Elektronik-Projekt: DCF-Uhr mit CPLD
Elektronik-Projekt: DCF-Uhr mit CPLD
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Dieser Abschnitt beschreibt den Nachbau der DCF-Uhr. Das Herstellen der Platine wird hier nicht beschrieben, da hier jeder seine eigene Methode besitzt, außerdem werden industriell gefertigte Platinen (auch in der Einzelfertigung und auch für eine Privatperson) immer günstiger, so dass die Eigenfertigung immer mehr abnimmt.
Zu diesem Zweck können im Abschnitt 10 (Download)
die Layouts zu diesem Projekt gedownloadet werden.
Selbstverständlich können eigene Platinen entworfen werden, die den eigenen
Anforderungen entsprechen.
Achtung: Wird eine eigene Platine entworfen, so sollte folgendes beachtet werden: Es hat sich gezeigt, dass die Kupferfläche unter der Antenne (des DCF-Empfängers) entfernt werden muss. Mit der Kupferfläche war kein DCF-Empfang möglich, bzw. die Antenne konnte nicht direkt auf der Platine montiert werden. Im Bild 8.1 ist zu erkennen, dass ein erheblicher Teil auf beiden Seiten freigeätzt wurde.
Die Elektronik dieses Projektes wurde auf zwei Platinen aufgeteilt. Das Bestücken einer Platine ist erst dann sinnvoll, wenn alle für diese Platine benötigten Bauteile vorhanden sind. Es sollten generell nur erstklassige und neuwertige Bauteile verwendet werden. Auf Bauteile aus ausgeschlachteten Geräten sollte grundsätzlich verzichtet werden, da ihre Funktionalität nicht gewährleistet ist, und eine unnötige Fehlersuche dadurch vermieden werden kann.
Weiters sollte ausreichend Platz und vor allem ausreichend Zeit für die Bestückung der Platinen vorhanden sein.
Steuerplatine:
Die Bauelemente entsprechend Bild 8.2. (Bestückungsplan), der folgenden
Reihenfolge, der Stückliste und dem
Schaltplan (Abschnitt 3. Schaltungsbeschreibung)
bestücken. Die nach dem anlöten überstehenden Anschlüsse mit einem kleinen Seitenschneider
entfernen.
Achtung: Bauteile, die an einem Ende mit Masse verbunden sind, sollten sofern dies
Möglich ist sowohl an der Lötseite als auch an der Bauteilseite angelötet werden (z.B.
bei den Keramikkondensatoren). Der Grund dafür ist, dass sonst die Massefläche unterbrochen wird.
Reihenfolge zur Bestückung der Steuerplatine:
Durchkontaktierungen (8 Stück) gemäß Bild 8.1. Tipp: Ich verwende für die
Durchkontaktierungen nur ein Stück Draht, welches ich an beiden Seiten der Platine
anlöte. Die überstehenden Reste entferne ich mit einem Seitenschneider.
Quarz X1 (32,768 kHz)
Widerstände R1, R56, R58 (je 10k), R2 (10M), R3 (100k), R4, R19, R20, R35-R55
(je 1k), R5-R18, R21-R34 (je 220 Ohm) und R57 (470 Ohm): Tipp: Vor dem Einlöten
des Widerstandes diesen überprüfen, auch wenn die Bauteile in einem Regal
sortiert sind. (z.B. mit einem Multimeter). Die Praxis hat gezeigt, dass sich hin und
wieder doch falsche Bauteilwerte in das Regal eingeschlichen haben. Dies gilt nicht
nur für Widerstände, sondern auch für Dioden, Kondensatoren, Transistoren usw.
Einen 0-Ohm-Widerstand oder eine Drahtbrücke (siehe Bild 8.2.)
Diode D10 (1N4001): Achtung: Polarität beachten!
IC-Fassungen für IC2 (14polig), IC3-IC8 (je 16polig) und IC9 (20polig): Tipp 1:
Obwohl es bei den Fassungen elektrisch gesehen egal ist wie die Fassungen
eingelötet sind, sollte man doch die Fassung so einlöten, dass die Kerbe in die
richtige Richtung zeigt. Dies erleichtert das spätere Einsetzten der ICs bzw.
erleichtert die Arbeit bei einem IC-Tausch. Tipp 2: Beim Einlöten der Fassungen
sollte man wie folgt vorgehen: Fassung an der einzusetzenden Stelle lagerichtig
einsetzen und zunächst nur einen beliebigen Eckpin anlöten. Fassung kontrollieren
und eventuell Nachlöten. Sitzt die Fassung ordentlich, den gegenüberliegenden Pin
anlöten. Fassung wieder kontrollieren und eventuell nachlöten. Erst wenn Sie mit
der Lage der Fassung zufrieden sind, die restlichen Pins anlöten.
