Разработка структурной схемы

Проанализируем как должно работать разрабатываемое устройство. Часы обязательно должны содержать устройство измерения времени, которое в свою очередь всегда состоит из генератора эталонных интервалов времени и счётчика этих интервалов. Структурная схема устройства измерения времени приведена на рисунке 12.1.1.

Рисунок 12.1.1 Структурная схема устройства измерения времени

В качестве генератора эталонных импульсов в различное время использовали различные устройства. Это и вытекание воды или песка из какой-либо ёмкости и движение тени от солнца по циферблату и даже горение нити в огненных китайских часах.

В простейшем случае генератор импульсов эталонной длительности должен вырабатывать минутные импульсы. В простейшем случае генератор импульсов эталонной длительности должен вырабатывать минутные импульсы. Однако реализовать стабильный генератор такой длительности достаточно сложно. Даже в механических часах в качестве генератора импульсов эталонной длительности использовался маятник с периодом колебаний от одной до нескольких секунд.

В качестве генератора эталонных импульсов мог бы подойти кварцевый генератор, так как этот тип генераторов обладает высокой стабильностью колебаний. Но кварцевые генераторы вырабатывают колебания в диапазоне от 1 до 30 МГц. Это соответствует временным интервалам от 0.03 до 1 мкС. Тем не менее, если воспользоваться делителем частоты, выполненном на двоичном счетчике, то можно получить импульсы с периодом 1 минута.

Выберем частоту работы кварцевого генератора. Здесь можно использовать кварцевый резонатор с частотой 32768Гц, предназначенный для использования в часах. Этот резонатор специально разрабатывался для применения в часах, поэтому его частота кратна степени двойки (2¹⁵ = 32768). В результате можно использовать обычный двоичный делитель.

Здесь хотелось бы отметить, какая грандиозная задача была решена разработчиками кварцевых кристаллов. Дело в том, что если посчитать длину акустической волны в кварце, то кварцевый резонатор получился бы впечатляющих размеров. Толщину кристалла кварца можно определить по общеизвестной формуле для длины волны. Как известно скорость распространения звуковой волны в кристалле кварца равна 5570м/с, тогда длина волны будет равна:

То есть толщина кварцевого резонатора должна быть как минимум равна половине длины волны - 8,5см. Ну, как, впечатляет? Длина кварцевого кристалла соответственно должна быть, по крайней мере, в пять раз больше. Казалось бы, это неразрешимая проблема для малогабаритных и дешёвых устройств, однако разработчики кварцевого резонатора сумели решить её.

Первым решением проблемы является то, что низкочастотные кварцевые резонаторы изготавливаются с использованием не объемных, а поверхностных волн. Точнее крутильных колебаний. В результате в резонаторе используется вся его длина. Скорость распространения волны по поверхности кварца значительно ниже скорости распространения волны в его объеме и равна 3515м/с. Однако даже в этом случае размеры кварцевого резонатора получаются значительными:

Решением проблемы оказалась разработка кварцевого резонатора, реализованного по принципу камертона. В таком резонаторе возбуждаются не объемные колебания, а колебания двух параллельно расположенных стержней, как это показано на рисунке 12.1.2.

В такой конструкции частота резонанса зависит от упругости кварца, длины и толщины зубьев получившейся вилки камертона.

Стоимость часовых кварцевых резонаторов оказалась минимальной из всех кварцевых резонаторов. Благодаря своей распространённости, малой цене, габаритам и малой частоте часовые кварцевые резонаторы начинают применяться практически во всех цифровых устройствах.

Для нас полезными свойствами часового кварцевого резонатора является малая цена, малые габариты, кратность частоты одному герцу и относительно малая частота резонанса. Последнее свойство определяет частоту задающего генератора, и, как следствие, малое потребление тока этим генератором от источника питания.

Итак, для формирования секундных импульсов (частота 1 Гц) потребуется делитель частоты на 32768. Для формирования из секундных импульсов минутных импульсов потребуется ещё один делитель частоты. Так как в минуте содержится 60 секунд, то нам потребуется делитель на 60. Уточнённая структурная схема разрабатываемого цифрового устройства приведена на рисунке 12.1.2.

Рисунок 12.1.2. Уточнённая структурная схема устройства измерения времени

Теперь займёмся схемой счётчика временных интервалов. Он будет состоять из счетчика минут и счётчика часов. Мы знаем, что счётчик минут должен работать по основанию 60. В то же самое время мы привыкли воспринимать числа в десятичной системе счисления. Поэтому будет удобно разбить счётчик минут на два счётчика: на десятичный счётчик и счётчик, считающий до шести.

Счетчик часов можно выполнить по основанию 12 и по основанию 24. Пусть в наших часах счётчик будет работать по основанию 24. При этом для удобства отображения информации, также как и в счётчике минут, реализуем его на двух десятичных счетчиках.

Следующий блок, который обязательно должен входить в состав часов — это устройство индикации. Ведь никого не устроят часы, которые будут точно отсчитывать время, но при этом мы не сможем увидеть результат!

Выберем в качестве устройства отображения времени светодиодные семисегментные индикаторы. В этом случае мы получим устройство, способное работать при отрицательной температуре и обладающее при этом наиболее простой схемой.

Для преобразования кода, в котором работает счётчик минутных импульсов, в семисегментный код нам потребуетсядешифратор. То есть, блок индикации будет состоять из дешифраторов и собственно индикаторов. Уточнённая структурная схема часов приведена на рисунке 12.1.3.

Рисунок 12.1.3. Структурная схема часов

И, наконец, последнее замечание. Любые часы время от времени требуют коррекции своего значения с целью синхронизации своих показаний с всемирным временем. В нашей схеме это будет делать блок коррекции, который в свою очередь будет состоять из кнопок и схемы установки внутреннего состояния счётчика временных интервалов.

На этом можно завершить разработку структурной схемы. Полная структурная схема часов с учётом блока индикации и блока коррекции времени приведена на рисунке 12.1.4.

Рисунок 12.1.4. Уточнённая структурная схема часов

Теперь, после того как составлена структурная схема часов, можно приступить к разработке их принципиальной схемы.