Digitální hodiny s VFD displejem pracují v módu 24 hod.(Hh:Mm), s možností zobrazení vteřin (Mm:Ss) a nastavitelným jasem v pěti úrovních. Pro samotný běh hodin je použit obvod reálného času (RTC - Real Time Clock), který je zálohován lithiovou baterií a zabezpečuje uchování správného času i při vypnutém napájení. Dále je k dispozici výstup akustické signalizace, který je možné použít například pro budík, nebo jako indikaci časových intervalů. V této verzi hodin je v programu implementována indikace tří různých časových intervalů a to každou celou (jako na digitálkách), každou půlhodinu a nebo každou čtvrt hodinu.

Pro ovládání je použito 4 tlačítek, které zabezpečují přechod do nastavovacího módu a zpět, nastavení hodin, zobrazení vteřin a také nastavení jasu. Tlačítko S1 zabezpečuje přepnutí do módu nastavení, který je na displeji indikován rozsvícením červené šipky umístěné pod dvojtečkou. Po přechodu do módu nastavení se navíc rozsvítí červená šipka pod číslicí indikující jednotky minut. Tato šipka indikuje cifru, kterou je možné pomocí tlačítka S4 zvyšovat, po dosažení maximální hodnoty cifry v závislosti na nastavovaném údaji, dojde k opětovnému nastavení nuly a je možné opět pokračovat v nastavování. Po nastavení správné hodnoty je možné změnít cifru ( z jednotek minut na desítky minut atd.) a opět nastavit žádanou hodnotu na odpovídajícím místě. Toto nastavení se provádí pomocí tlačítka S3, které posune ukazatel nastavovaného digitu na pozici vlevo od nstavovaného digitu, resp. na jednotky minut z pozice desítek hodin. Po úspěšném nastavení času je po stisku tlačítka S1 údaj zapsán do obvodu RTC s tím, že údaj vteřin je vždy zapsán jako hodnota (Hh-Mm-00). Pro nastvení jasu je určeno tlačítko S2 a postupným stlačením je možné vybrat požadovaný jas v rozmzí 5-ti hodnot. Pro zobrazení vteřin (platí pouze v módu zobrazení) je použito tlačítko S4, které po dobu stlačení zobrazuje čas ve formátu Mm:Ss, přičemž oddělovač (dvojtečka) trvale svítí, po jeho uvolnění se zobrazení vrátí do zobrazení času ve formátu Hh:Mm, přičemž oddělovač bliká. K aktivaci módu akustické signalizace časových intervalů je použito tlačítko S3 a jako indikace je použito šipek ve vrchní části displeje. Pokud nesvítí žádná šipka, je indikace časových intervalů vypnuta, pokud svítí šipka nad desítkami hodin, je indikován časový interval "00" (každou celou), pokud svítí šipka nad dvojtečkou, je indikován interval "00/30" a pokud svítí šipka nad jednotkama minut je aktivován interval "00/15/30/45".

Popis zapojení

Jako zobrazovací prvek je použit fluorescenční displej (VFD - Vacuum Fluorescent Display) SAMSUNG SVM-05SS13, který je ve své podstatě elektronka s přímým žhavením. Použitý typ potřebuje pro správnou funkci střídavé žhavící napětí 2,4 - 2,6 V a stejnosměrné anodové a mřížkové napětí 27 - 35 V.

Pro zabezpečení těchto napětí je v aplikaci navržen měnič z napájecího napětí 12V na tyto dvě napětí, který pracuje v módu push-pull a z důvodu symetrie pulzů žhavícího napětí není nijak stabilizován. Napětí 30V, které je použito pro řízení anod a mřížek displeje je stabilizováno pomocí jednoduchého stabilizátoru se zenerovou diodou posíleného tranzistorem a dále je pak přivedeno na obvod, který zabezpečuje zpožděné připojení tohoto napětí k vysokonapěťovému budiči. Tento obvod je navržen tak, aby na jeho výstupu nebylo přítomné toto napětí dříve, než je na budič přivedeno napětí 5V pro napájení logiky, což by mohlo způsobit zničení tohoto budiče. Dále tento obvod zabezpečuje funkci, kdy při odpojení napájecího napětí 12V okamžitě odpojí napětí 30V pro budič, aby byla dodržena vypínací sekvence - napřed se musí odpojit 30V vysokonapěťových budičů a poté se může odpojit 5V napájení logiky.
Pro řízení VFD displeje je použit obvod MSC1164 od firmy OKI. Tento obvod je navržen primárně pro řízení těchto displejů a představuje 20-ti bitový posuvný registr s pamětí, vstupem pro test displeje a vstupem pro zhasnutí displeje. Výstupy tohoto posuvného registru jsou přivedeny k záchytným registrům, které zabezpečují uchování informace na výstupu při novém plnění posuvného registru. Výstupy těchto záchytných registrů jsou přes logiku ovládání pomocí vstupů testu a zhasnutí displeje přivedeny do vysokonapěťových budičů, které jsou schopny pracovat s napětím až 65V.

Obrázek č. 1 Schéma zapojení zdrojové části hodin

Pro zpracování a uchování času je použit obvod reáleného času (RTC) PCF8563, který po přiojení krystalového rezonátoru o kmitočtu 32,768 KHz pracuje nezávisle. Data uložená v tomto obvodu jsou přístupná po sběrnici IIC (někdy také I2C) a chová se jako SLAVE (podřízené) zařízení, takže pro vyčtení, případně zapsání informací do tohoto zařízení je potřeba řídící obvod tzv. MASTER.
Obvod který zabezpečuje chod celé aplikace je použit mikropočítač od firmy ATMEL ATtiny24A v pouzdru SO14. Tento malý mikropočítač je velice dobře vybaven, a i přes malý počet I/O linek je  pro tuto aplikaci dostatečný. K dopřesnění výbavy tohoto mikropočítače bych dodal, že je vybaven pamětí programu o velikosti 2Kbyte Flash,pro data disponuje 128 byte RAM a 128 byte EEPROM, dále má k dispozici Watch Dog Timer (WDT), jeden 16-ti bitový a jeden 8-mi bitový čítač, 4 PWM kanály, 8 ADC kanálů a další. Tento mikropočítač zabezpečuje zpracování signálů z klávesnice, čtení, popřípadě zápis do obvodu RTC po sběrnici IIC a zápis dat do řadiče VFD displeje.

Obrázek č. 2 Schéma zapojení řídící části hodin

Celé zařízení je navrženo na jediné destičce plošných spojů, s použitím směsné montáže, to znamená klasické provedení součástek Through-Hole-Technology (THT) a Sourface Mount Technology (SMT).

Postup osazení a oživení

Zde bych se věnoval doporučenému postupu pro výrobu a osazení, neboť měnič napětí použitý v aplikaci může některé méně zkušené zaskočit a při jeho špatné funkci by mohlo dojít ke zničení jak displeje tak i dalších obvodů, zejména řadiče displeje a mikropočítače, a proto bych rád doporučil rozdělit stavbu do dvou fází, a to i pro zkušené konstruktéry.

Obrázek č. 3 Osazovací plán - strana spojů Obrázek č. 4 Osazovací plán - strana součástek Obrázek č. 5 Osazovací plán klávesnice

V první fázi je potřeba sestavit obvody napájení a hlavně menič napětí - zde se v podstatě jedná o kompletní zapojení uvedné na schématu zdrojové části. Nejdříve doporučuji osadit SMD pasívní součástky jako jsou odpory a kondenzátory, dále polovodiče (diody a tranzistory) a nakonec IO pro řízení měniče IR2153. Po Osazení SMD součástek je nutné osadit zbylé v klasických vývodových pouzdrech - elektrolytické kondenzátory, odpory, zenerovu diodu 4,3V a tranzistory. Následně je potřeba navinout a sestavit VF transformátor. Zde je vhodné dodržet navíjecí předpis, ketrý je uveden pod schématem a provést návin vinutí co nejtěsněji, aby byla dosažena dobrá magnetická vazba. Při navíjení je velice důležité dodržet počátky a konce vinutí a následně je i správně zapojit na desku, neboť správné zapojení těchto vinutí má podstatný vliv na funkci celého měniče. Ještě bych chtěl pro méně zkušené připomenout, že je důležité dodržet i směr návinu nebo vést v patrnosti, co vše má vliv na určení počátku a konce vinutí.
Pakliže je zdrojová část osazena je možné přistoupit k otestování měniče a dalších částí obvodu. Při zkoušce měniče je nutné mít v patrnosti, že je důležité mít měnič zatížen a to alespoň ze 30%, takže podle mé zkušenosti je vhodné použít odpor o hodnotě 22R a připojit jej k vývodům žhavícího vinutí, což odpovídá zhruba 100% zatížení tohoto vinutí a oněm 30% zatížení celkového. Po připojení ke zdroji 12V je důležité sledovat proudový odběr, který by v tomto případě neměl přesáhnout 50mA. pakliže je odběr proudu ze zdroje vyšší je s největší pravděpodobností chyba v zapojení cívek VF transformátoru a doporučuji je ještě jenou pečlivě zkontrolovat. Pakliže je odběr měniče v rozmezí 20 - 60 mA (v závislosti na navinutí transformátoru) je možné přistoupit k měření a zde bych začal s běžným voltmetrem, kdy je potřeba překontrolovat napětí na výstupu usměrňovače a filtru pro zdroj 30V (ještě před stabilizátorem), kde by se jeho hodnota měla pohybovat v rozmezí 35 - 45V a to opět v závislosti na kvalitě zpracování transformátoru. Pakliže je hodnota v pořádku je ještě vhodné zkontrolovat napětí na výstupu stabilizátoru které by mělo být přibližně 30 - 31V podle parametrů použité zenerovy diody. Pakliže i toto je v pořádku, ještě doporučuji z preventivních důvodů zkontrolovat napětí na výstupu stabilizátoru 5V a můžeme přejít k dalšímu měření. Toto měření se provádí na symetrickém vinutí, které zabezpečuje žhavící napětí pro VFD displej. Zde je vhodné použít osciloskop, nebo True RMS metter, kde by se výsledné napětí mělo pohybovat v rozmezí 2,3 - 2,5V, drobné převýšení cca o 5-10% nevadí a to proto že měnič není plně zatížen a hodnota tohoto napětí připojením displeje o těchto cca 5-10% poklesne což je stále v mezích pracovních hodnot tohoto typu displeje. Při tomto měření je dobré zkontrolovat i průběh napětí na kolektorech tranzistorů, který by měl odpovídat obdélníkovému průběhu o špičkové hodnotě U = 2 x Ucc, přičemž je možné, že na čele impulzu se mohou objevit úzké napěťové špičky, které by však neměly přesáhnout hodnotu napětí 35V. Dále, opět jen pro kontrolu, je dobré změřit kmitočet spínání měniče, který by se měl pohybovat kolem 86 KHz v závislosti na toleranci použitých součástek RC oscilátoru.
Pokud je měnič takto otestován, můžeme přistoupit k osazení zbytku logiky, tzn. řadiče displeje, mikropočítače, obvodu reálného času a zbytku součástek  které jsou v zapojení. Jelikož se však na straně součástek již nachází “velké kusy” jako je VF transformátor, kondenzátory, tranzistory apod., je užitečné si do montážních otvorů zašroubovat šrouby M3 a tím si vytvořit jakési nožičky, které však zabezpečí rovinu pro následnou montáž ostatních SMD součástek a usnadní a zpříjemí tak tuto na přesnost náročnou práci. Jako poslední je potřeba osadit samotný displej a je hotovo. Poloha displeje je zde uvažována rovnoběžně s DPS, ale osazení je věcí každého a v případě, že není ještě vybrána konkrétní krabička je výhodnější jej pro první zapojení a otestování osadit “na dlouho” pro případ, že by bylo provést nějaké kontrolní měření či najít chybu pájení apod.
Pakliže je vše v pořádku, není již potřeba provádět žádných další úprav (snad kromě kosmetických) a pouze vybrat či vyrobit vhodnou krabičku, zapouzdřit výrobek a dále již jen používat.

Obrázek č. 6. Předloha plošných spojů

Seznam součástek:

Techniceké parametry:

Napájecí napětí:    12V
Odběr ze zdroje:    max. 100 mA
Rozměry DPS:    98 x 56 mm