Tantal C7 (1µF/35V): Achtung: Polarität beachten! (der längere Anschluss ist der Pluspol)
Keramikkondensator C3 (39pF)
Keramikkondensator C8 (10nF)
Keramikkondensatoren C5, C6, C12, C16 (je 100nF) und C9, C10, C11, C13, C14 (je 220nF)
Keramikkondensator C2 (10pF)
Transistor T1 (BC547B): Achtung: Polarität beachten!
Buchse für Netzteil
PLCC-Fassung für IC1 (84polig): Tipp 1: Obwohl es bei den Fassungen elektrisch
gesehen egal ist wie die Fassungen eingelötet sind, sollte man doch die Fassung so
einlöten, dass die abgeschrägte Ecke in die richtige Richtung zeigt. Dies erleichtert
das spätere Einsetzten der ICs bzw. erleichtert die Arbeit bei einem IC-Tausch. Tipp
2: Beim Einlöten der Fassungen sollte man wie folgt vorgehen: Fassung an der
einzusetzenden Stelle lagerichtig einsetzen und zunächst nur einen beliebigen
Eckpin anlöten. Fassung kontrollieren und eventuell Nachlöten. Sitzt die Fassung
ordentlich, den gegenüberliegenden Pin anlöten. Fassung wieder kontrollieren und
eventuell nachlöten. Erst wenn Sie mit der Lage der Fassung zufrieden sind, die
restlichen Pins anlöten.
Leuchtdioden D3, D4, D5, D6, D12 (je 3mm, gelb), D7, D9 (je 3mm, rot) und D8,
D11(je 3mm, grün): Achtung: Polarität beachten! Der längere Anschluss ist die
Anode (plus), der kürzere demnach die Kathode (minus).
Mini-Elkos C1, C4 (je 10µF/35V) und C15 (22µF/35V): Achtung: Polarität beachten
Stiftleiste für die Jumper und die JTAG-Schnittstelle
Spannungsregler IC10 (7805): Achtung: Polarität beachten!
Hebelschalter S1
Anzeigeplatine:
Die Bauelemente entsprechend Bild 8.3. (Bestückungsplan), der folgenden
Reihenfolge, der Stückliste und dem
Schaltplan (Abschnitt 3. Schaltungsbeschreibung)
bestücken. Die nach dem anlöten überstehenden Anschlüsse mit einem kleinen Seitenschneider
entfernen.
Reihenfolge zur Bestückung der Anzeigeplatine:
Buchsenleiste für LD1 bis LD4 (je 2x5polig) und LD5 (2x9polig): Tipp: Bei
mehrpoligen Buchsenleisten zuerst den ersten Pin anlöten, Buchsenleiste
anschließend ausrichten, eventuell nachlöten, dann den letzten Pin anlöten,
Buchsenleiste eventuell ausrichten und/oder nachlöten. Erst danach die restlichen,
dazwischen liegenden Pins anlöten.
Leuchtdioden D1 und D2 (je 5mm, rot): Achtung: Polarität beachten! Der längere
Anschluss ist die Anode (plus), der kürzere demnach die Kathode (minus).
ICs noch nicht in die Fassungen einsetzen, das DCF-Modul noch nicht montieren,
und auch die Betriebsspannung noch nicht anschließen.
Zuerst mit einem Multimeter prüfen, ob zwischen Betriebsspannung (+5V) und
Masse kein Kurzschluss herrscht. (Multimeter im Mode "Durchgangstester" z.B. am
IC-Sockel für IC2 an den Pins 7 (GND) und 14 (+5V) messen. Diese Messung kann
auch am IC-Sockel für IC3 bis IC8 an den Pins 8 (GND) und 16 (+5V) oder an IC9
an den Pins 10 (GND) und 20 (+5V) durchgeführt werden. Multimeter nach wie vor
im Mode "Durchgangstester". Eventuell festgestellte Kurzschlüsse müssen natürlich
aufgespürt und entfernt werden!
Alle Jumper stecken
Eine Spannungsquelle oder das Steckernetzteil mit einer Spannung von etwa 7,5V
anschließen und die DCF-Uhr mit dem Hebelschalter (S1) einschalten. Nun sollte
die grüne Leuchtdiode D11 leuchten. Leuchtet diese Leuchtdiode nicht, sofort
prüfen, ob der Spannungsregler heiß wird. Wird dieser heiß, so liegt ein Kurzschluss
vor, welcher natürlich aufgespürt und entfernt werden muss!
