Digitaluhr

Mit Taktung durch die 50Hz Netzfrequenz

Beschreibung

Tolle Uhren kann man für ein paar Euros eigentlich an jeder Ecke kaufen. Daher dient auch diese Schaltung eher dazu, die Digitaltechnik besser zu verstehen. Es werden nur Standard-ICs verwendet, was die Schaltung zwar umfangreich, aber relativ gut nachvollziehbar macht. Allerdings ist die Uhr dennoch ziemlich genau - sogar genauer als das quarzgesteuerte Pendant. Die Netzfrequenz weicht über den Tag betrachtet nur sehr gering von 50Hz ab - durch 50 geteilt, denn eine Uhr tickt ja im 1-Sekunden-Takt ist das verdammt wenig.

Stückliste

• 6 7-Segment LED-Anzeigen
• 6 TTL 7447 7 Seg. Decoder
• 8 TTL 7490 Zähler
• 1 TTL 7400 NAND-Gatter
• 1 7805 Spannungsregler & passender Kühlkörper
• 1 BC 548C (oder ähnlich)
• 2 Keramikkondensatoren 100n
• 1 Elektrolytkondensator 470µ (kann auch etwas kleiner oder größer sein)
• 1 Diode 1N4148 (oder ähnlich)
• Ein Transformator ab 9V~, 1A
• Evtl. entprellte Taster zum Einstellen der Zeit

Datenblätter

• 7400 'Quad 2-Input NAND Gate'(PDF, 80kb)
• 7447 'BCD to 7-Segment Decoders/Drivers'(PDF, 50kb)
• 7490 'Decade Counter'(Gif, 50kb)
• 7805 'Spannungsregler 5V'(PDF, 540kb)

Funktion

Aus Platzgründen wurden auf den Schaltplänen die 7-Segment-Decoder und die 7-Segment-Anzeigen zusammengefasst. Im Datenblatt findet sich ein Anschlussplan.

Stromversorgung und 50Hz-Signal

Die Schaltung habe ich der Übersichtlichkeit halber in fünf Teile aufgeteilt. Der erste ist für das Herausfiltern des 50Hz Signals und für die Versorgung der Schaltung mit 5V zuständig. Das 50Hz-Signal TTL-Tauglich zu machen war einfacher, als angenommen. Durch die Diode werden nur die positiven Halbwellen der Wechselspannung durchgelassen - a) zeigt die Wechselspannung vor, b) hinter der Diode.

Wechselspannung vor und hinter der Diode

Bei jedem positiven Impuls schaltet der Transistor nun auf Masse durch. Da der CLK-Eingang des Zählers (IC3) auf fallende Flanken reagiert, zählt er unter diesen Bedinungen eins weiter - und das genau fünfzig mal in der Sekunde.

50 Hz in 1 Hz Umwandler (Teiler durch 50)

IC 3 wird als Zähler durch 5 betrieben. Nach fünf Impulsen fällt also die Flanke bei Qd - das entspricht genau 10Hz (50Hz : 5). IC 2 ist als Zähler bis Zehn eingestellt. Folglich kommt aus dem Ausgang Qd ein ziemlich genaues 1Hz-Signal.

Sekunden-Teil

Minuten-Teil

Nun beginnt der eigentliche Teil der Uhr. IC 1 beim Sekunden-Schaltplan zählt bis 10 (also von Null bis Neun) und zählt danach die 10er-Sekunden über IC 2 eins weiter. Dort wird allerdings schon nach 6 Resettet, da es bekanntlicherweise nur 60 und nicht 100 Sekunden in einer Minute gibt. Damit das geschieht, müssen sowohl Reset-Eingang 1 als auch Reset-Eingang 2 "High" sein. Das ist bei der Verdrahtung der Fall - Sechs ist nämlich binär 0110, beim IC durch die Beinchen Qa, Qb, Qc und Qd dargestellt. Die Minuten funktionieren nach dem selben Prinzip, bloß, dass sie keinen 1Hz-Zählimpuls, sondern einen 1/60Hz-Zählimpuls bekommen.

