На базе описанного формирователя импульсов можно собрать еще один прибор - частотомер. Назначение его отражено в названии - измерение частоты исследуемого сигнала.
При поступлении на вход элемента DD1.2 последовательности прямоугольных импульсов на выходе формирователя появляется последовательность отрицательных импульсов, длительность которых зависит от емкости конденсаторов, подключенных в данный момент к резистору R1 и входу элемента DD1.2. В течение действия каждого отрицательного импульса через один из резисторов R2-R4 и микроамперметр РА1 проходит ток. После окончания одного импульса и до начала следующего стрелка механической системы микроамперметра за счет инерционности не успевает возвращаться в начальное положение. Таким образом, чем больше частота импульсов, тем больше угол отклонения стрелки. Причем зависимость эта линейная, что значительно облегчает калибровку прибора.
Диапазон частот, измеряемых этим прибором (20...20000 Гц), разбит на три поддиапазона: 20...200, 200...2000, 2000...20000 Гц. Поддиапазон измерения выбирается переключателем SA1 и зависит от емкости подключенного конденсатора.
При калибровке прибора на его вход подают последовательность импульсов с частотой, соответствующей наибольшей частоте поддиапазона, и подбором сопротивления резисторов R2-R4 устанавливают стрелку на конечную отметку шкалы.
Для удобства эксплуатации в качестве микроамперметра РА1 использовать авометр, включив его в режим измерения постоянного тока на пределе 100... 150 мкА.
Первая конструкция частотомера состоит из микроконтроллера PIC16F84 и делителя частоты на 10 на счетчике 193ИЕ2. Выбор нужного диапазона происходит сдвоенным тумблером SA1. В первом положение, входной сигнал меняет делитель и сразу проходит на вход микроконтроллера. Это дает возможность измерять частоту до 50 МГц.
Основой второй схемы частотомера является эмикроконтроллер PIC16F84A, который с помощью импульсов внешнего сигнала, обрабатывает полученные результаты измерений и вывод их на ЖК дисплей. Кроме того, микроконтроллер периодически опрашивает кнопки (SB1-SB4) и управляет питанием частотомера.
Особенностью данной конструкции частотомера на микроконтроллере является то, что она работает вместе с компьютером и подсоединена к материнской плате через разъем IRDA. От этого же разъема конструкция получает питание
Еще одна схема частотомера |
Этот частотомер сделан также на одной м.с, минимуме дискретных элементов и может выполнять следующие измерения: частоты, периода, отношения частот, временного интервала, счёт (работать как накапливающий счётчик), производить контроль от внутреннего генератора.
Результаты всех измерений выводятся в цифровой форме на восьмиразрядном светодиодном индикаторе. Максимальная измеряемая частота 10 МГц. В иных режимах измерения максимальная входная частота -2,5 МГц.
Упростить электрическую схему частотомера позволяет использование известной и популярной за рубежом недорогой микросхемы типа 7216А. Она представляет собой универсальный декадный счётчик со встоенным задающим генератором, 8-разрядным счётчиком данных с защёлкой, дешифратором для 7-сегментного индикатора с восемью выходными усилителями для светодиодных индикаторов. Схема прибора изображена на рисунке. На выводы 28 (канал I) или 2 (канал II) подают измеряемую импульсную последовательность ТТЛ уровня. С выводов 4-7, 9-12 идёт управление сегментами светодиодных индикаторов. Выводы 15-17,19-23 используются для мультиплексного управления светодиодными индикаторами, а выводы 15,19-23, кроме того, используются для выбора диапазона и режима измерений, с них сигналы через переключатели и RC цепи подаются на выводы 14 и 3. Вывод 27 используется для фиксации показаний, а вывод 13 для сброса. Кварцевый резонатор с частотой 10 МГц подключают к выводам 25, 26. Питается прибор от источника +5 В (аккумулятор, батарея сухих элементов, стабилизированый сетевой блок), собственное потребление ИМС не превышает 5 мА, а максимальный ток светодиодов может составлять до 400 мА.
Прибор прост в эксплуатации. Управление сводится к выбору режима работы переключателем SB4: Частотомер, Измеритель периода, Измеритель отношения частот, Измеритель временного интервала, Накапливающий счётчик, Контроль, а также к выбору диапазона измерений переключателем SB3 (по младшему разряду): 1. 0,01 с/1 Гц, 2. 0,1 с/10 Гц, 3. 1 с/100 Гц, 4. 10 с/1 кГц.
Кроме микросхемы 7216А в приборе использованы резисторы мощностью 0,125 Вт, конденсаторы С1-СЗ, С6, С7 керамические, светодиодный индикатор собирается из восьми цифровых 7-сегментных индикаторов с общим анодом АЛС321Б, АЛС324Б, АЛС337Б, АЛС342Б, КИПЦ 01Б, КИПЦ 01 Г. Кварц малогабаритный на 10 МГц.
