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

• 7400 Quad 2-Input NAND Gate (PDF, 80kb)
• 7447 BCD 7-Segment Decoder (PDF, 50kb)
• 7490 Decade Counter (Gif, 50kb)
• Ausführliches Datenblatt des 78XX Spannungsreglers (PDF, 540kb)

Funktion

Die Schaltung habe ich der Übersichtlichkeit halber in fünf Teile aufgeteilt.

Spannungsversorgung und 50Hz in TTL-Umformer

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)

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 genauen Sekunden-Impuls (1Hz).

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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.

Aus Platzgründen wurden auf den folgenden Schaltplänen die 7-Segment-Decoder und die 7-Segment-Anzeigen zusammengefasst. Der 7-Segment-Decoder lässt sich wie folgt mit den LCD-Anzeigen verschalten:

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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.

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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!

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.

Ing. Günter Hütteer

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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 Stundenteils verwendet werden.