Bouwpakket: digitale CMOS klok

(gepubliceerd op 26-08-2024)

Dit is een heerlijk nostalgisch bouwpakket dat niet zou misstaan in een 'elektuur' uit de tachtiger jaren. Het is echter een ideaal project om mensen te leren solderen en kennis te laten maken met digitale elektronica.

Kennismaking met de digitale CMOS klok kit

Het eindresultaat

In de onderstaande foto ziet u het resultaat van een paar uurtjes solderen. Een met twaalf CMOS IC's volgestouwde print met als afmetingen 12,9 cm bij 7,9 cm. Die uitgebreide jaren tachtig elektronica levert als resultaat een 24-uur klok die u kunt voeden uit een 5,0 Vdc voeding en die wordt aangedreven door een 32,768 kHz stemvork-resonator. Uit deze oscillator wordt een één-seconde puls afgeleid die de digitale elektronica van de klok stuurt. Deze elektronica telt de pulsen van de oscillator op een speciale manier. Op de zes zeer heldere rode zeven-segment display's verschijnt het aantal getelde pulsen in 'uren-minuten-seconden' formaat. De klok telt tot '23-59-59' en springt dan terug naar '00-00-00'. Tussen de display's zitten vier rode LED's die gaan knipperen met een periode van een seconde.

Met twee drukknopjes kunt u de uren en minuten instellen en met een schuifschakelaartje kunt u de één-seconde puls blokkeren. U kunt deze klok dus ook gebruiken als chronometer. Zet de schuifschakelaar S1 op 'UIT' als het seconde-display naar '00' springt. Stel de uren- en minuten-display's ook op '00'. Zet het schuifschakelaartje, op het moment dat de chronometer moet gaan lopen, op 'AAN'. De klok telt dan de uren, minuten en seconden tot het moment dat u de schuifschakelaar weer op 'UIT' zet.

Het eindresultaat van dit bouwpakket. (© Banggood)

Fabrikant, leveranciers en prijs

De fabrikant van dit bouwpakket is niet te achterhalen, wél is duidelijk dat het een heel populair pakket is in China. U vindt een heleboel aanbieders op AliExpress en ook bij Banggood is het te koop. Er worden twee versies aangeboden. De goedkoopste bevat alleen de print met alle onderdelen, de duurdere levert bovendien een uit zes transparante perspex plaatjes bestaande behuizing.

Voor de goedkope versie betaalt u bij Banggood € 10,82 en bij AliExpress € 8,62, inclusief verzending. Voor de duurdere versie zijn de prijzen respectievelijk € 13,05 en € 11,82. Grappig is dat hetzelfde bouwpakket ook via bol.com wordt aangeboden voor.... € 36,00!

Een bodemprijs

Het moet toch maar weer eens benadrukt worden dat Chinese leveranciers dergelijke pakketten tegen een absolute bodemprijs leveren. Als u alleen de twaalf CMOS IC's bij Conrad Electronic bestelt, moet u hiervoor € 19,05 betalen!

De levering van het pakket

Voor dergelijke bodemprijzen verwachten wij niet veel aandacht voor de manier waarop het bouwpakket wordt verzonden. Groot is dan ook onze verbazing als wij vaststellen dat er zelfs een plastic doosje aanwezig is waarin alle onderdelen veilig zitten opgeborgen. Deze keer dus géén verbogen pennetjes aan IC-voetjes en IC's! 

De levering van dit bouwpakket. (© 2024 Jos Verstraten)

De geleverde onderdelen

Deze zijn van uitstekende kwaliteit. Op te merken valt dat er zelfs voor de twaalf CMOS IC'tjes voetjes worden meegeleverd. De 32,768 kHz stemvork-resonator zit in een metalen behuizing zonder beschrifting. Het is dus niet na te gaan welk type wordt geleverd en hoe nauwkeurig dit onderdeel is. Dat is van het grootste belang, want de nauwkeurigheid van de resonantie-frequentie van dit onderdeel bepaalt of de klok gelijk blijft lopen of niet.

De geleverde onderdelen. (© 2024 Jos Verstraten)

De onderdelen voor de behuizing

Als u de duurste optie bestelt krijgt u voor twee euro de onderstaande onderdelen extra, waarmee u een transparante behuizing rond de print kunt samenstellen. In de frontplaat zijn gaten gefreesd voor de drukknopjes, de voedingsaansluiting en de schuifschakelaar. De perspex panelen zijn aan beide zijden voorzien van een bruine papieren schutlaag, die u met enige moeite kunt verwijderen.

