Микросхемы для часов. Микросхемы часов реального времени: особенности и применение в ZX Spectrum — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Какие микросхемы часов реального времени использовались в компьютерах. Как работают микросхемы часов MC146818 и КР512ВИ1. Как подключить часы к ZX Spectrum. Какие особенности имеют современные микросхемы часов.

Содержание

История и принцип работы микросхем часов реального времени

Микросхемы часов реального времени (RTC — Real-Time Clock) используются в компьютерах и других электронных устройствах для отслеживания текущего времени и даты. Рассмотрим основные особенности и принцип работы этих микросхем:

Первой широко распространенной микросхемой часов была Motorola MC146818, выпущенная в начале 1980-х годов
MC146818 содержала кварцевый генератор, счетчики времени и 50 байт энергонезависимой памяти
Для работы требовалась внешняя батарейка и кварцевый резонатор
Микросхема могла работать в двух режимах — с шиной Motorola и Intel
В СССР выпускался аналог MC146818 — микросхема КР512ВИ1

Принцип работы микросхемы часов:

Кварцевый генератор вырабатывает стабильную частоту 32768 Гц
Внутренние делители формируют из этой частоты секундные импульсы
Счетчики отсчитывают секунды, минуты, часы, дни, месяцы и годы
Текущее время хранится во внутренних регистрах микросхемы
При отключении основного питания микросхема переходит на питание от батарейки

Особенности микросхемы MC146818 и ее аналогов

Рассмотрим основные характеристики и особенности микросхемы MC146818 и ее аналогов:

Напряжение питания: 5В (основное) и 3В (резервное от батарейки)
Энергонезависимая память: 50 байт
14 внутренних регистров для хранения времени и даты
Возможность программирования будильника
Автоматический переход на летнее/зимнее время
Два режима работы — с шиной Motorola и Intel
Низкое энергопотребление в режиме хранения (единицы мкА)

Микросхема требовала внешней обвязки — кварцевого резонатора на 32768 Гц, батарейки и нескольких конденсаторов. Это усложняло применение, поэтому позже появились более интегрированные решения.

Советский аналог MC146818 — микросхема КР512ВИ1

В СССР был разработан и выпускался отечественный аналог MC146818 — микросхема КР512ВИ1. Основные особенности:

Полная совместимость по выводам с MC146818
Выпускалась с 1984 года заводом «Интеграл» (Минск)
Позже производство было на заводе «Транзистор»
Отличие в нумерации дней недели (1 — понедельник, а не воскресенье)
Выпускалась в DIP-корпусе и для поверхностного монтажа (КА512ВИ1)

КР512ВИ1 широко применялась в советской компьютерной технике, в том числе в компьютерах серии ZX Spectrum. Микросхема выпускалась до начала 2000-х годов.

Подключение микросхем часов к ZX Spectrum

Для подключения микросхем часов к компьютерам ZX Spectrum использовались следующие схемы:

В контроллере SMUC для Scorpion ZS-256
В компьютере Profi
Схема подключения от Mr.Gluk, опубликованная в журнале Deja Vu

Стандартом де-факто стали следующие порты для работы с часами:

#DFF7 — выбор регистра микросхемы
#BFF7 — чтение/запись данных
#EFF7 — управление доступом (бит 7)

Для надежной работы требовалось обеспечить:

Правильное подключение кварцевого резонатора
Схему переключения на резервное питание
Защиту от сбоев при включении компьютера

Наиболее надежной считалась схема, аналогичная применявшейся в IBM PC AT.

Современные микросхемы часов реального времени

Развитие технологий привело к появлению более интегрированных решений:

DS12887 — со встроенными батареей и кварцевым резонатором

DS1285, DS12885 — без батареи, но со встроенным генератором
DS12B887 — работает только в режиме шины Intel

Основные преимущества современных микросхем:

Не требуют внешней обвязки
Более надежны и устойчивы к сбоям
Увеличенный объем энергонезависимой памяти
Расширенные функции (температурный датчик, цифровой потенциометр и др.)

Недостаток микросхем со встроенной батареей — ограниченный срок службы (около 10 лет). Некоторые энтузиасты научились заменять встроенные батареи на внешние.

Применение микросхем часов в ZX Spectrum

В компьютерах ZX Spectrum микросхемы часов использовались для следующих целей:

Отображение текущего времени и даты

Хранение времени создания/модификации файлов в ОС IS-DOS
Запись настроек программ в энергонезависимую память
Реализация будильника и таймеров

Для работы с часами использовались специальные программы:

date+3.com — для работы в IS-DOS
rtc.com и cmos_dat.com — для работы по стандарту Mr.Gluk
Резидентные программы для отображения времени

Микросхемы часов устанавливались в различные периферийные устройства для ZX Spectrum — контроллеры клавиатуры и мыши, платы расширения памяти и др.

Особенности использования входа PS в микросхемах часов

Вход PS (Power Sense) в микросхемах КР512ВИ1 и MC146818 использовался для определения пропадания питания. Основные особенности:

Подключался через RC-цепочку к выводу питания
При пропадании питания на нем устанавливался низкий уровень
Позволял определить, что данные в памяти могли быть искажены
Бит состояния PS считывался из регистра 0Dh микросхемы

В некоторых схемах вход PS подключали только к основному питанию 5В. Это позволяло определять факт выключения компьютера. Такой прием использовался, например, в BIOS компьютера Pentagon.

В более современных микросхемах часов вход PS уже не выводится наружу, его функции реализованы внутренними схемами.

RTC-часы в ZX-Spectrum

1 / 13 240

Версия для печати

За последние 10-15 лет, наверное, уже много было сказано про использование часовых микросхем в ZX-Spectrum. Так что эта статья не будет открытием или чем-то принципиально новым. Здесь я постараюсь просто и занятно рассказать об использовании специализированных «часовых» микросхем семейства MC146818 и их более «продвинутых» собратьев в компьютере ZX-Spectrum.

Зачем вообще нужны часы в компьютере? Вопрос интересный и с первого взгляда кажется банальным. Конечно же для того, чтобы знать текущее время. А зачем это надо? Мне, как пользователю, удобнее кинуть взгляд на часы на стене или на руке. Т.е. мне непринципиально узнавать время именно от компьютера, за которым я работаю. Всё-таки часы в компьютере более нужны самому компьютеру.

Следующий вопрос — а для каких таких целей компьютеру могут быть нужны часы? Для игр? Вроде бы нет. Для системных программ тоже не особо эти часы нужны. В ленточных копировщиках используется отсчёт времени загрузки программ, но там нужны не часы, а секундомер, что с успехом реализовано от внутренних прерываний. В TR-DOS и при работе с магнитофоном вроде бы нет никаких программ, которые использовали бы текущее время и дату. Разве что какие-нибудь картотеки и базы данных…

А вот при наличии полноценной операционной системы с нормальной файловой системой текущее время и дата очень даже актуальны. Всё дело в том, что у файла есть понятие как время и дата его создания или модификации, чтобы было легко узнать когда файл был создан или последний раз изменён. Ярким примером тому является операционная система iS-DOS. Для неё даже программу специальную написали, которая загружается при старте системы и просит ввести текущую дату:

Микросхемы часов реального времени

Как же ввести в компьютер часы, которые не останавливаются при выключении компьютера? Как обычно, всё уже давно придумали буржуины — у них есть микросхема часов реального времени (RTC — Real-Time Clock) — Motorola MC146818 (или аналогичная — у других фирм).

Аналог MC146818

Микросхема представляет собой устройство, позволяющее работать в составе микропроцессорной системы. Т.е. она способна по определённым сигналам выдавать на общую шину данные о текущем времени/дате или наоборот, записывать в свою память данные (если надо изменить время/дату). Микросхема требует «обвязку» из внешних элементов, кварцевый резонатор и, конечно же, батарейку, от питания которой внутри микросхемы «тикают» часы, когда компьютер выключен. Микросхема в отключенном режиме (когда к ней нет обращения со стороны процессора) потребляет такой мизерный ток (микроамперы), что от обычной батарейки в 4,5В может работать очень и очень долго.

Помимо часов микросхема имеет в себе 50 байт энергонезависимого ОЗУ. Именно из-за этого микросхему HD146818 ставили повсеместно в материнские платы IBM PC AT. В ячейках ОЗУ микросхемы удобно хранить текущие настройки BIOS. В ZX-Spectrum эти ячейки тоже используются, правда единого стандарта на их использование не существует. Мне точно известно, что Quick Commander хранит в часах некоторые свои настройки. А также ячейки памяти часов я использовал в BIOS для компьютера Pentagon для хранения настроек собственного BIOS’а.

На особенностях MC146818 я остановлюсь несколько подробнее, это в дальнейшем позволит без особого труда разобраться с дальнейшими модификациями этой микросхемы.

Особенности микросхемы MC146818

Внешний кварцевый резонатор с соответствующей «обвязкой». Вот минимальная схема включения из даташита на MC146818:

Не знаю как у других, но у меня такое включение кварца работало не всегда устойчиво. Вернее пока компьютер был включен, всё работало как надо. Но в выключенном состоянии микросхема могла ускорить ход часов или наоборот, замедлить его. Не раз микросхема самовозбуждалась, результатом чего было повышенный ток потребления от батарейки и быстрый разряд последней.

Не буду утверждать, но подозреваю, что такие проблемы преследовали и разработчиков IBM PC AT, потому что в материнских платах 286-х компьютеров использовалась совершенно другая схема включения кварцевого резонатора:

Как видно, разработчики не доверились внутреннему генератору микросхемы часов и сделали внешний генератор на микросхеме MC14069. Она отличается микромощным энергопотреблением. Так как она питается от батарейки, то это актуально. Несмотря на кажущуюся сложность этой схемы она работает замечательно. Я гарантирую это! Повторял, проверял — работает. Если не верите мне, то посмотрите на 286-й компьютер — в нем всё хорошо работает :)

Следующая особенность микросхемы — требуется обеспечение безглючного хранения информации в ячейках памяти часов в любом режиме работы. Вся проблема состоит в том, что при включении компьютера на шинах происходят переходные процессы (сигналы могут меняться хаотически), что в определённой комбинации может вызвать порчу данных в ячейках микросхемы.

Проблема существенная. Когда я экспериментировал с микросхемами часов, то часто получал порчу информации в них именно из-за этого.

