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Quarzuhr
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Wer wirklich Sekundenimpulse braucht:
hier ist eine ähnliche
Schaltung beschrieben, die solche liefert.
Bisher haben wir zum Takten ziemlich ungenaue Signale verwendet, mit
RC-Kombinationen, die irgendwo schwingen. Wenn es etwas wärmer
wird im Sommer, schwingt der woanders als im kalten Winter. Das ist
akzeptabel, wo es auf das genaue Timing nicht ankommt. Wenn es aber
eine selbstgebaute Uhr sein soll, ist das nicht mehr tolerabel. Da
muss ein zuverlässigerer Schwinger her.
So ein Teil ist ein Quarz. Quarz ist ein Mineral, es kommt auf der
Erde in großen Mengen vor, ist glasklar, schmilzt erst bei sehr
hohen Temperaturen (bei 1.713 Grad) und ist ziemlich hart. So ein Quarz
schwingt nur bei ganz bestimmten Frequenzen mit, wenn man ihn mit einem
elektrischen Wechselfeld dazu anregt. Die genaue Frequenz, bei der der
Quarz das Geschwinge mitmacht, ist nur von seiner Größe
abhängig. Schleift man an dem harten Material herum, wird die
Mitschwing-Frequenz immer höher. Man kann die Schwingfrequenz
mit der Größe also ganz genau einstellen.
Und die bleibt dann auch auf Dauer ziemlich genau so. Wo kämen
wir hin, wenn unser Lieblings-Radio- oder Fernsehsender jeden Tag
auf einer anderen Frequenz senden würde und wir bei wechselnden
Temperaturen tags und nachts und im Sommer und Winter woanders nach
ihm suchen müssten. Damit das nicht passiert, benutzt man
Quarze. Selbiges Elend hätten wir, wenn unsere Armbanduhr
ständig vor- oder nachgehen würde, je nachdem ob wir
gerade im Warmen oder im Kalten die Zeit ablesen würden. In
allen diesen Fällen helfen Quarze.
Mit dem bauen wir in diesem Experiment eine genaue, immer
gleichbleibende Frequenz. Na ja, auch Quarze spüren Hitze und
Kälte und werden wie alles auf dieser Welt ein wenig
größer oder kleiner. Und damit ändern sich auch die
Schwingfrequenzen ein wenig. Da die Änderungen beim Quarz aber
so winzig sind, können wir den Effekt für unsere Zwecke
vernachlässigen. Nur Rundfunksender setzen den Quarz in einen
Ofen und halten dessen Temperatur immer gleich, um mit viel Aufwand
noch mehr Genauigkeit herauszukitzeln. Machen wir aber nicht. Es
trägt ja auch kein vernünftiger Mensch zusätzlich zu
seiner Edel-Quarzuhr am Arm einen temperierten Quarzofen mit sich
herum.
Die Schaltung der Quarzuhr ist hier zu sehen:
Der Quarz mit einer Resonanzfrequenz von 32.768 Hz (Hertz,
Schwingungen pro Sekunde) ist an einen Inverter im CMOS-IC 4060
an die Pins /CLK und ExtR angeschlossen. Der Inverter ist mit
einem Widerstand von 10 MΩ auf Schwingerzeugung
eingestellt, der Quarz verlangsamt dieses sehr schnelle
Schwingen auf seine eigene Resonanzfrequenz. Die beiden
Keramikkondensatoren von 22 pF helfen beim Anschwingen des
Quarzoszillators und kompensieren dessen induktive Komponente.
Der 4060 teilt die Oszillatorfrequenz am Anschluss Q14 durch
16.384, so dass an diesem Pin eine Frequenz von 2 Hz
resultiert. Das Taktsignal wird auf dem Dezimalpunkt der
Siebensegmentanzeige angezeigt.
Das Ausgangssignal taktet einen Dezimalzähler vom Typ
4026 und zeigt das Ergebnis über Widerstände von
1 k auf der Siebensegmentanzeige an.
