringe aantal onderdelen zijn de opvallendste kenmerken, die goed in deze foto naar voren komen.
Met of zonder sekonden
Wie het geknipper van sekonden kan missen, kan zich zondermeer de kosten van twee displays, twee voetjes en twee transistoren besparen. Hiertoe kan worden volstaan met het verbreken (of het niet-aanbrengen!) van de verbinding tussen pen 24 en massa.
Omdat de print is ontworpen voor zes displays, kunnen er zonder bezwaar later alsnog twee worden toegevoegd voor de sekonden.
Verbindingen tussen de printen
In totaal (dus inklusief sekonden) lopen er 13 stuurverbindingen van de klokprint naar de displayprint. De zes aansluitpennen van Digit-Enable (ht, he, mt, me, st, se) worden verbonden i met de overeenkomstige aansluitingen op de displayprint. Verder worden ook de aansluitingen a t/m g van de klokprint met dezelfde punten van de displayprint verbonden. Drie andere verbindingen lopen naar de drie minidrukknoppen voor het gelijkzetten van de klok. Elke drukknop komt aan één kant aan de voedingsnul te liggen.
Met behulp van tijdseinen van radio, t.v. of telefoon (002) kan de klok behoorlijk nauwkeurig worden gestart; met de knoppen 'snel' en 'langzaam' wordt vlak voor het tijdsein deze tijd al ingesteld en dan met de knop 'stop' vastgehouden tot het sein klinkt.
Het front van de kast moet uitsparingen hebben voor de vier of zes displays die bijvoorbeeld achter pleksiglas kunnen worden gemonteerd.
Uitbreiding
In het elektuurlab zijn de volgende uitbreidingen voor de klok gemaakt:
- Kristalgestuurde tijdbasis met slechts één IC; stroomopname hiervan koorpleet met oscillator: ca. 90µA.
- Noodvoeding, voor het geval de netspanning uitvalt.
- Uitbreiding met wekker.
De uitbreidingen zullen in een volgend nummer worden opgenomen.
De in figuur 3 en in de komponentenopstelling met SB, BX en X gemerkte punten hebben al betrekking op de komende uitbreidingen.