14_21.pdf

P R O J E K T Y

VHDL i lampy,

czêæ 1

No tak, Elektronika

Praktyczna wziê³a siê za

odgrzewanie kotletów,

pomyl¹ pewnie ci sporód

naszych Czytelników, którzy

pamiêtaj¹ polsk¹ elektronikê

z koñca lat 80. Akceleracja,

jakiej jestemy poddawani

przez ostatnich 12 lat -

chodzi g³ównie o dostêp do

nowoczesnych podzespo³ów -

spowodowa³a, ¿e jeszcze

niedawno traktowane

pogardliwie lampy Nixie

nabra³y wyj¹tkowego smaku.

Pomys³em na ich

zastosowanie dzielimy siê

z Wami w artykule.

Rekomendacje : projekt

z popularnego na Zachodzie

gatunku "Vintage Electronics",

czyli chwytaj¹ce za serce

(i zazwyczaj oko) praktyczne

starocie. O tyle dopasowany

do EP-owskiej doktryny

nad¹¿ania za nowociami, ¿e

ca³a czêæ cyfrowa zosta³a

opisana w VHDL-u.

Nasta³y nieco zwariowane cza-

sy. Z jednej strony s¹ powszech-

nie dostêpne uk³ady scalone w mi-

niaturowych obudowach CSP

( Chip Scale Package ), z drugiej do

mody wracaj¹ lampy, niew¹tpli-

wie element z minionej epoki.

Dziêki narzêdziom takim jak Bas-

com, w wielu aplikacjach AVR-ek

zastêpuje timer 555 lub realizuje

bardziej skomplikowane zadania,

ale jednoczenie elektronicy zafas-

cynowani lampowym brzmie-

niem buduj¹ wzmacniacze m.cz.

(na ogó³ o fatalnych - jak wyka-

zuj¹ pomiary - parametrach). Nie

brakuje tak¿e zwolenników tune-

rów FM budowanych na lampach

w czystym uk³adzie heterodyno-

wym. Powstaj¹ tak¿e nowe lam-

powe fankluby, jak choæby

TVBulbs z miasta Aurelia w Au-

stralii, którego cz³onkowie uznali,

¿e najlepsz¹ jakoæ obrazu TV

mo¿na uzyskaæ jedynie w lampo-

wych odbiornikach telewizyj-

nych...

Mody lampowe docieraj¹ do

naszego kraju z pewnym opónie-

niem w stosunku do Zachodu,

czego przyczyn¹ jest prawdopo-

dobnie nasze stosunkowo póne

wkroczenie w wiat nowoczesnej

elektroniki. O tym, ¿e spore grono

naszych Czytelników jest zainte-

resowanych t¹ tematyk¹, dowodz¹

zarówno wyniki naszej interneto-

wej ankiety, jak i listowe reakcje

na projekty publikowane ostatnio

w EP (lampowy equalizer czy te¿

odbiornik kryszta³kowy ze wzmac-

niaczem lampowym).

Traktuj¹c entuzjastyczne listy

jako zachêtê do przybli¿ania fas-

cynuj¹cych mo¿liwoci lamp ró¿-

nego rodzaju, przygotowa³em pro-

jekt o niezaprzeczalnych walorach

u¿ytkowych i estetycznych, a przy

tym sporych - tak¿e dla Czytel-

ników niezbyt zainteresowanych

lampami - walorach edukacyjnych.

Przyjemne z po¿ytecznym

Podczas przeszukiwania inter-

netowych zasobów przypadkowo

(bo przecie¿ nie interesuj¹ mnie

lampy) natkn¹³em siê na kilkana-

cie kolekcji zdjêæ i co najmniej

kilkadziesi¹t opisów projektów ze-

garów, których mo¿liwoci funk-

cjonalne nie by³y zazwyczaj osza-

³amiaj¹ce, ale zamiast wywietla-

czy LED lub energooszczêdnych

LCD, zastosowano w nich mniej-

Elektronika Praktyczna 2/2003

AVT Nixie Clock

AVT Nixie Clock

Rys. 1. Schemat elektryczny sterownika zegara

sze lub wiêksze lampy! Takie

zegary musz¹ mieæ du¿e wymiary,

do zasilania wymagaj¹ relatywnie

wysokich napiêæ i z tego powodu

do ich wykonania niezbêdne s¹

doæ specyficzne elementy. Pobie-

raj¹ du¿o energii, zazwyczaj maj¹

jeszcze kilka innych wad, ale

zastosowano w nich wywietlacze

lampowe! To wystarczy, aby siê

nimi zainteresowaæ. Po prostu

prezentuj¹ siê efektownie, s¹

³adne.

