Accuracy Timebase

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BASE DEI TEMPI da 1 - 10 - 100 - 1000 Hz

(1, 10, 100, 1000 Hz Accuracy Timebase / Clock)

Accuracy Time-Base DIY

INTRODUZIONE    [ TORNA ALL'INDICE ]

L'articolo descrive la realizzazione di una Base dei Tempi (Time-Base) con uscite 1, 10, 100 e 1000 Hz.

Per ottenere una frequenza d'uscita stabile e precisa, ho utilizzato un oscillatore al Quarzo da 24 MHz facendo uso di un integrato siglato M74HC4060B1 della STMicroelectronics in grado di lavorare anche a frequenze molto elevate (fino a 50-60 MHz). Da notare che in questo progetto, il chip M74HC4060 non può essere sostituito con il più comune C/MOS 4060 perché quest'ultimo non riesce a lavorare con frequenze superiori a 8-12 MHz. Un'altra differenza sostanziale è che gli integrati della serie "HC" non possono essere alimentati con tensioni superiori ai 6-7 Volt.

IL CIRCUITO INTEGRATO HEF4059B / CD4059A    [ TORNA ALL'INDICE ]

Prima di descrivere lo schema elettrico della Base dei Tempi, descriverò il funzionamento del circuito integrato HEF4059BP, un divisore programmabile C/MOS costruito dalla Philips/NXP (ma anche dalla Texas Instruments e dalla Harris con la sigla CD4059A).

Questo circuito integrato è un divisore programmabile in grado di dividere fino a 15999 volte il segnale in ingresso applicato al piedino 1. La programmazione del chip si imposta tramite 16+3 piedini di ingresso (chiamati "Jam") i quali possono essere collegati a +VCC (Livello 1 = H) oppure a GND (Livello 0 = L).

Nella figura seguente è riportato lo schema a blocchi dell'integrato.

Block Diagrams of HEF4059B / CD4059A

Per programmare il chip è necessario prima di tutto impostare il MODE SELECTION attraverso 3 Jam: Ka, Kb e Kc: la loro configurazione, infatti, oltre a determinare il fattore di divisione iniziale, fissa il numero dei Jam che sono riservati alla prima e all'ultima sezione di conteggio, secondo quanto specificato nella seguente tabella (il pin 2 - EL deve essere collegato a massa):

Jams settings for CD4059 / HEF4059

Nella tabella sono riportati anche i limiti di divisione (COUNTER RANGE): ad esempio, con il MODE = 4 è possibile programmare il chip con un valore di divisione fino a 15999 volte mentre con il MODE = 10 questo limite scende a 9999 volte. Nella colonna "Jam used" sono riportati i Jam usati dalla corrispondente sezione in base al MODE (es., con il MODE = 10, la quinta sezione è disabilitata e tutti i 4 Jam sono a disposizione della prima sezione). Nella colonna "Max. preset" sono riportati i valori massimi che possono essere programmati con i Jam a disposizione.

Per programmare il fattore di divisione (Preset Value) si devono impostare 16 ingressi (Jam Inputs). Le sezioni di conteggio intermedie (divisori per 10) sono 3 e fanno capo ai Jam da J5 a J16 (presi a gruppi di 4 bit). La prima e l'eventuale ultima sezione di conteggio fanno capo ai Jam J1-J4 ed il MODE SELECTION determina quanti e quali Jam vanno usati per le due sezioni.

Una volta fissato il MODE e il valore di divisione (Divide-by-N), si calcola il Preset Value con la formula:

Preset Value = Divide-by-N / MODE

Il risultato della divisione corrisponde al numero da programmare per le sezioni dalla 5a alla 2a (se l'intero della devisione è minore di 1000, la 5a sezione è disabilitata): il resto della divisione (Modulo), anche se 0, corrisponde al numero da programmare nella 1a sezione di conteggio (Decade 1).

Facciamo un esempio: supponiamo di avere bisogno di un divisore da 8973: per questo valore possiamo scegliere un qualsiasi MODE, quindi fissiamo MODE = 8. Per quanto detto sopra, avremo un Preset Value pari a 1121 con resto di 5.