Казалось бы для этой цели нужно просто подать уровень лог.1 на вход выбора микросхемы — /CE (13-й вывод). Но тут не всё так просто. Уровень лог. 1 должен поддерживаться даже когда компьютер выключен. Т.е. опять же требуется питание схемы коммутации от батарейки. А как тогда получить доступ к часам? Потребуется какими-то внешними схемами подавать лог.0 на вход выбора микросхемы. Т.е. получается по-любому этот вход будет «завязан» на внутренние шины компьютера, на которых при включении будут происходить переходные процессы. Замкнутый круг получается какой-то…

Но выход есть. Взглянем снова на схему включения MC146818 в 286-м компе:

Очень остроумное решение — для разрешения работы микросхемы используется сигнал Power Good от источника питания AT. В выключенном состоянии он «притянут» к общему проводу. Сигнал инвертируется на MC14069 и подаётся на микросхему часов. Таким образом убиваются сразу два зайца — обеспечивается подача лог.1 на вход выбора часов даже при выключенном питании и обеспечивается безглючное хранение информации. После включения питания компьютера сигнал Power Good переходит в лог. 1 только когда, когда все напряжения на выходах источника питания придут в норму, и компьютер начнёт работу.

В ZX-Spectrum тоже можно сделать так. А если в источнике питания нет сигнала Power Good, то эта проблема тоже решается, но об этом чуть позже.

Третья особенность состоит в том, что процессор компьютера может получить доступ к микросхеме целыми двумя способами. Микросхема сама автоматически определяет по какому стандарту к ней обращаются и ведёт себя соответствующим образом.

Существует два стандарта обращения процессора компьютера к мкросхеме часов — стандарт «Motorola» и «Intel». Различие между ними состоит в различных способах передачи данных микросхеме.

Микросхема имеет два входа выбора режима работы — работа с адресом ячейки памяти и работа с данными, содержащимися в указанной ячейке. Это входы AS и DS. Вход AS называется «строб адреса», а вход DS называется «строб данных».

В режиме шины «Motorola» порядок обращения к микросхеме таков:

Видим, что положительным импульсом на входе AS микросхеме указывается, что на шине данных находится номер регистра, с которым мы хотим работать. А далее положительным импульсом на входе DS указываем микросхеме, что нужно прочитать или записать данные из выбранного регистра на шину данных. Режим чтение/запись определяет состояние входа R/W при положительном импульсе на DS — при лог.0 будет осуществлена запись данных с шины в микросхему.

А теперь посмотрим, как же нужно работать с микросхемой в режиме шины «Intel»:

Номер регистра выбирается так же, как для шины «Motorola» — положительным импульсом на входе AS. А вот дальше идут различия. Если хотим прочитать данные из регистра, то делаем отрицательный импульс на входе DS. А если надо записать данные в регистр, то делаем отрицательный импульс на входе R/W.

Как же тогда микросхема определяет в каком режиме ей надо работать? Всё просто — дело в том, что принцип выбора номера регистра у микросхемы одинаков. И когда мы выбираем номер регистра, микросхема смотрит на состояние входа DS. Получается так — по срезу импульса AS (это когда он переходит от 1 к 0) микросхема анализирует какой уровень на входе DS. Если там лог.0, то считается, что работа идёт в режиме шины «Motorola», а если там лог.1 — то в режиме шины «Intel».

Вот так всё просто. На самом деле, очень удобно для подключения к микропроцессорным системам с различными способами адресации.

Советский аналог MC146818 — КР512ВИ1

В 80-х годах советской промышленностью начал производиться аналог MC146818 — микросхема КР512ВИ1. Она является почти полным аналогом, т.е. можно непосредственно заменить одну микросхему на другую без каких-либо доработок конструкции. Различие между КР512ВИ1 и зарубежными аналогами состоит в несколько ином порядке представления дней недели. В зарубежных микросхемах первым днём недели (1) считается воскресенье. А в КР512ВИ1 воскресенье нумеруется цифрой 1 только если включен автопереход на зимнее/летнее время. Ныне такой переход неактуален, поэтому при его отключении нумерация дней недели становится более привычной нам — первым днём недели (1) считается понедельник.

Впрочем нумерация дней недели это условность. Микросхема сама не высчитывает по установленной в ней дате какой день недели приходится на эту дату. Т.е. пользователь сам записывает в регистр дня недели нужное число. Поэтому микросхеме абсолютно безразлично с какого дня начинается неделя, она просто увеличивает при смене суток число в регистре дня недели на 1. Вопрос состоит лишь в том, чтобы внешняя программа, которая считывает значения часов, правильно интерпретировала эти цифры.

У нас в Беларуси микросхема выпускалась с 1984 года заводом «Интеграл»:

КР512ВИ1 производства завода ″Интеграл″

Позже выпускалась с маркировкой завода «Транзистор»:

КР512ВИ1 производства завода ″Транзистор″. Год выпуска — 1998

Микросхема в Минске продаётся и сейчас. На конец 2011 года распродаются остатки выпуска 2002 года. Более полную информацию можно узнать с сайта завода «Транзистор».

КР512ВИ1 производства завода ″Транзистор″. Год выпуска — 2002. Это одна из самых новых выпущенных микросхем

Также существует вариант КА512ВИ1 в корпусе для поверхностного монтажа.

Это КА1835ИД1. В очень похожем корпусе выпускалась КА512ВИ1. Это я к тому, что это уж больно необычная микросхема

К сожалению достать микросхему КА512ВИ1 пока не удалось (она давно не производится).

Дальнейшее развитие микросхем часов

Прогресс не стоит на месте, поэтому в скором времени после MC146818 появились её аналоги со встроенным кварцевым резонатором и литиевой батарейкой. Всё это было помещено внутрь корпуса:

DS12887 — аналог MC146818 со встроенными батарейкой и кварцевым резонатором

Действительно, очень удобно — не надо городить обвязку на кварц и контроль питания. Микросхема сама всё делает. Сохранность информации гарантируется. Можно вообще достать микросхему из розетки, и время всё равно будет идти. Использовать такую микросхему у себя в конструкциях — одно удовольствие.