Die Bauteile Dezimalzähler
4026, Abblockkondensator
100nK, 1k-Widerstand und
Siebensegmentanzeige
kennen wir bereits. Hier die neuen:
Der 16-polige 4060 enthält einen Inverter, der an den Pins
CLK (Pin 11), ExtR (Pin 10) und ExtC (Pin 9) von außen
zugänglich ist. An diese Anschlüsse kann ein externer
Oszillator, eine Widerstand/Kondensator-Kombination (RC) oder
ein Quarz angeschlossen werden.
Das Taktsignal wird in einer Teilerkaskade geteilt. Bis auf
einige wenige sind die Teilerergebnisse nach außen
geführt.
| Signal | Pin | Teilerverhältnis | f bei 32768 Hz |
|---|
| Q4 | 7 | 16 | 2048 |
| Q5 | 5 | 32 | 1024 |
| Q6 | 4 | 64 | 512 |
| Q7 | 6 | 128 | 256 |
| Q8 | 14 | 256 | 128 |
| Q9 | 13 | 512 | 64 |
| Q10 | 15 | 1.024 | 32 |
| Q12 | 1 | 4.096 | 8 |
| Q13 | 2 | 8.192 | 4 |
| Q14 | 3 | 16.384 | 2 |
An Pin 12 kann der Zähler nullgesetzt werden (aktiv High).
Der Quarz ist ein Miniaturuhrenquarz mit einer Resonanzfrequenz
von 32.768 Hz.
Die beiden Anschlüsse des Quarzes sind nicht polarisiert.
Der Widerstand von 10 M Ω sieht so aus:
Die Ringe bedeuten braun (1), schwarz (0), schwarz (0) und
grün (5 Nullen), also 10.000.000 Ω. M steht
für Mega oder eine Million.
Der Widerstand von 330 kΩ sieht so aus:
Die Ringe bedeuten orange (3), orange (3), schwarz (0) und
orange (drei Nullen), also 330.000 Ω.
Der Keramikkondensator von 22 pF sieht so aus:
Die beiden Anschlüsse des Kondensators sind nicht
polarisiert. pF bedeutet Picofarad. Pico entspricht
einem millionstel Millionstel eines Farads
(0,000.000.000.022 Farad), einer sehr kleinen
Kapazität.
Die für dieses Experiment benötigten Bauteile sind in der
Bauteilliste für den
Versandhandel Reichelt
aufgelistet.
Der Aufbau des Oszillators/Taktgebers erfolgt so:
Der Aufbau ist ein wenig knifflig, weil der Quarz möglichst
nah an den Pins 10 und 11 angebaut werden muss. Je nach verwendeten
Bauteilen ist da schon ein wenig Überlegen erforderlich.
Zum Testen ist hier eine LED an den Q14-Ausgang angeschlossen.
Die LED sollte im Halbsekundentakt blinken, wenn der Quarz
und der 4060 ihre Aufgabe erfüllen.
Wenn alles funktioniert, kommt die LED und die Batterie wieder weg
und es geht an den 4026, danach an die Siebensegmentanzeige.
Das gibt in jedem Fall ein arges Verhau, weil so viele Verbindungen
gesteckt werden müssen. Deshalb zuerst die Stromversorgungen,
den Reset und die anderen Signalleitungen des 4026 verdrahten und
erst danach die Siebensegmentverbindungen nach Schaltplan und
Anschlussbild.
Der erste Wunsch wäre es, den 2Hz-Takt gegen einen 1Hz-Takt
auszutauschen, damit die Anzeige wirklich Sekunden anzeigt.
Leider hat der Hersteller des 4060 diesen zusätzlichen
Teiler nicht eingebaut, so dass wir diesen Durch-2-Teiler
selber dazu bauen müssen, z. B. mit einem 4013, den
wir ja schon in der Bastelkiste haben.
Der zweite Wunsch könnte sein, einen zweiten Zähler
und eine zweite Siebensegmentanzeige anzubauen, um bis
99 Sekunden zu zählen. Das sollte einfach sein, da
wir die zweite Zähleinheit einfach an den Ausgang COut
(Pin 14) der ersten anbauen können. Diese Kaskade
zählt dann schon bis 99.
