Особенности: —

 Схема:

         В данной статье речь пойдет об изготовлении оригинальных и необычных часов. Их необыкновенность заключается в том, что индикация времени осуществляется при помощи цифровых индикаторных ламп. Таких ламп когда-то было выпущено огромное количество, как у нас, так и за рубежом. Использовались они во многих устройствах начиная от часов и заканчивая измерительной техникой. Но после появления светодиодных индикаторов лампы постепенно вышли из употребления. И вот, благодаря развитию микропроцессорной техники стало возможным создание часов с относительно простой схемой на цифровых индикаторных лампах.

 Итак, на счет конструктивных особенностей вроде все понятно, теперь приступим к проектированию схемы наших часов. Начнем с проектирования высоковольтного источника напряжения. Тут есть два пути. Первый – применить трансформатор со вторичной обмоткой на 110-120 В. Но такой трансформатор будет либо слишком громоздкий, либо его придется мотать самому, перспектива так себе. Да и напряжение регулировать проблематично. Второй путь – собрать step up преобразователь. Ну тут уж плюсов побольше будет, во-первых он займет мало места, во-вторых в нем присутствует защита от КЗ и в-третьих можно легко регулировать напряжение на выходе. В общем, есть все, что для счастья надо. Я выбрал второй путь, т.к. искать трансформатор и обмоточный провод никакого желания не было, да и миниатюрности хотелось. Преобразователь решено было собирать на MC34063, т.к. был опыт работы с ней. Получилась вот такая схема:

          Следующим этапом разработки было проектирование схемы включения ламп. В принципе управление лампами ничем не отличается от управления семисегментными индикаторами за исключением высокого напряжения. Т.е. достаточно подать положительное напряжение на анод, и соединить с минусом питания соответствующий катод. На этом этапе требуется решить две задачи: согласование уровней МК (5В) и ламп (170В), и переключение катодов ламп (именно они являются цифрами). После некоторого времени размышлений и экспериментов была создана вот такая схема(

А управление катодами осуществляется очень легко, для этого придумали специальную микросхему К155ИД1. Правда, они давно сняты с производства (на самом деле ее до сих пор можно заказать на заводе в Белоруссии, крупной партией), как и лампы (на забугорных аукционах уже появились самодельные лампы), но купить их не составляет проблем. Т.е. для управления катодами требуется всего лишь подключить их к соответствующим выводам микросхемы и подать на вход данные в двоичном формате.

Под каждой лампой я установил яркий светодиод красного цвета свечения, так красивее.
          Самое сложное позади, осталось разработать схему “мозга” часов. Для этого я выбрал микроконтроллер Mega8. Ну а дальше все совсем легко, просто берем и подключаем к нему все так, как нам удобно. В итоге в схеме часов появились 3 кнопки для управления, микросхема часов реального времени DS1307, цифровой термометр DS18B20, и пара транзисторов для управления подсветкой. Для удобства анодные ключи подключаем на один порт, в данном случае это порт С. В собранном виде это выглядит вот так:

На плате есть небольшая ошибка, но в приложенных файлах плат она исправлена. Проводами подпаян разъем для прошивки МК, после прошивки устройства его следует отпаять.

А вот так все это выглядит целиком в собранном виде:

Теперь осталось всего лишь написать прошивку для микроконтроллера, что и было сделано. Функционал получился следующий:
Отображение времени, даты и температуры. При кратковременном нажатии кнопки MENU происходит смена режима отображения.

При кратковременном нажатии на кнопку DOWN включается температура на 2 сек.

 К проекту прилагаются исходники прошивки. Код содержит комментарии так что изменить функционал будет не трудно. Программа написана в Eclipse, но код без каких-либо изменений компилируется в AVR Studio. МК работает от внутреннего генератора на частоте 8МГц. Фьюзы выставляются вот так:

А в шестнадцатеричном виде вот так:

,

Также прилагаются платы с исправленными ошибками.
Данные часы работают в течение месяца. Никаких проблем в работе выявлено не было. Стабилизатор LM7805 и транзистор преобразователя едва теплые. Трансформатор нагревается градусов до 40, поэтому если планируется установка часов в корпус без вентиляционных отверстий, трансформатор придется взять большей мощности.

Фото часов повторенных Appll:

 Фото следующей модификации часов:

Плата

Исходник прошивка 

Проект протеус для этих часов.

Модификации часов под разные лампы:

Для 4 ламп, вроде с глюком, — пропущу.