Встроенной батарейки хватает примерно лет на 10 работы (в моём случае микросхема, купленная в 2006 году, работает и в 2021-м году, срок батареи уже 15 лет). После этого микросхему приходится банально выбрасывать. Жалко, однако. Поэтому хитрые пользователи решили ремонтировать микросхему с целью замены батарейки на новую. Новая батарейка выводится наружу, после чего микросхема становится «вечной». Надо только раз в 10 лет менять батарейку :)

Компания Dallas выпустила много вариантов микросхем часов. Я остановлюсь лишь на некоторых.

DS1287 — полный аналог MC146818;

DS12887 — то же самое, только внутренняя память увеличилась с 50 байт до 114;

DS12887A — то же самое, что и DS12887, только добавлен вход для очистки всех ячеек памяти микросхемы;

DS12B887 — то же, что и DS12887, но работает только в режиме шины «Intel».

Существует «облегчённый» по сравнению с DS12887 вариант микросхемы часов — без встроенной батарейки и кварца. От MC146818 отличается тем, что вся «обвязка» для кварца и батарейки не нужна. Т.е. подключаем напрямую к микросхеме кварц и батарейку, а все контролирующие их цепи уже размещены в самой микросхеме. Это микросхемы семейства DS1285, DS12885.

VT82855 — аналог DS12885

Различия между DS1285 и DS12885 состоит в различном количестве свободных ячеек памяти.

Подключение микросхем часов к ZX-Spectrum

Одной из первых публикаций по использованию микросхемы часов КР512ВИ1 совместно с компьютером является статья «Часы в компьютере», опубликованная в «Радиоежегоднике» за 1989 год. В ней была подробно описана работа микросхемы КР512ВИ1, дана схема подключения микросхемы к компьютеру «Радио-86РК» с примерами программ. Статья даёт хорошую теорию по работе микросхемы часов.

В компьютерах ZX-Spectrum часы устанавливались в контроллер SMUC для Scorpion ZS-256 и в Profi.

Для всех остальных клонов ZX-Spectrum подключение часов на КР512ВИ1 стало возможным благодаря статьям от Mr.Gluk в электронном журнале Deja Vu #08:

Также заслуживает снимания публикация «CMOS для всех» из электронной газеты Optron #31.

Использование портов, по которым можно было обращаться к часам, стало неким стандартом для ZX-Spectrum и было поддержано в многих программах:
#DFF7 — задаёт номер регистра, с которым мы хотим работать;
#BFF7 — порт данных, через него передаются данные в микросхему/из неё;
#EFF7 — бит 7 этого порта управляет доступом к микросхеме (0 — доступа нет, 1 — доступ есть).

На деле схема от Mr.Gluk являлась «базовой» и могла дополняться более полным адресным дешифратором портов и более надёжным включением питания от батареи. Самой надёжной схемой для меня оказалась схема, которую я приводил выше для 286-х компьютеров:

В этой схеме показано включение КР512ВИ1 для надёжного хранения информации. Цифровая часть схемы (дешифратор портов и т.п.) не приведена. Подразумевается, что по этой схеме микросхему можно подключать к какому угодно компьютеру по произвольному стандарту адресов портов. Схема проверена мной на нескольких компьютерах. Глюков не обнаружено.

Пояснения по схеме: в качестве микросхемы DD’ крайне желательно использовать MC14069. У неё микромощный ток потребления от батарейки. Другие аналоги (CD4069 или К561ЛН2) имеют ток потребления в разы (в десятки раз) больше и будут быстрее «подсаживать» батарейку. Так как в ZX-Spectrum может и не стоять AT-питатель с сигналом Power Good, поэтому было решено сэмулировать этот сигнал. Не секрет, что в ширпотребных источниках питания AT в качестве формирователя сигнала Power Good может не устанавливаться «настоящая» схема контроля напряжений питания, а зачастую ставится банальное реле времени, которое через некоторое время после включения питания выдаёт сигнал Power Good и всё. Так я и поступил — сделал простейшее реле времени. После включения питания компьютера микросхема КР512ВИ1 выключена высоким уровнем напряжения на входе /CS, а спустя полсекунды/секунду реле времени включит микросхему на доступ.

В схеме включения КР512ВИ1 от Mr.Gluk используется стандарт шины «Motorola». Один из моих вариантов адресного дешифратора для этого стандарта для ZX-Spectrum:

А это схема включения VT82855 с шиной «Intel»:

Вообще шина «Intel», похоже, является основной для микросхем такого типа, поэтому имеет смысл рассчитывать адресный дешифратор именно для неё. Есть модификации микросхем (DS12B887, VT82885), в которых поддерживается только шина «Intel».

Практическое применение микросхем часов в ZX-Spectrum

В ZX-Spectrum для работы в системе iS-DOS есть программа date+3.com для считывания даты из микросхемы часов, подключенной через контроллер SMUC. Для работы с часами по стандарту от Mr.Gluk я встречал резидент, который показывал текущее время, а также я написал две программы — rtc.com и cmos_dat.com. Они есть на этом сайте на странице с программами для iS-DOS.

