Часы на КР145ИК1911 и...светодиодах

Автор: ejsanyo
Опубликовано 29.03.2025
Создано при помощи КотоРед.

Приветствую любителей "ретро-схемотехники". А давайте сделаем сегодня...очередной велосипед самодельные часы! Помните ли вы такой чип, под названием КР145ИК1911? Он является модернизированной версией очень популярной в своё время К145ИК1901. Впрочем, модернизация заключалась только в переводе на чуть более современный корпус DIP-40, внутри, похоже, всё осталось тем же самым.

Что же представляет собой 145ИК1901/1911? Это, по сути, микроконтроллер, прошивка которого превращает его в бытовые часы/таймер/секундомер/будильник. Более подробно обо всех его замечательных возможностях можно почитать в Интернете, например, здесь. Да, в наше время такое делается за пол часа на какой-нибудь Ардуине, но во времена его популярности альтернативой для электронных часов подобного функционала был либо знаменитый "чипсет" К176ИЕ12 + ИЕ13 + ИЕ17 + ИД3 с немалым количеством "обвязки", либо жуткая куча рассыпной логики. Как несложно понять, КР145ИК1911 является частью славной 145 серии советских микросхем. Эта серия сама по себе весьма интересна и самобытна: это, похоже, единственная в СССР полноценная линейка четырёхфазной P-МОП логики. А логика эта, в свою очередь, тоже является самобытным порождением своей эпохи, т.н. "калькуляторных войн" конца 60-х годов прошлого столетия. КМОП был ещё совсем молод, небыстр и имел низкую степень интеграции, а всё остальное пожирало ток как не в себя. Так что лишь применение динамической логики в сочетании с самой дешёвой по тем временам P-МОП схемотехникой элементов позволило запихать то, что раньше занимало размеры пузатого телетайпа, в несколько маленьких умеренно тёплых микросхем. 

И как только появилась возможность делать настолько высокоинтегрированные чипы, практически сразу стало понятно, что по этой технологии интереснее делать не узкоспециализированную логику, а настоящие ЭВМ последовательного действия, и конкретные функции, которые будет выполнять данный микрокомпьютер (термин "микроконтроллер" придумают позже), будут определяться программой, зашитой в его ПЗУ. Один кристалл для множества применений и полная унификация разработки. При производстве меняется только верхний слой металлизации с кодом программы.

Впрочем, советские разработчики, получив данную технологию, поначалу тоже применяли её исключительно для ЭКВМ, но когда определённый задел был наработан, список расширился, сначала до периферийных устройств к этим самым калькуляторам, а потом и до ряда самостоятельных изделий бытового и промышленного назначения. К этой же серии приписывали и некоторые другие чипы, сделанные уже по КМОП-технологии, но это уже совсем другая история.

Примечательной особенностью P-МОП технологии являлось то, что её высокое напряжение питания (чаще всего -27В) и небольшие допустимые токи выходных каскадов прекрасно сочетались с тогдашней новинкой - вакуумно-люминесцентными индикаторами. Но эти же особенности впоследствии стали препятствием как для простой стыковки с чипами, выполненными по другим технологиям, так и для подключения других типов индикации, вроде светодиодов и ЖК. Но всё же, если постараться, возможно ли с какими-нибудь "костылями" подвесить вместо ВЛИ светодиодную "восьмёрку"? Конечно, практический смысл подобной модернизации - весьма неоднозначная тема для отдельных холиваров дискуссий. Здесь же мы ограничимся лишь технической стороной вопроса.

Не будем дальше тянуть и просто покажем итоговую схему устройства:

Итак, это у нас...часы, имеющие тот же функционал, какой имеет КР145ИК1911. Для его раскрытия на двухрядный разъём XP3 выведены все входы кнопок. Разумеется, можно подключить только те пары конактов, которые планируете использовать. Питается схема от обычных 5 В, которые повышаются примерно до 27 при помощи "step-up" повышающего преобразователя на MC34063 К1156ЕУ5АР, включенного по более-менее классической схеме. Далее идёт часть с КР145ИК1911, с тактовым и кварцевым генераторами и прочей "обвязкой", которая вроде бы повторяет уже известные схемы, но есть нюанс...

