Digitaluhr mit Standard Logik-ICs und Netzansteuerung

Dieser Artikel beschreibt den Aufbau einer Digitaluhr mit Hilfe von Logik-ICs der 74XX-Baureihe. Der Lernaspekt steht dabei im Vordergrund, da es selbstverständlich einfachere Wege gibt, eine Digitaluhr aufzubauen. Die Schaltung kann auch auf einem Steckbrett aufgebaut werden und ist durch ihren modularen Aufbau einfach nachvollziehbar und sehr gut für ein Schulprojekt o.ä. geeignet. Da diese Digitaluhr mit Hilfe der relativ präzisen 50Hz Netzfrequenz gesteuert wird, ist sie aber durchaus funktional und weist sie eine relativ hohe Genauigkeit auf, welche sogar die von quarzgesteuerten Digitaluhren übertrifft.

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

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Datenblätter

Funktion

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

Die Schaltung habe ich der Übersichtlichkeit halber in fünf Teile aufgeteilt. Der erste ist für das Herausfiltern des 50Hz Signals für das Sekunden-Signal und für die Stromversorgung der Schaltung mit 5V zuständig. Da die TTL-Bausteine nur auf saubere 0V (0) bzw. 5V (1) Signale reagieren, muss das 50Hz-Signal entsprechend TTL-tauglich gemacht werden. Mit Hilfe der Diode werden nur die positiven Halbwellen der Wechselspannung durchgelassen – a) zeigt die Wechselspannung vor, b) 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. Um ein Sekunden-Signal zu erhalten, muss dieses Signal im zweiten Teil durch 50 geteilt werden.

50 Hz in 1 Hz Umwandler (Teiler durch 50)

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 erhalten wir aus dem Ausgang Qd ein ziemlich genaues 1Hz-Signal.

Sekunden- und Minuten-Teil

Nun beginnt der eigentliche Teil der Uhr. IC1 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 ein Reset durchgeführt, da eine Minute nur aus 60 und nicht 100 Sekunden besteht. Im Binärcode entspricht 6 0110. Qb und Qc sind daher entsprechend mit den beiden Reset-Eingängen verbunden, die den Zähler dann bei 6 zurücksetzen. Die Schaltung für die Minuten funktioniert nach dem selben Prinzip, mit dem einzigen Unterschied, dass am Eingang des Minuten-Teils kein 1-Sekunden-Signal (1Hz), sondern ein 1-Minuten-Signal (1/60Hz) anliegt.

Stunden-Teil

Stunden-Teil
Stunden-Teil

Bei den Stunden ist das zurücksetzen des Zählers etwas komplizierter. Es geschieht bei 24, also müssen die Einer-Stunden und Zehner-Stunden, verbunden werden, damit der Zähler nur zurückgesetzt wird, wenn IC1 vier und IC 2 zwei ausgibt. Allerdings darf man Ausgänge nicht direkt, sondern nur mit Hilfe eines Gatters (hier: AND-Gatter) verbinden. Würde man die Ausgänge direkt verbinden, würde ein Kurzschluss entstehen, sobald der eine Ausgang auf 1 (5V) und der andere Ausgang auf 0 (0V) steht. Da in unserer Schaltung momentan nur ein NAND-IC verwendet wird, müssen wir mit Hilfe mehrere NAND-Gatter ein AND-Gatter zusammenschalten. Folgender Schaltplan zeigt, wie man durch entsprechende Verschaltung andere Gatter aus NAND-Gattern zusammenschalten kann.

Alternativschaltungen mit NAND-Gattern
Alternativschaltungen mit NAND-Gattern

Aufbau

Diese Schaltung ist prädestiniert für ein Steckbrett. Dort kann man Fehler korrigieren oder Funktionen verändern/hinzufügen. Als etwas dauerhaftere Alternative bietet sich der Aufbau auf einer Punktrasterplatine an. Zuerst befestigt man dort alle Bauteile und stellt dann die Verbindungen mit Hilfe von Schaltlitze her. Der Vorteil gegenüber anderen Aufbaumethoden wie z.B. einer Streifenrasterplatine ist, dass man hier immer noch die Möglichkeit hat, durch Umlöten der Schaltlitze Fehler zu korrigieren.

