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  1. #1
    Avatar von Seikovnik
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    Modular aufgebaute TTL-Quarzuhr im Eigenbau

    Eigentlich war es schon lange mein Wunsch, mir einmal eine Uhr selber zu bauen. Da ich aber aus dem Elektrohandwerk komme und nicht dem der Uhrmacherkunst blieb mir die Erfüllung dieses Wunsches bisher verwehrt.

    Bis hier im Marltplatz ein Forumsmitglied das Buch "Vom Flip-Flop zur Quarzuhr" zum Verkauf anbot. Nicht eben ein neues Buch, es wurde im Jahr 1976 gedruckt und ist deshalb wohl nicht mehr ganz aktuell. Für mich war das jedoch der Wink des Schicksals, denn ich wollte ja kein Fertigmodul, das nur noch mit der Anzeige und der Stromversorgung verlötet werden muss, ich wollte eine Quarzuhr "von Grund auf" bauen, modular, so dass ich bei jedem Schritt weiß, warum ich ihn ausführe und was er bewirkt.

    Das Problem war nur, dass es die Bauteile aus dem Jahre ’76 heute kaum noch zu kaufen gibt, so dass ich zahlreiche Änderungen an der ursprünglichen Schaltung vornehmen musste. So bezog ich die Schaltung des 1Hz-Generators aus dem Internet, und ich musste andere Bauteile durch Vergleich und Ausprobieren annähern.

    Wie funktioniert die Uhr also praktisch? Am Anfang steht der Quarz. Er wird durch geeignete Beschaltung zum Schwingen angeregt. In diesem Falle exakt 4.194.304 mal pro Sekunde. Warum so ein seltsamer Wert? Die Erklärung liegt in der nächst folgenden Einheit. Hier wird die eintreffende Frequenz durch zwei geteilt, diese dann wieder durch zwei und so weiter, zweiundzwanzig mal. Und auf diese Weise wird aus 2 hoch 22 (4.194.304) genau 1. Am Ende dieser Herunterteilerei haben wir also ein Rechtecksignal von äußerst genau 1Hz - einer Schwingung pro Sekunde. Das macht für mich der IC 4521. Er könnte sogar noch zweimal mehr teilen, aber das brauche ich hier nicht.

    Was mache ich nun mit diesem Signal? Ich führe es einem Zähler (74LS90) zu. Er zählt die Impulse und gibt die Summe als BCD-Code aus. Nach 9 springt er wieder auf 0 und gibt einen Zählimpuls an die nächste Stufe ab. Diese darf dann aber nur bis 6 zählen, dadurch wieder auf 0 springen und an die nächste Stufe einen Zählimpuls weitergeben. Ich habe also die Stufen Sekunden Einer, Sekunden Zehner, Minuten Einer, Minuten Zehner, Stunden Einer und Stunden Zehner. An jede dieser Stufen schließt sich ein Dekoderbaustein (74LS47) an, der den angelieferten BCD-Code in für 7-Segmentanzeigen verständliche Signale umsetzt.

    Schließlich haben wir noch die Steuerung von außen, mit der die Sekunden auf Null gesetzt und die Stunden separat eingestellt werden können. Als Extra habe ich schließlich noch einen "Schnell-Lauf" eingebaut, mit dem die Funktion der Uhr im "Zeitraffer" überprüft werden kann und die Minuten einigermaßen komfortabel eingestellt werden können.

    Aufgebaut habe ich das Ganze auf Lötpunkt-Lochrasterplatinen. Die ICs wurden alle gesockelt, zum einen wegen der schwer kalkulierbaren Löthitze, zum anderen wegen der einfachen Austauschbarkeit im Fehlerfalle. Die 7-Segmentanzeigen sind grüne, extra große, gut ablesbare Module mit 25mm Ziffernhöhe. Die Stromversorgung ist ein fertig aufgebauter Schaltnetzteil-Baustein, der mir unerschütterliche 5V liefert, ohne die die empfindlichen TTL-Bausteine nicht richtig funktionieren würden.


