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Die Theorie

Uhren: Zeit­messer, Schmuck­stücke, De­ko­ra­tions­gegen­stände - hohe Hand­werks­kunst oder billige Massen­ware. Fast jeder ist von ihnen fas­ziniert, denn sie geben das Ge­heimnis der Vierten Dimen­sion preis. Zeit.

Eigent­lich war es schon lange mein Wunsch, mir einmal eine Uhr selber zu bauen. Da ich aber das Elektro­hand­werk gelernt habe und nicht das der Uhr­macher­kunst, blieb mir die Er­füllung dieses Wunsches bis­her ver­wehrt.

Durch Zufall bekam ich das Buch „Vom Flip-Flop zur Quarz­uhr“ in die Hände. Nicht eben ein neues Buch, es wurde im Jahr 1976 ge­druckt und ist des­halb wohl nicht mehr ganz aktuell. Für mich war das je­doch der Wink des Schick­sals, denn ich wollte ja kein Fertig­modul, das nur noch mit der An­zeige und der Strom­ver­sorgung ver­lötet werden muss, ich wollte eine Quarz­uhr von Grund auf bauen, mo­dular, so dass ich bei jedem Schritt weiß, warum ich ihn aus­führe und was er be­wirkt.

 

Das Problem war nur, dass es die Bau­teile aus dem Jahre 1976 heute kaum noch zu kaufen gibt, so dass ich zahl­reiche Ände­rungen an der ur­sprüng­lichen Schal­tung vor­nehmen musste. So bezog ich dann auch die Schal­tung des 1Hz-Gene­rators aus dem Inter­net, und ich musste verschiedene Bau­teile durch Ver­gleich und Aus­probieren an­nähern.

Wie funktioniert die Uhr also prak­tisch? Am Anfang steht der Quarz. Er wird durch ge­eignete Be­schaltung zum Schwingen an­ge­regt. In diesem Falle exakt 4.194.304 mal pro Se­kunde. Warum so ein selt­samer Wert? Die Er­klärung liegt in der nächst folgenden Ein­heit. Hier wird die ein­treffende Fre­quenz durch zwei ge­teilt, diese dann wieder durch zwei und so fort - zwei­und­zwan­zig mal. Und auf diese Weise wird aus 2 hoch 22 (4.194.304) genau 1. Am Ende dieser Herunter­teilerei haben wir also ein Recht­eck­signal von äußerst prä­zise einem Hertz - einer Schwingung pro Se­kunde. Dieser 24-stufige Fre­quenz­teiler (zwei Stufen werden nicht ge­braucht) ist ein CMOS-IC mit der Be­zeich­nung 4521. 

 

Was mache ich nun mit diesem Signal? Ich führe es einem Zähler (74LS90) zu. Er zählt die Im­pulse und gibt die Summe als BCD-Code aus. Nach 9 springt er wieder auf 0 und gibt einen Zähl­impuls an die nächste Stufe ab. Diese darf dann aber nur bis 5 zählen, da­nach wieder auf 0 springen und an die nächste Stufe einen Zähl­impuls weiter­geben. Ich habe also die Stufen Se­kunden-Einer, Se­kunden-Zehner, Mi­nuten-Einer, Mi­nuten-Zehner, Stun­den-Einer und Stun­den-Zehner. An jede dieser Stufen schließt sich ein De­koder­bau­stein (74LS47) an, der den an­ge­lieferten BCD-Code in für 7-Seg­ment­an­zeigen ver­ständ­liche Signale um­setzt. Schließlich haben wir noch die Steue­rung von außen, mit der die Se­kunden auf Null ge­setzt und die Stunden se­parat ein­ge­stellt werden können. Als Extra habe ich schließ­lich noch einen Schnell-Lauf ein­ge­baut, mit dem die Funktion der Uhr im Zeit­raffer über­prüft werden kann und die Minuten einiger­maßen kom­for­tabel ein­ge­stellt werden können.

Außerdem habe ich noch eine Nacht­schaltung ein­ge­baut, um die doch recht helle An­zeige deut­lich ab­zu­dunkeln - die Uhr be­leuchtet sonst mühe­los einen ganzen Raum.

