Asynchroniczny licznik zegara (UCY 74LS90) + generator sygnału alarmu (C1, R8)

Zadanie egzaminacyjne — zegar cyfrowy z funkcją alarmu: diagnostyka asynchronicznego licznika zegara oraz dobór elementów generatora sygnału alarmu.

W holu głównym szkoły zawieszony jest zegar cyfrowy z funkcją alarmu (rysunek 1). Poprawnie działający zegar pracuje w trybie normalnym (odmierzania czasu) albo w trybie konfiguracyjnym (ustawianie wyświetlanej godziny, ustawianie godziny alarmu, aktywowanie i wyłączanie alarmu). Do obsługi zegara w trybie konfiguracyjnym służy 5 przycisków: HR, MIN, TIME, AL. SET, ON/OFF ALARM. Schemat blokowy zegara — rysunek 2.

Zegar uległ uszkodzeniu — w trybie normalnym wyświetla błędne wartości. Źródłem usterki jest układ asynchronicznego licznika zegara (schemat ideowy — rysunek 3, wykaz elementów — tabela 1).

W uszkodzonym układzie wykonano pomiary:

1. Przebiegi czasowe na wyjściach Q0, Q1, Q2, Q3 liczników U7, U9, U11, U12 oraz na wyjściach Q1, Q2, Q3 liczników U8 i U10 (po odłączeniu liczników od układu) — tabela 2.
2. Stany logiczne na wyjściach elementów U13A, U13B, U13C, U14A, U14B oraz U16A (po odłączeniu bramek od układu) — tabele 3 i 4.

Przeznaczenie bloków zegara (rysunek 2):

1. Generator — wytwarza przebieg prostokątny o stałej częstotliwości, doprowadzany do dzielnika częstotliwości.
2. Dzielnik częstotliwości — dzieli częstotliwość przebiegu wejściowego tak, aby na wyjściu uzyskać przebiegi prostokątne o częstotliwościach 1 Hz i 10 Hz.
3. Asynchroniczny licznik zegara — zlicza impulsy przebiegu z wyjścia dzielnika częstotliwości; za ustawianie wartości, od której licznik rozpocznie zliczanie, odpowiada układ sterowania ustawianiem zegara i alarmu.
4. Asynchroniczny licznik alarmu — zlicza impulsy pochodzące z układu sterowania ustawianiem zegara i alarmu (ten układ ustawia też wartość, od której licznik rozpocznie zliczanie).
5. Układ do porównywania (komparator) — porównuje zawartość licznika zegara i licznika alarmu; jeżeli jest taka sama, wysyła sygnał do układu sterowania włączania alarmu.
6. Układ sterowania wyświetlaniem — określa, czy na wyświetlaczu jest zawartość licznika zegara, czy licznika alarmu.
7. Transkodery i wyświetlacze — zamieniają kod z wyjścia układu sterowania wyświetlaniem na kod wyświetlacza 7-segmentowego; wyświetlany jest czas (aktualny lub alarmu).
8. Układ sterowania ustawianiem zegara i alarmu — generuje sygnały do ustawiania liczników oraz do sterowania układem do porównywania i układem sterowania wyświetlaniem.
9. Blok przycisków — umożliwia pracę zegara w trybie konfiguracyjnym.
10. Układ generatora sygnału alarmu — sterowany z układu sterowania wyłączaniem alarmu, wytwarza nieciągły sygnał dźwiękowy.

Opis działania układu asynchronicznego licznika zegara (rysunek 3). Układ zlicza impulsy przebiegu wzorcowego o częstotliwości 1 Hz z wyjścia dzielnika częstotliwości i realizuje zegar 24-godzinny: każdy zliczony impuls to 1 sekunda, 60 impulsów to 1 minuta, 3 600 impulsów to 1 godzina, itd., aż do 24 godzin. Składa się z trzech bloków:

1. Licznik sekund (modulo 60) — zlicza przebieg 1 Hz z dzielnika; zbudowany z licznika modulo 10 (74LS90, U7) i licznika modulo 6 (74LS92, U8).
2. Licznik minut (modulo 60) — zlicza przebieg z wyjścia licznika sekund (wyprowadzenie Q3 układu U8); zbudowany identycznie jak licznik sekund: modulo 10 — 74LS90 (U9), modulo 6 — 74LS92 (U10).
3. Licznik godzin (modulo 24) — zlicza przebieg z wyjścia licznika minut (wyprowadzenie Q3 układu U10); zbudowany z dwóch liczników 74LS90 (U11 i U12) o skróconym cyklu zliczania: wyprowadzenia Q2 układu U11 i Q1 układu U12 są połączone z wejściem bramki AND (U16A), a jej wyjście — bezpośrednio z wejściami zerującymi (MR1 i MR2) liczników U9, U10, U11 i U12 oraz pośrednio, przez bramkę U13A, z wejściami zerującymi liczników U7 i U8. Zapewnia to wyzerowanie wszystkich liczników po przepracowaniu przez licznik godzin całego cyklu.