Плата под ИН-12

Плата и подписанными элементами под ИН-12

Прошивка исходник под ИН-12

Ссылка первоисточник: тыц

Ссылка на сайт Паяльник. (условия распространения материала)

Желающие что то добавить\изменить пишут мне в мыло.

Пробная прошивка.

Часы на газоразрядных индикаторах #1 (ИН-12)

Что такое тактовые сигналы в цифровых схемах и как они генерируются? | Блог о симметрии

О Тайлер Войцехович

Тайлер Войцехович (Tyler Wojciechowicz) — инженер по приложениям в Symmetry Electronics. Он имеет степень бакалавра электротехники в Инженерной школе Милуоки и восьмилетний практический опыт работы инженером-электриком. Он специализируется на приложениях IoT, микроконтроллерах, встроенном программировании, синхронизации, датчиках и управлении питанием. На своей нынешней должности он тесно сотрудничает с отделами продаж на местах, чтобы дать рекомендации по оптимальной замене деталей, предложениям продуктов и инструментам продаж. Он имеет большой опыт в разработке руководств по эксплуатации, эталонных проектов, учебных пособий, матриц сравнения продуктов и маркетинговых кампаний для авторитетных поставщиков на различных рынках.

Компоненты синхронизации являются одними из самых распространенных компонентов в электронике. Они необходимы почти в каждой сложной конструкции, и вся наша электроника не будет работать без них. Ранее мы обсуждали, как спроектировать дерево часов, но понимание того, как работают часы, имеет решающее значение для понимания того, как работает ваш дизайн. В конце концов, это не волшебство, и когда дело доходит до этого, это на самом деле довольно просто.

В этой статье я объясню, какие существуют виды компонентов синхронизации и почему часы так важны в цифровых электрических схемах. Продолжайте читать, чтобы узнать, почему часы необходимы в цифровых схемах.

Мы можем определить тактовый сигнал как особый тип сигнала, который колеблется между высоким и низким состоянием. Сигнал действует как метроном, которому цифровая схема следует во времени, чтобы координировать свою последовательность действий. Цифровые схемы полагаются на тактовые сигналы, чтобы знать, когда и как выполнять запрограммированные функции.

Если часы в дизайне подобны сердцу животного, то сигналы часов — это биения сердца, которые поддерживают движение системы.

Существуют различные способы получения тактового сигнала, но все они начинаются с кварцевого резонатора . Кристаллический резонатор обычно называют кристаллом . Для работы кристаллы объединяются со схемой усилителя для подачи напряжения на электрод рядом с кристаллом или на него.

Кристалл кварца представляет собой крошечную прорезь кварца, каждая из двух поверхностей которой металлизирована и соединена электрическим соединением. Важно, чтобы физический размер и форма кристалла кварца были точно вырезаны, потому что это определяет частоту колебаний, производимых кристаллом. После того, как кристалл вырезан и сформирован, его нельзя использовать ни на какой другой частоте. Кристаллы кварца используются чаще, поскольку частота, генерируемая кристаллами кварца, более устойчива к изменениям температуры. Если бы вместо этого использовался внутренний RC-резонатор, изменения температуры повлияли бы на поведение генератора, что привело бы к изменениям выходной частоты.

Кварцевые резонаторы имеют синусоидальный выходной сигнал и обычно используются, если целевая ИС имеет встроенный генератор и встроенные контуры фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) для внутренней синхронизации. Когда кварцевый генератор и колебательный контур объединены в одном корпусе, его обычно называют кварцевым генератором . Этот кварцевый пьезоэлектрический генератор выдает полезный колебательный сигнал, чаще всего прямоугольную волну с коэффициентом заполнения 50%. Обычно этот тактовый сигнал фиксируется на постоянной частоте, и синхронизация может активироваться либо по переднему, либо по заднему фронту каждого тактового цикла.

Тактовый генератор сочетает в себе генератор с одним или несколькими PLL, выходными делителями и выходными буферами. Генераторы тактовых импульсов и буферы тактовых импульсов полезны, когда требуется несколько частот, а все целевые ИС находятся на одной плате или в одной ПЛИС. В некоторых приложениях FPGA/ASIC имеют несколько временных областей для пути данных, уровня управления и интерфейса контроллера памяти, и, как следствие, требуют нескольких уникальных эталонных частот. В большинстве случаев осциллятор является внешним по отношению к тактовому генератору, хотя становится все более распространенным, когда генераторы объединяются в один корпус с тактовым генератором, чтобы объединить стоимость материалов и сложность, наряду с другими преимуществами. Существует множество различных типов генераторов тактовых импульсов, и каждый из них оптимизирован для различных показателей производительности и стоимости в зависимости от приложения.