    Hier nun einige Bilder:

    dscf0924.jpg

    Hier sieht man den noch fast jungfräulichen Aufbau. Einige Drahtbrücken sowie der Oszillator sind schon montiert. Der 4521-IC ist schon gesteckt und der Generator schwingt bereits, was an einer kleinen roten LED (hier fast nicht zu sehen) sichtbar gemacht wird. Der 1Hz-Ausgang liegt bereits per blauem Draht auf der ersten Stufe. Die Widerstände in der oberen Reihe versorgen je ein Segment der 7-Segment-Anzeigen.

    dscf0928.jpg

    Hier sind auf einer weiteren Platine bereits die 7-Segment-Anzeigen eingelötet und teilweise mit Drähten versehen. Die Widerstände gehören zu den 4 grünen LEDs, die zur besseren optischen Trennung zwischen den Anzeigeblöcken sitzen.

    dscf1000.jpg

    Hier leuchtet schon der Sekunden-Einer. Ich habe immer nur ein Modul auf einmal verdrahtet und bestückt, um sofort prüfen zu können, ob es funktioniert.

    dscf1002.jpg

    So sieht es dann auf der Rückseite aus. Die erste Stufe ist fertig verdrahtet. Alle 7-Segment-Anzeigen sind angeschlossen und die Anzeige-Platine wurde provisorisch mit der Hauptplatine verbunden, wegen der besseren Handhabbarkeit. Auch am Ausgang des Oszillators hat sich etwas getan: Die Kontrollanzeige (jetzt grün) und die Verbindung zur ersten Stufe wurden mit Transistor-Treibern bestückt, weil es ohne nicht funktionierte.

    dscf1005.jpg

    Jetzt laufen auch die Sekunden-Zehner. Allerdings, wie man sieht, noch nicht wie vorgesehen: sie zählen noch bis 99. Die Kappung bei 60 wird erst durch das 74LS00 NAND-Gatter erreicht. Eine genaue Erklärung hierzu wurde den Rahmen sprengen (für Interessierte gerne per PM).

    dscf1017.jpg
    Hier nun das Endergebnis nach vielen Stunden Löten und einigen Rückschlägen.

    dscf1018.jpg

    So sieht jetzt die Hauptplatine aus. Wegen eines der oben erwähnten Rückschläge habe ich noch zusätzlich links senkrecht eine Platine mit einem 74LS00 angebracht, der so im ursprünglichen Bauplan nicht enthalten war - hätte ich mir aber wahrscheinlich doch sparen können, wenn ich nicht einen Draht falsch angelötet hätte (möglicherweise ...).

    dscf1025.jpg

    Hier sieht man nun, worin die Haupt-Arbeit liegt: Die Lötseite der Hauptplatine. Arbeiten auf engstem Raum. Dazu braucht man gutes Licht, gute Augen, gutes Werkzeug, eine ruhige Hand und höchste Konzentration (fast wie beim richtigen Uhrmacher). Der waagerechte und senkrechte Abstand zwischen den Löchern beträgt 2,54mm (1/10 Zoll).

    dscf1026.jpg

    ... geht auch schöner, aber ich bin zufrieden ... und wenn jemand am Schaltplan interessiert ist: PN genügt!

    Jetzt fehlt eigentlich nur noch ein passendes Gehäuse. Ich werde mir eines aus Holz fertigen lassen mit schwarzem Klavierlack (Profi in der Familie). Die Anzeige verschwindet dann in/hinter einer Aluplatte, davor kommt dann noch eine grün getönte Glasscheibe. Ich habe noch keine Ahnung, wie ich die grün bekommen soll - ich dachte schon mal an Folie oder Tauchlack. Hat einer von Euch vielleicht eine bessere Idee?

    Weitere Bilder folgen, wenn das Projekt abgeschlossen ist - dann vielleicht im Vorstellungsforum.

    Gruß und Glück Auf

    Seikovnik
    Geändert von Seikovnik (08.02.2011 um 00:13 Uhr) Grund: Ottografie
    Theoretisch gibt es keinen Unterschied zwischen Theorie und Praxis; praktisch schon. (Yogi Berra)

  2. #2
    Avatar von Rostfrei
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    Hallo Seikovnik,
    da muss ich vor Dir ganz tief den Hut ziehen. Da ich im Studium recht viel mit Elektrotechnik und Elektronik zu tun habe, kann ich ganz grob erahnen, was für ein derartiger Aufwand das sein muss - Klasse.
    Potential für das nächste Projekt wäre aber noch da - wie wärs mit Nixie-Röhren?