Напоследок небольшая фотогалерея самодельной периферии для ZX-Spectrum с часами (все представленные устройства взяты с рабочих компьютеров и исправно функционируют):

Контроллер PS/2 клавиатуры и мыши с часами на MC146818, включенными по схеме от 286-го компьютера

SMUC на дискретных элементах с часами КР512ВИ1, включенными по схеме от 286-го компьютера

Контроллер PS/2 клавиатуры и мыши с часами на MC146818, включенными по схеме от 286-го компьютера

SMUC на дискретных элементах с часами КР512ВИ1, включенными по схеме от 286-го компьютера

ZX-Multicard с часами на VT82885

Особенности включения вывода PS

В микросхемах КР512ВИ1, MC146818 имеется вход PS (вывод 22). Это так называемый вход датчика питания. Он должен включаться таким образом, чтобы даже при кратковременном пропадании напряжения питания микросхемы напряжения на нём падало до нуля. Для этого он включался через RC-цепочку к выводу питания (24 вывод) микросхемы часов:

Делается это для того, чтобы можно было проконтролировать исчезало ли напряжение резервного питания. Если исчезало, то данные в памяти микросхемы часов можно было считать недостоверными, т.к. они могли при перебоях с питанием попросту исказиться. Для определения пропадало ли питание, служит бит 7 регистра #0D микросхемы часов. Если на входе PS напряжение падало до 0, то этот бит установится в 0.

Можно немного изменить схему включения КР512ВИ1 — завязать вход PS только на питание +5В:

В этом случае на входе PS напряжение упадёт до 0 при отключении питания +5В. Это позволит, к примеру, узнать, что компьютер отключался. На практике я использовал эту особенность в компьютере Pentagon в собственном BIOS для вывода заставки при включении компьютера.

Также необходимо помнить, что регистр #0E микросхемы часов работает по принципу триггера. После чтения бита 7 этот бит автоматически устанавливается в 1.

В следующих типах микросхем часов вход PS уже сразу разведен «внутри» микросхемы и наружу не выходит. Таким образом, повторить такую же «фишку», как с контролем напряжения питания только +5В в этих микросхемах не выйдет.

Документация по микросхемам часов и тематические ссылки

Документация:
		Статья «Часы в компьютере» из журнала «Радиоежегодник» за 1989 годОписание КР512ВИ1, подключение микросхемы часов к компьютеру Радио-86РК
		Обобщённая информация по КР512ВИ1, которую я составил сам
		Информация по схеме включения микросхемы часов MC146818 в IBM PC AT 286
		Описание микросхем КР512ВИ1 и КА512ВИ1 из книги «Микросхемы для бытовой радиоаппаратуры. Дополнение третье: Справочник / И.В. Новаченко и др., М.: Радио и связь, 1993″
		Краткая техническая спецификация КР512ВИ1 с сайта завода «Транзистор»
		Краткая техническая спецификация КА512ВИ1 с сайта завода «Транзистор»
		Справочный лист на КР512ВИ1 — конструкторская документация с описанием характеристик и режимов работы микросхемыНеважное качество исходного бумажного документа
		Схемы правильного включения КР512ВИ1 в разных режимах шины (Motorola и Intel), включение батарейки и кварца
Вся конструкторская документация по микросхемам часов и документация с сайта завода «Транзистор» размещены с разрешения администрации сайта завода
Ссылки на полезные ресурсы:
http://transistor. by/ Сайт завода «Транзистор»
КР512ВИ1 на форуме завода «Транзистор»
Восстановление микросхем Dallas со встроенной батарейкой. Или что делать, если села встроенная в микросхему батарея

Выражаю отдельную благодарность администрации сайта завода «Транзистор» за помощь в получении информации по микросхемам КР512ВИ1 и КА512ВИ1.

Схема часов-будильника с календарем » Вот схема!

Категория: Часы

Часы-будильник построены на основе комплекта микросхем серии К176: К176ИЕ18, К176ИЕ13, К176ИЕ17 и К176ИД2. Индикация на четырехразрядном светодиодном индикаторе. Часы работают в двух режимах: индикация времени в часах и минутах, и индикация числа и месяца. Переключение режимов производится кнопкой не имеющей фиксации.

В нажатом состоянии на индикаторе высвечивается число и месяц, а в отпущенном состоянии — часы и минуты. Функция будильника позволяет установить одно время включения побудки в течении суток. На месяц и число будильник не программируется.

Принцип работы часов-будильника.

Микросхема D1 К176ИЕ18 содержит задающий кварцевый генератор на резонаторе Q1, набор счетчиков, формирующих основные временные периоды, необходимые для работы часов, а также импульсы для обслуживания динамической индикации. Кроме того в состав микросхемы входит усилитель-формирователь тревожного сигнала будильника, выход которого рассчитан на непосредственное подключение электромагнитного звукоизлучателя.

Импульсы, следующие с минутным периодом поступают с вывода 10 D1 на вход микросхемы D2 — К176ИЕ13, которая содержит счетчики минут и часов, выходной буфер, поочередно перемещающий на выходы микросхемы коды единиц и десятков часов и единиц и десятков минут. Работа этого буфера синхронизируется импульсами частотой 1024 Гц поступающими с вывода 11 микросхемы D1. Кроме того на вывод 9 D2 поступают импульсы, следующие с частотой 2 Гц, которые служат для установки текущего времени и времени будильника при помощи кнопок S2-S4.

При нажатии на кнопку S2 происходит установка минут текущего времени, показания минут начинают увеличиваться со скоростью 2 Гц. При нажатии на S3 тоже самое происходит с показаниями часов. Если нужно установить время будильника надо нажать кнопку S4. При этом на индикацию будет выведено время будильника. И тогда теми же кнопками S2 и S3 (удерживая S4 в нажатом состоянии) можно установить время, в которое должен прозвучать сигнал будильника.

