CD4060 — licznik binarny z oscylatorem: pinout, zastosowania

CD4060 to 14-stopniowy licznik binarny z wbudowanym oscylatorem, przeznaczony do dzielenia częstotliwości i odmierzania opóźnień. Wyjście Qn dzieli częstotliwość zegara przez 2ⁿ, a jego pierwsze narastające zbocze po wyzerowaniu pojawia się po 2ⁿ⁻¹ impulsach. Oscylator RC wystarcza do orientacyjnych opóźnień; do dokładniejszego odmierzania czasu należy zastosować kwarc.

Taki układ przydaje się wszędzie tam, gdzie zastosowanie mikrokontrolera byłoby niepotrzebnie skomplikowane lub nieopłacalne.

Poniżej omawiamy wyprowadzenia CD4060, jego parametry, zasadę działania i najczęstsze zastosowania.

Różne elementy elektroniczne

Co to jest CD4060?

CD4060 to 14-stopniowy asynchroniczny licznik binarny z wbudowanym oscylatorem. Jest wykonany w technologii CMOS i należy do rodziny CD4000.

Układ służy przede wszystkim do uzyskiwania wybranych opóźnień czasowych i sygnałów o kilku podzielonych częstotliwościach. Umożliwia to wewnętrzny oscylator, który do pracy wymaga jedynie kilku zewnętrznych elementów pasywnych. 

CD4060 może być również przydatny w prostych generatorach dźwięku i syntezatorach. Jeden kondensator i para rezystorów pozwalają zbudować oscylator, a kolejne stopnie licznika udostępniają dziesięć różnych częstotliwości.

Płytka drukowana

CD4060 — schemat połączeń i wyprowadzenia

CD4060 w obudowie DIP-16 ma wyjścia Q4–Q10 oraz Q12–Q14. Wyjścia Q1–Q3 i Q11 nie są wyprowadzone. Funkcje pinów podano poniżej wg noty katalogowej; przed montażem sprawdź kartę katalogową konkretnego producenta i wersji układu.

Schemat wyprowadzeń CD4060

Poniższy diagram przedstawia rozmieszczenie wyprowadzeń układu CD4060.

Schemat wyprowadzeń CD4060

Funkcje wyprowadzeń DIP-16

Każde z 16 wyprowadzeń ma przypisaną nazwę i określoną funkcję.

Kondensator używany w obwodzie oscylatora

Parametry licznika CD4060

Zasilanie CD4060B wynosi typowo 3–18 V wg noty katalogowej. Dokładne wartości parametrów zależą od producenta i wersji — sprawdź kartę katalogową, zwłaszcza dopuszczalną częstotliwość zegara i wymagania sygnału RESET.

Licznik ma 2¹⁴ = 16384 stanów, czyli zakres zliczania 0–16383. Nie oznacza to dostępu do wszystkich bitów: obudowa udostępnia tylko wybrane stopnie.

Układy elektroniczne na płytce

Jak działa CD4060?

CD4060 zlicza impulsy wytwarzane przez wewnętrzny oscylator lub podawane z zewnątrz. Kolejne stopnie dzielą częstotliwość zegara. Podczas normalnej pracy wejście RESET powinno pozostawać w stanie niskim względem VSS.

Podanie stanu wysokiego na pin 12 (RESET) zeruje wszystkie wyjścia licznika wg noty katalogowej. Od tego stanu należy liczyć impulsy potrzebne do uzyskania pierwszego narastającego zbocza na wybranym wyjściu.

Poniższa tabela logiczna pokazuje wpływ sygnału RESET i impulsu zegarowego na stan układu.

Oscylator elektroniczny

Dobór alternatywy dla CD4060

Przy wyborze innego licznika porównaj dostępne podziały częstotliwości, obecność oscylatora, sposób resetowania i rozmieszczenie wyprowadzeń. Sama przynależność do rodziny CD4000 nie oznacza zamienności układów.

Jak uruchomić CD4060 z oscylatorem RC?

Aby uruchomić układ, podłącz dodatnie zasilanie do VDD, a masę do VSS zgodnie z tabelą wyprowadzeń wg noty katalogowej. Kolejnym krokiem jest ustalenie częstotliwości zegara.

Częstotliwość oscylatora RC można oszacować ze wzoru f ≈ 1 / (2,2 · R · C) — typowo wg noty katalogowej. R i C oznaczają rezystancję i pojemność elementów czasowych; R podstawiamy w Ω, C w F, a wynik otrzymujemy w Hz. Schemat połączeń oraz warunki stosowania przybliżenia sprawdź w nocie katalogowej konkretnej wersji.

Wewnętrzny oscylator wymaga dwóch zewnętrznych rezystorów i jednego kondensatora. Jeden rezystor łączy się z pinem R.E.X.T., drugi z pinem CLK, natomiast kondensator podłącza się do pinu C.E.X.T. Wartości tych elementów wyznaczają częstotliwość pracy.