  3. #3
    Avatar von Seikovnik
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    Hallo Rostfrei,

    Danke für die Blumen

    Nixie-Röhren hatte ich auch schon mal angedacht, aber erstens muss man da mit schmerzhaften Spannungen (100V) arbeiten, zwotens gefallen mir die Dinger nicht besonders gut, und drittens gibts die nur noch NOS und zu mittlerweile recht ambitionierten Preisen. In dem oben erwähnten Buch ist sogar eine Schaltung mit Nixie-Röhren drin.

    Gruß

    Seikovnik
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  4. #4
    Avatar von Mavica
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    RESPEKT !!!!!!!!

    Da sich bei mir selbst die handhabe des Lötkolbens auf das Austauschen defekter Teile, oder den Aufbau fertiger Bausätze beschränkt, ziehe ich mal ganz heftig meinen Hut vor Dir.

    Außerdem ist es Dir wunderbar gelungen die Funktionsweise dieser Uhr auch für uns Mechanik-Süchtige schlüssig und verständlich zu erklären.
    Vielen Dank!
    CIAO, Mavica


    Zeit ist zu kostbar, um sie mit nur einer Uhr zu messen!
    # 111

    RUHLA-O.C.

  5. #5
    Avatar von Seikovnik
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    Danke Dir, Mavica

    Im Prinzip funktioniert ja so eine Quarzuhr genau wie eine mechanische, indem aus einer hohen Frequenz (Unruh/Quarz) eine kleine (1Hz) gemacht wird. Beim einen kommen Messing und Stahl zum Einsatz, beim anderen Blei und Zinn, so weit liegt das gar nicht auseinander, und in beiden Fällen kommt ein Zeitmesser dabei heraus

    Gruß ausm Pott

    Seikovnik
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  6. #6
    Avatar von Pafnuti
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    OK,
    ohne hier irgendwie die Leistung und den immensen Aufwand von Seikovnik schmälern zu wollen.
    Wenn man aus der Elektronik kommt, gestaltet sich die Geschichte eigentlich mit Zähler- und und Anzeigebausteinen für eine Uhr recht einfach.

    Bei der Umsetzung (vielleicht war Hardware oder eine Idee schon vorhanden) könnte die Lösung sicher mit einem programmierbaren kleinen Risc-Processor deutlich einfacher ausfallen.

    aber nochmal: nichts gegen die gute Umsetzung.

    Grüsse

  7. #7
    Avatar von Seikovnik
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    Sicher hätte ich das auch mit einem programmierbaren RISC-Prozessor realisieren können. Ich hätte ja auch gleich einen "Fertigchip" (ICM 7045) nehmen können, bei dem ist alles in einem Gehäuse - Generator, Zähler, Codierer, Multiplexer, sogar für Zehntel und Hundertstel Sekunden - nur noch Peripherie anlöten und fertig.

    Aber wie schon oben verdeutlicht, wollte ich die Elektronik modular aufbauen, so dass jeder einzelne Schritt separat dargestellt wird. Es ging mir weniger darum "schnell fertig" zu werden, sondern darum, mir die dahinter steckende Technik zu erarbeiten und zu verdeutlichen - eine elektronische Uhr hatte ich bis dato noch nie gebaut.

    Selbstverständlich könnte man jetzt einwenden, dass ich das Ganze ja gleich diskret hätte aufbauen können, also aus den Grundkomponenten Kondensator, Widerstand, Diode und Transistor. Das wäre mir dann allerdings zu viel Frickelei, und die Hauptplatine wäre etwa viermal so groß geworden. Also habe ich auf "Halbfertigprodukte" zurückgegriffen - fertig aufgebaute Schaltungen (ICs), die nachgewiesenermaßen funktionieren und recht einfach zu verdrahten sind, dabei aber jeweils eine logische Einheit darstellen (deshalb heißen sie ja auch Logik-Bausteine).

    Wie gesagt, dies ist nur eine von vielen Möglichkeit, wie man dieses Projekt gestalten kann. Jeder hier ist eingeladen, es besser - oder anders - zu machen.