Preset Value = 8973/8 = 1121 resto 5

Con il MODE = 8 abbiamo a disposizione 3 Jam nella 1a sezione (decade 1, resto della divisione), per cui li imposteremo al valore 5 ed uno solo (J4) per la 5a sezione (decade 5) che va impostato a 1 (intero del rapporto 1121/1000 = 1).
La cifre delle centinaia (1), quella delle decine (2) e quella delle unità (1) sono impostate nelle sezioni intermedie attraverso i Jam a 4 bit J13-J16 (centinaia, 4a sezione, Jam = 0 0 0 1), J9-J12 (decine, 3a sezione, Jam = 0 0 1 0) e J5-J8 (unità, 2a sezione, Jam = 0 0 0 1).

Su può verificare la correttezza dei calcoli usando la seguente formula:

Divide-by-N = (MODE x (D5x1000 + D4x100 + D3x10 + D2x1)) + D1

per cui si avrà:

Divisore = (8 x (1x1000 + 1x100 + 2x10 + 1x1)) + 5 = 8973

Facciamo un altro esempio: abbiamo bisogno di un divisore da 15737 e con questo valore possiamo selezionare solo 2, 4 o 8 per il MODE. Scegliamo MODE = 4 e sapremo in anticipo che i Jam J1-J2 sono riservati al resto della divisione (1a sezione) mentre i Jam J3-J4 sono riservati per impostare la 5a sezione:

Preset Value = 15737/4 = 3934 resto 1

  • 5a decade (migliaia) = 3 - impostare J3-J4 = 1 1
  • 4a decade (centinaia) = 9 - impostare J13-J14-J15-J16 = 1 0 0 1
  • 3a decade (decine) = 3 - impostare J9-J10-J11-J12 = 1 1 0 0
  • 2a decade (unità) = 4 - impostare J5-J6-J7-J8 = 0 0 1 0
  • 1a decade (resto) = 1 - impostare J1-J2 = 1 0

Verifica:

Divisore = (4 x (3x1000 + 9x100 + 3x10 + 4x1)) + 1 = 15737

Il circuito integrato possiede altre funzioni e settings, ma in questo progetto è stato utilizzato SOLO come divisore di frequenza: chi volesse approfondire può scaricare il datasheet: ad esempio, si scoprirà che l'HEF4059BP della Philips/NXP ha un'ulteriore setup che permette di impostare automaticamente il divisore per 10000 semplicemente portando basso il pin 2 (EL) ed impostando il MODE con Ka = 0, Kb = 1 e Kc = 0, indipendentemente da tutti gli altri Jam.

Per agevolare e accelerare i calcoli, ho creato un piccolo programma (eseguibile in ambiante Windows) che permette di calcolare automaticamente i 16 Jam da settare una volta impostato il valore del divisore e del MODE: il programma lo trovate alla pagina dedicata a Visual Basic.

LO SCHEMA ELETTRICO    [ TORNA ALL'INDICE ]

Nell'immagine successiva è riportato lo schema elettrico della Base dei Tempi (cliccare sulla figura per ingrandirla).

Schema Elettrico Base dei Tempi (Timebase)

Il Quarzo da 24 MHz, se di buona qualità, garantisce una precisa frequenza finale: il trimmer capacitivo CV1 va tarato in modo che al pin 9 del 4060 (oppure al Test Point TP sul PCB) siano presenti 24000000 Hz precisi e questo può essere fatto solo se si ha a disposizione un preciso frequenzimetro (il trimmer CV1 consente di "correggere" l'eventuale tolleranza del quarzo).

Sull'M74HC4060 possono essere impostati diversi fattori di divisione ed in questo progetto ho scelto di effettuare una prima divisione per 64: in tal modo avrò sul piedino 4 un segnale con frequenza pari a 375 kHz (vedi tabella seguente).

Fattori Divisione del chip 4060 CD4060 HEF4060 M74HC4060

Questo segnale giunge al pin 1 (CP - Input) dell'integrato Philips HEF4059BP, settato per dividere il segnale al suo ingresso per 375 volte oppure per 3750 volte, dipende dalla posizione del connettore M2 - Mode Select.

