Langzeitprojekt: Digitaluhr the hard way mit Transistoren und Nixie-Röhren (abgeschlossen)

Weiter gehts.

Ich habe eine "Uhr" mit zwei Ringzählern mit D-Flipflops implementiert. Das funktioniert recht gut und damit erspare ich mir das Dekodieren der Binärzahlen.

Zwei Probleme tauchten auf:

- Zum Starten benötigt ein Ringzähler ein Bit, welches dann beim Taktsignal durch die einzelnen Flipflops "wandert".

- Wie verknüpft man zwei Ringzähler?

Das erste Problem habe ich durch eine kleine Zeitschaltung gelöst. Um ein Bit zu "erzeugen", lade ich über einen größeren Widerstand einen Kondensator (100 nF) auf. Da der Kondensator zwischen Masse und Basis des dafür vorgesehenen Transistors ist, ist dieser so lange gesperrt (Ausgang ist HIGH) , bis die Spannung größer als etwa 0,7 V ist und der Transistor öffnet (Ausgang wird LOW). Da ich aber das Ergebnis negiert brauche, ist ein Negator hinterhergeschalten. Das ganze dauert einen Bruchteil einer Sekunde, ist aber ausreichend schnell, um das erste Flipflop eines Ringzählers zu setzen und somit einen Ausgangszustand herzustellen.

Das zweite Problem hat mir mehr Kopfzerbrechen und Experimentieren bereitet.

Mein erster Gedanke dazu war, das Taktsignal direkt auf beide Zähler zu geben und dann das Bit auf den zweiten Zähler zu übergeben, wenn der erste Zähler von vorn beginnt. Das brachte nur widersprüchliche Ergebnisse. Beide Zähler liefen quasi voll und blieben dann stehen. Dann habe ich versucht, das Ergebnis des ersten Flipflops weiterzugeben. Dadurch lief der erste Zähler, der zweite lief nur voll.

Meine letzte Idee war dann, den Überlauf des ersten Zählers als Taktsignal für den zweiten Zähler zu nutzen und den ersten mit der Taktfrequenz zu versorgen. Dies erwies sich als korrekt und im nachhinein auch einleuchtend. Manchmal dauert es eben länger.

Auf dem Steckbrett habe ich einen Zähler aufgebaut, der gut funktioniert. Diese Schaltung wird sechs bzw. zwölf mal aufgebaut. Pro Röhre zwei Zähler, um den "Slotmaschinen-Effekt" zu implementieren. Darauf kommt dann auch gleich die Ansteuerung für die jeweilige Röhre.

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Derzeitiger Stand der Uhr.

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Der Ringzähler funktioniert. Hier in Grundstellung.

So. Habe mich mit neuem Lötzinn eingedeckt. Jetzt kann ich weiter an der Uhr basteln. Nächster geplanter Schritt ist der Aufbau der ersten Zählstufe, also die Sekunden. Dazu werden zwei Zähler benötigt.

Ich habe mir auch Gedanken zur Umschaltung gemacht und ich denke, ich habe eine passable Lösung gefunden.

Auch das automatische Abschalten ist gelöst. Ein RS-Flipflop bekommt zu einer bestimmten Uhrzeit ein SET-Signal (Anzeige ein) und später ein RESET-Signal (Anzeige aus). Das sind im Prinzip zwei kleine BC546 und und ein größerer Feldeffekttransistor als Schalter. Also kein großer Aufwand.

Update:

Ich bin damit beschäftigt, die Ansteuerung für die sechs Röhren aufzubauen.