...поскольку ещё одной особенностью является то, что в P-МОП логике, как правило, используется "отрицательная логика": логической 1 соответствует отрицательное напряжение, а 0 - напряжение, близкое к нулю. Напряжение питания также используется отрицательное. Это весьма сильно усложняет подключение "обычных" элементов, которые, как правило, работают в положительной логике. Однако способ упростить "скрещивание ежа с ужом" есть и он довольно очевиден..."перевернуть с ног на голову" схему включения, таком образом, что выводы, шедшие на минусовое питание, были посажены на землю, а те, что были на земле, подключились к +27В! Как видно, этот поход и был реализован. Остаётся гадать, почему же предки в своё время избрали путь "танцевать в минус"? Быть может, считалось, что подключение истоков P-канальных ключей к земле повышает помехоустойчивость? Однако по опыту могу сказать, что никаких проблем со стабильностью в работе полученных часов и даже точностью их хода замечено не было. Может, конечно, дело в том, что плата разведена как следует, с полигонами, да и кондёров по питанию я не пожалел? Поделитесь своими мыслями в комментариях.

А далее начинается, собственно, прикручивание светодиодов. Чтобы понять, как нам это сделать, придётся кратко рассмотреть, как же в оригинале подключался и работал вакуумный индикатор? Здесь, как и в большинстве схем 145 серии, используется динамическая развёртка индикации, позволяющая значительно сократить количество соединений путём объединения индикаторов в матрицу. Рассмотрим, скажем, схему от alexfloka:

Все катоды ламп подключены к источнику -27В. Контакты сегментов всех "восьмёрок" объединены, а сетки каждой лампы подключаются индивидуально. Специально для 145ИК1901/1911 выпускались и специализированные индикаторы, вроде ИВЛ1-7/5, уже содержащие в себе 4 знакоместа и...учитывающие ещё одну особенность, о которой будет сказано чуть ниже.

Для того, чтобы соответствующий сегмент лампы засветился, должно быть выполнено два условия:

• На сетку лампы должно быть подано ускоряющее напряжение +27В относительно катода. Эту операцию выполняют выходы 36...39 чипа, поочерёдно соединяя с землёй сетки ламп.
• На сегмент также должно быть подано напряжение +27В относительно катода. Что, в нужной комбинации, выполняют выходы 12...18, опять же соединяя сегменты с землёй

Однако напомню, что, поскольку мы всё "перевернули с ног на голову", земля у нас превращается в +27В. Таким образом, на выходы можно просто повесить буферные ключи с токовым входом, которые усилят этот самый ток до уровня, достаточного для светодиодов. Возьмём в качестве индикатора весьма распространённую сборку GNQ-4041AS-21, в которой сегменты каждого разряда объединены катодами. В ней как раз есть двоеточие между парами цифр для всяких часов и таймеров.

Итак, в качестве нижнего ключа, подключающего катоды разрядов к земле, используем классическую сборку ULN2003 К1109КТ22. Сборка уже имеет в цепях базы токоограничивающие резисторы, но поскольку их сопротивление изначально рассчитывалось на входное напряжение порядка 3...5В, поможем им кучкой внешних резисторов по 47 кОм. Поскольку разрядов индикации у нас всего 4, а в микросхеме 7 ключей, заведём на оставшиеся ключи дополнительные сигналы с выходов 22..24 ИК1911. Результат идёт на разъём XP4, к которому можно подключить. например, какую-нибудь бибикалку, которая будет включаться будильниками. Их выходам соответствуют контакты Y5, Y6 разъёма, причём сработавшему будильнику будет соответствовать низкий уровень на выводе, а не-сработавшему - примерно 5В.

Для буферизации сегментных выходов используем драйвер верхнего плеча UDN2981 XD2981. В его составе как раз 8 ключей для сегментов цифр и точки двоеточия. Входы токовые, на основе биполярного транзистора, в своём составе имеют токоограничивающий резистор, рассчитанный на входное напряжение несколько вольт. Поэтому, чтобы не перегружать выходы ИК1911, снова поможем им внешними резисторами. И тут, когда мы добираемся до подключения двоеточия, нас поджидает очередной нюанс...