С выходов D2 коды чисел поступают на дешифратор на микросхеме D4, который преобразует эти коды в коды для управления семисегментными индикаторами на светодиодах. Микросхема имеет вход гашения — вывод 7. При подаче на него единичного уровня выходы микросхемы отключаются, переходят в высокоимпендансное состояние. При нажатии на S1 счетчик минут обнуляется.

Календарь выполнен на микросхеме D3 — К176ИЕ17, на её вход поступают импульсы, следующие с периодом в одни сутки с вывода 3 микросхемы D2. А также, с выходов D1, такие же служебные импульсы как и для работы D2 (счетчики обеих микросхем построены по сходному принципу). Установка числа и месяца производится кнопками S5 и S6 так же как кнопками S2 и S3 устанавливают текущее время.

Коды цифр календаря последовательно выводятся на выходы микросхемы D3 и поступают на входы дешифратора D5, работающего таким же образом как дешифратор D4. Выбор того с выходов какого из дешифраторов сигналы должны поступить на индикатор осуществляется при помощи кнопки S8 не имеющей фиксации.

При отпущенном состоянии на индикатор выводятся цифры часов и минут, при этом единица через R8 поступает на вывод 7 D5 и выходы D5 отключены. Если эту кнопку нажать на индикатор выведутся цифры календаря, при этом на вывод 7 D4 поступит единица через резистор R9 и выходы D4 отключатся.

Как только время текущее совпадет с временем будильника, установленным в микросхеме D2, на выходе (вывод 7) этой микросхемы появятся тревожные импульсы, которые поступят на вход усилителя формирователя микросхемы D1 (вывод 9). На выводе 7 D1 сформируется импульсный сигнал, который при подаче на электромагнитный или динамический звукоизлучатель создает звук, напоминающий звучание механического будильника.

Звучать сигнал будет в течении одной минуты (все время пока числа записанные в память D2 совпадают с числами текущего времени). Отключается функция будильника просто — тумблером SB1, Светодиод VD10 служит для индикации включенной функции будильника.

Питание часов от сетевого адаптера 10-11 В. При отключении сетевого напряжения часы переходят на резервный источник — батарею G1 на 9В (Крона), но при этом индикация выключается.

Поделитесь с друзьями ссылкой на схему:

Старые микросхемы часов

Недавно я купил большую партию старых National Semiconductor. ИС на eBay; Меня интересовали операционные усилители JFET. В лоте было несколько Микросхемы часов MM5402N. Когда я был моложе, эти микросхемы часов были волшебными устройствами. и я сделал довольно много часов с ними. В эти дни время суток повсюду; даже мой телефон может сказать мне время, и это время прямо из серверы времени синхронизированы с национальными стандартами. Увы, мои чипы часов кажутся красивыми устарели, особенно когда обнаруживается, что они даже не мультиплексированы. Да, для каждого сегмента дисплея есть отдельный провод. Но, если вы любите паять, их трудно победить! Вот несколько проектов, использующих эти старые устройства.

По иронии судьбы, мое любимое применение для этих У ICs даже нет дисплея! И добавьте деление на 7 (обычно CD4526B) к частоту линии, и это становится еженедельным напоминанием, включая лампу или другое загружайте в течение 7 часов один раз в неделю — отлично подходит для светодиодного напоминания о мусорном дне!

Я изучил техпаспорт и пришел к следующему исходному конструкция (не проверена). Лист данных, кажется, подразумевает, что это хорошая идея, чтобы сжечь отключается на несколько вольт при использовании дисплеев с общим катодом, отсюда и стабилитрон на 3,3 вольта. диод. Эти ИС имеют ограничение по току, но когда максимальное количество сегменты горят, чипы могут сильно нагреваться. Зенер разгружает часть этого тепло, сохраняя IC в пределах спецификаций. ИС рассчитаны на работу от 7 до 11 ВДК. Это звучит как 9мне вольт.

На этой схеме не показано, как управлять входом 50/60 Гц. Сместите этот контакт до 1/2 В и подайте сигнал в несколько вольт на нужную линию. частоту через конденсатор, как бы вы ни хотели ее придумать. Используйте два, 1 резисторы МОм и конденсатор 0,1 мкФ. Убедитесь, что Vp-p не превышает Vdd. Размах напряжения более 4 вольт должно быть достаточно, поэтому даже 5-вольтовый логический сигнал CMOS должен работать, если соединены, как описано. Мне очень нравится метод, который я использую на дизайн без дисплея ниже при использовании силового трансформатора переменного тока; получается довольно красивый «квадрат» форма волны с правильной амплитудой для IC.

Я не совсем понял, но похоже, что единственный разница между выходами «тревога» и «сон» в том, что выход «сон» можно запрограммировать так, чтобы он оставался активным менее 1 часа. я бы просто использовал тревожный выход!

Когда я начал строить, я обнаружил, что у меня есть дисплеи с общим анодом, поэтому я придумал это:

На самом деле я построил тестер интегральных схем с похожей схемой, но я использовал несколько иная опорная частота, чем та, что указана выше. я не строил источник частоты с 74HC390s, так что там может скрываться ошибка. Просто придумайте 50 или 60 Гц и импульс с низкой скважностью для управления показания. Обратите внимание, как я использую обычный NPN-транзистор, чтобы возвести сигнал в квадрат. быть совместимым с ИС.