Es werden insgesamt sieben Zähler gebraucht. Dazu kommt ein kleines "Umschaltwerk", mit dem ich quasi von der Uhrzeit auf den letzten Zähler umschalten kann, damit stündlich alle Ziffern der Röhren hintereinander durchgeschalten werden können. Dazu läuft einfach ein Schieberegister an, das mit "1000000000" initialisiert wird. Mit jedem Taktsignal rückt die 1 eine Stelle weiter und somit leuchtet eben immer eine andere Ziffer auf. Der Einfachheit halber werden bei dem Effekt alle Röhren gleichzeitig angesteuert. Der "Schalter" dazu wird ein einfaches Flipflop sein, da die volle Stunde ja quasi genau 1 Sekunde dauert (also z.B. 12:00:00 Uhr) und der Durchlauf etwas langsamer sein soll (dazu habe ich die drei Abgriffe für die Taktfrequenzen).

Ist der Vorgang beendet, so soll das Flipflop wieder zurückschalten und die Werte der Uhr werden wieder angezeigt.

Das ist ebenfalls recht einfach zu lösen. Wenn jede Ziffer der Röhre mit zwei UND-Gliedern verODERt ist, dann kann man zwischen beiden Signalen hin und herschalten.

Mit dieser Vorgehensweise spare ich mir den Aufbau von ursprünglich 12 geplanten Zählern und kann die Gesamtanzahl auf sieben verringern.

Hier sind die Schaltungen, die ich für die Zähler erprobt habe:

dflipflop.gif

Das D-Flipflop bildet die Basis für die Ringzähler. Es besteht vereinfacht aus einem normalen SR-Flipflop, welches einen Negator am Eingang besitzt, damit der Zustand !Q = 1 und Q = 1 (Verbotener Zustand) nicht auftreten kann. Es ist taktgesteuert, das heißt, es ändert seinen Zustand nur, wenn das Taktsignal passend dazu ist.

Das hat den Vorteil, daß Überträge, z.B. bei vollen Minuten auf Stunden zeitgleich mit dem Taktsignal passieren, also die Schaltverzögerung (die immer auftritt) vernachlässigbar ist. Für spezielle Zwecke sind Setz- und Rücksetz-Eingang separat ausgeführt. Der Kondensator an T2 verzögert das Schalten des Transistors etwas und schafft somit die Zeit, das T1 schalten kann. Damit ist ein stabiler Ausgangszustand erreicht. Flipflops haben beim Einschalten einen zufälligen Zustand, der damit vermieden wird. Darum führt z.B. ein Computer beim Start immer einen Reset durch.

zaehler.gif

Der Zähler besteht aus 10 hintereinander geschalteten D-Flipflops (hier nur drei dargestellt), wobei der Ausgang "Q" immer auf den Eingang "D" des nächsten Flipflops geht und der Ausgang des letzten Flipflops auf "D" des ersten Flipflops geht.

Initialisiert man diese Anordnung mit "1000000000", so dreht sich die 1 mit dem Takt "im Kreis", daher der Name "Ringzähler".

Der Übertrag auf den nächsten Zähler erfolgt mit dem negierten Ausgang !Q ("Q-Nicht") als Taktsignal. Warum der negierte Wert? Ganz einfach: Der Zähler würde beim "Q"-Ausgang genau dann schalten, wenn also eine "9" angezeigt werden soll. Auf die 28 würde also z.B. die 39 folgen. Daher der negierte Wert um sicherzustellen, daß erst beim Rücksetzen der Übertrag erfolgt.

biterzeugen.gif

Mit dieser kleinen Schaltung erzeuge ich exakt einen Impuls, der gerade ausreicht, um jeweils das erste D-Flipflop eines Zähler auf 1 zu setzen. Damit schaffe ich die Ausgangssituation. Per Taster über den kleinen Kondensator lässt sich die Uhr damit auch bei Bedarf auf 00:00:00 zurücksetzen. (erstes Flipflop = 0, zehntes Flipflop = 9)

monoflop.gif

Dies ist ein Monoflop. Es besitzt einen stabilen und einen instabilen Zustand. Es kehrt immer wieder selbstständig nach einer gewissen, festlegbaren Zeit in seinen Ausgangszustand zurück. Diese Schaltung eignet sich hervorragend, um einen Taster zu entprellen und ein Gedrückthalten des Tasters zu vermeiden. Meine finale Version soll einen Impuls mit einer Dauer von etwa 100 ms liefern. Das sollte absolut prellfreie Taster liefern, denn das Monoflop ändert seinen Zustand beim ersten Kontakt des Schalters und es ist ihm egal, ob durch das Prellen nach 1 µs ein weiterer Impuls kommt, oder nicht.

