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Progetti Elettronici

CRONOMETRO MILLESIMALE C/MOS

(1/1000 second Digital Stopwatch with C/MOS integrated circuits)

INTRODUZIONE    [ TORNA ALL'INDICE ]

Di cronometri con risoluzione da 1/1000 di secondo (1/1000 second Stopwatch) auto-costruiti non se ne trovano molti. Probabilmente perché difficili da realizzare (con o senza Microcontrollore), o forse perché sono strumenti con scarso interesse, poiché quasi tutti gli orologi da polso hanno già un cronometro (centesimale) incorporato. Qualcuno, poi, potrebbe obiettare che, una volta costruito, questo cronometro non sarà mai preciso al millesimo di secondo, ma questo, semmai, è un altro discorso, più legato ai tempi di reazione o all'inerzia degli attuatori utilizzati per avviare e fermare lo strumento.

Detto questo, alla fine ho realizzato il mio cronometro millesimale, ma la verità è che volevo farlo sfruttando un bel PICmicro: ben presto, però, mi sono reso conto che gestire questo genere di strumenti con un microcontrollore non è per nulla semplice, specialmente poi se si utilizzano 9 display a 7 segmenti anziché usare un più comodo e duttile modulo LCD (e comunque, anche il progetto di un cronometro LCD a Microcontrollore è stato realizzato e lo potete trovare in questa pagina).

L'idea di sfruttare semplicemente una serie di circuiti integrati C/MOS ha premiato il mio impegno ed in questo articolo troverete tutte le indicazioni per realizzare anche voi un perfetto e preciso Cronometro Millesimale.

Di seguito, le caratteristiche del Cronometro Millesimale con C/MOS.

• Alimentazione 9Vca / 10Vca.
• Risoluzione 0.001 s (1 ms).
• Range di misura: da 1 ms a 99h 59' 59" 999 ms.
• 9 Display a 7 segmenti da 13 mm (5.12 inch).
• Base dei tempi esterna con precisione al quarzo.
• Comandi: START, STOP e RESET.

LO SCHEMA ELETTRICO DEL CRONOMETRO    [ TORNA ALL'INDICE ]

La figura successiva riporta lo schema elettrico completo del CRONOMETRO MILLESIMALE (cliccare sulla figura per ingrandirla).

Il circuito è abbastanza "vasto" per questo ho deciso di dividerlo in 3 parti ben distinte, ognuna delle quali facente capo a una propria scheda PCB (vedere paragrafo REALIZZAZIONE PRATICA DEL CRONOMETRO).

L'idea di base è alquanto semplice: si crea una base dei tempi che genera un segnale con frequenza a 1000 Hz (periodo = 0,001 sec. cioè 1 ms) e se ne contano gli impulsi grazie ad una serie di circuiti integrati contatori/divisori per 10 (CD4026) collegati in serie o, se preferite, in cascata. I circuiti integrati CD4026, oltre che contare e dividere gli impulsi in ingresso, hanno le uscite codificate per pilotare direttamente i display a 7 segmenti: in questo modo non sono richiesti altri circuiti integrati per la decodifica "7 segment".

LA SEZIONE POWER SUPPLY E BASE DEI TEMPI    [ TORNA ALL'INDICE ]

Questa sezione gestisce sia la base dei tempi a 1000Hz per il conteggio cronometrico, sia la frequenza di multiplexer per i 9 display. Inoltre, in questa sezione, sono generate le tensioni di alimentazione (+8 V e +5 V) necessarie per il corretto funzionamento dell'intero Cronometro Millesimale.

Per ottenere una buona precisione, ho realizzato la base dei tempi a 1000Hz partendo da un quarzo da 26 MHz: una prima divisione per 16 è eseguita dall'integrato U14 (M74HC4060B1 della STMicroelectronics) al cui piedino 7 sarà presente una frequenza pari a 1625 kHz (24000000/16=1625). Successivamente, U13 (HEF4059, contatore/divisore programmabile) esegue una seconda divisione per 1625 volte, per questo al suo piedino 23 avremo un "treno di impulsi" a 1000 Hz, frequenza molto stabile e precisa (siamo partiti da 24000000 Hz per arrivare a soli 1000 Hz). Due NAND di U15 (CD4011) sono collegati insieme per realizzare un multivibratore bistabile, necessario per azionare (START) e fermare (STOP) il cronometro: questo bistabile pilota il transistor Q12 il quale abilita (START) o inibisce (STOP) la base dei tempi a 1000 Hz. Gli altri due NAND di U15 (U15A e U15B) sono utilizzati come oscillatore e generano la frequenza di multiplexer che vale circa 1400 Hz. Il circuito può essere alimentato sia con una tensione alternata di 9-10 Vca sia con una tensione continua di 11-12 Vcc (con almeno 300 mA di corrente erogabile).