    Gruß

    Seikovnik
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  8. #8
    Avatar von CastAway
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    Danke für deinen interessanten Bericht.
    Erstaunlich was für Einblicke man hier im Uhrforum immer wieder bekommt.

  9. #9
    Avatar von Aeternitas
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    ...es gibt so viel im Leben, dass man selbstverständlich nutzt, was aber letzten Endes eine Black Box für einen darstellt. Danke für die Reise...die Box ist aber immer noch recht dunkel für mich. Manchmal wünscht man sich ein Jahr Zeit, einen abschließbaren Werkraum und los geht es...

    Es wird aber dabei bleiben...ich weiß, dass ich nichts weiß!

    Wirf das Ganz noch schön in Schale...ich könnte mir sogar vorstellen das Ganze Unterputz im Wohnzimmer zu installieren, das wäre angemessen.
    ...mein Senf ist besonders lecker und bekömmlich!...


  10. #10
    Avatar von Seikovnik
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    @CygnusX1: Danke dir

    @Aeternitas: Unterputz wäre ja mal ne geile Idee
    Dafür werde ich aber in der Regierung keine Mehrheit finden, fürchte ich. Bilder folgen natürlich, wenn alles fertig ist.


    Für alle die's interessiert hier mal der Schaltplan:

    uhr.jpg

    ... sag noch einer, mit PAINT könnte man nicht arbeiten

    Gruß

    Seikovnik
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  11. #11
    Avatar von Seikovnik
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    ... und weiter geht’s. Der Schreiner meines Vertrauens hat das Gehäuse fertig:

    dscf1031.jpg

    Teilweise nach meinen, überwiegend aber nach seinen Vorstellungen: Geleimtes Ahornholz mit einem Streifen Zebrano, um der Sache einen optischen Kick zu geben. Die Nuten vorn sind für die Scheibe und den Display-Träger. Den wollte ich eigentlich aus einer matt eloxierten Alu-Platte fertigen; das Material war aber in der von mir gewünschten Stärke im Baumarkt nicht zu bekommen. Dafür aber dies hier: Sogenanntes Warzenblech aus glänzendem Aluminium, ca. 2mm stark. Zugeschnitten, ausgesägt, bisschen gefeilt und dann sieht’s so aus:

    dscf1037.jpg

    Die Hauptplatine wollte ich eigentlich vom Display trennen und gesondert auf dem Boden montieren. War aber gar nicht nötig; in meinem Fundus fand ich noch ein Paar Gummifüße, die das Mainboard jetzt stützen. Das Display ist bündig in den Alurahmen eingeklebt - Heißkleber taugt für fast alles

    dscf1040.jpg


    Das Netzteil kommt kopfüber ans Dach. Dazwischen ein Stück Dröhnschutz-Matte. Mit Forstner-Bohrern wurden die Löcher von außen nach innen für die Taster/Schalter gebohrt:

    dscf1048.jpg

    Da das Holz etwas zu dick ist, mussten die Bedienelemente auch mit Heißkleber fixiert werden - macht nichts, sie werden nur auf Druck belastet:

    dscf1051.jpg

    So sieht es dann von außen aus (die Fäden vom Heißkleber hat man wirklich ÜBERALL) :

    dscf1052.jpg

    Noch schnell die Zuleitung anschließen und zugentlasten:

    dscf1055.jpg

    Dann folgt die Hochzeit: Der Displayrahmen samt anhängender Elektronik kommt an seinen vorgesehenen Platz:

    dscf1057.jpg

    Noch das leicht grüne Plexiglas davor und den Boden drangeschraubt (die Füßchen werden noch gegen schönere ausgetauscht):

    dscf1060.jpg

    ... und fertig ist das gute Stück - die Lochrasterplatte in den Zwischenräumen sieht man nur wenn’s blitzt

    dscf1061.jpg

    Mir hat das ganze Projekt sehr viel Spaß gemacht. Bei der Ausführung hätte man sicher das eine oder andere schöner oder anders gestalten können, aber ich bin sehr zufrieden mit dem Ergebnis

    Grüße ausm Pott

    Seikovnik
    Geändert von Seikovnik (22.02.2011 um 10:02 Uhr)
    Theoretisch gibt es keinen Unterschied zwischen Theorie und Praxis; praktisch schon. (Yogi Berra)

  12. #12
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    Gratulation!