Для систем и их комбинаций различных подсистем может потребоваться автономная или синхронная временная архитектура.

Если система работает в автономном режиме , можно использовать независимые часы без каких-либо специальных требований по фазовой синхронизации или синхронизации. Примеры включают стандартные процессоры, контроллеры памяти, SoC и периферийные компоненты (например, USB, коммутаторы PCI Express).

Примером сложной ИС, с которой все знакомы, может быть микроконтроллер. Микроконтроллеры полагаются на часы от кварцевого генератора, за исключением случаев, когда они используются в асинхронных схемах, например, в случае асинхронных процессоров. Наиболее распространенные микроконтроллеры содержат внутренний RC-генератор, который достаточно хорош для таких вещей, как связь через UART, хотя внешние кварцевые генераторы необходимы для других типов связи, таких как USB или Ethernet.

И наоборот, синхронные системы синхронизации требуют непрерывной связи и синхронизации на уровне сети во всех связанных системах. В этих приложениях часы на основе PLL с низкой пропускной способностью обеспечивают фильтрацию джиттера, чтобы гарантировать сохранение синхронизации на уровне сети. Например, синхронизация всех эталонных часов SerDes (сериализация-десериализация) с высокоточными сетевыми эталонными часами (например, Stratum 3 или GPS) гарантирует синхронизацию на всех узлах системы.

Примеры деревьев синхронных часов включают оптическую транспортную сеть (OTN), SONET/SDH, мобильную транспортную сеть, синхронный Ethernet и передачу видео HD SDI. Однако существуют различные приложения, требующие точной частоты или времени помимо связи. Некоторые приложения требуют длительной синхронизации между двумя подсистемами, не связанными друг с другом. Если бы осциллятор, используемый в качестве основы для часов реального времени, отклонялся всего на 0,1%, через неделю часы отставали бы почти на 10 минут. Также может потребоваться долгосрочная точность без необходимости знать реальное время.

Например, предположим, что вы хотите, чтобы несколько модулей Bluetooth просыпались один раз в час для обмена данными в течение нескольких секунд, а затем снова переходили в спящий режим, чтобы сохранить заряд батареи. Стандартный осциллятор на 20 ppm будет отключаться всего на доли секунды в час, тогда как резонатор с 1% RC может отключаться на полминуты. Если используется резонатор RC, модули Bluetooth должны оставаться включенными в течение более длительных периодов времени, чтобы общаться друг с другом, что приводит к трате энергии батареи.

Внутренние генераторы обычно используются для обеспечения синхронизации микроконтроллеров, не требующих точной синхронизации. Внутренние генераторы достаточно хороши для низкоскоростной связи UART, хотя внешние кристаллы и генераторы необходимы для протоколов связи, таких как CAN, USB или Ethernet, которые предъявляют более строгие требования к точности синхронизации.

Использование внешнего генератора позволяет использовать более широкий диапазон частот, где внутренний генератор (генераторы) обычно имеет одну частоту с несколькими вариантами тактового предделителя. В электронике время — это свойство, которое можно точно и недорого измерить, поэтому часто проблема сводится к измерению времени или созданию импульсов с точной синхронизацией.

Некоторые преимущества внешних часов и генераторов включают:

• Точность — внутренние часы не точны и могут зависеть от шума -температурные приложения или где температура сильно варьируется. При изменении температуры частота колебаний может оставаться относительно неизменной.
• Скорость — внутренние генераторы могут не достигать максимальной скорости ИС, в этом случае требуется внешний генератор
• Напряжение. Скорость внутреннего генератора может зависеть от напряжения, при котором он работает. Если осциллятор управляет оборудованием, которое может генерировать радиочастотные помехи, добавление переменного напряжения на его управляющий вход может рассредоточить спектр помех, приблизив его к идеальному. В этом примере только внешний генератор с регулятором напряжения может обеспечить эту возможность.
• Требуется несколько тактовых импульсов — если многие подсистемы должны работать синхронно и связаны друг с другом, можно использовать один внешний тактовый генератор для замены свободного генератора каждой подсистемы. — работающий синхронизирующий компонент

Silicon Labs является предпочтительным поставщиком высококачественных компонентов синхронизации.

Silicon Labs предлагает различные генераторы, генераторы тактовых импульсов, аттенюаторы джиттера и буферы тактовых импульсов для различных нужд проектирования.

Зачем использовать часы Silicon Labs?

• Гарантированная сквозная характеристика джиттера
• Простое взаимодействие
• Упрощенная закупка доступны

Используете ПЛИС?

Silicon Labs предоставляет эталонные проекты для Broadcom, Cavium, Intel/Altera, NXP/Freescale, Xilinx, Marvell и Lattice.

В интернет-магазине Symmetry вы можете найти широкий спектр решений для синхронизации, отвечающих вашим потребностям. Symmetry Electronics является авторизованным дистрибьютором Silicon Labs.

Читать другие похожие сообщения от Symmetry Electronics:

О Тайлер Войцехович

Тайлер Войцехович (Tyler Wojciechowicz) — инженер по приложениям в Symmetry Electronics. Он имеет степень бакалавра электротехники в Инженерной школе Милуоки и восьмилетний практический опыт работы инженером-электриком. Он специализируется на приложениях IoT, микроконтроллерах, встроенном программировании, синхронизации, датчиках и управлении питанием. На своей нынешней должности он тесно сотрудничает с отделами продаж на местах, чтобы дать рекомендации по оптимальной замене деталей, предложениям продуктов и инструментам продаж. Он имеет большой опыт в разработке руководств по эксплуатации, эталонных проектов, учебных пособий, матриц сравнения продуктов и маркетинговых кампаний для авторитетных поставщиков на различных рынках.

Аппаратное обеспечение — часы и восстановление данных

Восстановление часов и данных — важная функция физического уровня современных аппаратных коммутаторов и маршрутизаторов. Возможно, вам не по душе копаться в электронных компонентах маршрутизатора, но восстановление тактовой частоты является фундаментальным строительным блоком для других функций сетевого оборудования. Например, для эффективного преобразования последовательных данных в параллельные требуются надежные часы и восстановление данных (CDR). Трудно понять последовательное преобразование в параллельное или преобразование сигнала, не изучив предварительно CDR.

С точки зрения MAC-уровня передатчика скорость передачи 10GBase-R составляет 10 Гбит/с. (10Gbase-R здесь относится к SR, LRM, LR, ER и т. д.) Однако на физической линии скорость передачи составляет 10,3125 Гбит/с. Канал 10Gbase-R использует кодирование 64b/66b, которое делит данные уровня 2, полученные от уровня MAC, на 64-битные блоки и вставляет дополнительные 2 бита заголовка перед каждым блоком. Эти накладные расходы не расходуют доступную полосу пропускания. Вместо этого передатчик использует «разгон» и передает закодированный битовый поток, используя тактовую частоту 10,3125 кГц. Эти дополнительные биты удаляются принимающими цепями физического уровня, поэтому линейное кодирование и разгон не видны на уровне MAC. Кроличья нора в кодировке 64b/66b гораздо глубже, но пока хорошо знать, что существует кодировка 64b/66b.
В цифровом приемнике 10GBase-R полученный сигнал интерпретируется путем выборки формы сигнала прямо в середине ожидаемого битового периода. Чтобы выровнять эту выборку и правильно декодировать полученный сигнал как единицу или ноль, вам необходимо иметь тактовый сигнал приема, который работает на той же частоте и фазе, что и тактовый генератор передатчика. К сожалению, вы не можете просто установить тот же генератор 10,3125 кГц в ресивер и покончить с этим. Нет… это было бы слишком просто….

Загвоздка в том, что ни один генератор не совершенен. Стандарт 802.3 10G обеспечивает точность часов в пределах +/- 0,01 процента. Поэтому вполне вероятно, что часы передачи и приема будут рассинхронизированы. Это называется тактовым или частотным дрейфом. Несовпадение тактовых импульсов приведет к потере битов из-за проскальзывания или ложной интерпретации битов, когда приемник производит выборку в неправильной точке формы сигнала, путая «единицу» с «нулем» или наоборот.
На приведенной ниже диаграмме показано, что тактовый сигнал Rx (красный) работает быстрее, чем тактовый сигнал Tx и сигнал данных. Хотя фазы первых переходов 0-1 совпадают по фазе между двумя сигналами, в течение нескольких тактов они полностью противофазны. Да, это преувеличение, но это реальная проблема.

Даже если часы Tx и Rx работают на одной и той же частоте, их все равно необходимо выровнять, чтобы их фазы совпадали. Вы можете увидеть диаграмму ниже, показывающую, что часы работают на одной частоте, но не совпадают по фазе друг с другом, что снова приводит к неправильной выборке принятого сигнала.

«У него….. захват нас! – Он увлекает меня. Проклятье. Мустанг, это пугало вокруг меня»

Вместо того, чтобы пытаться угадать точную частоту и фазу передатчика, почему бы не определить их по входящему сигналу? Это восстановление часов и данных (CDR). Функция CDR, встроенная в приемник, имеет собственный генератор и использует умный компонент, называемый контуром фазовой автоподстройки частоты (PLL), для калибровки генератора и его согласования с фазой и частотой входящего сигнала. В PLL есть «фазовый компаратор», который сравнивает фазу принимаемого сигнала с фазой гетеродина. Разница между двумя сигналами создает выходной сигнал, который приводит в действие генератор, управляемый напряжением (VCO). Этот вход управления VCO модифицирует генератор, чтобы он лучше соответствовал входящему сигналу, и подает локальный сигнал обратно в фазовый компаратор, чтобы снова начать процесс.
Я знаю, я теряю тебя, но мы закончили с сумасшедшей электроникой. Цепь обратной связи в конечном итоге синхронизирует гетеродин с фазой и частотой входящего сигнала. Вот и все. Как только ваши часы PLL «заблокированы», приемник может правильно рассчитать время выборки для восстановления переданных данных. Тем не менее, часы передатчика могут изменять свою частоту в зависимости от времени и температуры, поэтому PLL должен поддерживать эту синхронизацию, постоянно контролируя принимаемый сигнал.

Я замахнулся на важный элемент восстановления часов и данных — переходы между уровнями. Переход уровня — это изменение от единичного значения к нулевому значению и от нуля к единице. В приведенных выше примерах поток битов представлял собой идеалистическую прямоугольную волну 1-0-1-0-1-0. В реальном мире, если в принятом потоке данных нет переходов уровней (например, поток всех единиц или всех нулей), тогда PLL теряет способность определять тактовую частоту передатчика. Это называется «потеря блокировки». «Длина цикла» PLL — это мера того, как долго он может выдерживать отсутствие переходов, прежде чем потеряет синхронизацию.
Передаваемый сигнал необходимо каким-то образом изменить, чтобы помочь приемнику восстановить и сохранить синхронизацию часов. В 10Base-T Ethernet использовалось манчестерское кодирование, которое гарантировало переход уровня в течение каждого битового времени. К сожалению, он сделал это, удвоив тактовую частоту линии, используя два тактовых импульса для каждого передаваемого бита данных. Это 100% накладные расходы на линейное кодирование.
В 10GBase-R эта проблема решается линейным кодированием 64b/66b. Два служебных бита (или преамбулы) могут иметь только значения 0-1 или 1-0. Преамбула 0-1 означает, что следующий 64-битный блок содержит чистые данные, а преамбула 1-0 означает, что блок содержит некоторую управляющую информацию. Мы рассмотрим сигнализацию позже, но учтите, что шаблоны преамбулы 0-1 и 1-0 «гарантируют» переход уровня через каждые 64 бита. Таким образом, мы можем сказать, что 10GBase-R имеет максимальную 64-битную «длину выполнения». Накладные расходы на линейное кодирование составляют 3,125%, что более приемлемо, чем накладные расходы на манчестерское кодирование.
Кроме того, 64-битный блок «зашифрован» для обеспечения дальнейших переходов между уровнями. Это делается не только для восстановления тактовой частоты и делает очень вероятным то, что у вас будут переходы уровней в вашем потоке данных, поэтому хорошо иметь принудительные переходы из 2-битных преамбул.

Когда полученный последовательный битовый поток 10GBase-R должен быть передан на уровень MAC, он должен быть преобразован для передачи на уровень MAC с использованием 32-битного параллельного интерфейса интерфейса XGMII. Преобразователь Serial-in/Parallel-out (SIPO) должен выполнять здесь CDR. Восстановленные биты данных синхронизируются в 32-битном регистре с линейной скоростью. Восстановленные часы делятся на 32 и используются для синхронизации 32-битных слов на шине с уменьшенной скоростью передачи данных.
Иногда требуется выполнить CDR, даже если вы планируете повторно передать полученные последовательные данные как другой поток последовательных данных. Это форма переобучения, известная как повторное определение времени. Сигналы, передаваемые в канале, будут ослабляться (уменьшаться в размере) и искажаться (изменяться в форме) по мере их распространения, и, как обсуждалось в предыдущем посте, печатная плата представляет собой враждебную среду. Восстанавливая часы и данные, а затем регенерируя импульсы, вы можете продлить срок службы сигнала.