Aufgebaut habe ich das Ganze auf Löt­punkt-Loch­raster­platinen. Die ICs wurden alle ge­sockelt, zum einen wegen der schwer kal­ku­lier­baren Löt­hitze, zum anderen wegen der ein­fachen Aus­tausch­bar­keit im Fehler­falle. Die 7-Seg­ment­an­zeigen sind grüne, extra große, gut ab­les­bare Module mit 25mm Ziffern­höhe. Die Strom­ver­sorgung ist ein fertig auf­ge­bauter Schalt­netz­teil-Bau­stein, der mir un­er­schütter­liche 5V liefert, ohne die die empfind­lichen TTL-Bau­steine nicht richtig funktio­nieren würden.

Hier ist ein­mal der ge­samte Schalt­plan für alle, die es interessiert. Alle roten Pfade liegen auf +5V, alle blauen an 0V (GND). Grün ist die Spannungs­ver­sorgung der 7-Seg­ment­an­zeigen und der Trenn­punkte hinter dem Tag/Nacht-Schalter. Den 22pf-Kon­den­sator parallel zum Justage-Trimmer habe ich später ent­fernt. Alle ICs außer dem 4521 sind TTL-Bau­steine. Er­stellt wurde die Zeich­nung von mir mit dem simpel­sten Zeichen­pro­gramm der Welt: MS-Paint.


In der oberen Ani­ma­tion kann man sehr gut beobachten, wie 60 Se­kunden ab­laufen. Rechts sind die Se­kun­den-Einer, links die Se­kun­den-Zehner. Der 1-Hertz-Ge­ne­rator liefert ab­wechselnd +5V (High) und 0V (Low).

Die Aus­gänge (nach oben) des 7490 sind binär, d.h. der erste Aus­gang zählt die Einer, der zweite die Zweier, der dritte die Vierer und der vierte die Achter. Die Summe der Aus­gänge er­gibt dann den tat­säch­lichen Wert. Des­weiteren hat der 7490 - für diese An­wendung ver­ein­facht dar­ge­stellt - noch einen Signal-Ein­gang (von rechts) und einen Re­set-Ein­gang (von unten). 

Auch die Wirkung des 7400 wird hier nur sche­ma­tisch dar­ge­stellt. Wenn die Se­kun­den-Zehner auf 6 wechseln, also beide Ein­gänge des 7400 (von oben) High sind, be­wirkt das einen Re­set auf beiden Zählern (7490 unten), wo­durch diese auf 0 springen.


 

Rote Pfade sind logisch High. Wie man sieht, rea­gieren die 7490er-Bau­steine nur auf ab­fallende Flanken, d.h. auf den Wechsel von High nach Low. Der 7400 schaltet hin­gegen, wenn beide Ein­gänge High sind. Des­halb er­scheint die an­ge­deutete 6 im Se­kun­den-Zehner auch nicht wirk­lich – der Wechsel zur Null ge­schieht zu schnell für das Auge.

In der unteren Ani­ma­tion ist die Schal­tung für die 24-Stunden-An­zeige dar­ge­stellt. Der Stunden-Einer befindet sich rechts und der Stunden-Zehner links. Der Reset der beiden 7490 durch den 7400 wird ge­triggert, wenn der Zehner auf 2 steht und der Einer auf 4 springt. 

Auch in diesem Fall wird die an­ge­deutete 24 nicht sicht­bar, da die Um­schal­tung auf 00 in Bruch­teilen von Se­kunden er­folgt.