    In einer Zeit in der nichts mehr repariert wird, alles immer neu aussehen muß, finden wir hier ein Mitglied mit Lust, Zeit, Phantasie und ...

    Da meine Elektrokenntnis gleich null sind verstehe ich nur einen geringen Teil, trotz der angenehmen Erklärungen.

    Eine Frage:
    Wie genau läuft die "Digitale"?

    Danke und
    in der Hoffnung weiterhin so schöne Artikel - hier - lesen zu dürfen,
    derschneider

  13. #13
    Avatar von Seikovnik
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    Danke

    Tja die Genauigkeit ...

    Da die Schaltung nicht temperaturkompensiert ist und auch
    der Quarz wohl dem Low-Cost-Sektor entstammt, habe ich
    leider noch keine besseren Werte als -1s/d hinbekommen.
    Stört mich jetzt aber auch nicht soo übermäßig; muss ich
    eben 1x pro Woche vorstellen (im Moment natürlich noch
    täglich )

    Glück Auf

    Seikovnik
    Geändert von Seikovnik (23.02.2011 um 00:37 Uhr)
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  14. #14
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    Eine klitzekleine Sekunde pro Tag!
    Das ist doch kaum sichtbar.
    Da sind meine Mechanischen Lichtjahre entfernt.
    Schöne Arbeit.

    Gratulation.
    Ist sie geräuschlos?

    Liebe Grüße
    thomas

  15. #15
    Avatar von Seikovnik
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    Ja gut, eine Sekunde. Aber wenn die Sekunden schon so groß dargestellt werden, dann vermittelt
    das schon irgendwie eine gewisse Präzision, die dann aber leider nicht geboten wird. Ich habe schon
    versucht, alle möglichen Teile zu wechseln oder veränderlich zu machen (Trimmkondensator) - aber
    nix zu machen, die Technik gibt's einfach nicht her. Egal, ich habe mich damit abgefunden.

    Geräusche macht sie mangels mechanischer Bauteile natürlich nicht

    Gruß

    Seikovnik
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  16. #16
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    Ist eine Syncronisation mit dem Funksignal möglich?

  17. #17
    Avatar von Seikovnik
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    Hatte ich auch schon überlegt. Ist mir aber letztenendes
    zu kompliziert in der Ausführung. Ich lasse sie so wie sie
    ist.

    Gruß

    Seikovnik
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  18. #18
    Avatar von Nifty
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    Zitat Zitat von Seikovnik Beitrag anzeigen
    Danke
    Tja die Genauigkeit ...
    Hallo Seikovnik, schöne Schaltung.

    Die Genauigkeit ist eigentlich nur von dem Quarz und dem Kondensator abhängig. Es gibt für diesen Zweck extra Uhrenquarze, bzw (besser) Uhroszillatoren , die schwingen mit 32,768 kHz.
    Ein bisschen was zum nachlesen: Warum Uhrenquarz 32,768 kHz? - Mikrocontroller.net

    Sowohl normale Quarze wie auch normale Kondensatoren haben eine abartig hohe Toleranz, die einem sonst mehr oder weniger stark in die Suppe spuckt.

    Gruß
    Tilo

  19. #19
    Avatar von Seikovnik
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    Hallo Nifty,

    Das mit der Toleranz war mir schon klar, deshalb habe ich ja auch einen 4.194.304Hz-Quarz genommen statt eines 32.768-Hertzers. Die plus/minus eine Sekunde pro Tag bringt mich nicht um.

    Oder was sagt ein pubertierender Teenager in diesem Fall: MIR DOCH EGAL, ICH LASS DAS JETZT SO!!!

    Gruß

    Seikovnik
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  20. #20
    Avatar von CastAway
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    Zitat Zitat von Seikovnik Beitrag anzeigen
    Mir hat das ganze Projekt sehr viel Spaß gemacht. Bei der Ausführung hätte man sicher das eine oder andere schöner oder anders gestalten können, aber ich bin sehr zufrieden mit dem Ergebnis

    Grüße ausm Pott

    Seikovnik
    Ich finde da hast du auch allen Grund zu.

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