Elektronik-Projekt: DCF-Uhr mit CPLD


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DCF-Uhr im Betrieb

3. Schaltungsbeschreibung

Die Schaltung ( dcf_uhr_cpld_schaltung.pdf (26 KB)) sieht auf dem ersten Blick vielleicht etwas umfangreich aus, ist aber eigentlich sehr einfach. Es handelt sich um einige Standardlösungen.

Der größte Bauteil ist das CPLD (IC1). Dieser benötigt neben der Versorgungsspannung (Anschlüsse VCCxx und GND) zunächst eine Reset-Beschaltung und eine Takt-Beschaltung.
Die Reset-Beschaltung besteht aus einem einfachen RC-Glied bestehend aus dem Widerstand R1 und dem Elektrolyt-Kondensator C1. Dieses RC-Glied bewirkt bei jedem Einschalten einen Reset.
Die Takt-Beschaltung ist schon etwas umfangreicher. Sie besteht aus einem speziellen Inverter (IC2), einem 32,768kHz-Quarz (X1) zwei Kondensatoren (C2 und C3) und zwei Widerständen (R2 und R3) .
Der eher unübliche Wert für den Quarz von 32,768kHz wurde deswegen gewählt, weil daraus sehr einfach ein 1-Hz-Takt erzeugt werden kann. Dieser 1-Hz wird im CPLD für die Uhr benötigt. (siehe auch Abschnitt 4.3.).
Wichtig: Für IC2 muss unbedingt der in der Stückliste angegebene Typ 74HCU04 verwendet werden.

Die Ausgabe der Uhrzeit erfolgt mit 7-Segment-Anzeigen (LD1 bis LD5). LD5 beinhaltet zwei solche 7-Segment-Anzeigen, während LD1 bis LD4 nur jeweils eine beinhalten, dafür sind diese aber etwas größer. Für jede 7-Segment-Anzeige ist jeweils ein eigener Dekoder-IC notwendig (IC3 bis IC8 vom Typ 74LS47). Diese Dekoder haben die Aufgabe die richtigen Segmente einer 7-Segment-Anzeige anzusteuern. Weiters sind für jedes Segment der 7-Segment-Anzeige Vorwiderstände notwendig (R5 bis R18 und R21 bis R48). Dabei fällt auf, dass die Vorwiderstände R35 bis R48 einen größeren Wert besitzen. Dies liegt daran, dass unterschiedliche 7-Segment-Anzeigen verwendet wurden, die unterschiedlich stark leuchten. Durch diese unterschiedlichen Widerstandswerte wird erreicht, dass trotzdem alle Anzeigen in etwa gleich hell leuchten. Die Dekoder-ICs besitzen einige Steuerleitungen, die hier zu besonderen "Effekten" führen. Mit dem Steuereingang RBI (Pin 5) wird die 7-Segment-Anzeige nur dann aktiv, wenn sie einen Wert größer als 0 anzeigen soll. Mit anderen Worten: eine 0 wird nicht angezeigt. Dies wird hier bei der Zehnerstelle der Stundenanzeige ausgenützt. Die übrigen 7-Segment-Anzeigen verwenden den Steuereingang BI/RB0 (Pin 4). Mit diesem kann die Anzeige ein- und ausgeschaltet werden. Bei diesem Projekt erzielt man damit, dass die Anzeige erst dann eingeschaltet wird, wenn ein gültiges DCF-Telegramm empfangen wurde.

Die Leuchtdioden D1 und D2 mit den Vorwiderständen R19 und R20 dienen zur Anzeige des Sekundentakts zwischen der Stunden- und Minutenanzeige. Die Leuchtdioden D3 bis D9 mit den Vorwiderständen R49 bis R55 dienen zur Anzeige von Statusinformationen. Diese sind optional und können mit den Jumpern JP1 bis JP7 ausgeschaltet werden. Die Leuchtdioden D8 und D9 haben hier noch keine Bedeutung, sie sind aber für weitere Zwecke vorhanden, da noch genügend Ein/Ausgabepins vorhanden sind. IC9 dient hier zur Isolierung, da Verbraucher (Leuchtdioden, Relais, Motoren etc.) nicht direkt an das CPLD angeschlossen werden sollen.

Der 10polige Anschluss JTAG (K1) dient zum Programmieren des CPLD.

Zur Dekodierung des DCF-Telegramms dient ein bei Conrad erhältliches DCF-Empfangsmodul (Bestell-Nr.: 641138). Dieses Modul enthält eine Empfangsantenne und einen Demodulator, so dass am Ausgang des Moduls das übertragene Zeittelegramm mit einem CPLD ausgewertet werden kann. Bild 3.2. zeigt dieses DCF-Empfangsmodul.

DCF-Empfangsmodul

Der Ausgangsstrom von nur einem Milliampere ist für die Kontroll-Leuchtdiode (D12) zuwenig. Die nachgeschaltete Transistorstufe (T1) mit den Widerständen R56 und R58 gleicht diesen Nachteil aus. Der Widerstand R57 dient als Vorwiderstand für die Leuchtdiode (D12). Diese Leuchtdiode signalisiert den empfangenen Datenstrom, wenn der Jumper JP9 gesteckt ist. Bei einem korrekten Empfang blinkt diese Leuchtdiode im Sekundentakt. Dieses Blinken zeigt sozusagen den Ausgangspegel der Anpass-Schaltung an. Das Puls-Pausen-Verhältnis (Leuchtzeit/Dunkelzeit der Leuchtdiode D12) entspricht der im Abschnitt 2 genannten Zeiten. Bei etwas Übung kann der Unterschied zwischen Low (100ms Absenkung des Trägers, LED ist 100ms dunkel) und High (200ms Absenkung des Trägers, LED ist 200ms dunkel) optisch erkannt werden.

Der Kondensator C16 dient zur Entkoppelung der Betriebsspannung für das DCF-Modul. Für diesen Koppelkondensator sollte ein Keramiktyp verwendet werden. Dieser muss möglichst nahe am DCF-Modul angebracht werden.

Für die Stromversorgung wurde ebenfalls eine Standardschaltung bestehend aus dem Festspannungsregler (IC10) vom Typ 7805 und den Kondensatoren C4 bis C7 gewählt. Da die 7-Segment-Anzeigen und das CPLD einiges an Strom benötigen, wird der Festspannungsregler schon ziemlich warm. Daher sollte dieser mit einem Kühlkörper (gemäß Stückliste) versehen werden.
Die Diode D10 dient als Verpolungsschutz und die Leuchtdiode D11 zeigt an, ob die DCF-Uhr mit Spannung versorgt ist.

Die Kondensatoren C8 bis C12 dienen zur Entkoppelung der Betriebsspannung für IC2 bis IC9. Für diese Koppelkondensatoren sollten Keramiktyp verwendet werden. Diese sollten möglichst nahe an den ICs angebracht werden.

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Autor: Buchgeher Stefan
Erstellt: 1. November 2005
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