Obwód z diodą Zenera

Zasilanie z baterii

Podziały częstotliwości i czas pierwszego zbocza

Dla stopnia n obowiązuje f_Qn = f_zegara / 2ⁿ. Tabela pokazuje dostępne podziały wg noty katalogowej. Brak Q11 trzeba uwzględnić już podczas wyboru wyjścia do układu czasowego.

Pełny okres wyjścia wynosi T_Qn = 2ⁿ / f_zegara, natomiast pierwsze narastające zbocze po wyzerowaniu wymaga 2ⁿ⁻¹ impulsów. Przy ustalonej częstotliwości daje to t_pierwsze ≈ 2ⁿ⁻¹ / f_zegara; dla f w Hz czas otrzymujemy w sekundach. Pomylenie tych wielkości daje dwukrotnie zawyżone opóźnienie.

Przykłady obliczeń opóźnienia RC

Poniższe wartości są obliczeniami z przybliżonego wzoru katalogowego, a nie wynikami pomiarów. Dla R = 100 kΩ i C = 1 nF:

• f ≈ 1 / (2,2 · 10⁵ Ω · 10⁻⁹ F) ≈ 4545 Hz.
• f_Q10 = f / 1024 ≈ 4,44 Hz.
• Q14 pierwszy raz przechodzi w stan wysoki po 8192 impulsach: t ≈ 8192 / (4545 Hz) ≈ 1,80 s.

Dla dłuższego opóźnienia przyjmijmy R = 1 MΩ i C = 100 nF. Wtedy f ≈ 1 / (2,2 · 10⁶ Ω · 100 · 10⁻⁹ F) ≈ 4,55 Hz. Czas pierwszego zbocza Q14, liczony bez pośredniego zaokrąglania częstotliwości, wynosi t ≈ 8192 · 2,2 · 10⁶ Ω · 100 · 10⁻⁹ F ≈ 1802 s ≈ 30 min.

Przy dużej rezystancji rośnie wpływ upływności, a tolerancje R i C przesuwają rzeczywisty czas zadziałania. Na częstotliwość wpływają też napięcie zasilania i temperatura: taki timer będzie orientacyjny. Jest to opis jakościowy, nie wynik naszych pomiarów stabilności.

Oscylator kwarcowy 32 768 Hz — jak uzyskać 1 Hz?

Dla założonej częstotliwości kwarcu 32 768 Hz dzielenie daje poniższe wartości obliczone:

Q14 daje 2 Hz. Aby uzyskać 1 Hz, dołącz dzielnik ÷2, na przykład przerzutnik z układu CD4013: 2 Hz / 2 = 1 Hz. Dobór pojemności obciążających i schemat oscylatora sprawdź w nocie katalogowej. Rozruch zależy od tych pojemności oraz zasilania; niewłaściwy dobór może utrudnić rozpoczęcie oscylacji. To opis jakościowy, bez własnych pomiarów rozruchu.

Reset po włączeniu i sprawdzenie działania

Dodaj obwód RC do pinu 12 (RESET wg noty katalogowej), aby po włączeniu zasilania wymusić stan wysoki, a następnie niski. Dobierz go według wymagań konkretnej noty katalogowej. Bez skutecznego zerowania nie można zakładać startu od zera, więc obliczone opóźnienie pierwszego zbocza może nie odpowiadać czasowi od włączenia.

Opis kontroli, nie wynik pomiaru: po resecie wyjścia powinny być niskie, a po rozpoczęciu zliczania wybrane wyjście powinno zmieniać stan zgodnie z podziałem. Częstotliwość można sprawdzić za pomocą licznika częstotliwości. Czas rozruchu oscylatora trzeba odróżnić od opóźnienia wynikającego ze zliczania impulsów.

Technik pracujący nad projektem elektronicznym

Zastosowania układu CD4060

CD4060 stosuje się przede wszystkim w układach czasowych.

Wbudowany dzielnik częstotliwości pozwala uzyskiwać długie okresy w prostych systemach elektronicznych.

Układ sprawdza się także w projektach, w których zastosowanie mikroprocesora byłoby zbędne lub niepożądane. 

Układ scalony

Podsumowanie

CD4060 łączy oscylator z binarnym dzielnikiem częstotliwości. Pozwala zbudować prosty układ czasowy przy użyciu niewielkiej liczby elementów zewnętrznych, lecz dokładność odmierzania czasu zależy od wybranego oscylatora i warunków pracy.

Przed wykonaniem projektu należy sprawdzić w karcie katalogowej konkretnej wersji układu dopuszczalne napięcia, częstotliwości i sposób podłączenia oscylatora.