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Quarzuhr==> Sekundentaktgeber
Wer einen Sekundentakt braucht, ist mit dem 4060 nicht so arg
gut bedient, weil er noch einen Zweiteiler braucht. Daher hier
die ultimative Sekunden-Takterei. Aber Obacht! Das Teil will
ganz anders bedient werden als der Hersteller schreibt.
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Die Schaltung des Sekundentaktgebers ist hier zu sehen:
Der Quarz mit einer Resonanzfrequenz von 2,097152 MHz
(1 MHz = 1 Mio. Takte pro Sekunde) ist an den Inverter 2 im
CMOS-IC 4521 angeschlossen. Eingang und Ausgang von Inverter 2
sind mit 10 MΩ rückgekoppelt und Inverter 2
schwingt daher. Der Quarz zieht den schwingenden Inverter auf
seine eigene Resonanzfrequenz. Der Keramikkondensator von
18 pF kompensiert die induktive Komponente des Quarzes.
In den Applikationsunterlagen, z. B. von Motorola, wird
empfohlen, das Aushangssignal von Inverter 2 über einen
Widerstand an den Quarz zu koppeln und diese Seite des Quarzes
mittels eines Kondensators an Null zu legen. Mach das nicht,
es funktioniert nicht! Mit einem Widerstand von z. B.
10 kΩ kriegt man den 2 MHz-Quarz partout nicht
zum Schwingen. Der zweite Kondensator ist auch überflüssig,
lässt man ihn weg, ändert sich die Frequenz auch nicht.
Die beiden Inverter 1 und 2 im 4521 haben eine separate
Spannungsversorgung, die hier aus der Betriebsspannung erfolgt.
Das kann man zum Stromsparen einsetzen, z. B. wenn Plus
und Minus über zwei 10k-Widerstände zugeführt
werden. So steht es jedenfalls in den Applikationsunterlagen.
Aber nein: macht man das, dann will der Oszillator in
bestimmten Spannungsbereichen gar nicht mehr schwingen.
Der 4521 teilt die Oszillatorfrequenz durch die Zweierpotenzen
von 18 (2-hoch-18 = 262.144) bis 24 (= 16.277.216) und stellt
diese geteilten Signale an seinen Ausgängen Q18 bis Q24
nach außen hin zur Verfügung. Dadurch könne die
1 / 2 / 4 und 8-Hertz-Signale und die 2 / 4 und 8-Sekunden
am IC abgegriffen werden.
Die etwas eigenwillige Frequenz des Quarzes wurde nicht nur
deshalb ausgewählt, weil sie genau 2-hoch-21 entspricht.
Im Internet findet man jede Menge ähnliche Schaltungen
mit genau der doppelten Quarzfrequenz (4,194304 MHz).
Scheinbar kupfert da jeder einfach ab, was er so findet.
Man findet aber auch Berichte, dass der Inverter bei niedriger
Betriebsspannung und der höheren Quarzfrequenz nicht
schwingt. Motorola spezifiziert die Maximalfrequenz mit
3,5 MHz bei 5 V, schon daher sollte man es nicht
mit der doppelten Frequenz versuchen. Scheinbar ist das
aber auch noch vom Hersteller des 4521 abhängig.
Dieses Dilemma vermeidet die Schaltung hier durch die
niedrigere Quarzfrequenz. Sie schwingt im gesamten
Bereich zwischen 3,2 und 18 V Betriebsspannung.
Die Ausgangssignale an den Pins Q18 bis Q24 können mit
einer LED-Anzeige beobachtet werden. Damit die LED bei allen
Betriebsspannungen ohne Auswechseln des Vorwiderstands
funktioniert, habe ich hier ein paar
Schaltungsvorschläge für Konstantstromregler
angefügt, die den LED-Strom auf 10 mA begrenzen.
Fazit: der 4521 ist ein Mimöschen und alles andere als ein
robustes Teil.
Den Abblockkondensator 100nK
aus Keramik kennen wir bereits. Hier die neuen:
Der 16-polige 4521 enthält zwei Inverter, die an den Pins
IN1 (Pin 9) und OUT1 (Pin 7) sowie IN2 (Pin 6) und OUT2 (Pin 4)
von außen zugänglich ist. Der Ausgang OUT2 ist mit
dem Binärteiler-Eingang verbunden. Beide Inverter
können als Oszillator dienen und mit einer RC-Kombination,
einem Quarz oder einem extern erzeugten Oszillatorsignal
angesteuert werden.
Das Taktsignal wird in einer Teilerkaskade geteilt. Die
Teiler-Ergebnisse von 2-hoch-18 bis 2-hoch-24 sind nach
außen geführt.
| Signal | Pin | Teilerverhältnis | Bei 2,097152 MHz |
|---|
| Frequenz (Hz) | Zeit (s) |
|---|
| Q18 | 10 | 262.144 | 8 | 0,125 |
| Q19 | 11 | 524.288 | 4 | 0,25 |
| Q20 | 12 | 1.048.576 | 2 | 0,5 |
| Q21 | 13 | 2.097.152 | 1 | 1 |
| Q22 | 14 | 4.094.304 | 0,5 | 2 |
| Q23 | 15 | 8.188.608 | 0,25 | 4 |
| Q24 | 1 | 16.377.216 | 0,0125 | 8 |
An Pin 2 kann der Zähler nullgesetzt werden (aktiv High).
Der Quarz ist im HC18U-Gehäuse mit einer Resonanzfrequenz
von 2,097152 MHz. Die beiden Anschlüsse des Quarzes
sind nicht polarisiert.