Der Aufbau

  Das „Mother­board“ in fast jung­fräu­lichem Zu­stand. Die Sockel für die ICs sind be­reits ein­ge­lötet. Die Wider­stände oben ver­sorgen je ein Ele­ment der 7-Seg­ment-An­zeigen. Unten links sieht man den Schwing­kreis mit dem Quarz (im Metall­ge­häuse) und die spär­liche Be­schaltung mit ein paar Wider­ständen und Kon­den­sa­toren.
  Hier sieht man die Rück­seite. Alle An­schluss­drähte werden an je einem Löt­punkt ver­ankert und bündig ge­kappt. Oben und unten sieht man be­reits die „Schienen“ für die Gleich­spannung. Von hier aus werden später alle Bau­teile mit Be­triebs­spannung ver­sorgt - in diesem Fall 5V, da alle TTL-Logik­module genau diese Spannung be­nötigen. Dem CMOS-Chip ist es egal, der ver­trägt 3 bis 18V.
Auf einer weiteren Loch­raster­platine werden die 7-Seg­ment-An­zeigen auf­ge­lötet. Wie man deut­lich sehen kann, handelt es sich um acht An­zeige-Ele­mente - der kleine Punkt kann auch akti­viert werden. Den­noch hat sich der Name ein­ge­bürgert. Die grünen LEDs zwischen den Blöcken dienen der optischen Trennung, also der besseren Ab­les­bar­keit. Sie werden separat an­ge­steuert
Hier ist die Rück­seite der An­zeige-Pla­tine schon teil­weise mit An­schluss­drähten ver­sehen. Rot liegt immer an +5V. Die schwarzen Drähte werden ge­gebenen­falls durch einen der BCD-De­coder über einen Vor­wider­stand auf Masse ge­zogen - dann leuchtet das zu­ge­hörige Seg­ment.
Die erste Anzeige (Sekunden-Einer) funktioniert bereits. Ich habe jeweils immer nur eine Baugruppe komplett fertig gestellt und sofort geprüft. Das erspart einem die Fehlersuche, falls am Ende etwas nicht funktionieren sollte - irgendwas ist ja immer.
Die An­zeige-Bau­gruppe habe ich mit eini­gen festen Drähten auf­recht an das Mother­board ge­lötet. Eigent­lich war das nur ein Pro­vi­sorium, um das Ganze besser hand­haben zu können. Aber letzten­endes blieb es dann bei dieser An­ordnung. Alle Ver­bindungs­drähte sind an­gelötet, der Schwing­kreis schwingt be­reits, der Teiler teilt und der erste Zähler zählt. Neu hin­zu­ge­kommen sind die zwei Treiber­transis­toren oben links für eine kleine grüne LED zur Funk­tions­kon­trolle so­wie zur Ver­stärkung des Zähl­im­pulses aus dem Teiler. Mittig sieht man schon die Schal­tung zum Ein­stellen der Stunden.
Jetzt funktionieren auch die Sekunden-Zehner. Wie man sieht, greift je­doch die Logik­schaltung, die die Se­kunden auf 59 be­grenzt, noch nicht in das Ge­schehen ein. Die An­zeige läuft noch bis 99. Die beiden Vier­fach-NAND-Gatter 74LS00 be­wirken später durch ge­zielte Re­sets, dass die Se­kunden bzw. Mi­nuten nur noch bis 59, die Stunden nur bis maxi­mal 23 laufen (siehe unter Theorie).
Die Minuten laufen wie ge­plant. Die NAND-Gatter tun be­reits ihren Dienst. Der blaue und der rote Draht ver­sorgen später die Trenn­punkte, die grünen LEDs zwischen den Blöcken. Die kleine grüne LED ganz rechts dient nur der op­tischen Funk­tions­kon­trolle des 1-Hz-Gene­rators.
Die Uhr­zeit­an­zeige ist kom­plett. Auch die Trenn­punkte leuchten schon. Die habe ich aber später mittels eines höheren Vor­wider­stands (1,5 kOhm) noch deutlich ab­ge­dunkelt. Leider trifft auch der  Grünton der LEDs den der 7-Seg­ment-An­zeigen nicht ganz genau, aber das fällt später kaum auf.
So sieht die ge­samte Schal­tung am Ende aus. Alle ICs sind ein­ge­setzt, alle Draht­brücken ein­ge­lötet. Die Schalter bzw. Taster für die Be­dienung sind pro­vi­so­risch an langen Drähten an­ge­bracht.
Irgendwie war in der Original­schaltung der Wurm drin - oder ich habe (was wahr­schein­licher ist) einen Fehler bei der Ver­drah­tung ge­macht. Wie auch immer: ich brauchte noch ein zu­sätz­liches NAND-Gatter, und das habe ich aus Platz­er­spar­nis­gründen auf dieses senk­recht auf­ge­setzte Platin­chen montiert (im Schaltplan unten rechts). Es sorgt dafür, dass nach 23:59 wieder 00:00 erscheint.