Nastawę czasu wykonuje układ sterowania ustawianiem zegara i alarmu: na wyjściu jednej z trójwejściowych bramek AND U14A lub U14B pojawia się przebieg prostokątny 10 Hz, który jest przebiegiem wejściowym licznika minut lub licznika godzin. Bramki trójstanowe U15A i U15B blokują wejścia zliczające licznika minut lub licznika godzin, zależnie od tego, który licznik jest ustawiany (przy ustawianiu licznika minut na wyprowadzeniu Y1 jest stan wysoki i zablokowany jest licznik godzin). Każda zmiana stanu licznika minut powoduje zerowanie licznika sekund (przez bramkę OR U13A). Schematy połączeń i przebiegi czasowe liczników 74LS90 i 74LS92 w wykorzystanych konfiguracjach — tabela 7.

Opis działania układu generatora sygnału alarmu (rysunki 4 i 5). Układ generuje nieciągły sygnał dźwiękowy. Zbudowany jest na bramkach Schmitta (74LS132) z histerezą przełączeniową: przełączenie następuje przy przekroczeniu około 1,7 V przy narastaniu sygnału wejściowego i przy około 0,9 V przy opadaniu. Okres przebiegu prostokątnego na wyjściu bramki U49A zależy od R7 i C1: T = 1,2·R7·C1. Generator wyzwalany jest zewnętrznym sygnałem X, doprowadzanym do wejścia bramki NAND U49A z układu sterowania wyłączaniem sygnału alarmowego.

Opis działania układu asynchronicznego licznika alarmu (rysunek 6 — do uzupełnienia). Układ ma dwa niezależne bloki: licznik minut i licznik godzin; impulsy zliczane pochodzą z dzielnika częstotliwości (10 Hz).

1. Licznik minut (modulo 60) — licznik modulo 10: 74LS90 (U18), licznik modulo 6: 74LS92 (U19). Na wejście CLK0 licznika U18 podawany jest przebieg z wyjścia trójwejściowej bramki AND, do której wejść dołączone są: Y3 (układ sterowania ustawianiem alarmu), PD (blok przycisków) i przebieg 10 Hz z dzielnika częstotliwości.
2. Licznik godzin (modulo 24) — dwa liczniki 74LS90 (U20 i U21) o skróconym cyklu zliczania: wyprowadzenia Q2 układu U20 i Q1 układu U21 są połączone z wejściem bramki AND (U16C), a jej wyjście — z wejściami zerującymi (MR1 i MR2) liczników U20 i U21; gdy na obu wyprowadzeniach jest logiczna jedynka, liczniki U20 i U21 są zerowane. Na wejście CLK0 licznika U20 podawany jest przebieg z wyjścia trójwejściowej bramki AND (wejścia: Y4, PD i przebieg 10 Hz).

Liczniki zliczają impulsy tylko po uaktywnieniu układu sterowania ustawianiem alarmu — wtedy na wejściach Y3 lub Y4 i PD bramek trójwejściowych jest stan wysoki, a na wyjściu bramki występuje przebieg 10 Hz, zliczany przez dany układ.

Polecenia:

• Znajdź usterkę w układzie asynchronicznego licznika zegara. Do naprawy użyj jedynie elementów wymienionych w tabeli 6.
• Oblicz wartość kondensatora C1 w układzie generatora sygnału alarmu (rysunek 4), aby uzyskać czas trwania sygnału dźwiękowego około 1 s, generowanego w równych odstępach czasu przez okres T = 3 s. Okres przebiegu na wyjściu bramki U49A (rysunek 5): T = 1,2·R7·C1. Wartość C1 dobierz z szeregu E12.
• Zużyty sygnalizator piezoelektryczny wymieniono na nowy o parametrach z tabeli 5. Oblicz i dobierz z szeregu E12 nową wartość rezystora R8 — wykorzystaj dane z tabeli 5 dotyczące tranzystora T3 oraz bramki logicznej U49.
• Uzupełnij schemat ideowy układu asynchronicznego licznika alarmu (rysunek 6) o połączenia wyprowadzeń CLK1 z wyjściami układów U18, U19, U20 i U21 tak, aby konfiguracja pojemności (modulo) liczników U18–U21 była zgodna z opisem (licznik minut: U18 74LS90 modulo 10 + U19 74LS92 modulo 6; licznik godzin modulo 24: U20 i U21 74LS90). Konfiguracje liczników — tabela 7.

Ocenie podlega 6 rezultatów:

• R.1 (5 pkt) — wykaz aparatury niezbędnej do przeprowadzenia pomiarów w układzie asynchronicznego licznika zegara
• R.2 (9 pkt) — karta badania układu asynchronicznego licznika zegara
• R.3 (4 pkt) — karta naprawy układu asynchronicznego licznika zegara
• R.4 (5 pkt) — dobór kondensatora C1 w układzie generatora sygnału alarmu
• R.5 (6 pkt) — dobór rezystora R8 w układzie generatora sygnału alarmu
• R.6 (4 pkt) — schemat ideowy układu asynchronicznego licznika alarmu

Czas: 180 min · Próg zaliczenia: 75% (≈25 z 33 pkt)