Rozwiązanie krok po kroku: Naprawa zegara cyfrowego

Licznik zlicza impulsy 1 Hz w trzech blokach:

• sekundy: U7 (74LS90, modulo 10) → U8 (74LS92, modulo 6), przeniesienie z Q3 U8,
• minuty: U9 (74LS90) → U10 (74LS92), przeniesienie z Q3 U10,
• godziny: U11 i U12 (74LS90) ze skróconym cyklem - bramka U16A zeruje liczniki przy stanie 24 (Q2 U11 i Q1 U12).

Bramki U13 (OR) przekazują zerowanie, U14 (AND trójwejściowe) i bufory U15 obsługują ustawianie czasu. Każdy z tych elementów sprawdzono osobno po odłączeniu od układu.

Sprawny licznik BCD po ośmiu impulsach ustawia Q3 = 1 (stany 8 i 9), a po dziesiątym wraca do zera. Porównuję z tabelą 2:

• U7, U11, U12: Q3 przechodzi w stan wysoki po 8. impulsie - cykl 0 ÷ 9 poprawny,
• U8, U10 (modulo 6): Q1, Q2, Q3 przechodzą przez sześć stanów kodu 321 i wracają do zera - poprawnie,
• U9: Q3 przez cały czas w stanie niskim, choć Q0 ÷ Q2 zmieniają się poprawnie. Licznik jednostek minut nie dochodzi do 8 i 9, a bez opadającego zbocza Q3 nie ma też przeniesienia do U10.

• U13A, U13B, U13C (OR): 0 tylko dla wejść 0 i 0 - poprawna funkcja sumy,
• U16A (AND): 1 tylko dla 1 i 1 - poprawny iloczyn,
• U14A, U14B (AND trójwejściowe): 1 tylko dla 1, 1, 1 - poprawnie.

Wszystkie bramki działają; bufory U15 arkusz uznaje za sprawne.

Funkcje są nadrukowane - dopisuję aparaturę:

1. badanie poziomów logicznych - analizator stanów logicznych (klucz uznaje też oscyloskop i sondę logiczną),
2. wytwarzanie sygnałów logicznych (wejścia bramek z tabel 3 i 4) - generator poziomów logicznych.

1. wytwarzanie sygnałów zegarowych (impulsy na CLK0/CLK1 liczników) - generator sygnałów zegarowych,
2. zasilanie elementów - zasilacz.

1. pomiar czasu (okresy przebiegów, czas pracy generatora alarmu) - oscyloskop (klucz uznaje też stoper albo zegar).

Oba liczniki przechodzą pełny cykl (10 i 6 stanów) → sprawny, sprawny.

Wyjście Q3 nie zmienia stanu - licznik nie realizuje stanów 8 i 9 i nie daje przeniesienia → niesprawny. Minuty liczone są błędnie, stąd złe wartości na wyświetlaczu.

U10 - pełny cykl modulo 6, U11 i U12 - pełny cykl BCD → trzy razy sprawny.

Tabele prawdy z tabel 3 i 4 zgodne z funkcjami OR, AND trójwejściowej i AND → trzy razy sprawny.

Element do wymiany: układ scalony U9, typ UCY 74LS90 (tabela 1). Tabela 6 zawiera liczniki UCY 74LS90 - zamiennik tego samego typu: UCY 74LS90.

Pozostałe wiersze zostają puste - żaden inny układ nie wykazał nieprawidłowości. Klucz osobno punktuje brak zbędnych wymian.

U49A to bramka NAND z przerzutnikiem Schmitta: gdy sygnał X jest w stanie wysokim, kondensator C1 ładuje się i rozładowuje przez R7 między progami ok. 1,7 V i 0,9 V, a wyjście przełącza się z okresem T = 1,2 · R7 · C1. U49B (oba wejścia razem) odwraca ten przebieg i przez R8 steruje tranzystorem T3, który włącza sygnalizator SP1.

Z treści zadania: czas trwania sygnału 1 s, okres T = 3 s, z Rysunku 4 i tabeli 5: R7 = 1 MΩ.

Uwaga do treści: na Rysunku 5 wyjście U49A jest w stanie wysokim przez 1/3 T, a bramka U49B (oba wejścia połączone) odwraca ten sygnał - tranzystor T3 przewodzi więc, gdy U49A jest w stanie niskim, czyli przez 2/3 T. W tym układzie 1 s odpowiada raczej przerwie niż dźwiękowi. Dla obliczenia C1 nie ma to znaczenia, bo liczy się okres T, a wpisy są zgodne z treścią i kluczem.

Ze wzoru T = 1,2 · R7 · C1:

[ C_1 = \frac{T}{1{,}2 \cdot R_7} = \frac{3\ \text{s}}{1{,}2 \cdot 10^6\ \Omega} = 2{,}5 \cdot 10^{-6}\ \text{F} = 2,5\ \mu\text{F} ]

Najbliższe wartości E12: 2,2 µF (T ≈ 2,64 s) i 2,7 µF (T ≈ 3,24 s). Bliżej 3 s jest 2,7 µF (klucz uznaje obie, byle jednostka była zgodna z obliczeniem). Kondensatory elektrolityczne 1 ÷ 1000 µF są w tabeli 6.

• IC = 50 mA - prąd nowego sygnalizatora FY248 (3 ÷ 18 V, 50 mA) płynie przez kolektor T3,
• hFE = 150, UBE = 0,6 V - dane tranzystora BC547B.

[ I_B = \frac{I_C}{h_{FE}} = \frac{50\ \text{mA}}{150} \approx 0,33\ \text{mA} ]

Rezystor R8 łączy wyjście bramki U49B (stan wysoki co najmniej UOH = 3,4 V, tabela 5) z bazą T3:

[ R_8 = \frac{U_{OH} - U_{BE}}{I_B} = \frac{3{,}4\ \text{V} - 0{,}6\ \text{V}}{0,333\ \text{mA}} \approx 8,4\ \text{k}\Omega ]

Wybieram najbliższą mniejszą wartość E12: 8,2 kΩ - większa (10 kΩ) dałaby za mały prąd bazy i tranzystor mógłby nie wejść w nasycenie. Prąd bazy wyniesie ok. 0,34 mA, czyli mniej niż dopuszczalne 0,4 mA dla stanu wysokiego bramki (warunek UOHmin w tabeli 5).

U18 (74LS90) ma liczyć modulo 10 w kodzie BCD - według tabeli 7 wyjście Q0 łączę z CLK1 tego samego układu (impulsy wchodzą na CLK0 z bramki U14C).

U19 (74LS92, modulo 6) liczy dziesiątki minut. W konfiguracji z tabeli 7 impulsy podaje się na CLK1 (CLK0 jest na schemacie połączony z masą). Zliczać ma przepełnienia U18, więc łączę CLK1 (U19) z Q3 (U18) - opadające zbocze Q3 pojawia się przy przejściu 9 → 0.

U20 (74LS90, modulo 10 ze skróceniem do 24 przez U16C) - tak jak U18: CLK1 (U20) z Q0 (U20).

U21 (74LS90) dostaje impulsy na CLK0 z Q3 U20 (to połączenie jest już narysowane), więc i on potrzebuje wewnętrznego połączenia CLK1 (U21) z Q0 (U21).

Na koniec czytam karty jako całość:

• jedyny niesprawny układ z karty II (U9) jest jedynym wierszem karty III,
• C1 i R8 dotyczą generatora alarmu, a nie naprawy licznika - to osobne polecenia,
• na Rysunku 6 wszystkie liczniki 74LS90 mają Q0 → CLK1, a 74LS92 dostaje impulsy na CLK1 z Q3 poprzedniego licznika.

Po wymianie U9 (klucz tego nie ocenia) warto sprawdzić przejście minut 09 → 10 i 59 → 00 z przeniesieniem do godzin.