Nun hat eine Minute natürlich leider keine 100 Sekunden,
sondern nur 60. Wer auf diesen Blödsinn aus der Sicht des
Digitaltechnikers gekommen ist? Nun, früher gab es alles
immer im Dutzend, also 12 Stück (Eier, Zoll,
Seifenstücke u.v.a.m.). Und fünf (also ein halbes
Zehn) mal 12 ist halt genau 60. Ein bisschen verquer, aber
so waren unsere Vorfahren halt mal. Und dieses Chaos hat man
irgendwann in grauer Vorzeit, als es noch keine Digital-ICs
gab, zur Grundlage unserer Zeitrechnung gemacht.
Also eine komplizierte Mischung aus Zehner- und
Zwölfersystem, das uns das digitale Leben so schön
schwer macht. Jetzt kommt nämlich die etwas schwierige
Aufgabe, nach der 59-sten Sekunde auf Null zurücksetzen
zu müssen und, wenn wir für eine ganze Uhr auch die
Minuten zählen wollen, den Minutenzähler um Eins
erhöhen zu müssen. Wenn wir den Zählerstand
des BCD-Zählers der Zehner-Sekunden verfügbar
hätten könnten wir den Zählerstand Sechs
(digital-binär 0110) dazu benutzen, um das zu erledigen.
Wir müssten nur die beiden Einsen in der Mitte mit einem
UND-Gatter erkennen und daraus den RESET vollführen.
Da wir den Zählerstand nicht haben, müssen wir
dafür die Siebensegmentausgänge verwenden. Ist hier
die Sechs erreicht, dann sind die Segmente a und b aus und
die anderen (c bis g) alle an. Wenn man sich die Segmente
bei den Zählerständen 0 bis 5 anschaut:
dann sind die Segmente e, f und g bei der Sechs das erste mal
alle drei eingeschaltet. Wir brauchen also ein Dreifach-UND,
um die Sechs zu erkennen. Das können wir entweder mit
einem 4073 erledigen, der drei davon in einer Packung
enthält. Es geht aber auch anders, nämlich mit drei
Dioden und einem Widerstand, also etwa so:
Solange eines der Segmente e, f oder g aus ist, zieht eine oder
mehrere der Dioden die Spannung am 10k-Widerstand auf Low. Ist
die Sechs erreicht, sind alle drei Segmente an und die Dioden
sperren, die Spannung geht auf High und taktet den nachfolgenden
Minuteneingang auf High. Gleichzeitig lädt sich der
22pF-Kondensator über den 100k-Widerstand langsam auf.
Erreicht die Spannung am Kondensator die Schwellspannung, wird
der Zählerstand des 2026 über den RESET-Eingang
zurückgesetzt. Der Zähler geht auf Null, die
Segmentausgänge e und f (LED-Null) gehen auf Low und
ziehen die Spannung am Widerstand wieder auf Low. Der
Minutentakt-Ausgang und der Reset gehen wieder auf Null.
So kriegen wir die Sekunden-Zehner und auch die Minuten-Zehner
in den Griff. Wollen wir bei einer Uhr auch die Stunden
anzeigen, dann wird es noch verrückter, weil wir dann
zum Rücksetzen den Stunden-Einer von Vier und den
Stunden-Zehner von Zwei (= 24) erkennen müssen. Eine
noch anspruchsvollere Aufgabe. Das alles bloß weil
unsere Vorfahren zwei Dutzend Stunden (da sind sie wieder,
die Dutzende) als einen ganzen Tag erklärt haben.
Wir lassen das Vorhaben, mit CMOS eine digitale Uhr mit
24-Stunden-Anzeige bauen zu wollen, erst mal fallen. Im
nächsten Experiment wird gezeigt, wie der
Digitaltechniker heutzutage solche Aufgaben viel eleganter
und viel einfacher erledigt. Auf Kosten anderer grauer
Haare.
Auf dieser Seite
kann man ein paar Beispiele sehen, wie man das heutzutage
mit einem Mikroprofessor erledigt.
©2012 by Gerhard Schmidt