La precisione del cronometro dipende quasi esclusivamente dalla buona qualità del quarzo e dai due condensatori C4 e CV1. Il compensatore CV1 è utile per "correggere" eventuali piccole tolleranze del quarzo: per la taratura, collegare il puntale di un frequenzimetro sul pin 9 di U14 (CD4060) e regolare il compensatore fino a leggere una frequenza esatta di 26000000 Hz. Tuttavia, è possibile utilizzare anche per CV1 un condensatore fisso da 68pF ed eventualemnte sostituirlo con il trimmer solo nel caso in cui il cronometro non fosse abbastanza preciso (specialemnte sui tempi lunghi).

Lo stabilizzatore U16 (uA7808) fornisce la tensione di alimentazione all'intero circuito, mentre un altro stabilizzatore (vedi U18, un 78L05 da 100mA) alimenta solo il chip M74HC4060, il quale ha bisogno di una tensione di alimentazione massima pari a +6 V. La taratura va fatta agendo sul compensatore CV1: con l'ausilio di un frequenzimetro di precisione, collegarne i puntali fra la massa ed il piedino 23 di U13 (HEF4059B) fino a leggere una frequenza di valore pari a 1000,000 Hz. Il condensatore C16 (unitamente a C17 presente nella successiva scheda COUNTER) fa in modo che all'accensione, il cronometro si posizioni in stand-by visualizzando sul display il valore 00:00:00.000.

Nella foto seguente, la scheda della Base dei Tempi.

LA SEZIONE COUNTER (CONTEGGIO E MULTIPLEXER)    [ TORNA ALL'INDICE ]

Questa sezione, il cui schema elettrico è riportato nella successiva figura, è il cuore di tutto il progetto.

Ognuno dei 9 circuiti integrati CD4026, collegati in serie tra loro, funziona sia come contatore sia come divisore per 10. Questo significa che, applicando il segnale da 1000 Hz proveniente dalla Base dei Tempi all'ingresso del primo integrato (piedino 1 di U1), all'uscita dello stesso (piedino 5 di U1) sarà presente lo stesso segnale diviso per 10, cioè un'onda quadra di valore pari a 100 Hz. Tale segnale è applicato al secondo divisore che lo dividerà ancora per 10 ottenendo in uscita un'onda quadra con frequenza pari a 10 Hz e così via per tutti gli altri integrati della serie.

Il primo divisore (U1) pilota il display che visualizza i millesimi di secondo, mentre l'ultimo (U9) pilota il display che visualizza le decine di ore. Vista la velocità con cui si aggiornano i primi due display a destra (millesimi e centesimi) l'occhio umano non riesce a leggerne chiaramente le cifre, cosa che invece può essere fatta già dai display che visualizzano i decimi di secondo e ovviamente, tutti gli altri (secondi, minuti e ore). La presenza dei 63 diodi (1N4148) in serie alle uscite dei CD4026 è molto importante ed indispensabile per i motivi che potete facilmente immaginare.

La pressione del pulsante di RESET (vedi S1) azzera tutti i contatori ed i display, ma per evitare reset accidentali, questo comando funziona SOLO se il conteggio è in pausa (non è possibile azionare il comando di RESET durante un conteggio) e tutto questo grazie al gate AND a tre ingressi (vedi U11C) contenuto nell'integrato CD4073.

Gli altri 2 gate AND del CD4073 (U11A e U11B) sono stati usati per fare in modo che il conteggio fosse di tipo sessagesimale: in altre parole, U5 e U7 sono azzerati nel momento in cui essi ricevono il sesto impulso in ingresso in modo tale che la cifra inviata al display sia uno "0" anziché un "6".

L'integrato U10 (CD4017) è un contatore Johnson a 10 uscite: le prime 9 sono utilizzate per attivare in sequenza i CD4026 ed i corrispondenti display in modo tale da realizzare un "multiplexer" mentre la decima uscita, collegata al pin di Reset (vedi piedino 15) fa in modo che il conteggio sia azzerato all'arrivo del decimo impulso con conseguente riattivazione della prima uscita e così via (ad ogni impulso di Clock, il CD4017 attiva in sequenza una delle sue 10 uscite).
Il condensatore C17 (unitamente a C16 presente nella scheda POWER SUPPLY e BASE DEI TEMPI) fa in modo che all'accensione, il display visualizzi il valore 00:00:00.000.

Nella foto seguente, la scheda Counter.

LA SEZIONE DISPLAY    [ TORNA ALL'INDICE ]

Questa sezione ospita i 9 display per la visualizzazione (vedi schema elettrico nella figura successiva).

Il circuito integrato ULN2004 (vedi U17) è estremamente importante perché esso "pilota" singolarmente i 7 segmenti di ciascun display (con i componenti segnati nel circuito, su ogni display scorre una corrente di circa 18-20 mA).

Ed ecco la foto della scheda display.

REALIZZAZIONE PRATICA DEL CRONOMETRO    [ TORNA ALL'INDICE ]

Nelle schede COUNTER e DISPLAY ci sono molti ponti da inserire (sono quelli disegnati in rosso nelle figure dei PCB): è il prezzo che si paga per evitare i circuiti a doppia faccia, difficili e laboriosi da realizzare specialmente a livello hobbistico. Nelle successive figure sono riportati i PCB (a sinistra) ed i relativi Master in versione Copper sideo Lato rame (Per scaricare le immagini, cliccare su quella desiderata e, una volta ingrandite, con il tasto destro del mouse scegliere l'opzione 'Salva con Nome' oppure 'Salva immagine con Nome").
Se invece avete bisogno dei Master in versione Mirror Side (Specchio), essi sono riportati nel manuale tecnico che potete scaricare nella sezione DOWNLOAD in fondo alla pagina.

Consiglio vivamente di applicare allo stabilizzatore 7808 un'aletta di raffreddamento (specialmente se si utilizza un trasformatore con uscita in alternata superiore ai 9-10 Vca oppure se si alimenta il circuito con una tensione continua superiore ai 12 Vcc) come visibile nella foto successiva.

L'assorbimento del circuito è di circa 180 mA.

Per quanto riguarda i LED separatori, dovrete necessariamente utilizzare il tipo da 3 mm, limandone leggermente le pareti e i bordi e, prima di montarli, applicare su ognuno di essi un pezzo di termo-restringente (vedi foto successive) grazie al quale i Led, una volta accesi, simuleranno alla perfezione i punti luminosi di separazione.

Se invece sceglierete il particolare tipo di LED "a punto" da 2 mm (come ho fatto io, utilizzando i LED gialli visibili nelle foto successive) non dovrete limare niente, anche se è sempre consigliabile applicare ad ogni LED un pezzo di termo-restringente così da "restringere" il campo di diffusione alla sola superficie del LED stesso: anche in questo modo si simulano alla perfezione i puntini separatori.

(NB-Per coloro i quali utilizzeranno i LED gialli, consiglio di modificare il valore delle resistenze R11 e R12 portandolo dagli attuali 270 a 180 ohm ed il valore della resistenza R10 da 470 a 330 ohm).

Consiglio inoltre di colorare con un pennarello nero le superfici dei display che sono più vicine ai Led separatori (in alternativa si può applicare del nastro adesivo nero): in questo modo, si migliora la visualizzazione dei Led evitando fastidiose rifrazioni di luce (vedi foto successive).

I COLLEGAMENTI DELLE SCHEDE    [ TORNA ALL'INDICE ]

Per collegare tra loro le 3 schede, saranno necessarie tre piattine, un trasformatore da 9-10 Vca (oppure una tensione in continua da 12 Vcc), un interruttore di alimentazione e 3 pulsanti per i comandi START, STOP e RESET, il tutto collegato come mostrato nella seguente figura.

E questo è il risultato finale delle schede collegate tra loro.

TARATURA (Adjustment)    [ TORNA ALL'INDICE ]

Come già accennato, la taratura si fa semplicemente agendo sul compensatore CV1 (vedi la sezione POWER SUPPLY e BASE DEI TEMPI) in modo tale da avere una frequenza stabile e precisa di 1000,000 Hz sul piedino 23 di U13 (HEF4059B): il tutto dovrebbe essere fatto con un frequenzimetro di precisione ed, ovviamente, dopo aver dato lo START al cronometro.

Le 3 schede sono state installate in un contenitore TEKO mod. Pult 364.8 all'interno del quale ho installato anche il trasformatore. Per il collegamento alla rete elettrica è necessario un cavo standard da collegare alla presa installata nella parte posteriore del contenitore. Per accenderlo, ho previsto un interruttore posto sulla parete frontale del contenitore.

Di seguito, alcune foto del cronometro millesimale.

DOWNLOAD    [ TORNA ALL'INDICE ]

Nel manuale PDF (che potete scaricare cliccando sul link riportato qui sotto) troverete gli schemi elettrici, i disegni dei master e dei PCB, lo schema dei collegamenti e l'elenco completo dei componenti.

Scarica il manuale del progetto (4.6 MB)

MODIFICA PER COMANDI REMOTI    [ TORNA ALL'INDICE ]

Per utilizzare in remoto i comandi Start-Stop è sufficiente collegare alcuni componenti (in totale, 4 diodi 1N4148 e 2 resistenze da 100 ohm) in parallelo ai pulsanti omonimi come visibile nel seguente schema elettrico:

Alle prese J1 e J2 possono essere collegati i contatti di un relè, di un pulsante o qualsiasi altro attuatore in grado di cortocircuitare le prese J1 o J2. Volendo, è possibile applicare a queste prese anche degli opportuni segnali elettrici: per questa solizione, sono utili i diodi Dx che "tagliano" eventuali segnali sopra i 12 V oppure quelli negativi (rispetto alla massa) che potrebbero danneggiare i gates U15C e U15D mentre le resistenze Rx (da 100 ohm) sono state inserite sia a protezione dei diodi stessi sia per creare un disaccoppiamento. Va detto che la protezione con i diodi è già incorporata nelle porte NAND, soprattutto per i segnali elettrostatici, ma crearne un'altra raddoppia la sicurezza e non crea nessun problema.

Nelle foto successive è visibile la modifica effettuata dall'autore: per le prese, sono state utilizzate 2 RCA femmine sulle quali sono stati saldati tutti i componenti richiesti per la modifica (per i collegamenti alla scheda consiglio vivamente di utilizzare due spezzoni di cavetto schermato).

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