Podgl¹dniête rozwi¹zania uk³a-

dów zegarowych zafascynowa³y

mnie do tego stopnia, ¿e posta-

nowi³em zaprojektowaæ i wykonaæ

taki zegar, przy czym - tu siê

k³aniaj¹ walory edukacyjne pro-

jektu - zamiast klasycznych roz-

wi¹zañ dyskretnych na uk³a-

dach CMOS lub TTL, postanowi-

³em przygotowaæ mieszankê no-

woczesnoci z retro: wywietlacze

Nixie sterowane (oczywicie po-

przez bufory napiêciowe) przez

nowoczesny uk³ad PLD produko-

wany przez firmê Xilinx, w któ-

rym zaimplementowano zegar opi-

sany w jêzyku VHDL.

Zastosowanie uk³adu progra-

mowalnego - wbrew obiegowym

pogl¹dom - nie wi¹¿e siê ze

wzrostem kosztu wykonania zega-

ra, a dziêki mo¿liwoci programo-

wania uk³adu w systemie i do-

stêpnym bezp³atnym narzêdziom

do kompilacji opisów w VHDL

(WebPack ISE oraz WebFitter fir-

my Xilinx - z tego drugiego mo¿-

na korzystaæ zdalnie przez Inter-

net!) elastycznoæ tak przygotowa-

nego projektu jest bardzo du¿a.

Opis uk³adu

Zegar sk³ada siê z trzech za-

sadniczych czêci, których sche-

maty przedstawiono kolejno na

rys. 1...3 : sterownika zegara, zes-

po³u wywietlaczy i zespo³u klu-

czy tranzystorowych.

Sterownik zegara jest zintegro-

wany z preskalerem czêstotliwoci

wzorcowej. Sygna³ podstawy czasu

jest wytwarzany w generatorze

kwarcowym zbudowanym z tran-

zystora T30 i elementów biernych

Elektronika Praktyczna 2/2003

AVT Nixie Clock

ne spe³nia do³¹czony do global-

nego wejcia zeruj¹cego U1 ob-

wód ró¿niczkuj¹cy C3, R26.

Na rys. 1 zamieszczono tak¿e

schemat elektryczny zasilacza do-

starczaj¹cego napiêcie anodowe

220 VDC dla wywietlaczy Nixie

oraz stabilizowane napiêcia +5

VDC - U2 (zasilanie generatora

i programatora ISP) i +3,3 VDC -

U3 (zasilanie uk³adu U1). W oby-

dwu liniach zasilaj¹cych zastoso-

wano kondensatory filtruj¹ce, przy

czym ich ³¹czna pojemnoæ (nie

licz¹c kondensatora pierwszego

filtru têtnieñ C11) jest niezbyt

du¿a, ale wystarczaj¹ca dziêki

bardzo ma³emu poborowi pr¹du

przez uk³ad U1.

Pamiêæ konfiguracji zastosowa-

na w uk³adzie U1 jest typu Flash,

dziêki czemu jej zawartoæ mo¿na

modyfikowaæ po zamontowaniu

uk³adu w systemie. Do tego celu

s³u¿y wyspecjalizowany interfejs

JTAG, którego linie sygna³owe zo-

sta³y doprowadzone do z³¹cza J2

widocznego na schemacie pokaza-

nym na rys. 1. Pomimo tego, ¿e

U1 jest zasilany napiêciem o war-

toci 3,3 V, wszystkie jego linie

I/O (w tym tak¿e linie interfejsu

JTAG) mog¹ wspó³pracowaæ (w

obydwie strony!) ze standardowy-

mi uk³adami cyfrowymi zasilany-

mi napiêciem 5 V. Dlatego te¿, do

styków 1 i 2 z³¹cza J2 doprowa-

dzono napiêcie o tej wartoci, któ-

re mo¿na wykorzystaæ do zasilenia

programatora ISP (opis budowy

takiego programatora opublikowa-

limy w EP4/2001, mo¿na go zna-

leæ tak¿e w Internecie pod adre-

sem: http://www.ep.com.pl/

archiwum/pdf/2001/04/80.pdf ).

Uwa¿ni Czytelnicy zarzuc¹ mi

po analizie schematu zasilacza

pewnie niekonsekwencjê, ponie-

wa¿ pomimo zastosowania trans-

formatora Tr1, zasilanie zegara

Rys. 2. Schemat elektryczny bloku

wywietlania

Historia Nixie

Wywietlacz Nixie opracowali w 1952 roku dwaj bracia,

wêgierscy emigranci zamieszkali w Stanach Zjednoczonych George

i Zoltan Haydu. Byli oni w³acicielami firmy produkuj¹cej lampy

elektronowe i inne elementy stosowane w ówczesnych urz¹dze-

niach elektronicznych, g³ównie do zastosowañ militarnych (m.in.

pierwsze alianckie radary, stosowane podczas bitwy o Wielk¹

Brytaniê, by³y budowane z wykorzystaniem podzespo³ów

produkowanych przez braci Haydu).

W 1953 roku prawa do produkcji wywietlaczy Nixie zakupi³a

firma Burroughs Corp., jeden z najwiêkszych wówczas producen-

tów biurowych maszyn licz¹cych. Nad projektem wdro¿enia

wywietlaczy do masowej produkcji czuwa³ Saul Kuchinsky, który

nada³ mu nazwê Numerical Indicator eXperimental - 1 , czyli

w skrócie NIX-1. Ju¿ w 1954 w prasie fachowej nadano nowemu

produktowi firmy Burroughs nazwê Nixie, która a¿ do dzisiaj

nieod³¹cznie kojarzy siê ze znakami jarz¹cymi siê na pomarañ-

czowo w szklanej bañce.

Panowanie lamp Nixie na wiecie trwa³o a¿ do pocz¹tku lat 70,

kiedy to bardzo szybko zosta³y wyparte przez 7-segmentowe

wywietlacze LED. Nieco d³u¿ej stosowane by³y w naszym kraju

(i pozosta³ych, nale¿¹cych do Bloku Wschodniego), co by³o

objawem technologicznego zacofania krajowego przemys³u

elektronicznego. Jeszcze w drugiej po³owie lat 80 warszawska

firma Meratronik produkowa³a laboratoryjne multimetry (m.in.

V-543, V-560) wyposa¿one w wywietlacze Nixie produkowane

m.in. przez wroc³awski Dolam.

R39, R40, R41, C7, C9 i X1 (czês-

totliwoæ rezonansowa kwarcu wy-

nosi 2 15 Hz = 32,768 kHz). Oprócz

generatora, na zewn¹trz uk³adu U1

znajduje siê stosunkowo niewiele

elementów, co wynika ze zinteg-

rowania w jego wnêtrzu wszyst-

kich bloków funkcjonalnych zega-

ra. Dzia³anie uk³adu U1 omówimy

w dalszej czêci artyku³u.

Prze³¹cznik S1 s³u¿y do w³¹-

czania trybu szybkiego ustawia-

nia, S2 do w³¹czania trybu wol-

nego ustawiania, natomiast S3

s³u¿y do prze³¹czania trybu pracy

zegara pomiêdzy zliczaniem czasu

i ustawianiem. Poniewa¿ w uk³a-

dzie U1 zaimplementowano uk³a-

dy synchroniczne (liczniki), przed

rozpoczêciem pracy wymaga on

zerowania. Rolê uk³adu automa-

tycznie zeruj¹cego wszystkie wbu-

dowane w U1 bloki synchronicz-

Elektronika Praktyczna 2/2003

AVT Nixie Clock

Rys. 3. Schemat elektryczny bloku wzmacniaczy wysokonapiêciowych

nie jest odizolowane od sieci

energetycznej. Dzieje siê tak dla-

tego, ¿e napiêciem anodowym jest

napiêcie uzyskane przez wypros-

towanie za pomoc¹ mostka

Graetza M2 napiêcia podawanego

wprost z sieci energetycznej. Czyli

prosty wniosek: albo transformator

Tr1 jest nadmiarowy, albo brakuje

transformatora w obwodzie zasila-

nia anod wywietlaczy. Wbrew

pozorom takie rozwi¹zanie nie jest

wynikiem b³êdu konstrukcyjnego,

ale kompromisu pomiêdzy ³atwo-

ci¹ uruchomienia i bezpieczeñs-

twem pracy wykonawcy zegara

a mo¿liwociami samodzielnego

wykonania (lub zdobycia inn¹ dro-

g¹) odpowiedniego transformatora.

Szczegó³y zostan¹ omówione

w dalszej czêci artyku³u.

Zespó³ wywietlaczy na lam-

pach Nixie jest kolejnym blokiem,

którego schemat przedstawiono na

rys. 2 . W anody lamp L1...L4

w³¹czono rezystory ograniczaj¹ce

pr¹d p³yn¹cy przez lampê do ok.

3,4 mA. Nie jest konieczne rów-

noleg³e ³¹czenie par rezystorów:

R17 i R18, R19 i R36, R37 i R38,

a tak¿e R44 i R45, gdy¿ mo¿na

zastosowaæ pojedyncze rezystory

o rezystancji ok. 22...24 k

i mo-

cy co najmniej 0,3 W.

Na rys. 2 zamieszczono w ram-

ce narysowanej lini¹ przerywan¹

dwie neonówki do³¹czone do z³¹-

cza J5. S³u¿¹ one do wywietlania

dwukropka i s¹ umieszczone na

osobnej p³ytce drukowanej, za-

montowanej prostopadle do p³yty

bazowej.

Katody lamp L1...L4 i obydwie

neonówki s¹ sterowane przez wy-

sokonapiêciowe tranzystory, po³¹-

czone jak to pokazano na sche-

macie elektrycznym zespo³u klu-

czy tranzystorowych.

Zespó³ kluczy ( rys. 3 ) zawiera

tranzystory T1...T29 pracuj¹ce

w konfiguracji kluczy emiterowych

z obci¹¿eniami w postaci lamp

i neonówek (T29) w³¹czonymi

w obwody kolektorów. Zastosowa-

ne w modelowym egzemplarzu

tranzystory KSP42 (cis³y odpo-

wiednik MPSA42) s¹ przystoso-

wane do pracy z napiêciem U ceo

o wartoci do 300 V, a maksymal-

ny pr¹d kolektora mo¿e wynosiæ

do 500 mA. Spe³niaj¹ wiêc z nad-

datkiem wymagania stawiane

przez aplikacjê, ale ich niska cena

i dostêpnoæ na rynku spowodo-

wa³y, ¿e wybrano je do prezen-

towanego uk³adu.

Co to jest Nixie?

Nixie jest tzw. zimn¹

lamp¹, poniewa¿ do jej

dzia³ania nie jest konieczne

podgrzewanie katody.

Zatopione w szklanej bañce

katody maj¹ kszta³ty

wywietlanych symboli. S¹

one otoczone anod¹, która

ma perforacjê od strony

czo³owej (lub s¹ zwrócone

katodami do strony

czo³owej), zapewniaj¹c¹

odpowiedni¹ widocznoæ

wywietlanych znaków.

Poniewa¿ podczas produkcji

z wnêtrza lampy jest usuwane

powietrze, a w jego miejsce

wprowadzany jest gaz

szlachetny (neon) o niewielkim

cinieniu, to po przy³o¿eniu

odpowiednio du¿ego napiêcia

pomiêdzy anodê i katodê gaz

ten ulega jonizacji wokó³

katody i wieci, czyni¹c

widocznym wybrany znak.

Z punktu widzenia elektryczne-

go lampê Nixie mo¿na

porównaæ z zespo³em

neonówek z jedn¹ elektrod¹

wyprowadzon¹ wspólnie. Ich

liczba odpowiada liczbie

wywietlanych znaków.

Elektronika Praktyczna 2/2003

AVT Nixie Clock

3,3V vs 5V

Zastosowanie w projekcie

uk³adu zasilanego napiêciem

3,3 V ma tylko jedn¹

przyczynê: by³ on znacznie

tañszy od odpowiednika

w klasycznej wersji zasilanej

napiêciem 5 V. Dziêki pe³nej

kompatybilnoci linii

wejciowych i wyjciowych

uk³adu XC9572 z uk³adami

TTL i CMOS zasilanymi

napiêciem 5 V, korzystanie

z niego w aplikacjach

z mieszanymi napiêciami

zasilaj¹cymi nie jest

k³opotliwe.

Rys. 4. Schemat blokowy ilustruj¹cy wewnêtrzn¹ budowê uk³adu XC9572XL

dzie U1 pokazano na rys. 6 .

W uk³adzie zrealizowano wszyst-

kie bloki niezbêdne do dzia³ania

zegara, w tym tak¿e preskaler

czêstotliwoci wzorcowej. Opisy

wszystkich bloków widocznych

na rys. 6 przygotowano w jêzyku

VHDL, a dwa najciekawsze omó-

wimy nieco bardziej szczegó³owo.

Liczniki czasu, ze wzglêdu na

specyficzny sposób sterowania wy-

wietlaczy Nixie (dekodowanie

1 z n ), zosta³y opisane jako licz-

niki Johnsona (z kr¹¿¹c¹ jedynk¹).

Opis liczników jednostek i dzie-

si¹tek minut jest doæ prosty ( list.

1 ), poniewa¿ nie ma koniecznoci

rêcznego przypisywania stanów

wyjæ okrelonej liczbie zliczo-

nych impulsów. Nieco wiêcej pra-

cy wymaga³o przygotowanie opisu

licznika godzin (jednostek i dzie-

si¹tek, list. 2 ), poniewa¿ ten blok

U1 od rodka

Jak wczeniej wspomnia³em,

sercem prezentowanego zegara

jest uk³ad programowalny CPLD

( Complex Programmable Logic De-

vice ). Zastosowany uk³ad nale¿y

do rodziny XC9500XL, która jest

zmodernizowan¹ wersj¹ znanych

od lat uk³adów rodziny XC9500,

przystosowanych do pracy nisko-

napiêciowej. Budowê wewnêtrzn¹

uk³adu XC9572XL pokazano na

rys. 4 . W strukturze uk³adu zin-

tegrowano du¿e (jak na potrzeby

projektu, wykorzystano bowiem

51 sporód 72 dostêpnych mak-

rokomórek) zasoby logiczne,

w tym a¿ 72 makrokomórki o nie-

zwykle du¿ych mo¿liwociach

konfiguracyjnych. Makrokomórki

s¹ pogrupowane w bloki po 18.

Komunikacjê pomiêdzy nimi

umo¿liwia programowana matryca

po³¹czeniowa. Budowê pojedyn-

czej makrokomórki uk³adu

XC9572XL pokazano na rys. 5 .

Schemat blokowy uk³adu zega-

ra zaimplementowanego w uk³a-

List. 1. Opis dzia³ania licznika

dziesi¹tek minut w jêzyku VHDL

library IEEE;

use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;

use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

entity licznik_dzm is

Port ( clk: in std_logic;

clk_o: out std_logic;

res: in std_logic;

outp: inout std_logic_vector(5 downto 0)

);

end licznik_dzm;

architecture beh of licznik_dzm is

signal din: std_logic;

begin

process (clk, res)

begin

if res = '1' then

outp <= "000001";

elsif clk'event and clk = '1' then

outp <= outp(4 downto 0) & outp(5);

end if;

end process;

clk_o <= not outp(5);

end beh;

Rys. 5. Uproszczony schemat budowy makrokomórki w uk³adzie XC9572XL

Elektronika Praktyczna 2/2003

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: