デジタル時計 回路説明
 クロック入力回路 時計のクロックは超高精度の10MHzを使います。 CPLDのXC9536で1/200000の５０Ｈｚに変換しています。 １Ｈｚに変換しなかったのは時刻設定の精度を上げるためです。 １Ｈｚを入力にすると時刻の設定が秒単位になるので、秒の設定が正確にできません。５０Ｈｚの場合、２０ﾐﾘ秒の精度で合わせられるので実用上の問題はありません。 ５０ＨｚのクロックはＰＩＣのＲＢ０ポートに接続しています。ＲＢ０ポートは入力信号の変化で割り込み動作をさせることができます。今回は入力信号の立ち上がりの変化を検出して割り込みを発生するようにしています。この割り込みを５０回カウントして１秒とします。 この周波数変換には「周波数分割器」で紹介しているように74HC390を３個使用して作ることもできます。 デジタル表示回路 右の図は午後１０時３２分５４秒を表示している状態を５００ﾐﾘ秒ごとに切り替えて表示しています。実際の回路では１ﾐﾘ秒ごとに切り替えて表示するので全桁を同時に表示しているように見えます。 ＬＥＤの明るさは連続点灯に比べると１／６になります。 表示桁の指定はＰＩＣのＲＡ０、ＲＡ１、ＲＡ２ポートに出力するバイナリ信号で行います。この信号をCPLD内の3-8デコーダで分解しています。 デコーダの出力は８種類ありますが、そのうちの６種類を使っています。 デコーダの出力がＬレベルのトランジスタだけがＯＮ状態になり、そのトランジスタに接続されているＬＥＤが点灯可能な状態になります。 １０時間の表示は"１"の表示しか行いません。ですから、１０時間の桁ではＡＭ／ＰＭの表示も行っています。3-8デコーダは７４ＨＣ１３８を使用してもＯＫです。 ＰＩＣのＲＣ０からＲＣ６の７ポートを使用して各桁の点灯セグメントの制御を行っています。これらのポートの出力は全ＬＥＤに共通ですが、ＲＡ０−２で指定された桁のＬＥＤのみが点灯制御されます。ＲＣポートがＬレベルの時にＬＥＤが点灯します。 ＬＥＤの種類のより明るさが多少違います。極端に違う場合にはＲＣポートに接続している抵抗器を分ける必要があります。今回の場合にはほぼ同じ明るさになったので共通にしています。 表示ＬＥＤの電源を５Ｖにしているのは、PICのピンにかけられる最大電圧が５Ｖのためです。 ＰＩＣ発振回路 ＰＩＣの動作クロック発振には４ＭＨｚのレゾネータを使っています。 このクロックの精度は時計の精度には影響しません。時計の精度はＲＢ０に入力されるクロックにより決まります。 ＰＩＣ自体は高速で動作する必要はないので、４ＭＨｚを使いました。 時刻設定回路 ０秒設定 スイッチをＯＮにすると接点がバウンドしてＯＮ／ＯＦＦを繰り返すチャッタリングという現象が生じます。非常に短い間の現象なのですが、電子回路は高速で動作するので無視できない現象です。 この現象を防止するためにSRフリップ・フロップ回路を使いました。 SR-FFはNAND回路で作ってもＯＫです。 時刻設定 時刻設定モードにするためのスイッチには０秒設定と同様にSR-FFを使ってチャッタリングを防止しています。このスイッチを２秒間押し続けることで時刻設定モードに移行します。さらに時刻設定モードになった後、このスイッチを押すごとに設定する桁の切り替えを行います。そのためにもチャッタリング防止は必要です。ＯＮを検出してから一定時間検出を止めるように工夫すればソフトウェアで防止することもできますが、処理が面倒です。 時刻の数字設定にはロータリーエンコーダを使用しました。ロータリーエンコーダはしゅう動式のものです。 出力用の２端子はエンコーダの軸を回転させた時に共通端子と接触するタイミングが異なっています。  「デジタル･ダイアル」でもロータリーエンコーダを使用した回路を紹介しています。 時報回路 毎正時に時報としてメロディＩＣによるオルゴールを鳴らします。今回使用したメロディＩＣ(SVM7975)には８曲のメロディが入っているので、7:00/8:00/9:00/10:00/18:00/19:00/20:00/21:00に別の曲を鳴らすことにしました。これ以外の時間はうるさいので鳴らしません。 SVM7975の電源電圧は約３ＶまでなのでＬＥＤを使用して電圧を下げています。ＬＥＤが点灯しているとき、ＬＥＤの両端の電圧はほぼ２Ｖです。 メロディーの速度は２番ピンと３番ピンの接続する抵抗(R)で変えることができます。メロディーＩＣの出力はLM386で増幅してスピーカーを鳴らします。この増幅器は通常はメロディーを鳴らすために使いますが、テレビのチャンネルをチューニングするときにテレビ音声のモニタにも使います。テレビの信号を使うのは時計をテレビ局のカラーバースト信号に同期させ、高精度にするためです。切り替えはショートピンで行います。 実際の回路では６番ピンに選曲用のスイッチを付けています。各正時の曲がずれてしまった場合に使用します。 メロディーＩＣの電源はバッテリーバックアップされている電源を使用しています。メロディーＩＣは演奏する曲の順番を記憶していますが、電源が切れると順番が初期化されてしまい、時報と曲目がずれてしまいます。 ＴＶチューニング回路 今回使用したＴＶﾁｭｰﾅｰは電圧により放送局を選択する方式です。 仕様では選局電圧は0Vから28Vですが、今回はどこかの局が選択できれば良いので12Vの電圧を使っています。 もし、この電圧で選択できる局が無い場合には電圧を上げる必要があります。 ﾁｭｰﾅｰの電源に電圧変動があると選局がずれてしまうので、安定した電源を使う必要があります。 電源回路 電源回路は４種類あります。 TVﾁｭｰﾅ用の+12V、スピーカーを鳴らすための+9V、LEDを点灯するための+5V、それとPIC、CPLD、メロディーＩＣ用の+5Vです。このうちPIC、CPLD、メロディーＩＣ用の電源はバッテリーでバックアップしています。これにより、停電になっても時計機能は動作し続けます。電池の消耗を抑えるため、時計の基本機能だけを動作させるようにしました。外部回路のＰＬＬ発振器もバッテリーバックアップしている電源を使います。ＴＶチューナーはバックアップしないので停電になると止まります。その場合、PLL発振器はテレビ信号のカラーバーストとは同期しなくなり、精度は多少落ちますが、長時間の停電でなければ精度にはあまり影響はしません。 バッテリーには充電可能なニッケルカドミニューム電池を使用しています。１本の電圧が１．２Ｖで６本直列に接続して使用しています。ですから、停電時にバッテリーから供給される電圧は７．２Ｖです。バッテリーバックアップしている電源の３端子レギュレータには電圧降下の少ないレギュレータを使っています。このレギュレータでの電圧降下は0.2V位です。78L05の場合は１．７Ｖ位の電圧降下があるため、５Ｖの安定した出力を得るためには６．７Ｖ以上の入力電圧が必要です。このレギュレータの場合は５．２Ｖ以上の入力があれば、安定した５Ｖを出力することができます。ただし、最大入力電圧が１５Vなので、安全のために９Vのレギュレータ出力を入力として使っています。１２Ｖのレギュレータ出力でも良いのですが、プリント基板でのパターンの関係で９Ｖを使っています。 バッテリーは電源が供給されている場合には２０ｍＡ以下の電流でトリクル充電しています。（赤線） 今回の回路の場合、だいたい次のようになります。 ( 9V-7.2V )/220Ω=8.2mA トリクル充電については「バックアップ電池」を参照して下さい。 |