Scopeclock
Dies ist ein Bauvorschlag für meine Version der Scopeclock.
Die Bezeichnung "Scopeclock" steht für eine Uhr, die die Uhrzeit auf einer Oszilloskopen-Röhre ("Scope") darstellt. Die Idee ist nicht mehr so ganz neu und es gibt durchaus einige Implementierungen im Internet, inspiriert wurde ich persönlich jedoch durch die Scopeclock von Sascha Ittner.
Beschreibung
Anlass für mein Projekt war hauptsächlich die Oszilloskopen-Röhre vom Typ 3SP1, die ich seit zig Jahren unbenutzt herumliegen hatte und die dringend einer Verwendung zugeführt werden musste. ;-) Durch die etwas ungewöhnliche Bildschirmgeometrie (knapp 1:2) passten die vorhandenen Bauvorschläge jedoch nicht ganz so optimal, so dass ich die Betriebssoftware komplett neu entwickelt habe.Zum Einsatz kommt ein Mikrocontroller aus der Microchip PIC Serie, ein PIC16F690.
Das Prinzip der Schaltung unterscheidet sich im Wesentlichen nicht von anderen Implementierungen dieser Art. Der Mikrocontroller ermittelt die Uhrzeit und errechnet hieraus die benötigten Positionen der graphischen Elemente - im Wesentlichen sind dies die Start- und Endpunkte von Linien, aus denen Schrift und/oder Zeiger zusammengesetzt werden.
Die einzelnen Koordinaten der Linien werden über den bewährten bresenham Algorithmus errechnet. Die Werte der Koordinaten werden dann über einen 8-bit AD-Umsetzer ausgegeben (je einmal für x-und y) und über eine Vor- und Endstufe an die Röhre gegeben.
Als AD-Umsetzer habe ich den 2-Kanal Umsetzer TLC7528 eingesetzt, wobei die Beschaltung mit der anschließenden Vorstufe nahezu unverändert der Application Note von Texas Instruments entspricht. Das Endstufen Design stammt von Sascha Ittner.
Um den Eindruck eines stehenden Bildes zu erzeugen wird das Bild 50 mal in der Sekunde neu geschrieben. Da die Oszi-Röhre recht lange nachleuchtet ist praktisch kein Flimmern zu erkennen. Der Bildaufbau ist mit den 50Hz des Stromnetzes synchronisiert. Auch wenn der Mikrocontroller noch etwas schneller könnte macht diese Synchronisation großen Sinn, da extern einstrahlende (50Hz-) Magnetfelder (z.B. von Trafos oder angrenzenden Kabeln) das Bild so zwar weiterhin verzerren können, es jedoch nicht zu Überlagerungserscheinungen und damit einem instabilen Bild kommt. Auf eine magnetische Abschirmung der Röhre kann daher verzichtet werden, was der Ästhetik zugute kommt.
Zum Betrieb von Oszi-Röhren werden einige recht hohe Spannungen benötigt (hier von >1000V). Abweichend von den üblichen Schaltungen dieser Art, in denen ein Hochspannungs-Trafo zum Einsatz kommt, habe ich für meine Schaltung einen Gegentakt-Sinuswandler entwickelt, der die Betriebsspannungen von +250V und -1000V für den Betrieb der Röhre liefert.
Vorteil: Nur ein kleiner Schalenkern, kein großer (Spezial-)Trafo mit potentiellen Beschaffungsproblemen.
Mehr oder weniger statische Darstellungen wie hier führen beim längeren Betrieb zum Einbrennen auf der Leuchtschicht der Röhre und damit zum lokal stärkeren Verschleiß. Um diesen Effekt zu vermindern wird die Darstellung der Uhrzeit alle 10 Minuten um ein paar Pixel nach rechts bzw. links verschoben.
Die Uhrzeit holt sich die Uhr vom DCF77 Sender in Mainflingen, dazu ist ein fertiges DCF77 Empfänger-Modul über ein Kabel in einem kleinen externen Gehäuse untergebracht. Als Steckerverbindung kommt ein 3-poliger 3,5mm Klinkenstecker zum Einsatz. (Spitze: +5V, Ring: Signal) Die räumliche Trennung verbessert die Empfangseigenschaften deutlich, da im direkten Umfeld des Röhren-Schaltkreises doch einige Störsignale in den Empfänger einstrahlen und dessen Empfang stören können. Im Prototyp kam das Empfängermodul von Kundo (erhältlich z.B. bei Reichelt) zum Einsatz.
