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SEZIONE ESPERIMENTI
Clock oscillator controlled by Quartz Crystal
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Osscillatore per orologio digitale.

Dopo l'oscillatore con l'integrato 555, presente in questa medesima sezione (multivibratore astabile), oggetto dell'esperimento quì illustrato, è un oscillatore controllato da un cristallo di quarzo. Il cristallo di quarzo, per sua natura, oscilla solamente ad una frequenza caratteristica che dipende della sua costituzione fisica, principalmente dal suo spessore. Si utilizza il cristallo di quarzo quando si vuole avere una maggiore precisione in frequenza, esente quindi da variazioni introdotte dalla temperatura o dalla variazione di tensione e/o altri fattori. Gli orologi digitali moderni sono nella gran parte controllati da un cristallo di quarzo risuonante alla frequenza caratteristica di 32.768 Hz. Dimezzando 15 volte questa frequenza tipica, si ottiene esattamente un impulso al secondo da applicare ai contatori degli orologi digitali.

Esistono diversi modi di ottenere un oscillatore controllato al quarzo, il più semplice consiste nell'utilizzare 2 porte hex inverters come abbiamo già visto nella pagina dedicata a quel tipo di oscillatore Oscillatore con Hex Inverter controllato al quarzo. Essendo il presente oscillatore concepito per costituire la base dei tempi di un orologio digitale, si è cercato un integrato che racchiudese in se oltre alla funzione di oscillatore, anche la funzione di divisore. La scelta è ricaduta su un integrato facente parte della famiglia logica CMOS della serie 4000. Si tratta del CD4060 o suo equivalente (74HC4060, MMC4060, MC14060). L'integrato racchiude al suo interno una sezione utilizzata per ottenere l'oscillatore controllato dal cristallo di quarzo e 14 stadi di circuiti flip-flops mediante i quali si divide la frequenza di oscillazione fino ad ottenere un impulso ogni 2 secondi. Va da se, che è necessario un ulteriore stadio per ottenere il fatidico 1Hz da applicare ai contatori dell'orologio.

cd4060 pins
Fig. 2 - piedini del CD4060
Per il Datasheet del CD4060

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Un orologio digitale però, almeno per il primo avvio, necessita di essere settato o meglio sincronizzato all'ora corrente, per cui non è sufficiente avere solo la frequenza di 1Hz per i contatori, ma anche una frequenza maggiore al fine di sincronizzre velocemente l'orologio. Nello schema a blocchi che segue, sono visibili le frequenze disponibili sui vari piedini dell'integrato.

cd4060 divisore
Fig. 3

Finalmente, in figura 4, lo schema elettrico di quanto descritto finora con riportati valori dei componenti passivi. Si ricorda che il punto nero identifica il piedino 1 dell'integrato visto dall'alto.

oscillatore circuito
Fig. 4
breadborad oscillatore
Fig. 5

Volendo collaudare l'oscillatore per verificarne il corretto funzionamento, si può utilizzare la nostra basetta sperimentale. Il modo più semplice per verificarne il funzionamento, consiste nel pilotare uno o più LEDs alle frequenze più basse. Inserire il terminale positivo del LED all'uscita dei 2Hz (pin 3 dell'integrato) e collegare, a mezzo di una resistenza da 120 Ohm, il terminale negativo dello stesso alla massa del circuito. Il LED lampeggerà 2 volte ogni secondo, mentre collegandolo al piedino 2, questo lampeggerà ad un ritmo di 4 lampeggi al secondo.

Collegamento.

Per iniziare il collegamento dei componenti, si parte nel disporre l'integrato a cavallo delle due semibasette. Si colloca il quarzo nella posizione più conveniente rispetto alla massa del circuito, quindi si collegano i condensatori tra i terminali del quarzo e la massa. Si passa a collegare le resistenze, quindi si collegano i terminali di alimentazione dell'integrato non dimenticandosi di porre a massa il terminale di RESET. All'uscita dei 2 Hz del CD4060, pin 3, viene collegato il terminale positivo di un LED e attraverso una resistenza da 120 Ohm, per limitarne l'assorbimento, alla massa del circuito. Si collega il positivo e il negativo della breadboard all'alimentatore dopo avere selezionato una tensione di uscita di 5 V, e si accende l'alimentatore. In basso viene proposto lo schema elettrico completo della base dei tempi utile per la realizzazione di un orologio digitale con la gamma di frequenze completa.

circuito elettrico
circuito completo

Nota.

Chi avesse costruito l'orologio digitale digital clock illustrato nella sezione progetti può utilizzare questo oscillatore operando pochissime modifiche. In primo luogo si toglie l'integrato 555 utilizzato come base dei tempi, quindi, dopo aver realizzato l'oscillatore controllato al quarzo su di una adeguata basetta, la si colloca nelle immediate vicinanze del zoccolo del 555 prima menzionato e si collega al pin 3 (ora libero) la frequenza di 256 Hz dall'apposita uscita del CD4060. Ricordo che la frequenza di 256 Hz veniva divisa dal TC4520 per ricavare oltre alla base dei tempi di 1Hz, anche la frequenza per il settaggio dell'ora e quella per il funzionamento del multiplexer per il risparmio energetico.
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