Den Widerstand von 10 M Ω kennen wir schon, er
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 Keramikkondensator von 18 pF sieht so aus.
Die beiden Anschlüsse des Kondensators sind nicht
polarisiert. pF bedeutet Picofarad. Pico entspricht
einem millionstel Millionstel eines Farads
(0,000.000.000.018 Farad), einer sehr kleinen
Kapazität.
Die für dieses Experiment benötigten Bauteile sind in der
Bauteilliste für den
Versandhandel Reichelt
aufgelistet.
Der Aufbau des Taktgebers erfolgt so. Das Ausgangssignal
wurde mit einem FET auf Konstantstrom eingestellt und treibt
die rote LED an (daher rechts der Transistor, siehe unten).
Damit man auch ohne Oszilloskop was sieht, kann man eine LED
an den betreffenden Ausgang anschlißen. Natürlich
mit einem entsprechenden Vorwiderstand. Bei 9V Betriebsspannung
geht das eigentlich noch ohne, weil die CMOS-Ausgänge
eh nicht mehr als 10 mA treiben. Aber bei 18 V ist
dann spätestens die LED kaputt.
Also muss eine betriebspannungsabhängige Bremse her.
Hier gibt es sogar zwei Bremsen.
Das hier ist die Variante mit einem ordinären NPN-Transistor.
Der Widerstand mit 3,9 kΩ erzeugt an den beiden
1N4181-Dioden eine konstante Spannung von 1,3 V, die
der Basis des NPN-Transistors zugeführt werden. Der
erhöht seinen Kollektrostrom so lange, bis an seinem
Emitter 0,65 V liegen. Würde der Strom noch
höher, dann käme der Stromfluss durch
Basis und Emitter zum Erliegen, weil auf der
Basis-Emitter-Strecke 0,65 V verloren gehen. Damit wird
der Stromfluss auf 10 mA begrenzt.
Der Vorteil dieser Schaltung ist, dass der anzuzeigende
Signalausgang (einer von Q18 bis Q24) auch an die Plusseite
des 3k9 angeschlossen werden kann und dafür die Anode
der LED an die positive Betriebsspannung kommt. Das entlastet
das CMOS-IC von der Aufgabe, auch noch den gesamten LED-Strom
zu liefern. Jetzt braucht der CMOS-Ausgang nur noch die
Konstantspannung von 1,3 V zu erzeugen.
Das ist die zweite, noch einfachere Veriante. Einfach die LED
und den FET anschließen, und fertig. Aber Obacht! Nur
FETs mit ohne "C" und einem "A" oder
"B" anschließen. Oder einen passenden
aussuchen, der bis zu 10 mA liefert.
Man kann aber auch einen Sekundentaktgeber mit einer ganz anderen
Technologie bauen: mit einem Mikroprozessor. Das Beste daran ist:
es funktioniert mit fast allen handelsüblichen Quarzen, sogar mit
32,768 kHz-Uhrenquarzen.
So klein und schnuckelig kann es gehen: in einem 8-poligen Gehäuse
werkelt der Controller. Sein Takt stammt von einem nahezu beliebigen
Quarz an seinen beiden Quarzanschlüssen. Der taktet auch einen
internen 8-Bit-Zähler, der mittels eines einstellbaren Vorteilers
getaktet wird und bei einer einstellbaren Anzahl Timertakten eine
Unterbrechung auslöst und von vorne beginnt.
Mit einem 32,768-kHz-Uhrenquarz kann man den Quarztakt im Vorteiler
durch 256 teilen, dann muss der Zähler beim Erreichen von 128
zurückgesetzt werden und eine Sekunde ist um. Braucht man pro
Sekunde einen High- und einen Low-Impuls, um damit einen
Sekunden-Taktgenerator zu basteln, teilt man nur durch 64 und
lässt den Ausgang dann einmal torkeln (einmal high, dann low,
dann wieder high, usw.).
An den drei frei programmierbaren Ausgängen des ATtiny25 kann
man noch mehr machen: z. B. an PB0 die Sekunden, an PB1 die
Minuten und an PB2 die Stunden ausgeben lassen. Zähler bis 60
kann man in den 32 Stück 8-Bit-Registern eines ATtiny25 fast
beliebig viele einrichten. Und sogar das Teilen des Sekundentaktes
durch 60 * 60 * 24 * 365,25 = 31.557.600 ginge, wenn man den Ausgang
genau ein Jahr lang nach dem Einschalten auf High springen lassen
will, z. B. für einen Sehr-sehr-spät-Zünder.
Bei manchen Quarzen braucht man neben dem Vorteiler und dem 8-Bit-Timer
noch einen einen weiteren Teiler in einem 8- oder 16-Bit breiten
Register, um auf eine Sekunde zu kommen. Die LibreOffice-Calc-Datei
hier
hat im Blatt "quarze_tc0" ein Rechentool, mit dem man
den Vorteiler, den Rücksetzwert des Timers und den Software-Teiler
bequem für alle handelsüblichen Quarze berechnen kann.
Der Nachteil dabei ist, dass man das Programm, das im ATtin25 werkeln
soll, selber schreiben muss, z. B. in AVR-Assembler, und dass
man dem ATtiny25 mittels seiner Fuses erst beibringen muss, einen
Quarz an seinen Eingängen zu akzeptieren. Wie man das alles
macht, kann man im Mikrocontroller-Teil dieser Seiten lernen, z. B.
hier. Und auf
dieser Seite
kann man sehen, wie man das heutzutage mit einem clever programmierten
Mikroprofessor erledigt.
Viel Erfolg beim Lernen.
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