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Quarzuhr mit 4060



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Von Oszillatoren und Quarzen

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.

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Die Schaltung

Die Schaltung der Quarzuhr ist hier zu sehen:

Schaltbild Quarzuhr

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.

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Die Bauteile

Die Bauteile Dezimalzähler 4026, Abblockkondensator 100nK, 1k-Widerstand und Siebensegmentanzeige kennen wir bereits. Hier die neuen:

Der Oszillator/Teiler 4060

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.

4060 4060 intern

Das Taktsignal wird in einer Teilerkaskade geteilt. Bis auf einige wenige sind die Teilerergebnisse nach außen geführt.
SignalPinTeilerverhältnisf bei 32768 Hz
Q47162048
Q55321024
Q6464512
Q76128256
Q814256128
Q91351264
Q10151.02432
Q1214.0968
Q1328.1924
Q14316.3842
An Pin 12 kann der Zähler nullgesetzt werden (aktiv High).

Quarz 32.768 Hz

Der Quarz ist ein Miniaturuhrenquarz mit einer Resonanzfrequenz von 32.768 Hz.

Quarz

Die beiden Anschlüsse des Quarzes sind nicht polarisiert.

Widerstand 10M

Der Widerstand von 10 M Ω sieht so aus:

Widerstand 10M

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.

Widerstand 330k

Der Widerstand von 330 kΩ sieht so aus:

Widerstand 330k

Die Ringe bedeuten orange (3), orange (3), schwarz (0) und orange (drei Nullen), also 330.000 Ω.

Keramikkondensator 22pF

Der Keramikkondensator von 22 pF sieht so aus:

Kondensator 22pF

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.

Bauteilliste

Die für dieses Experiment benötigten Bauteile sind in der Bauteilliste für den Elektronikladen Zimmermann in Darmstadt und für den Versandhandel Reichelt aufgelistet.

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Aufbau der Schaltung

Der Aufbau des Oszillators/Taktgebers erfolgt so:

Quarzuhr Taktgenerator



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.

Quarzuhr Gesamt



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.

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Wie es funktioniert

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:

Siebensegment

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:

Sechs-Erkenner

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.

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©2012 by Gerhard Schmidt