De onderdelen voor het samenstellen van de behuizing. (© Banggood)

De handleiding

Het bouwpakket wordt, Chinese traditie getrouw, geleverd zonder handleiding. Na enig zoeken op internet vinden wij echter zowaar een handleiding in PDF-formaat die wij op onze account bij 'archive.org' hebben bewaard:

Aanklikbare link ➡ 6_Digits_DIY_Clock_Kit_Manual.pdf

De print voor de schakeling

Zoals bij alle goedkope Chinese bouwpakketten is er op de print niets aan te merken: dubbelzijdig, doorgemetaliseerd, mét soldeermasker en silkscreen. De componentenzijde van deze print is voorgesteld in de onderstaande foto. De andere zijde is volledig zwart en daar is dus niets op te zien.

De componentenzijde van de print. (© 2024 Jos Verstraten)

De elektronica in deze digitale CMOS klok

De 32,768 kHz stemvork-resonator

In moderne bouwpakketten van klokken wordt gesynchroniseerd gewerkt, waarbij via wifi een tijdcode signaal wordt gehaald bij uw provider om de klok gelijk te laten lopen met de officiële tijd. In dit ouderwetse bouwpakket is van dergelijke ingewikkelde moderne technieken geen sprake. Het belangrijkste onderdeel van iedere niet-gesynchroniseerde klok is uiteraard de tijdpuls generator. In dit pakket wordt gebruik gemaakt van een zogenaamde stemvork-resonator. In dit geval trilt deze stemvork op een frequentie van exact 32,768 kHz. 

Stemvork-resonatoren ontlenen hun eigenschappen, zoals de zeer lage resonantiefrequentie, aan hun specifieke vorm. Deze onderdelen heten uiteraard niet voor niets 'stemvork'. De vorm van het plaatje is inderdaad volledig te vergelijken met de vorm van de bekende metalen stemvorken, die worden gebruikt voor het stemmen van muziekinstrumenten en die, volgens sommige gelovigen, ook allerlei heilzame werkingen hebben op lichaam en geest. 

In de onderstaande foto ziet u de typische vorm van zo'n plaatje, voorzien van opgedampte elektroden en gemonteerd in een behuizing.

Het inwendige van de stemvork resonator.
(© Wikimedia Commons)

De werking van de resonator

Een stemvork-resonator werkt zoals een kristaloscillator. Bepaalde natuurlijke materialen zoals kwarts vertonen een piëzo-elektrisch effect. Als u een elektrische spanning over het materiaal zet dan zal dit samengedrukt of uitgerekt worden. Het materiaal reageert dus op een wisselend elektrisch veld door het uitvoeren van een periodieke beweging. De frequentie waarmee dit gebeurt is afhankelijk van de fysische eigenschappen van het materiaal, met name de vorm en de dikte van het plaatje.

Door deze eigenschap is het mogelijk een materiaal met piëzo-elektrische eigenschappen te gebruiken voor het genereren van een wisselspanning met een zeer constante frequentie. Als u over een plaatje materiaal met dergelijke eigenschappen een breedbandige ruisspanning zet, zal het plaatje één frequentie uit dit signaal gaan versterken. Dat is de frequentie waarop het plaatje maximaal gaat trillen. Door dit trillen zal er over het plaatje namelijk een vrij grote spanning ontstaan waarvan de frequentie gelijk is aan de resonantiefrequentie van het plaatje.

Waarom 32,768 kHz?

Waarom kiest men de op het eerste zicht nogal rare frequentie van 32,768 kHz? Men kan uit deze frequentie door middel van een aantal standaard flip-flop's een signaal met een frequentie van exact 1 Hz afleiden. Zoals u ongetwijfeld weet kunt u met een flip-flop de frequentie van een blokvormig signaal exact door twee delen. Telt u maar even mee waar wij uitkomen als wij uitgaan van een signaal met een frequentie van 32,768 kHz:

       - uitgang flip-flop 1: 16,384 kHz

       - uitgang flip-flop 2: 8,192 kHz

       - uitgang flip-flop 3: 4,096 kHz

       - uitgang flip-flop 4: 2,048 kHz

       - uitgang flip-flop 5: 1,024 kHz

       - uitgang flip-flop 6: 512 Hz

       - uitgang flip-flop 7: 256 Hz

       - uitgang flip-flop 8: 128 Hz

       - uitgang flip-flop 9: 64 Hz

       - uitgang flip-flop 10: 32 Hz

       - uitgang flip-flop 11: 16 Hz

       - uitgang flip-flop 12: 8 Hz

       - uitgang flip-flop 13: 4 Hz

       - uitgang flip-flop 14: 2 Hz

       - uitgang flip-flop 15: 1 Hz

Ook in dit bouwpakket wordt van deze techniek gebruik gemaakt om een zeer nauwkeurige en stabiele één-seconde puls te genereren.