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.

Fotos von Günther Hutter

Inbetriebnahme

Nachdem die einzelnen Komponenten überprüft wurden, können sie Schritt für Schritt verbunden und getestet werden. Zum Einstellen der korrekten Uhrzeit können die jeweiligen Eingänge (1/60Hz, 1/3600Hz) des Minuten- und Stundenteil verwendet werden.

9 Kommentare zu “Digitaluhr mit Standard Logik-ICs und Netzansteuerung

  1. Tolle Schaltung, nur mein Problem ist ich finde kein Netzteil was mir Wechselspannung ausgibt, nur welsche die Gleichspannung ausgeben wo bekommt man den ein passendes her?

  2. hallo ich möchte die Uhr für ein Schulprojekt bauen weiß aber nicht wie ich die Taster für die zeiteinstellung einbringen kann. Kann mir da jemand nen kleinen tipp geben

  3. Hallo,
    ich habe die oben angegebene Schaltung nachgebaut. Nur statt eines 50Hz umwandlers, habe ich einen Quarz mit 4,194304MHz diese werden durch 2hoch22 geteilt. Die Sekunde und die Stunde laufen sehr genau, aber die Minute nicht. Es fängt mit 00 an und springt dann auf 11, zählt normal weiter bis 20 dann Springt sie auf 31. Dises Muster widerholt sich bei den anderen Zehnern auch. Der reset auf 00 läuft normal ab. Woran kann das leigen?

  4. Hallo hab mal eine frage will die uhr nachbauen,aber finde bei REICHELT den
    1. TTL 7447 7 Seg. Decoder
    2. TTL 7490 Zähler
    3. TTL 7400 NAND Gatter

    nicht, ich müsste aber wenn möglich das bei reichelt bestellen, könntet ihr vllt. schauen und mir helfen wenn möglich sogar die Bestellnummern reinschreiben?

    und könntet ihr mir bei den 9V Trafo helfen welchen ihr nehmen würdet.

    Danke schon mal im vorraus

    * 6 TTL 7447 7 Seg. Decoder
    * 8 TTL 7490 Zähler
    * 1 TTL 7400 NAND-Gatter

  5. Hallo Konstantin,

    du benötigst einen 15V-Trafo. Nach dem Gleichrichter schaltest du parallell zum 7805-Spannungsregler noch einen 7812-Spannungsregler. Am 7812 brauchst du wie beim 7805 links und rechts je 100nF. Den großen 470µF-Glättungselko solltest du auf 1000µF vergrößern, falls die LED-Anzeigen sehr viel Strom benötigen. Ich würde noch den Widerstand vor dem Transistor etwas vergrößern (bin mir aber nicht sicher, ob das notwendig ist).

  6. Hi, ich möchte deine Schaltung nachbauen, aber die 7-Segment anzeigen selbst aus LEDs bauen. Dazu brauche ich dann aber 12 V. Würde es funktionieren wenn ich einfach einen 12 V Trafo nehme, und am Gleichrichter dann parallel die 12 V abgreife? Brauche ich dann einen zweiten Spannungsregler und wie müsste ich dann die Kondensatoren dimensionieren?

  7. ich schreibe am mittwoch eine klausr , leider weiß ich nicht wieviele zusätzliche and gatter für die ic s gebraucht werden , wenn ich zb 18 sek angezeigt bekommen möchte müsste ich zusätzlich zuden intregrieten and gatter noch 2 andgatter zufügen die mit r0 verbunden werden . müsste ich die beiden and gatter auch noch zusammenverbinden ?DANKE

  8. Hallo, ich habe einen Fehler beim Umwandler von 50 Hz auf 1 Hz entdeckt. Der Linke Zähler zählt bis 5 und der rechte bis 10. Da der linke Zähler nur bis 5 zähl (101) ist auf dem Ausgang Qd ( Nr. 11) nie ein Signal, da die Zahl nie 8 oder größer ist . Es muss nicht der Ausgang Qd, sondern der Ausgang Qc ( Nr. 8)mit dem Zähleingang des rechten ICs verbunden werden.

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