Die durch den oben gezeigten Link angezeigte Zeit stimmt sowieso nicht mit der Atomuhr überein, da Daten gesendet (Laufzeitverzögerung), berechnet (das kostet auch Zeit) und angezeigt (Bildaufbau) werden müssen. Außerdem ist der Taktgeber eines PCs auch nicht sonderlich hochwertig. Somit KANN diese Uhr NICHT genau sein und die Webseite ist eine LÜGE.

Man kann Uhren bauen, die in 5 Milliarden Jahren um 1 Sekunde falsch gehen. Nur ist die Sekunde dann nicht mehr wichtig.

Übrigens sind 100 Millisekunden eine Ewigkeit. Mit so einer Abweichung würden viele Dinge nicht funktionieren.

Oh, und wenn man eine Uhr bewegt, geht sie langsamer. Das gilt für alle periodischen Vorgänge.

Na dann, bau deine Uhr einfach

Nicht quatschen, machen! Man lernt durch Erfahrung und Ausprobieren. Wenn du Grobmotoriker bist, dann wähle einen Maßstab (das schreibt man heute laut Duden mit drei "s"), der dir angemessen ist. Eine Wasseruhr ist ja z.B. auch mechanisch Na ja, so unähnlich ist eine mechanische Uhr einer elektronischen Uhr gar nicht. Beide sind plump gesagt Zählmaschinen.

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Ich habe heute begonnen, den Zähler für die Sekunden zu bauen. Verwendet werden die genannten D-Flipflops. WIe schon mal gesagt, werde ich jeder Funktionsgruppe eine Kontroll-Lumi verpassen. Damit kann ich gut deren Funktion prüfen. Auf diese Rasterplatine kommen jetzt 10 Flipflops drauf.

Von Backfire erhielt ich nen großen Beutel mit grünen Lumis, die werde ich wohl für die 10er Sekunden nehmen und so abwechselnd arbeiten.

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Der erste Zähler ist fertiggestellt und funktionstüchtig. Ich überlege gerade noch, ob ich das Schaltwerk für die Röhre gleich noch integrieren soll. Ist ja noch nen bisschen Platz da.

Ganz oben links neben der Klemme ist die kleine Schaltung, die das Startbit erzeugt. Sie ist tatsächlich nur direkt nach dem Einschalten aktiv und sonst nie. Sie steuert direkt das Flipflop daneben über den S-Eingang an. Damit ist festgelegt, daß dieses Flipflop beim Start immer aktiv ist, also die Lumi leuchtet.

Das Bit wandert nun im Uhrzeigersinn im Kreis herum.

Damit es das auch tut, wenn die Kontrolleuchte am Taktgeber gerade leuchtet, ist am Takteingang (die Klemme mittig links) ein Negator verbaut, der das Signal einfach umdreht. Es funktioniert zwar auch so, aber hey - man darf ja noch Ansprüche haben

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Der Zähler in einem Testaufbau. Ein kleines Netzteil liefert 5 V und 170 V. Ich habe es mal vor vielen Jahren genau für einen solchen Zweck gebaut.

Scheinbar taucht trotz der Vorkehrungen in seltenen Fällen ein "zweites Bit" zum Start auf, also die Röhre zeigt 0 und 1 gleichzeitig an. Da er aber nach einem Aus- und Einschalten verschwunden ist, stört mich das Problem nicht weiter. Einfach aus- und wieder einschalten und der Fehler ist weg.