Leuchtet die grüne Leuchtdiode (D11), überprüfen, ob auch an den ICs die
Spannung an den entsprechenden Pins anliegt. Wird keine oder eine grob
abweichende Spannung als 5 Volt gemessen, so liegt ein Bestückungsfehler vor,
welcher unbedingt aufgespürt und beseitigt werden muss.
Ist die Spannung okay, entweder die Stromversorgung abschalten, oder die Platine
von der Stromversorgung trennen.
DCF-Modul gemäß Bild 8.4. im ausgeschalteten Zustand montieren
IC1 (EPM7128), IC2 (74HCU04) IC3 bis IC8 (74LS47) und IC9 (74HCT563) im
ausgeschalteten Zustand einsetzen. Achtung: Auf die Polarität achten!
Spannung wieder anlegen bzw. einschalten
Das CPLD (IC1) mit einem entsprechenden Downloadkabel programmieren (siehe
auch Abschnitt Programmieren)
Ist das Programmieren nicht möglich, alle Leiterbahnen zwischen JTAG-Schnittstelle
und CPLD (IC1) überprüfen.
War das Programmieren erfolgreich, so kann nun eine erste Funktionskontrolle
erfolgen:
DCF-Uhr ausschalten und Downloadkabel entfernen
DCF-Uhr an einem Ort aufstellen, wo ein guter DCF-Empfang möglich ist.
Nach dem Einschalten müssen zumindest die Leuchtdioden D11
(Einschaltkontrolle) und D7 ("Fehler") leuchten.
Nach einer Weile muss auch die Leuchtdiode D12 zu "blinken" beginnen,
wobei die Leuchtdiode länger leuchtet, und nur sehr kurz erlischt. Gleichzeitig
zeigen die Leuchtdioden D3 bis D5 an, ob ein Low (LO), High (HI) oder ein
ungültiges (?) Bit empfangen wurde. Letzteres sollte aber bei einem guten
DCF-Empfang nicht auftreten!
Ist dies soweit erfolgreich, DCF-Uhr wieder ausschalten
Steuer- und Anzeigeplatine mit kurzen (ca. 2,5cm) langen isolierten Drähten
verbinden. Dazu eigenen sich ganz besonders die Drähte eine Flachbandkabels.
Aufsteckkühlkörper auf den Spannungsregler (IC10) aufsetzen.
7-Segment-Anzeigen im ausgeschalteten Zustand einsetzen. Achtung: Auf die Polarität achten!
Spannung wieder anlegen bzw. einschalten
Nun müssen wieder zumindest die Leuchtdioden D11 (Einschaltkontrolle) und D7
("Fehler") leuchten. Nach einer Weile muss auch die Leuchtdiode D12 zu
"blinken" beginnen (so wie schon bei Schritt 4)
Die Leuchtdioden D3 bis D5 zeigen auch hier wieder an, ob ein Low (D3 leuchtet)
oder ein High (D4 leuchtet) empfangen wurde, oder ob es sich bei dem
empfangenen Daten um kein gültiges Bit gehandelt hat (D5 leuchtet).
Bei einem Minutenwechsel erlischt die "Fehler"-Leuchtdiode (D7). Diese
Leuchtdiode wird erst wieder zum Leuchten gebracht, wenn auch die Leuchtdiode
D5 kurz aufleuchtet, also wenn kein gültiges Bit empfangen wurde.
Wurde ein komplettes DCF-Telegramm fehlerfrei empfangen, so leuchtet die grüne
"SYNC"-Leuchtdiode (D6) auf. Gleichzeitig zeigen auch die 7-Segment-Anzeigen die
aktuelle Uhrzeit an, und die Leuchtdioden D1 und D2 blinken im Sekunden-Takt.
2 Befestigungsstücke (z.B. aus Aluminium) gemäß Bild 8.5 vorbereiten
Frontplatte aus der roten Acrylglas-Scheibe (siehe Stückliste)
gemäß Bild 8.6 vorbereiten. Zusätzlich die Bohrungen auf einer Seite Senken, so dass
Senkkopfschrauben eben abschließen.
Bild 8.7. zeigt wie Platinen und die Frotplatte zu montieren sind
Geschafft! Bild 8.8. zeigt die fertige DCF-Uhr im Betrieb.
Autor: Buchgeher Stefan
