Кварцевый генератор для электронно-механических часов

[siealex]

Итак, это свершилось. Представляю более-менее рабочий вариант кварцевого генератора для любых отечественных крупногабаритных электронно-механических часов. Схема проверена на часах Слава 5338, Янтарь 65181 (только с блоком на 264ГФ1, не УТП), Янтарь (Маяк) 59186. Схема на жёсткой логике (есть вариант и на микроконтроллере, но это немного позже). Принцип действия схемы аналогичен схеме часов Луч 3055: в обратную связь электронного блока часов включён кварцевый генератор на 5 Гц, сигнал которого глушит обратную связь при несоответствии фазы колебаний баланса с фазой сигнала от генератора.


Микросхемы: U1, U3 = CD4060 (HCF4060), U2 = CD4011.
Микросхема U1 генерирует частоту 32768 Гц и путём деления выдаёт частоты 2048 Гц, 1024 Гц, 512 Гц, 256 Гц.
Микросхема U2 из каждых восьми импульсов 2048 Гц выделяет пять, в итоге получается частота 1280 Гц. Эти импульсы следуют очень неравномерно, но на данном этапе это не важно.
Микросхема U3 делит частоту на 256 и выдаёт искомые 5 Гц. Здесь неравномерность не превышает 1 мс, что на работу часов не влияет.

Как пользоваться:
0. Часы должны быть полностью исправными и обслуженными (как по механике, так и по электронике). В случае Славы и Маяка проверял только с кремниевым транзистором BC557 в блоке часов. Часы с проблемами по катушкам - совсем другой случай, который пока не рассматриваем.

1. Собрать схему без ICL7660 и без полевого транзистора на выходе. Выводы питания микросхем U1..U3 соединить вместе, выводы земли также соединить вместе. Выводы 12, 13, 14 микросхемы U2 соединить вместе (висячих входов быть не должно). Подать питание 2.7..3.3 В и убедиться в правильной работе схемы: на пине 14 микросхемы U3 должен появиться меандр с частотой 5 Гц.

2. Собрать схему питания.
Возможны два варианта:
А. Использовать преобразователь ICL7660 или совместимый (LMC7660) со стандартной обвязкой. В этом случае внимательно с подключением: минусовые пины всех микросхем логики подключаются к выходу (пин 5) ICL7660 (-1.5 В), минус батарейки - к пинам 3 и 6 (0 В). Плюсовые пины всех микросхем подключаются к плюсу батарейки (+1.5 В). Пин 1 ICL7660 никуда не подключать.
Б. Запитать логику от отдельной батареи на 3..4.5 В, подключив её плюсом к плюсу основной батареи часов (плюс питания логики подключается туда же).
В обоих случаях потенциал минусовой шины логики должен быть ниже потенциала минуса основной батареи (это важно для открывания выходного транзистора, особенно на Янтаре, где входная катушка висит на минусе).

3. Подключить полевой транзистор затвором на пин 14 микросхемы U3. Транзистор подойдёт любой P-канальный с порогом открывания не выше 1.2 В (лучше 0.4..0.8 В). Я использую обычно SI2301.

4. Оставшиеся выводы полевого транзистора подключить в параллель ко входной катушке электронного блока:
Слава 5338 - истоком на плюс питания, стоком на ближайший к катушке вывод электролитического конденсатора (который не подключён к базе);
Янтарь 65181 - стоком на минус питания, истоком на минусовой вывод конденсатора 50 мкФ;
Маяк 59186 (дурацкая схема!) - истоком на эмиттер транзистора в блоке, стоком на ближайший к нему вывод электролитического конденсатора (который не подключён к базе).

5. Отсоединить сток или исток полевого транзистора от схемы (можно в одну из этих цепей поставить микровыключатель), запустить часы и настроить механику немного в плюс или в минус (знак придётся подбирать!), порядка 30..60 секунд в сутки.

6. Подсоединить отсоединённый вывод транзистора обратно и окончательно запустить часы.
При правильной работе схемы поведение часов должно быть таким: после запуска установится обычная амплитуда колебаний баланса, затем через некоторое время она снизится и останется стабильной, при этом частота колебаний придёт в соответствие с частотой кварцевого генератора.
Если часы периодически останавливаются и перезапускаются (или амплитуда периодически возрастает и уменьшается) - нужно настроить механику ближе к частоте кварцевого генератора или с другим знаком относительно неё (можно подстраивать на ходу, как в Луче 3055). Конкретная настройка зависит от многих факторов, но в первую очередь от полярности магнитов на балансе: если выходная катушка толкает магниты от себя - настраивать в плюс, если тянет на себя - в минус.
На данный момент работает 5 экземпляров этой схемы (некоторые с U3 = CD4024), эксперименты продолжаются.

Экземпляр на макетной плате в часах Слава 5338.

[Ikorshunovich]

А схема от 3055 чем плоха для того же 5338?

[siealex]

А схема от 3055 чем плоха для того же 5338?

Тем, что нужно переделывать сам электронный блок (резать выходную цепь и ставить ещё один транзистор), здесь же никаких переделок в родном блоке не нужно. Я в своё время пробовал так делать на Янтаре, было крайне неудобно из-за специфики монтажа блока.

[dmvt1]

Что-то не совсем понятно. В Луче 3055 частота 4 Гц, что соответствует 28800 п/к баланса. У Вас же 5 гц, что уже соответствует частоте баланса 36000 п/к.

[siealex]

У Вас же 5 гц, что уже соответствует частоте баланса 36000 п/к.

Два импульса за период. В Луче аналогично, там с генератора идёт 8 Гц.
Можно сделать и один импульс - объединить пины 13 и 14 со счётчика U3 элементом И-НЕ (U2: D) и выдать выход на транзистор.

[Ikorshunovich]

Сообщение от siealex

Тем, что нужно переделывать сам электронный блок, здесь же никаких переделок в родном блоке не нужно.

По заводу в 5338 стоит стандартный LC-контур с транзистором на 2 катушки. Какой смысл его сохранять? Проще новую схему с кварцем сделать.

[siealex]

Пробовал (в варианте на микроконтроллере) напрямую подавать импульсы в выходную катушку - на Янтаре получилось, на Маяке работает крайне нестабильно. При этом по этой схеме на том же экземпляре Маяка завелось сразу и работает.
К тому же при подаче импульсов напрямую эти импульсы должны быть короткими и строго определённой длительности (10..15 мс), здесь же импульсы формирует родная схема часов, а генератор только разрешает или запрещает их подачу на выход.

[dmvt1]

Смысл в подобном способе подстройки частоты есть, т.к. устойчивую работу баланса обеспечивает родная схема, которая формирует автоматически импульсы нужной длительности, а кварцевая часть только уменьшает их амплитуду если частота баланса выше чем надо. Вся игра идет на том, что при уменьшении амплитуды колебаний баланса частота его колебаний немного падает и таким образом идет подстройка под частоту кварца. Классическая ФАПЧ.

[nevenbekriev]

Хочется немножко добавить к пониманию принцыпа работы. Все правильно, но хочется только пояснить одну деталь. Регуляция частоты здесь произходит за счет изменения амплитуды. Амплитуда изменяется из за того, что импульсы в колекторной катушке сокращаются по времени если фаза собственных колебаний разходится с фазой генератора. Чтобы такая регуляция была возможной, нужно иметь изначально хорощую связь амплитуда/частота. Если данные електронно-механические часы работают изохронно и частота не зависит от амплитуды, тогда очень трудно будет синхронизировать их с таким блоком. Тоесть можно подумать о регулировки баланса в часов так, что он работал максимально неизохронно прежде чем пытаться поставить в часы такой кварцевый блок. Причем, для етого нужно понимать влияние игры спирали в окно градусника. Если в неутральное положение спираль седит посередине окна и при повышению амплитуды начинает касаться, ето вводит положительную связь амплитуда/частота. Если спираль в неутральное положение прижата к одной стороны и при повышению амплитуды отделяется, причем не приходит никогда к касанию с другой стороны, тогда связь будет отрицательной. Я здесь не пытаюсь твердить что связь амплитуда/частота зависит только от положение спирали относительно окна градусника, а подсказываю что можно регулированием етого положения хорошо 'улучшить' собственную склонность баланса к изменению частоты от амплитуды, без значения если она является положительной или отрицательной. Причем, в одном из случаев будет нужно настоить собственную частоту баланса выше частоты генератора, а в другом случае - наоборот.

[siealex]

Да, есть такое. На связь частоты с амплитудой также влияет работа схемы часов. Например, у будильника "Слава" при отсутствии импульсов на входе она начинает подавать на выход небольшой постоянный ток, что отталкивает магниты от катушек и резко снижает частоту колебаний баланса. У Маяка принцип тот же, но там выходная катушка обычно тянет магниты на себя - частота при низкой амплитуде возрастает. Также влияет тормозная пластинка, установленная с другой стороны электронного блока.