Weil ich mehrere Taktfrequenzen zur Verfügung habe, kann ich den Aufbau auch "übertakten". 32 Hz habe ich mal angelegt und das funktioniert sogar, auch wenn ich dann nichts mehr ablesen kann.

Update:

Ich habe in letzter Zeit einige Baugruppen fertiggestellt.

Der Zähler für die 10er Sekunden ist fertig. Damit kann die Uhr schon eine Minute abzählen. Es funktioniert genau so, wie ich mir das auch gedacht habe.

Die Stromversorgung ist ebenfalls fertiggestellt. Sie stellt +5V und +200V bereit. Im Gegensatz zu den 5V ist die Hochspannung nicht stabilisiert. Sie ist nur gleichgerichtet, geglättet und gesiebt. Zur Sicherheit und schnellerem Entladen der Kondensatoren sind diese mit 330 kOhm quasi kurzgeschlossen. Damit fällt die Spannung relativ zügig auf anfassbares Niveau nach dem Abschalten der Baugruppe.

Um ein hartes Einschalten zu erzwingen, ist eine kleine Einschaltverzögerung mit Hilfe eines Relais eingebaut, welches rund eine halbe Sekunde nach Einschalten umschaltet und die 5V am Ausgang anliegen. Das gibt dem Spannungsregler die Zeit, die 5V sicher aufzubauen und stabilisiert nebenbei die Ringzähler, die eine langsam steigende Betriebsspannung so gar nicht leiden können.

Ebenso ist die Schaltung zur adaptiven Helligkeitsregelung fertig entwickelt und auch erprobt. Aufgebaut ist sie noch nicht. Sie existiert nur auf dem Steckbrett. Mein Dank geht an Backfire, der mir den Tip mit dem Monoflop gab.

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10er Sekundenzähler. Nachgeschalten sind Negatoren. Ohne diese Negatoren leuchten in einer Röhre alle Zahlen auf, nur die gerade anzuzeigende Zahl nicht. Die Negatoren drehen die Logik wieder rum. Man könnte es auch anders aufbauen, aber ich habe mich für diesen Weg entschieden.

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Der Zähler für die 1er Minuten. Er ist gerade im Aufbau und noch nicht fertig. Es werden drei Anschlüsse gebraucht: CLKIN, SETMINUTE und CLKOUT.

CLKIN und -OUT sind klar und SETMINUTE dient dazu, auf die CLK-Leitung unabhängig vom Taktsignal einen einzelnen Impuls geben zu können, um ein Weiterschalten und somit ein Einstellen der Minuten zu ermöglichen. Diese Funktion wird auf die 10er Minuten übertragen.

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Die Stromversorgung. Hier ist nichts komplexes dran. Trafo, Gleichrichtung, Glättung, Siebung und Stabilisierung. Einzig das einschaltverzögerte Relais ist etwas ungewöhnlich, verrichtet seinen Dienst jedoch gut. Zur Zeit ist noch ein "Debug"-Eingang aktiv, mit dem ich 12V~ einspeisen kann, solange ich an der Uhr arbeite. Ich habe es nicht gern, wenn Netzspannung so offen rumliegt und ich an solchen Geräten arbeite. Dieser Eingang wird zum Schluss totgelegt (Durchtrennen der Leiterbahnen). Das Kühlblech wird noch getauscht. Das ausgewählte Modell ist noch nicht eingetroffen.

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Das Netzteil beim ersten Probelauf. 5V und 200V funktionieren gut und stabil. Die Hochspannung ist stabil genug, um alle sechs Nixies zu versorgen.

Die Schaltung für die adaptive Helligkeitsreglung hat mir echt Kopfzerbrechen gebracht. Nun ist sie fertig entwickelt und erprobt und kann richtig aufgebaut werden. Eine kleine Verbesserung ist noch nicht im Schaltplan zu sehen: Damit es etwas langsamer regelt, kann man den LDR mit einem Elko überbrücken.