Um direkt nach dem Einschalten eine valide Uhrzeit zu haben wird die ermittelte DCF77 Zeit nach jeder erfolgreichen Synchronisierung zusätzlich in eine batteriegepufferte I2C Echtzeituhr (DS1307) übertragen. Damit ist die Uhrzeit auch dann vorhanden, wenn der DCF77 Empfang vorübergehend gestört ist.
DCF77 ist allerdings in meinem Schaltungsentwurf zwingend notwendig, da Schalter zum manuellen Stellen der Uhrzeit nicht vorgesehen sind.
Der Rest der Schaltung ist ziemlich Mainstream. Für die Versorgung sind 2x12V Wechselspannung und 6,3V Wechsel- oder Gleichspannung (für die Heizung der Röhre) erforderlich. Sofern die hierfür eingesetzten Trafos in der Nähe der Röhre (also im gleichen Gehäuse) untergebracht werden sollen, sind unbedingt Ringkerntrafos zu verwenden. Das Streufeld herkömmlicher EL Kerne strahlt zu sehr in die Röhre ein und verzerrt das Bild deutlich.
In meinem Fall habe ich für die Röhrenheizung ein fertig erhältliches Schaltnetzteil und für die 2x12V einen 10VA Ringkern-Trafo verwendet. Für einen 10VA Ringkern Trafo liegt unten ein entsprechendes Layout bei. Die auf dem Trafo-Board vorgesehenen 1 Ohm Widerstände reduzieren durch die an ihnen abfallende Spannung die Eingangsspannung der linearen Regler und damit die dort anfallende Verlustleistung. Die Widerstände sind nicht zwingend und sollten abhängig vom eingesetzten Trafo und dessen Ausgangsspannung entweder eingesetzt oder durch Brücken ersetzt werden.
Darstellungsmodi
Folgende Modi lassen sich mit dem Taster auf der Rückseite umschalten. Der zuletzt gewählte Modus wird im EEPROM des Controllers gesichert und beim nächsten Einschalten wieder verwendet.
Nur Uhr in klassischer Zeigerdarstellung.
Uhr in klassischer Zeigerdarstellung plus Datum.
Uhrzeit als Ziffern und Datum.
Nur Uhrzeit als Ziffern.
Testbild - zum Ausrichten des Bildes auf Bildschirm-Mitte gedacht.
Die oben zu sehende Darstellung unten rechts auf dem Bildschirm bedeutet Folgendes: Das erste (linke) Symbol stellt das Schaltzeichen einer Antenne dar und wird eingeblendet, wenn ein Signal am DCF77- Eingang erkannt wird. Rechts daneben erscheint zusätzlich ein kleines "s", wenn ein DCF77 Frame fehlerfrei empfangen wurde und die Uhrzeit damit synchron ist. Nach dem ersten Einschalten dauert die Synchronisation mindestens 80 Sekunden, kann durchaus aber auch mehrere Minuten dauern. Das ist abhängig von der lokalen Empfangsqualität des Signals und auch dem Zeitpunkt des Einschaltens.
Sollte kein Empfang möglich sein sollte man zunächst versuchen, die externe Antenne anders auszurichten und von weiteren potentiellen Störquellen entfernt aufzustellen.
Bilder
Die meisten der folgenden Bilder zeigen die Scopeclock mit abgenommener Schutzhaube (Acryl). Regulär sollte die Uhr so aber nicht betrieben werden, da teilweise hohe Spannungen offen anliegen. Auch wenn die Schaltung selber netzgetrennt ist, ist das Berühren an der falschen Stelle nicht nur unangenehm sondern unter Umständen sehr gefährlich.Die Bilder zeigen die Hauptplatine in einem Prototypen-Stadium. Die finale Bestückung weicht teilweise etwas davon ab.
Klick auf die Miniatur öffnet größere Ansicht.
Downloads
Schaltplan, Bestückung oben, Bestückung unten, LayoutTastatur: Schaltplan, Bestückung, Layout
Röhrenplatine: Schaltplan, Bestückung, Layout
Trafoplatine: Schaltplan, Bestückung, Layout
Sourcecode in Assembler Übersetzter Sourcecode als HEX-File
Für die Funktion der Schaltung kann ich trotz sorgfältiger Prüfung keine Gewährleistung übernehmen. Nachbau und Nutzung also auf eigenes Risiko! Da hier mit Netzspannung umgegangen werden muss sollte nur derjenige den Nachbau angehen, der weiß, was er tut.