Het volledig schema van deze CMOS klok

Wat tegenwoordig kan met één IC'tje, namelijk een microcontrollertje, moest vroeger in de TTL- en CMOS-tijd met een handjevol IC's. Zo ook in dit ontwerp, waar twaalf CMOS IC's nodig zijn om de 24-uur klok samen te stellen. Het schema hebben wij in twee delen gesplitst, zodat u het in uw browser-venster nog enigszins kunt lezen.

Deel 1 van het schema. (© Banggood, edit 2024 Jos Verstraten)

Deel 2 van het schema. (© Banggood, edit 2024 Jos Verstraten)

Opmerking

Let op dat de nummering van de onderdelen in de bovenstaande schema's niet per definitie overeen komt met de nummering op de print!

De één-seconde generator

De 32,768 kHz stemvork-resonator is opgenomen in het oscillator-circuit van een speciaal voor dit doel ontworpen IC. Dat is IC10, een CD4060BE. Deze schakeling bevat een oscillator, waarop u een kristal of resonator moet aansluiten, en veertien frequentie tweedelers. De oscillator bestaat uit de stemvork-resonator, de weerstanden R48 en R49 en de condensatoren C5 en C6. Op de uitgang Q14 van de CD4060BE ontstaat een mooie rechthoekvormige puls met een frequentie van 2 Hz.

IC11 is een CD4013BE, een IC dat twee onafhankelijke D-flip-flop's bevat. Een van die flip-flop's is geconfigureerd als tweedeler. Op de uitgang Q van dit IC ontstaat een keurige puls met een frequentie van 1 Hz, dus met een periode van een seconde.

De klokschakeling

De CD4518BE is een dubbele decimale teller. Drie van dergelijke IC's (IC9, IC8 en IC7) worden gebruikt voor het tellen van de seconden, de minuten en de uren. Deze IC's zijn  zo extern teruggekoppeld dat IC9 en IC8 tot 59 tellen en IC7 tot 23. Die externe terugkoppeling komt tot stand via de vier poorten van IC12, een CD4081BE. Dit IC bevat vier AND-poorten met ieder twee ingangen. De uitgangen van die poorten sturen bij de juiste teller-inhouden de reset's van de tellers, zodat deze weer naar nul springen en het tellen opnieuw kan beginnen. De uitgangen van IC12D en IC12C sturen bovendien de tel-ingangen EN van de daaropvolgende tellers, zodat deze één eenheid optellen. 

De code-omzetters en display besturingen

De inhoud van de tellers in de CD4518BE IC's in BCD-gecodeerd op de uitgangen Q0, Q1, Q2 en Q3. Deze uitgangen sturen de data-ingangen van zes stuks CD4511BE. Dat zijn BCD-decoders/display-drivers. De CD4511BE converteert de BCD-code op zijn ingangen naar stuursignalen voor de zeven segmenten van een zeven-segment LED-display. De 1 kΩ weerstanden begrenzen de stroom door de segmenten. 

Het met de hand setten van de klok

Om het uren- en minuten-display met de hand op de gewenste waarde in te stellen worden er via de drukknoppen S1 en S2 extra pulsjes aangeboden op de EN-ingangen van IC7A en IC8A. De diodes D1 - D2 en D3 - D4 vormen eenvoudige OR-poorten die ervoor zorgen dat de EN-ingangen kunnen worden gestuurd of uit de vorige tellers of uit de pulsjes die u met de drukknoppen aanbiedt. 

De LED's

De vier LED's LED1 tot en met LED4 worden via de serieweerstanden R43 en R44 gestuurd uit de één-seconde puls en gaan dus knipperen als de klok werkt.

De voeding

De schakeling kan worden gevoed uit iedere stabiele 5 Vdc voeding die in staat is een stroom van ongeveer 100 mA te leveren.

De bouw van de schakeling

Het bestukken van de print

Onderstaand geven wij de juiste volgorde voor het solderen van alle onderdelen op de print:

1. 42 stuks 1 kΩ weerstanden tussen de display's en de CD4511 chip's. Om de een of andere reden worden er vijftig geleverd, maar meer dan 42 zijn er niet te vinden op de print.
2. 3 stuks 2,2 kΩ weerstanden.
3. 2 stuks 470 Ω weerstanden.
4. 1 stuk 100 kΩ weerstand.
5. 1 stuk 10 MΩ weerstand.
6. 4 stuks 1N4148 diode, let hierbij op de kathode-ring!
7. 4 stuks rode LED's, de langste aansluitdraad moet in het gaatje met de notatie '+' op de print.
8. 3 stuks condensatoren van 100 nF (code 103).
9. 2 stuks condensatoren van 30 pF (in de handleiding staat 22 pF).
10. 1 stemvork-resonator van 32,768 kHz, deze rust plat op de print.
11. 2 drukknopjes S1 en S2.
12. 10 stuks IC-voetjes met 16 pennen, let op de identificatie inkeping die overeen komt met pen 1.
13. 2 stuks IC-voetjes met 14 pennen, idem.
14. Het schuifschakelaartje S1.
15. 6 stuks zeven-segment display's, de kant met de beschrifting wijst naar de kant waar de IC-voetjes zitten.
16. Het tweepolig printkroonsteentje, uiteraard met de gaatjes naar buiten gericht.
17. De elco van 100 μF, de langste aansluitdraad moet in het printgaatje met het '+'-symbool. Ook dit onderdeel moet plat op de print rusten.

Dit beëindigt het soldeerwerk aan deze print. Tot slot kunt u voorzichtig de twaalf CMOS IC'tjes in de voetjes duwen. Let er op dat alle pennetjes in de gaatjes vallen en niet onder het IC-lichaam worden verbogen.

In de onderstaande foto ziet u het eindresultaat van een paar uurtjes leuk hobbyen.

De compleet gemonteerde print. (© 2024 Jos Verstraten)

De eindmontage en het testen van de CMOS klok

Voeding aansluiten

Sluit een 5 Vdc voeding aan op het kroonsteentje, waarbij u uiteraard moet letten op de positie van de plus en de min. Als alles goed is gegaan moeten alle display's nu eerst naar nul gaan en na één seconde moet het tellen van de seconden beginnen. Gebeurt er niets, zet dan de schuifschakelaar S1 in de andere stand.

Wij hebben het stroomverbruik van de klok gemeten. Dat ligt tussen 60 mA en 85 mA, afhankelijk van de hoeveelheid segmenten dat oplicht. U kunt de klok dus ook voeden uit een kleine 5 Vdc netstekkervoeding. 

 

De nauwkeurigheid

De goede werking van zo'n klok staat of valt uiteraard met de nauwkeurigheid van de één-seconde klokpuls. In de onderstaande foto ziet u hoe die puls er uitziet. De blauwe trace geeft het nul-niveau weer. Wij hebben de pulsperiode gemeten met onze frequentie/periode-meter PM6669 van Fluke. Over een tijdsverloop van één dag varieerde de pulsduur tussen de twee onderstaande waarden:

       - 0,999.762.6 seconde

       - 1,000.047.2 seconde

De positieve en negatieve afwijkingen worden waarschijnlijk veroorzaakt door variaties in de kamertemperatuur. Dat er, over één dag, zowel positief als negatief wordt afgeweken van de exacte waarde van 1,000.000.0 seconde is gunstig. Het achterlopen van de klok bij 0,999.762.6 seconde wordt dan gedeeltelijk gecompenseerd door het voorlopen bij 1,000.047.2 seconde.

Dat bewijst dat de geleverde stemvork-resonator heel nauwkeurig is. Dat is niet zo vreemd, want zo'n onderdeel zit in ieder elektronisch polshorloge en die blijven ook allemaal goed bij de tijd. 

De één-seconde puls op de schakelaar S1. (© 2024 Jos Verstraten)

Het inbouwen van de print in de behuizing

Als u de duurdere optie hebt besteld moet u nu de print inbouwen in de behuizing. 

1. Verwijder eerst voorzichtig de bruine beschermfolie van de perspex plaatjes. 
2. Schroef de nylon afstandsbusjes op de achterzijde van de frontplaat vast met vier van de geleverde korte boutjes.
3. Klik de vier zijpanelen in de frontplaat.
4. Leg de printplaat op de vier afstandsbusjes. 
5. Klik de achterplaat in de vier zijpanelen. 
6. Schroef nu de achterplaat en de print vast in de afstandsbusjes met de vier lange boutjes. 

Waarvoor de vier meegeleverde moertjes dienen is onduidelijk.

De volledig afgebouwde digitale CMOS klok. (© 2024 Jos Verstraten)

(Banggood sponsor advertentie)
Digitale CMOS clock kit