Der Dekadenzähler
Abhandlung über das Funktionsprinzip
des Zähl- und Stellwerks.
Funktionsprinzip der Uhr.
Die gesamte Schaltung folgt dem Prinzip des Dezimalzählers. Nun ist das bei den Einerstellen kein Problem. Aber was ist mit den Zehnern ? Diese dürfen keine Zahlen über 5 anzeigen. Das bedeutet, daß wenn man wie gewohnt die Uhr betrachtet, nach 59 auf 0 und nicht auf 60 umgeschaltet werden muß. Die cMos ICs 4017 sind solche Dekadenzähler.
Das Zählwerk
Die Sekunden:
Wir beginnen mit dem Sekundentakt. Wie der erzeugt wird ist bereits an anderer Stelle erklärt. Der Sekundentakt wird dem Clock-Eingang (Pin 14) des ersten 4017 für wie einer Sekunden zugeführt. Das veranlasst den 4017 immer einen Schritt weiterzuzählen. Erreicht er 9 dann beginnt er wieder von Neuem bei 0 und am Carry-Out Pin (Pin 12) wird ein High Pegel gesetzt. Dieser wird dem Clock-Eingang (Pin 14) des 4017 für die Zehner Sekunden zugeführt. Das bedeutet das immer wenn der erste 4017 von Neuem bei 0 zu zählen beginnt der zweite 4017 einen Schritt weiterzählt. 10:1 ... wir haben die zehner Sekunden. Nun müssen wir dem aber beibringen nicht bis 10 sondern nur bis 6 zu zählen. Das hört sich komplizierter an als es in Wirklichkeit ist. Wir verbinden einfach den Ausgang für die 6 (Pin 5) mit dem Reset Pin (Pin 15). Das hat zur Folge, das wenn der IC eigentlich eine 6 ausgeben will, was wir nicht wollen, einen Reset erfährt und jetzt schon wieder von Neuem bei 0 zu zählen beginnt. So haben wir nun insgesamt mit den zwei 4017 Zählern den Sekundenkreis geschlossen der nun nur noch bis 59 zählen kann. Obwohl das eigentlich ja nicht stimmt, denn er zählt ja von 0 bis 59 also eigentlich doch bis 60 ... die Null muss ja mitgerechnet werden.
Die Minuten:
Die Minuten werden an sich genauso gezählt, die Schaltung unterscheidet sich nicht. Das Carry Out Signal des zehner Minuten 4017 wird benutzt um die einer Minuten zu takten und so weiter... was aber zu beachten ist: Wir wollen die Uhr ja stellen können. Also muß man irgendwie versuchen ein zusätzliches Signal einzuspeisen. Das erfolgt über ein Exclusive OR Gate. Warum dieses ExOR Gate ? Es ist so ... wenn am Zehner Minuten das Carry Out Signal gerade auf High steht dann kann man die Minuten nicht stellen. Es muss also eine Möglichkeit geschaffen werden die Minuten zu stellen, egal ob das C/O (Carry Over) gerade gesetzt oder nicht gesetzt ist. Also schicken wir das C/O einfach über das EXOR und am anderen Pin des Gates legen wir das Stellsignal an.
Die Stunden:
Gleiches Verfahren mit dem C/O Signal, mit dem einer Stunden auch wie oben beschrieben, aber nun kommt ein Haken. Dieser Zähler für die Stunden darf ja nur von 0 bis 23 zählen. Das Problem: Das Carry Out Signal des Zehner Stunden 4017 kann nicht genutzt werden weil es immer auf High stehen bleibt und erst ab 5 auf low fällt. (Siehe Timing Diagramm des 4017) Nun stehen wir aber dumm da. Müssen uns ein C/O selber generieren. Da gibt es zwei schöne Möglichkeiten. Die elegante ist einen Reset auszulösen wenn der einer Stunden Zähler eine 4 UND der zehner eine 2 anzeigen will. Wir nehmen die Signale an beiden Pins ab und schicken sie auf zwei kaskadierte Transistoren in Collectorschaltung, die dann einfach mit einem der Emitter auf die Resetleitung gelegt werden. Man kann natürlich auch ein Und Gate nehmen. Nimmt aber mehr Platz weg als zwei Transistoren. Dann gibt es noch den analogen weg. der lässt sich aber nicht elegant beschreiben. Schaut Euch einfach das Schaltdiagramm der fertigen Uhr an.
Die Tage:
Zum Schluss noch der Wochentagzähler. Wir benutzen einfach ganz frech das Reset Signal des Stundenzählers um den Tageszähler zu takten. Fertig. Der Wochentagzähler darf ja nur bis 7 zählen. Also den Ausgang der Encodierten 8 (Pin 9) auf den Reset Pin (Pin 15) legen.
Das Stellwerk:
Klingt nach Eisenbahn, aber ich habe es einfach so bezeichnet. Zählwerk und Stellwerk. Es sind zu allererst prellfreie Schalter notwendig. Die gibt es aber in einfacher Form so nicht. Also müssen Flip-Flop Schaltungen dafür herhalten, realisiert aus NAND Gates. Schaut Euch die Schematik der prellfreien Tasten an. Dann ist ein Set-Enable Signal wichtig. Es soll die Uhr anhalten, und man soll sie erst dann stellen können. So ist der Signalweg der Logik: Der Schalter Set-Enable wird gesetzt und gibt ein High-Pegel auf den ersten Eingang eines AND mit drei Eingängen. An dem zweiten Eingang liegt ständig ein 2Hz Takt an. Der dritte Eingang wird nun beutzt um das eigentliche Stellsignal zugeführt zu bekommen. In dem Moment wo das kommt, ist in dem Moment wo das 2Hz Signal High Pegel annimmt die Schaltbedingung des AND erfüllt und gibt ein High Signal heraus, natürlich mit 2Hz. Auf diesem Wege ist gewährleistet das man die Uhr nicht versehentlich verstellen kann. Dieses Signal aus dem AND wird nun auf das oben beschriebene EXOR gegeben. Dieses gibt nun das Signal an die entsprechenden Zähler Clock Eingänge weiter. Je nach dem ob man Minuten, Stunden oder Tage stellen möchte. Genauso ist es mit dem Reset der gesamten Uhr oder der Sekunden. Ein Reset der Uhr ist manuell nur möglich wenn das SET-Enable Signal da ist.
Grau ist alle Theorie ...
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