Sie besteht im Grunde aus 5 Teilen:

- Einen Phasenschieber-Oszillator (~1,8 kHz, willkürlich festgelegt), dessen "Dreieck"-Spannung das nachfolgende Monoflop immer wieder neu triggert

- Das Monoflop, damit die PWM entstehen kann

- Eine Pufferschaltung, damit das Monoflop nicht belastet wird

- Ein Negator zum Umdrehen der PWM (sonst geht die Nixie an, wenn es dunkel wird)

- Und einer Schaltstufe, damit man die Nixies auf der Hochspannungsseite mit der PWM ansteuern kann.

Der maximale Tastgrad, den diese Schaltung erzeugen kann, ist 66%. Das reicht mir völlig aus. Bei einer anderen Dimensionierung der Schaltung geht auch mehr.

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Die mittlerweile erprobte Versuchsschaltung auf dem Steckbrett.

Die Uhr habe ich bereits ums 4096-fache ihrer Taktfrequenz übertaktet

Weitere Teile der Uhr sind fertiggestellt oder entwickelt.

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Die komplette Steuerlogik der Uhr. Damit wird die Uhr später gestellt, die Nixies gedimmt oder auch abgeschalten.

Ein Taster ist dreifach belegt. Dies wird mit einem Dreifachzähler realisiert, der von einem mit einem Monoflop entprellten Taster "getaktet" wird.

Das Monoflop ist drei Mal vorhanden. Es ist die Entprellung der Taster. Die Entprellzeit (die ON-Zeit des Monoflops) beträgt rund 80 ms. Die Taster prellen extrem stark. Eventuell müssen andere her.

In der mittigen Klemme steckt ein Phototransistor, der ein besserer Sensor als ein lichtabhängier Widerstand ist. Mit einem 100 µF Elko parallel dazu ist die PWM-Regelung sehr langsam und sieht ganz gut aus.

Der Drahtverhau rechts unten ist der gesteuerte HV-Ausgang. Jede Nixie benötigt einen eigenen Vorwiderstand, wegen der unterschiedlichen Ströme.

Die beiden "Stell"-Taster haben eine rote Kontroll-Lumi, die der HV-Steuerung ist orange. Mir war's halt so

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Eine neue Schaltung für das Netzteil. Diese ist deutlich kleiner und auch effizienter.

Sie besteht aus zwei Schaltreglern. Einer für 5 V und einer für 170 V. Die Hochspannung zu erzeugen war recht tricky. Der Regler besteht aus einem Astabilen Multivibrator (die Schaltung heißt so), die einen MOSFET schaltet und somit eine Spule lädt. Eine Rückkopplung würgt den AMV beim Erreichen der gewünschten Spannung ab, so daß die Spannung relativ konstant ist. So ähnlich arbeiten auch die Schaltungen mit NE555.

clock_aktuell.jpg

Aktueller Probeaufbau. Das Gehäuse ist soweit fertig bearbeitet. Es fehlen noch 3 Leiterplatten, dann ist die Uhr elektronisch gesehen fertig.

Beim Verdrahten der Platten sollten die Leitungen der Stromversorgung miteinander verdrillt sein, weil die Schaltung etwas empfindlich auf Streueinkopplungen durch andere Leitungen regieren kann. Das Verdrillen bewirkt eine Abschirmung und ein Aufheben des Magnetfeldes (na ja, zum guten Teil).

Ich bin mittlerweile bei weit über 200 Transistoren angekommen.

Ja ja, aber dafür isse ausreichend

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Habe die Version 2 des Netzteils aufgebaut. Es wird final die Uhr mit Strom versorgen. Die Feuertaufe hat das Netzteil problemlos überstanden.

Es liefert 170 V und 5 V, jeweils per Schaltwandler. Das verbessert den Wirkungsgrad der Stromversorgung gewaltig. Aktuelle Stromaufnahme liegt bei rund 350 mA.