Ende gut, alles gut. Alles funk­tioniert, wie es soll.

Hier sieht man eine Detail­auf­nahme von der Unter­seite der Haupt­platine (die ich immer liebe­voll Mother­board nenne). Die Löt­punkte liegen exakt ein zehntel Zoll (2,54mm) aus­ein­ander. Für die Ver­bindungen habe ich fein­drähtige Litze in Leiter­paare auf­ge­trennt und mit Löt­zinn über­zogen. Bei den geringen Strömen, die hier fließen, reicht der Quer­schnitt pro­blem­los aus. Be­nach­barte Löt­punkte können auch einfach durch Ziehen des Löt­kolbens unter reich­licher Lot­zu­gabe ver­bunden werden. Am unteren Rand sieht man eine der beiden „Strom­schienen“ für die Spannungs­ver­sorgung. Diese haben einen etwas größeren Quer­schnitt als die Ver­bindungs­dräht­chen.
Um die Ge­nauig­keit der Uhr noch etwas zu er­höhen, habe ich einen kleinen Trimm­kon­den­sator hin­zu­ge­fügt. Den 22pF-Kon­den­sator habe ich später mit dem Seiten­schneider ent­fernt. Leider hat das alles nicht viel ge­bracht. Die Uhr verliert pro Tag etwa eine Se­kunde. Der Quarz ist ein billiges, nicht tem­pera­tur­kom­pen­siertes Bau­teil, dessen Wert eine hohe Streu­ung auf­weist. Durch Aus­tauschen des Quarzes könnte ich unter Um­ständen bessere Gang­werte er­reichen. Aber so wichtig ist mir das nicht. Ich stelle die Uhr einmal pro Woche ca. 10 Se­kunden vor - für mich ist das genau genug.

Der Einbau

Das Ge­häuse hat ein äußerst talen­tiertes Fa­milien­mit­glied für mich auf Maß ge­fertigt. Es be­steht aus ge­leimtem, massivem Ahorn­holz mit einem Streifen Ze­brano als op­tischer Auf­ockerung. Die Nuten an der Vorder­seite sind für die An­zeige­einheit und eine Acryl­glas­scheibe. Das ab­nehm­bare, mit Schrauben fixier­bare Teil ist der spätere Boden der Uhr.
Nach langem Suchen fand ich im Inter­net einen Ver­käufer, der ge­färbtes Acryl­glas in kleinen Mengen ver­treibt. Ich ent­schied mich für ein mitt­leres Grün, um den Kon­trast der An­zeige zu er­höhen. Außer­dem werden so die Farb­unter­schiede zwischen den Trenn­punkten und den An­zeige­seg­menten etwas kom­pensiert.
Auf der Suche nach dem ge­eig­neten Alu­minium­blech (na­tür­lich in kleinen Mengen und passender Stärke) fand ich dies hier im ört­lichen Bau­markt: so­ge­nanntes Warzen­blech, hoch­glänzend und 2mm stark. Es ließ sich recht ein­fach mit Stich­säge und Feile in die ge­wünschte Form bringen.
Die Stege habe ich nicht stehen lassen, da hier auch noch passende Löcher hätten ge­bohrt werden müssen. Das grüne Acryl­glas über­deckt aber auch diesen Makel später recht gut.
Die Haupt­platine ruht auf zwei Gummi­füßen, die mit der Boden­platte ver­schraubt sind. Die An­zeige­ele­mente habe ich mit Heiß­kleber von hinten in den Alu­minium­rahmen ge­klebt. Wenn man vor­her gründ­lich ent­fettet (Aceton), hält das bomben­fest.
Das fertige Netz­teil wird hängend mon­tiert, wobei ein Stück Anti­dröhn­matte für die akustische Ent­kopplung sorgt. Das Holz­ge­häuse ist ein sehr guter Re­so­nanz­raum und würde auch leisestes Brummen deut­lich nach außen tragen.
Die Aus­schnitte für die Be­dien­ele­mente habe ich mit Forst­ner­bohrern von außen nach innen durch­ge­bohrt.
Auf­grund der Dicke des Holzes konnten die Taster und der Schalter nicht wie üb­lich mit Über­wurf­muttern be­festigt werden. Also kam auch hier wieder Heiß­kleber zum Ein­satz. Kein Problem - sie werden nur auf Druck be­lastet.
Das Netz­kabel ist ein ein­faches Ge­räte­an­schluss­kabel von einem alten Kassetten­re­korder. Die An­schluss­kupp­lung habe ich ent­fernt und die ab­isolier­ten Leiter­enden mit Ader­end­hülsen ver­quetscht. Als Zugentlastung dient ein auf Maß geschnittener Streifen aus dünnem Kunststoff
Die Strom­versorgung und die Be­dien­ele­mente sind über aus­reichend lange Drähte mit der Haupt­platine ver­bunden.
Alles passt exakt zusammen. Fehlen nur noch die grüne Schutzscheibe und der Boden.
Die Schaumstoff-Füßchen waren noch Provisorien, die später gegen größere aus Filz ausgetauscht wurden. 