Stunden-Teil

Bei den Stunden ist das Resetten etwas komplizierter. Es geschieht bei 24, also müssen die Einer-Stunden und Zehner-Stunden, hier mit einem AND-Gatter, verbunden werden, damit nur Resettet wird, wenn IC1 vier und IC 2 zwei ausgibt. Ausgänge darf man nämlich nicht einfach so verbinden - wäre einer "High" und der andere "Low", wäre das ein Kurzschluss. Da in unserer Stückliste der flexibilität halber nur ein NAND-IC rumliegt, bastelt man daraus ein NAND-Gatter. Folgender Schaltplan zeigt verschiedene Alternativschaltungen mit NAND-Gattern. Praktisch, wenn man mal gerade nicht den passenden IC im Hause hat.

Alternativschaltungen mit NAND-Gattern

Aufbau

Diese Schaltung ist prädestiniert für ein Steckbrett. Dort kann man Fehler korrigieren oder Funktionen verändern/hinzufügen. Ansonsten ist wohl der Aufbau auf einer Punktrasterplatine am einfachsten. Im Gegensatz zur Streifenrasterplatine muss nicht auf die durchgehenden Leiterbahnen geachtet werden, sondern einfach alle Anschlüsse mit Schaltlitze verbunden werden. Das sieht zwar wüst aus, dürfte aber durchaus haltbar und funktionell sein. Sollte man sich mal vertan haben, ist das Umlöten der auf der Unterseite angebrachten Kabel auch nicht ganz so schwer, wie das herauslösen bei einer gedruckten Schaltung oder einer Streifenrasterplatine. Ich habe die Schaltung allerdings nur auf einem Steckbrett aufgebaut - Fotos habe ich damals mangels Digitalkamera leider nicht gemacht.

Aufbau mit Digitaltechniklehrkoffern

Ing. Günther Hutter ist zufällig auf diese Seite gestoßen und hat mir Fotos vom Aufbau einer Digitaluhr zugeschickt, die ganz ähnlich aufgebaut ist. Vielen Dank an dieser Stelle!

Günther Hutter schrieb:

Anbei wie versprochen die Fotos unserer Digitaluhr, aufgebaut mit 2 Lehrlingen aus dem 2ten Lehrjahr.
Es handelt dich hierbei um einen Aufbau der Uhr mit 3 Digitaltechniklehrkoffern der Firma HPS in unserem Elektrotechniklaboratorium des Bildungszentrums Leoben / BFI Steiermark.

Zum Aufbau bleibt zu sagen, dass alle Anzeigeleitungen (BCD - 7Seg Decoder, ...) in Blau, alle Taktleitungen in Grau und alle Resetleitungen sowie solche für die Generierung der Resetbedingung in Gelb gehalten wurden.

Ein Zähler (Einerstelle) wurde jeweils mit FlipFlops und der andere (Zehnerstelle) mit einem fertigen Modulo 10 Zähler welcher über die Resetleitung des FF Zählers angespeist wird realisiert. Der Takt für die Uhr stammt aus einem der 3 Taktgeneratoren der Koffer (Sekundenkoffer ganz rechts). Die Resetbedingung der Sekundenkoffer werden dann als Takt für den Minutenkoffer verwendet. Ebenso verhält es sich mit der Stundenanzeige. Zum Aufbau bleibt zu sagen, dass sich aufgrund der weiten Entfernungen der Koffer zueinender und der ungeschirmten Leitungen immerwieder "Störimpulse" einschleichen, welche die Uhr dann etwas falsch gehen lassen. Eventuell werden wir einmal eine Uhr komplett auf Lochrasterplatinen aufbauen.

Beim letzten Bild wurde noch eine simple Stelleinrichtung hinzugefügt, welche aufgrund chronischem Kabelmangels leider nicht in der oben genannten Farbcodierung aufgebaut wurde (Schalter links auf den Modulen, Anm. d. "Red".).

©Benedikt Wirmer Impressum/Kontakt - Letzte Änderung 19.06.2008