Привет, народ!
От ремонта 677-х ЛиАЗов надо иногда отвлекаться, к тому же, приболел немного. И тут меня посетила идея - а что если создать электронные часы, но не используя микросхемы, а реализовав всё на дискретных элементах: транзисторах, диодах, резисторах, конденсаторах... Ну и, попутно, рассказать, как это всё работает.
Конечно, идея не нова, вот примеры реализации её в том или ином виде:
Но ни одна из конструкций не сопровождалась подробным и понятным описанием работы. Попытаемся исправить сие недоразумение :) (А, возможно, ещё замахнёмся и на мелкосерийный выпуск конструктора "сделай сам" для самых смелых :)))
И так, приступим. С чего начинаются любые часы? Конечно, с устройства, которое задаёт такт работы всей системы. В механических часах это маятник, в электронных же - генератор периодических импульсов, которые схема часов посчитает и выдаст результат в числовой форме Часы:Минуты:Секунды.
В нашем случае нужен не просто генератор импульсов, а генератор импульсов с высокой стабильностью частоты: если частота со временем будет "плавать", то наши часы будут либо убегать, либо опаздывать. Стабильные генераторы частоты в электронике обычно реализуют на основе кварцевого резонатора. Не будем же отходить от сей традиции и возмём кварц с так называемой "часовой" частотой: 32768 герц. Почему именно такой частотой? Потому что если поделить это число на 2 в 15-й степени (почему и зачем - в следующей статье), то получим импульсы с частотой 1 герц, т.е. происходящие раз в секунду, что идеально подходит для счёта времени.
Самое сложное в кварцевом резонаторе - это запустить генерацию импульсов на нём. И если с кварцами на относительно высокую частоту (единицы-десятки мегагерц) всё не так печально: берём, например, схему генератора Пирса и всё успешно запускается...
...то кварцы на низкую частоту (к коим относится и наш кварц на 32768 Гц) требуют очень малую нагрузку, резистор R11 номиналом 220кОм их просто приведёт в насыщение и никакой генерации не будет. В таком случае берут инвертирующий элемент на полевых транзисторах и выбирают резистор равный нескольким мегаомам, но это не наш случай: дискретных полевиков с малой ёмкостью затвора просто не существует (либо они крайне редки), а биполярный транзистор от резистора в несколько мегаом просто не войдёт в рабочий режим. По причине всего вышеперечисленного отложим генератор Пирса на полку и рассмотрим другой вариант схемы генерации:
Какого-либо названия эта схема не имеет, а часть элементов подбиралась мной экспериментально, зато она стабильно запускает любые "часовые" кварцы, вплоть до самых микроскопических, которые труднее всего раскачать. В основе схемы лежит неинвертирующий (т.к. сигнал инвертируется дважды) усилитель на транзисторах Q1 и Q2. Одновременно Q2 является эммиттерным повторителем, который позволяет снимать выходной сигнал со схемы, не влияя на характеристики кварца. Транзистор Q3 разделяет генератор сигнала и потребителя (собственно, схему самих часов), и формирует меандр правильной формы.
Соберём схему на макетке:
Выходной сигнал выглядит вот так:
"Сердце" наших часов забилось :)
В следующей статье рассмотрим, что такое T-триггер, для чего он нужен в часах, и как получить из частоты 32768 Гц нужную нам частоту 1 Гц.
Подписывайтесь, будет интересно :)
P.S. Напоминаю, что веду сбор донатов на восстановление системы освещения тротуаров вокруг соседнего дома брежневских времён. Подробности тут: