Elektroniczna kostka – zestaw do samodzielnego montażu NE026

Można powiedzieć, że to kolejna, druga część serii #retroelektronika. Pierwszy post dotyczył sygnalizatora 4-dżwiękowego – zestawu do samodzielnego montaż z firmy Nord Elektronik. Dziś czas na elektroniczną kostkę do gry, którą zmontowałem będąc nastolatkiem, czyli ponad 25 lat temu.

Elektroniczna kostka do gry – schemat i zasada działania

Kostka jest zbudowana na dwóch układach TTL. Pierwszy z nich, 7406 to sześć inwerterów z otwartym kolektorem (ważne!), drugi, 7493 to 4 bitowy licznik dwójkowy.

Układ zmontowany przez nastolatka za pomocą lutownicy transformatorowej w drugiej połowie lat 90 i odkopany w 2025 roku:

Schemat układu wygląda jak niżej:

Widać wyraźnie dwa bloki – generator sygnału zegarowego oraz moduł wyświetlania wyniku. Ten pierwszy jest oparty o dwa inwertery. Częstotliwość układu definiują elementy R1-R4 i C1-C2. Czasy ładowania tych dwóch kondensatorów decydują o długości stanu niskiego i wysokiego sygnału prostokątnego, który idzie dalej do układu 7493 na jego wejście zegarowe A (nóżka 14). Podpiąłem się tam multimetrem z oscyloskopem:

Okres przebiegu to 35μS, czyli częstotliwość to niecałe 29kHz. Wyniki na kostce zmieniają się 29 tysięcy razy na sekundę. To zapewnia losowość, a właściwie pseudolosowość, bo wyzwalając ręcznie licznik, nie jesteśmy w stanie wypłynąć na wynik, przy tak szybkim „losowaniu”. Warto prześledzić działanie układu 7493, jest on wykorzystany w bardzo ciekawy sposób i analiza zapalania kolejnych diod będzie fajną łamigłówką – polecam. Zgodnie z tabelą prawdy tego układu, reset licznika i jego wyzerowanie nastąpi w 7 kroku (liczymy od 0), gdy wyjście Q_B i Q_C będą w stanie wysokim. Dla kolejnych stanów logicznych na wyjściach (Q_D Q_C Q_B Q_A):

• 0 0 0 0 – prezentacja wyniku 2, świecą diody D4, D5;
• 0 0 0 1 – prezentacja wyniku 3, świecą diody D1 i D4, D5;
• 0 0 1 0 – prezentacja wyniku 4, świecą diody D2, D3 i D4, D5;
• 0 0 1 1 – prezentacja wyniku 5, świecą diody D1 i D2, D3 oraz D4, D5;
• 0 1 0 0 – prezentacja wyniku 6, świecą diody D2, D3, D6, D7 i D4, D5;
• 0 1 0 1 – prezentacja wyniku 1, świeci dioda D1.

Sprawdzi ktoś, czy się nie pomyliłem?

I jeszcze jedna ciekawostka – czy nie będzie zwarcia na inwerterach B3 i B2, które mają połączone wyjścia, jeśli na wyjściach Q_C i Q_D będą stany przeciwne? Na szczęście nie, bo w układzie 7406 wyjścia są typu otwarty kolektor, czyli jest tam stan niski lub wysokiej impedancji.

Ciekawą kwestią jest jeszcze sam generator i jego zatrzymywanie. Można tu zastosować przycisk zwierny jak i rozwierny. Jeśli zastosujemy ten pierwszy, to wyświetlenie wyniku nastąpi po naciśnięciu na klawisz. Wtedy też generator zostanie zablokowany i licznik zatrzyma się, puszczenie spowoduje losowanie, czyli wszystkie diody zapalą się słabym światłem, a w rzeczywistości będą migać wyświetlając kolejne wyniki, czego nasze oko już nie wychwyci. Jeśli zastosujemy przycisk rozwierny, to układ zacznie losować po wciśnięciu klawisza, a zatrzyma się z wynikiem po puszczeniu. Podsumowując, zwarcie styków powoduje zablokowanie generatora.

Działanie kostki z Nord Elektronik w praktyce

Losowanie wyników, przycisk rozwierny:

Zdjęcie z kolejnymi kombinacjami, od 1 do 6:

Druga ciekawa kwestia to pobór prądu. Producent proponuje zasilanie z 3 baterii AA, co w sumie daje średnio 4…4,8V. Kostka składa się z dwóch układów TTL, które wymagają zasilania 5V z tolerancją zależnie od wersji od +/- 0,5V. Technika bipolarna w jakich je wykonano, gwarantuje dużą szybkość działania (dziesiątki MHZ), ale jest to okupione dużym poborem prądu. Dodatkowo zwarcie styków włącznika losowania, czyli zatrzymanie generatora i wyświetlenie wyniku to kolejne 5mA (zwarcie R2 do plusa zasilania). Zmierzyłem jak to wygląda w praktyce przy napięciu zasilania 5,2V i:

• losowanie – 76,8mA;
• wyświetlenie wyniku 1 – 79,3mA;
• wyświetlenie wyniku 2 – 74,4mA;
• wyświetlenie wyniku 3 – 85,4mA;
• wyświetlenie wyniku 4 – 75,5mA;
• wyświetlenie wyniku 5 – 86,3mA;
• wyświetlenie wyniku 6 – 76,2mA.

No jak na zasilanie bateryjne, to pobór prądu jest konkretny :). Taka to technologia TTL sprzed kilku dekad. Przy zasilaniu z ogniwa Li-Ion o napięciu 4V prąd w każdym przypadku jest niższy o około 25mA.Proponowane zasilanie w postaci 3 baterii AAA wystarczy na kilkanaście godzin zabawy. Chyba trochę krótko, przy intensywnym użytkowaniu widzę tu bardziej 4 akumulatorki AA.

Podsumowanie

Odkurzyłem ten układ, by zagrać z dziećmi w jakieś planszówki. Zawsze to mniej zamieszania, niż granie tradycyjną kostką, która a to jest za lekko rzucona, a to za mocno i wpadła pod łózko, albo „oszukujesz!” :).

Do zasilania użyłem w pełni naładowanego ogniwa 18650. Napięcie 4,2V a nawet 4,0V wystarczyło do prawidłowego działania. Co do wad, to na pewno dioda D1 (środkowa) świeci wyraźnie jaśniej od pozostałych, warto zwiększyć wartość rezystora R8.

Układ opisałem głównie ze względu na dość „sprytną” budowę. Ktoś trochę tu pogłówkował i w ciekawy sposób wykorzystał układy logiczne. O to w tym właśnie chodzi!

Odkopując tego „dinozaura”, wpadłem na pomysł zrobienia kostki na mikrokontrolerze. Bardzo uprości to cały układ, a wkład w napisanie kodu w C będzie niewielki. Jak wystarczy czasu na realizację, to wrzucę opis na stronę.