Оказывается, эти микросхемы не ограничивают ток до низкого уровня. достаточное значение при снижении тока дисплея, и важно использовать ограниченный напряжение рабочего цикла для питания дисплеев с общим анодом. Вы найдете применение заметка в сети, где дизайнер использует нефильтрованный переменный ток и «яркий» транзистор для питания показания, чтобы снизить рассеивание чипа. Я использовал рабочий цикл 40/60, но IC все еще немного греется. На одном из последних ‘390, которые немного снизят энергопотребление. Подключить 10 тыс. к контакту 7 вместо контакта 6 для более низкого рабочего цикла. Оказывается, человек хочет во всяком случае довольно тусклый дисплей на часах. В противном случае это просто слишком ярко, и вы набросит на него полотенце, чтобы вы могли спать! Если вы действительно хотите ярче дисплей, сделайте радиатор для микросхемы, как я в итоге сделал:

Это медная полоса размером 0,5 x 2 дюйма, окрашенная в черный цвет и прикрепленная к верхняя часть микросхемы покрыта эпоксидной смолой с оксидом металла. Чип работает намного холоднее с этот радиатор, даже если рассеивается больше энергии, чем рекомендуется в технических характеристиках. Но, опять же, вам действительно не нужны яркие часы, поэтому просто используйте более низкий рабочий цикл. импульс мощности. Вы хотите использовать импульсы, чтобы схема ограничения тока в чип работает исправно. В противном случае у вас может быть неравномерная яркость.

Но, знаете, кому вообще нужны цифровые часы? Черт, практически во всем, что у меня есть, есть часы. У меня даже есть Radio Shack шариковая ручка с часами внутри! Итак, я придумал окончательное приложение для этих старых ИС — будильник без дисплея:

Посмотрите на все эти несоединенные контакты! Откажитесь от «отсрочки» кнопка и есть только 8 подключений к IC. Не желая израсходовать все отверстия на моей макетной плате Adafruit, я превратил одну из микросхем в довольно высокий Устройство «SIP»: теперь использует только 8 отверстий.

Указанные светодиоды не являются обязательными. Я закончил тем, что подключил «Вкл.» Светодиод прямо напротив выходных клемм на моем первом устройстве, так как он подает 5 вольт. Вероятно, более полезно активировать реле для управления нагрузкой переменного тока. 1N4002 на нагрузке для предотвращения обратного напряжения, если нагрузка представляет собой реле. катушка. Другим нагрузкам, включая твердотельные реле, этот диод не нужен.

Представьте себе коробку с большой кнопкой сверху, сетевым шнуром и розетка. Один подключает любой прибор и ждет, чтобы нажать кнопку кнопку до времени дня, когда этот прибор должен включиться. Просто нажмите кнопка «программа» и часы запрограммируют себя на включение в это время дня, включая текущий день (до 24 секунд). Это довольно «органический» таймер, не требующий «возни» с дисплеями и легко запоминающийся подпрограммы программирования. Просто нажмите кнопку, когда вы хотите, чтобы это произошло! Я бы добавил кнопку, чтобы немедленно отключить «будильник», чтобы остановить функцию на сегодня и, возможно, кнопку «отложить», чтобы остановить функцию на 15 минут (не как важно). Вы не можете «установить» вещь накануне вечером, так что это займет некоторая «психическая адаптация». Но, на самом деле, большинство приложений таймера не таковы. критический. Я рассматриваю устройство для включения моих садовых шлангов на час каждый день моя аварийная перемычка автомобильного аккумулятора (которая перезаряжается, если оставить ее на зарядке). все время), свет на крыльце для сумеречного часа, когда я иногда прихожу домой, и так далее. Это не критически рассчитанные события, и возможность просто попасть в кнопка для установки времени идеальна. Кстати, можно нажать эту кнопку программы в любое время, даже в рабочее время, и он просто запрограммирует Текущее время. Вот как:

При нажатии кнопки «программа» нижний триггер немедленно очищается, активируя верхний триггер. После небольшой задержки вершина триггер переключается на высокий уровень. Выход /Q этого триггера активирует «быстрый набор вход» чипа часов, заставляя внутреннее время продвигаться вперед со скоростью один час в секунду, как если бы вы удерживали эту кнопку нажатой. Когда Внутреннее время чипа часов равно произвольному времени будильника, выход будильника идет низко. Первый BS170 инвертирует этот импульс и тактирует нижний триггер. высокий. Верхний триггер немедленно устанавливается в низкий уровень, и «ввод быстрой установки» идет. высокий, возвращая часы к нормальной работе. В этот момент время на часах установлен очень близко ко времени будильника, поэтому выход будильника остается активным в течение около часа. И будильник будет срабатывать каждые 24 часа в будущем. По сути, эта схема переводит часы вперед до тех пор, пока не сработает будильник. триггеры, затем он перестает опережать время. Тревога остается включенной в течение час и повторяется каждые 24 часа в это же время. Можно нажать «программу» кнопку в любое время, чтобы изменить время на настоящее.

Вот как можно использовать это устройство: Я хочу, чтобы мой сад получил вода, когда солнце садится — я не знаю, когда это было, на самом деле — я только что ударил кнопку, когда она «выглядит» правильно. Клапан Rainbird включает воды в течение часа. Или, возможно, вы просто хотите запустить вентилятор в своем сарае на некоторое время. час в день (в моем случае бомбоубежище) просто для того, чтобы воздух оставался немного свежим. Это на самом деле не имеет значения, когда наступит этот час. Вам даже не нужно нажимать кнопку кнопка! Вы можете включить различные источники света, кофеварку, радио или телевизор в утро, активируйте устройство открывания гаража (простое последовательное реле), чтобы никто не смог открыть ваш гараже, кроме как в течение определенного часа, включите аквариумный воздушный насос и т. д. простой интерфейс с одной кнопкой невероятно прост в использовании и понимании. Одна приятная случайная «особенность» заключается в том, что устройство будет продолжать включаться в течение час каждый день после сбоя питания, хотя и в произвольное время. По крайней мере сад поливают! Кроме того, входной контакт 50/60 Гц может работать с частотами до до 10 кГц, поэтому должна быть возможность сделать таймер с более коротким циклом. В качестве примера, использование 360 Гц дает таймер, который включается на 10 минут каждые 4 часа.