Nella figura successiva ho schematizzato l'impostazione dei 16 Jam dei due settaggi (il PRESET Value è il valore da impostare mediante i Jam ed è il rapporto fra il Fattore di Divisione necessario ed il MODE):

Settaggi del CD4059

In questo progetto, la configurazione del chip HEF4059 è stata impostata con il MODE = 5 (Ka=1, Kb=0, Kc=1): per verificare la corretta scelta del valore di divisione, si usa la seguente formula (vedere anche paragrafo precedente):

Divide-by-N = (5 x (0x1000 + 0x100 + 7x10 + 5x1)) + 0 = 375 resto 0

Divide-by-N = (5 x (0x1000 + 7x100 + 5x10 + 0x1)) + 0 = 3750 resto 0

All'uscita del CD4059 (piedino 23) sarà presente un segnale con frequenza da 1000 Hz oppure da 100 Hz che, oltre ad essere inviata al connettore d'uscita (pin 4 di M1), giunge anche all'ingresso del primo divisore CD4518 il quale effettua una ulteriore divisione per 10. Il segnale così diviso (che può valere 100 Hz oppure 10 Hz) oltre ad essere inviato al connettore d'uscita (pin 3 di M1), si applica al secondo divisore del 4518 che effettua un'ennesima divisione per 10 ottenendo così in uscita (pin 2 di M1) un segnale con frequenza da 10 Hz oppure 1 Hz.

Particolare M74HC4060B1(ST) e HEF4059BP (Philips)

E' importante notare che il chip CD4518 non è un vero e proprio divisore, ma un Doppio Contatore BCD in cui sono sfruttate solo le uscite "D" (vedi pin 6 e 14 di U3): questo è il motivo per cui usando tali uscite, non avremo mai segnali con Duty Cycle del 50% (come avviene nei normali divisori), ma solo segnali con D.C. del 20% (quando si usano le uscite 'D' sui pin 6 e 14 ) o del 40% (quando si usano le uscite 'C' sui pin 5 e 13) come schematizzato nel seguente diagramma delle uscite:

CD4518 Output Diagram

Un simile discorso va fatto anche per il circuito integrato HEF4059 alla cui uscita sono presenti degli impulsi molto stretti (nel nostro caso, con una larghezza di circa 3 us).

REALIZZAZIONE PRATICA    [ TORNA ALL'INDICE ]

Il circuito può essere alimentato da una tensione compresa tra 8 e 13 Vcc. L'assorbimento ammonta a circa 10 mA.
Il trimmer capacitivo CV1, come accennato, corregge eventuali imperfezioni del quarzo e deve essere regolato dopo aver alimentato il circuito per alcuni minuti: terminata la taratura, è consigliabile una goccia di cera per bloccare il trimmer.
Nel PCB è presente un foro, vicino al quarzo, utile per collegare l'involucro dello stesso a massa (nel caso si utilizzi un quarzo con involucro metallico).
Il connettore M2 - Mode Select deve essere impostato per ottenere in uscita le 3 frequenze desiderate tenendo presente che quella più alta, come già accennato, non sarà un'onda quadra perché proveniente direttamente dall'HEF4059.

Base dei Tempi - Particolare

Normalmente, i segnali sono disponibili appena si alimenta il circuito: tuttavia, applicando un livello positivo di 5 Volt sul pin 5 di M1 (Enable Input), è possibile inibire il conteggio e in tal modo, tutte le uscite si troveranno a livello basso.

Nelle figure successive sono riportati il Master ed il Layout della scheda (cliccare sulle immagini per ingrandirle).

Time-base Master  Time-base PCB Layout

COLLEGAMENTI    [ TORNA ALL'INDICE ]

La successiva immagine illustra i collegamenti della Base dei Tempi.

Piano componenti e collegamenti del Time-Base

DOWNLOAD    [ TORNA ALL'INDICE ]

Anche il circuito stampato di questo progetto (vedi qui un particolare) è stato realizzato con il Bromografo & Timer, usando un tempo di esposizione di 3'50".

Nel file PDF (scaricabile cliccando sul link qui sotto) troverete, oltre allo schema elettrico, anche il disegno del Master e quello del PCB (Lato Componenti) entrambi realizzati con il software Protel99se.

Download

Scarica il Manuale Tecnico (2.5 MB).

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