 

Fertig!

Die fertige Uhr. 

Sie läuft nun seit An­fang 2011 recht zu­ver­lässig. Ein­mal pro Woche wird sie einige Se­kunden vor­ge­stellt. Da sie recht empfind­lich auf elek­trische Störungen aus dem Netz und aus der Luft rea­gierte, habe ich das Ge­häuse später kom­plett mit Alu­folie aus­ge­kleidet. Dieser Fara­day­sche Käfig schützt sie jetzt zu­ver­lässig gegen star­tende Leucht­stoff­lampen und pul­sende DECT-Tele­fone.

Die Rückseite. 

Links ist der Sekunden-Reset. Bis zum Stand von 39 werden die Se­kunden auf null zurück­gesetzt. Ab 40 werden sie vor­ge­stellt und die Mi­nuten werden um eins er­höht.

In der Mitte befindet sich der 1-0-2-Schalter. In Stellung 1 läuft die Uhr normal. In Stellung 0 steht sie (die an­ge­zeigte Uhr­zeit ändert sich nicht). Stellung 2 ist der schnelle Vor­lauf, bei dem die Uhr mit 16-facher Ge­schwindig­keit läuft. Sehr hilf­reich beim Ein­stellen.

Mit dem rechten Taster werden die Stunden um eins er­höht. Das funktio­niert merk­würdiger­weise nur zwischen den Minuten 00 und 39. Er wird bei der In­be­trieb­nahme ge­braucht und bei der Um­stellung der Sommer/Winter­zeit.

Der Schalter unten ist für die Tag/Nacht­schaltung der An­zeige­hellig­keit. Er wurde nach­träglich ein­ge­baut.

So sieht sie jetzt von unten aus.

Nach einigen Jahren passierte es häufi­ger, dass die Uhr ohne je­den er­sicht­lichen Grund plötz­lich um mehre­re Mi­nu­ten vor- oder nach­ging. Ich hatte den Ver­dacht, dass sich mit der Zeit mikro­skopische Zinn­kristalle (Whiskers) ge­bildet haben könnten, die zu diesen un­vor­her­seh­baren Fehl­funk­tionen führten. Dieses Phäno­men ist seit längerem be­kannt und wird auf RoHS-kon­formen, blei­freien Löt­zinn zurück­ge­führt, den auch ich leider benutzt hatte. Ich habe dann die Haupt­pla­tine ein­mal auf der Rück­seite kräftig ab­ge­bürstet. Seit­dem ist die Stö­rung nie wieder auf­ge­treten. Ich werde die Sache weiter im Auge be­halten ...

 

 


 

 

 

Ausgewiesene wie auch nicht ausgewiesene Waren­zeichen und Marken­namen gehören ihren je­weiligen Eigen­tümern.
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