1Hz-Zeitbasis


Einleitung

Als ich die Frequenzanzeige entwickelte, die zugegebenermaßen ein IC-Grab darstellt, benötigte
ich schon recht bald eine hinreichend genaue 1Hz-Zeitbasis. Bei der Recherche im Internet
fand ich auch ziemlich schnell eine Schaltung, die mir geeignet schien. Sie besteht aus
einem CMOS-IC 4521, eine 24-stufigen Frequenzteiler und Oszillator mit angeschaltetem
4,194MHz-Quarz. Ich zog mir also das Schaltbild herunter, griff in die Bauteilkiste, in
der sich ein 4521 befand und baute die Schaltung auf.
Zeitbasis mit 4521. vergrößertes PDF durch anklicken
Durch Anklicken des Bildes öffnet das Schaltbild als PDF-Datei.
Die Schaltung hatte aber ein Problem: Sie funktionierte nicht. Der Oszillator weigerte sich
permanent, auch nur ein müdes Rechteck zu produzieren. Da ich zuerst einen Verdrahtungsfehler
vermutete, überprüfte ich die Platine.
Es war kein Fehler zu finden. Ich nahm also an, dass das IC vielleicht kaputt sei und setze
ein neues IC ein. Anzumerken ist, dass es ein IC neueren Datums war. Die Schaltung funktionierte
immer noch nicht. Also nahm ich ein drittes IC, es hätte ja sein können, dass ich zwei
kaputte ICs hintereinander eingebaut hatte; es war ja alles schon einmal da…
Die Schaltung funktionierte immer noch nicht.
Nach einiger Zeit begann ich das Konzept zu bezweifeln, setzte mich wieder an den Rechner
und besuchte im Internet in ein paar Foren, in denen ich eben das Problem beschrieben fand.
Abgesehen davon, dass auf die Frage, warum die Schaltung nicht funktioniere, zum größten
Teil nur blöde und beleidigende Antworten zu lesen waren, stellte ich fest, dass ich
offenbar nicht der Einzige war, der genau auf dieses Problem gestoßen war. Demnach konnte
das Problem nicht an mir liegen sondern an besagtem IC.
Ich steckte das IC also auf ein Steckbrett, verband den Eingang Pin6 mit dem TTL-Ausgang
eines Funktionsgenerators und den Ausgang Q18 als niederwertigsten Ausgang mit einem Oszilloskop.
Als alles angeschlossen war, schaltete ich alles ein , stellte den Funktionsgenerator auf
eine Startfrequenz von 100kHz und erhöhte sie so lange, bis das Signal auf dem Oszilloskop
zusammenbrach. Und siehe da, bei einer Frequenz von ca. 2,1 MHz war das Signal an Ausgang
Q18 verschwunden. Ich wiederholte den Versuch mehrfach an den verschiedenen Ausgängen und
mit verschiedenen ICs und bekam jedes Mal dasselbe Ergebnis.
Ein Blick in das Datenblatt des CD4521b bestätigte das Messergebnis. Das Datenblatt von
Texas Instruments gibt folgende Frequenzbereiche an:
Spannung Min Typ Max
5V 0,5 MHz 0,7 MHz 0,9 MHz
10V 1,2 MHz 1,5 MHz 1,8 MHz
15V 1,7MHz 2,1 MHz 2,5 MHz
Meine ICs waren ICs von Motorola. Die Angaben im Datenblatt lassen  sich offenbar auf das
IC von Motorola übertragen. Beim Blick in das Datenblatt des HEF4521B von Philips erhielt
ich jedoch andere Angaben:
Spannung Min Typ
5V 6 MHz 12 MHz
10V 12 MHz 25 MHz
15V 17 MHz 35 MHz
So richtig überrascht hat mich die Angabe jedoch nicht. Ich hatte schon des Öfteren das
Problem, dass wenn ich gezwungen war, ein vom Hersteller abgekündigtes IC durch ein
funktionsgleiches IC eines anderen Herstellers zu ersetzen. Die reine Funktion war
dann zwar gleich, das Verhalten des ICs in der Schaltung wich aber im Detail von dem
des zuvor eingesetzten ICs ab, was zur Folge hatte und hat, das die Beschaltung des
ICs angepasst werden muss.
Ich benötigte aber eine Schaltung, die immer und mit jedem IC funktioniert. Die
Applikation des Quarzoszillators des 4060 erschien mir vielversprechend. Da ich den
4060 und das TTL-Äquivalent 744060 schon des Öfteren eingesetzt hatte, steckte ich die
Applikation, mit ein paar minimalen Abwandlungen, auf ein Steckbrett auf, und siehe da,
ich bekam ein astreines 2Hz-Rechteck an Ausgang Q14. Um tatsächlich auf 1Hz zu kommen,
musste das Signal noch einmal herunter geteilt werden. Die Zeitbasis funktioniert und
ist hinreichend genau für die Frequenzanzeige.
Die Schaltung kann noch etwas verbessert werden. Um sie als Zeitbasis für eine
Digitaluhr zu verwenden muss anstelle von C1 ein kapazitiver Trimmer mit einer
einstellbaren Kapazität von 22pF bis 37pF eingesetzt werden, um die Schwingfrequenz
auf genau 32768Hz abzustimmen. Bei einer Abweichung von einigen Hertz als Zeitbasis
für eine Uhr macht dies zwar über kurze Zeit hinweg wenig aus, die Uhr muss aber doch
alle paar Tage nachgestellt werden.

Schaltungsbeschreibung

Die Zeitbasis wird durch IC 1, 4060, und IC2a, 4013, gebildet. IC1, 4060, ist ein 14-stufiger
Oszillator/Zähler, bei dem die Ausgänge beginnend mit der vierten Teilerstufe bis zur 14. Teiler,
Q4 - Q14, herausgeführt werden. Zu beachten ist, dass die 11. Teilerstufe, Q11, übersprungen wird.
Das Uhrenquarz Q1 (nicht zu verwechseln mit einem Ausgang Q1) mit einer Resonanzfrequenz
von 32768Hz bildet den präzisen Takt. An Ausgang Q14 steht nun eine Takt von 2Hz zu Verfügung,
der mit IC2a, 4013, ein Dual-D-FlipFlop, auf 1Hz heruntergeteilt wird. IC2b, der zweite
Teil des FlipFlop, dient, einfach um es nicht unbenutzt zu lassen, als Taktanzeige und als
invertiertes, also um 180º gedrehtes Taktsignal.
An den anderen Ausgängen, beginnend mit Q4, sind folgende Frequenzen abgreifbar:

Q4:2048Hz, Q5:1024Hz, Q6:512Hz, Q7:256Hz, Q8:128Hz, Q9:64Hz, Q10:32Hz, Q12:8Hz, Q13:4Hz, Q14:2Hz
Zeitbasis mit 4060 als PDF
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Diese Zeitbasis funktioniert. Ich habe sie zwischenzeitlich mehrfach erfolgreich eingesetzt.
Als Zeitbasis des siebenstelligen Frequenzzählers ist sie bis ca. 10Mhz so genau, dass
das gemessene Ergebnis bei 10 MHz eine Abweichung von ca. 350Hz gegenüber einem Päzisions-
Frequenzzähler hat.