Обратимся к распиновке GNQ-4041AS. Вы тоже это видите? Светодиоды двоеточия D5, D6 объединены катодами со вторым разрядом. Более того, у нас также есть подключенные к этому сегментному входу другие точки, раскиданные катодами по другим разрядам! Но есть ли выход мигания двоеточием у ИК1911 и как он работает? Он есть, выход 22 чипа. Да вот беда - он совершенно не синхронизирован с развёрткой основной индикации! Т.е. там просто идут импульсы с частотой 1 Гц. И если мы просто так возьмём и подадим такой сигнал на контакт 3 GNQ-4041AS, мигать будет не только двоеточие, но и все остальные точки индикатора, что как-то не очень красиво. Что характерно, в упомянутом ИВЛ1-7/5 этот момент учтён, и под двоеточие там сделали целое дополнительное знакоместо со своей ускоряющей сеткой! Всё ради того, чтобы исключить его из процесса основной развёртки. Наверняка на данной платформе технически возможность включить восьмой разряд в развёртку была, вспомним хотя бы советские калькуляторы с плавающей запятой. Почему разработчики здесь пошли иным путём, мы, скорее всего, уже не узнаем никогда. Так или иначе, поскольку заменить прошивку контроллера у нас возможности нет, придётся исправить этот досадный недостаток аппаратным способом. Ведь для этого достаточно всего одного логического элемента "И", которым мы объединим выходы Y4 и разряда, в котором двоеточие должно отображаться. В нашем случае это DD2A. Поначалу хотел взять под это какой-нибудь элемент из серии 74HC, но потом смог достать аутентичные К172ЛМ1 и применил их. Увеличив потребление по высоковольтному питанию на несколько мА... Итак, К172ЛМ1 - это представитель менее славной и ныне почти забытой серии К172. Это P-МОП логика, ещё статическая, а посему медленная и с низкой степенью интеграции. Но, по крайней мере, полностью совместимая по уровням со 145 семейством. Конкретно К172ЛМ1 - это элемент ИЛИ/ИЛИ-НЕ Такой вот двойной выход - это тоже специфика схемотехники данной серии. Но, напоминаю, в нашей схеме мы всю P-МОП логику "поставили с ног на голову", поэтому ИЛИ в негативной логике внезапно превращается в элемент И для позитивной, что нам и требуется!

Гулять, так гулять! Исправим тогда ещё один недостаток прошивки, связанный с отображением старшего нуля при индикации часов. О чём это я? Посмотрите на любые более-менее современные электронные часы. Значение часов от 0 до 9 они отображают одной цифрой, а большие значения - двумя. Вероятно, так пользователю удобнее воспринимать информацию. Но авторы прошивки, похоже, об этом не подумали, и старший ноль у них выводится всегда.

 Но и это исправить не так уж сложно. Тем более, конкретно в старшем разряде часов мы можем упростить логику. Ведь этот разряд отображает цифры только от 0 до 5 (так написана прошивка). Подумаем, чем отличается ноль от остальных в этом списке? Из них 0 - единственный, при котором зажигаются одновременно сегменты E и F! Объединим их элементом ИЛИ И-НЕ DD4A. А далее элементом DD4B разрешаем или запрещаем прохождение сигнала на катоды разряда часов.

Входы оставшегося лишним DD2B, согласно рекомендациям на 172 серию, подтягиваем на землю +27В.

Пара слов о том, как я выбирал номинал резисторов R31...R38, ограничивающих ток сегментов: Вспомним, что наши ключи не идеальны, и на каждом из них теряется часть напряжения. Согласно даташиту, ULN2003 в открытом состоянии может откусить около 1 В, UDN2981 - порядка 1,6В. GNQ-4041AS с его красными светодиодами скушает по 1,8В на сегмент. И все эти потенциалы вычитаются из напряжения питания, т.е. из 5В. Итого, мы имеем падение напряжения на каждом из резисторов всего лишь порядка 0,6В! Вот почему нам пришлось поставить сопротивления по 47 Ом. По закону, как ни странно, Ома мы при этом получаем импульсный ток на сегмент чуть более 10 мА, что уже достаточно для его чёткого свечения, и при этом гарантирует его долгую надёжную работу в облегчённом режиме.

Ну и для повышения юзабельности добавим в схему возможность дежурной подпитки, чтобы при пропадании основного питания часы не сбрасывались. Учитывая относительную прожорливость 145 серии и полное отсутствие каких-либо энергосберегающих режимов, во время оно это представляло определённую проблему (по сравнению со 176 логикой, которой для подпитки хватало обычной "Кроны"). Но в наше время ёмких и мощных литиевых аккумуляторов мы можем добавить такой, подключив его к разъёму XP2. Энергетически это по прежнему крайне неэффективно, поскольку под питанием приходится оставлять большую часть схемы. Но, по крайней мере, несколько часов при пропадании электричества в розетке, продержаться позволит. Для зарядки аккумулятора предусмотрен контроллер заряда DA1, в качестве которого был выбран ME4057 по следующим причинам:

• Говорят, что их меньше подделывают.
• Если в качестве C6 поставить неполярный (керамический) конденсатор, схема не будет бояться неправильной полярности подключения аккумулятора, чем схемы на классическом "4056" похвастаться не могут.

На плате под данный чип у меня сделана металлизация для припайки к ней "пуза" корпуса, пренебрегать его пропайкой не рекомендую, учитывая сильный нагрев при зарядке. R6, понятное дело, задаёт ток заряда. К разъёму XP1 можно подключить светодиоды, показывающие процесс и окончание зарядки.

USB разъём XS1 здесь поставлен исключительно для подачи питания через готовый кабель, но в этом контексте, пожалуй, не могу не упомянуть работу Сергея Фролова, который смог перехватить и расшифровать содержимое памяти в кольцевой шине контроллера. А это значит, что теперь, при большом желании, все настройки часов можно читать и менять извне. И сделать часы, скажем, реально настраиваемые по USB. А взяв какой-нибудь ESP8266 можно было даже сделать им веб-интерфейс для телефона, или сделать синхронизацию времени по NTP. Но это уже явно темы не для данной статьи.

Упомяну и о некоторых недостатках схемы: заметил небольшую паразитную засветку неактивных сегментов индикатора. Причём её характер зависит от выводимого набора цифр.

Природу её пока что до конца не знаю, но пока приходят такие соображения:

• Ключи закрываются не на 100%, присутствует небольшой ток утечки (для UDN2981 он может составлять, по разным данным, от 20 до 200 мкА). И этого тока уже хватает, чтобы современные светодиоды начали немного светиться.
• P-МОП логика затягивает передний задний фронт импульсов, из-за чего ключи закрываются с некоторой задержкой.
• Временные параметры сигналов развёртки в ИК1911 синхронизированы неидеально, из-за чего моменты смены активного разряда перекрываются с засветкой сегментов предыдущего разряда. А разработчики прошивки не смогли сделать чёткую синхронизацию, не видели в этом проблемы, а, быть может, и вообще не заметили её присутствие на инерционном ВЛИ, да ещё и через зелёный светофильтр.

Не знаю, что из этого есть правда, но третий вариант мне кажется более правдоподобным. Так или иначе, цифры видно чётко, и эта засветка большой проблемы для меня действительно не представляет.

Схема при основной работе и от аккумулятора потребляет, в зависимости от режима, от 100 до 150 мА, что для часов, пусть и светодиодных, в наше время считается много. При работе от аккумулятора по мере его разряда повышающий преобразователь начинает выходить из режима стабилизации, и при конечном напряжении разряда 2,6...2,7В питание КР145ИК1911 просаживается где-то до 18В. Но, судя по всему, этого ещё достаточно для нормальной работы, часы не сбрасываются. Вероятно, при использовании более современного чипа повышающего преобразователя результаты получились бы лучше.

Чуть не забыл обратить ваше внимание, что для батарейного питания в схеме отсутствует пороговое отключение по низкому напряжению, и поэтому повышающий преобразователь имеет шанс высадить заряд в ноль! Так что используйте либо аккумулятор со встроенной защитой от переразряда, либо добавьте соответствующий защитный модуль, хотя бы на основе чипа DW01A.

Если кому интересно, в конце, как обычно, выложен полный проект в Altium Designer 10. Плата проектировалась под готовый корпус G214C.

Обсуждение на форуме

Файлы:
Файлы проекта

Все вопросы в Форум.