Вот моя первая версия:

Большая красная кнопка устанавливает время, а тумблер останавливает действие. Он имеет пружинный возврат в одном направлении для мгновенного действия, чтобы убить только сегодняшнее действие и обычное действие переключения в другую сторону, чтобы убить действие на неопределенный срок. Нижний левый светодиод указывает на то, что цепь «программирования», правый нижний светодиод мигает раз в секунду, а правый верхний Светодиод указывает на подачу питания на банановые вилки. Я добавил 5 вольт стабилизатор и PNP-транзистор, который подает 5 вольт на разъемы типа «банан». когда будильник активен, один час в день:

5 вольт было удобно, так как я использую формованный выход переменного тока трансформатор «настенная бородавка» для питания — «достать» 120 В переменного тока неоткуда, т.к. он спрятан внутри адаптера питания. 5 вольт могут питать реле на 120 вольтовые устройства или просто гаджеты, которые могут питаться от 5 вольт (например, 4,5 вольт транзисторный радиоприемник). Вот релейный адаптер, который я только что построил, чтобы эта штука могла включаться старое ламповое радио по утрам. Я посплю еще несколько секунд, пока трубы разогреть.

Прекрасно работает! Старое ламповое радио включилось через несколько секунд. того времени, когда я нажал кнопку вчера утром. Мне приходит в голову встраивайте этот таймер прямо в радиоприемники и другие устройства, которыми нужно управлять. А реле может быть подключено параллельно с выключателем питания прибора, так что это нормально эксплуатация, ну нормальная. Обратите внимание, что часы не имеют ничего общего с радио или таймер. 🙂

Микросхемные часы | NIST

Технология

Компактная паровая ячейка для оптических часов NIST рядом с кофейным зерном.

Кредит: Хаммон/NIST

В 2004 году ученые NIST создали первые атомные часы размером с чип. Основные компоненты были размером с рисовое зерно. Устройство работало на гигагерцовых частотах, и технология была быстро коммерциализирована.

С тех пор исследователи NIST сосредоточились на усовершенствовании его конструкции. Последняя потенциально технологичная версия примерно в сто раз более стабильна и точна, чем оригинал. Его паровая ячейка меньше ластика для карандашей. Он работает на оптических частотах в несколько сотен терагерц, поэтому способен вести более точный хронометраж. В случае коммерциализации его можно будет использовать для обеспечения стабильного и точного хронометража с низким энергопотреблением и низкой стоимостью.

Новейшая конструкция часов в масштабе чипа основана на атомах рубидия, заключенных в крошечный стеклянный контейнер на чипе. Две частотные гребенки на чипах действуют как шестерни, связывая высокочастотные оптические сигналы устройства с более низкой, широко используемой микроволновой частотой, которую можно использовать в приложениях. Основанное на чипе сердце новых часов требует очень мало энергии (всего 275 мВт) и, благодаря дополнительным технологическим достижениям, потенциально может быть сделано достаточно маленьким, чтобы его можно было носить в руках.

В конечном счете, атомные часы следующего поколения в масштабе чипа будут спроектированы так, чтобы соответствовать миниатюрным платформам приборов NIST, которые сейчас разрабатываются. Платформы должны будут поддерживать и интегрировать функции атомных часов с размерами в микрометрах.

Преимущества по сравнению с существующими методами

Новые конструкции в масштабе чипа открывают целый мир новых приложений просто благодаря своей портативности. Большинство атомных часов, от высокоточных часов на оптической решетке до новейших квантово-логических часов, представляют собой большие лабораторные устройства. То же самое верно и для атомных «фонтанных» часов национального стандарта NIST, которые определяют официальное время в США. Хотя они обеспечивают высочайший уровень точности хронометража, они большие, дорогие и не подходят для использования в полевых условиях или на заводе.

Применение

Компактные двухфотонные часы с паровой ячейкой NIST могут использоваться в качестве улучшенного портативного эталона времени для различных видов технологий, в том числе в качестве резервной копии спутниковой системы GPS.

Широкое использование атомных часов следующего поколения в масштабе чипа может обеспечить еще более точный эталон для калибровки сигналов синхронизации GPS, которые необходимы для множества систем, которые должны быть точно синхронизированы, таких как сотовая связь, национальная электрическая сеть. , авиационная навигация и многочисленные оборонные приложения.

Дополнительные текущие и ожидаемые практические приложения включают легко развертываемые стандарты времени с квантовой точностью для промышленности и обороны, подводное сейсмическое зондирование для разведки нефти и полезных ископаемых, а также безопасную беспроводную связь.

Чем больше ученые NIST смогут уменьшить размер и повысить точность атомных часов, тем больше у них будет применений, тем больше мест они смогут пройти и тем меньше энергии им потребуется. Эффективная работа особенно важна для мобильных операций, работающих от аккумулятора.

Ключевые документы

Z.L. Ньюман, В. Морис, Т.