Для нормальной работы схемы на входы необходимо подавать сигнал ТТЛ уровня. Порог переключения по входам микросхемы 2 В, поэтому для измерений малых сигналов вход прибора нужно подключить к выходу усилителя-формирователя, который может быть реализован по любой из известных схем. Главное, чтобы он с одинаковым успехом преобразовывал в прямоугольные импульсы как сигналы с частотой 1 Гц, так и 10 МГц. Желательно иметь большое входное сопротивление этого усилителя. При разработке этой схемы использовались данные производителя микросхемы ICM7216A
Конструирование этого измерительного прибора (рис. 46) должно стать для вас обобщением, сведением воедино и практическим применением знаний и навыков по основам цифровой техники. Прибор позволит измерять синусоидальные гармонические и импульсные электрические колебания частотой от единиц герц до 10 МГц и амплитудой от 0,15 до 10 В, а также считать импульсы сигнала.
Рис. 46. Внешний вид цифрового частотомера
Рис. 47. Структурная схема частотомера
Структурная схема описываемого частотомера показана на рис. 47. Его образуют: формирователь импульсов сигнала измеряемой частоты, блок образцовых частот, электронный ключ, двоично-десятичный счетчик импульсов, блок цифровой индикации и управляющее устройство. Питается частотомер от сети переменного тока напряжением 220 В через двухполупериодный выпрямитель со стабилизатором выпрямленного напряжения (на рис. 47 не показаны).
Действие прибора основано на измерении числа импульсов в течение определенного-образцового-интервала времени. Исследуемый сигнал подают на вход формирователя импульсного напряжения. На его выходе формируются электрические колебания прямоугольной формы, соответствующие частоте входного сигнала, которые поступают на электронный ключ. Сюда же через управляющее устройство, открывающее ключ на определенное время, поступают и импульсы образцовой частоты. В результате на выходе электронного ключа появляются пачки импульсов, которые далее следуют к двоично-десятичному счетчику. Логическое состояние двоично-десятичного счетчика, в котором он оказался после закрывания ключа, отображает блок цифровой индикации, работающий в течение времени, определяемого управляющим устройством.
В режиме счета импульсов управляющее устройство блокирует источник образцовых частот, двоично-десятичный счетчик ведет непрерывный счет поступивших на его вход импульсов, а блок цифровой индикации отображает результат счета.
Принципиальная схема частотомера показана на рис. 48. Многие узлы в нем вам уже знакомы. Поэтому рассмотрим более подробно лишь новые цепи и узлы прибора.
Формирователь импульсного напряжения представляет собой усложненный триггер Шмитта, собранный на микросхеме К155ЛД1 (DD1). Резистор R1 ограничивает входной ток, а диод VD1 защищает микросхему от перепадов входного напряжения отрицательной полярности. Подбором резистора R3 устанавливают нижний (наименьший) предел напряжения входного сигнала.
С выхода формирователя (вывод 9 микросхемы DD1) импульсы прямоугольной формы поступают на один из входов логического элемента DD11.1, выполняющего функцию электронного ключа.
В блок образцовых частот входят: генератор на элементах DD2.1-DD2.3, частота импульсов которого стабилизирована кварцевым резонатором ZQ1, и семиступенный делитель частоты на микросхемах DD3-;DD9. Частота кварцевого резонатора равна 8 МГц, поэтому микросхема К155ИЕ5 (DD3) первой ступени делителя включена так, чтобы частота генератора делилась на 8. В результате частота импульсов на ее выходе (вывод 11) будет 1 МГц. Микросхема каждой последующей ступени делит частоту на 10. Таким образом, частота импульсов на выходе микросхемы DD4 равна 100 кГц, на выходе микросхемы DD5-10 кГц, на выходе DD6-1 кГц, на выходе DD7-100 Гц, на выходе DD8- 10 Гц и на выходе всего делителя (вывод 5 микросхемы DD9)-1 Гц.
Участок измеряемых частот устанавливают переключателем SA1 "Диапазон". В крайнем правом (по схеме) положении этого переключателя трехразрядный блок цифровой индикации фиксирует частоту до 1 кГц (999 Гц), во втором от него положении-до 10 кГц (9999 ГцХ в третьем-до 100 кГц (99999 Гц) и далее до 1 МГц (999 кГц), до 10 МГц (9,999 МГц). Для более точного определения частоты сигнала приходится выбирать переключателем соответствующий поддиапазон измерения, постепенно переходят от более высокочастотного участка к низкочастотному. Так, например, чтобы измерить частоту звукового генератора, надо установить переключатель сначала в положение "х!0 кГц", а затем переводить его в сторону меньших образцовых частот.
Рис. 49. Графики, иллюстрирующие работу управляющего устройства цифрового частого, мера
Управляющее устройство, работу которого иллюстрируют графики, приведенные на рис. 49, состоит из.В-тригге-ров DD10.1 и DD10.2, микросхемы DD10, инверторов DD11.3, DD11.4 и транзистора VT1, образующих усложненный ждущий мультивибратор. На вход С D-триггера DD10.1 поступают импульсы с блока образцовых частот (рис. 49, а). По фронту импульса образцовой частоты, установленной переключателем SA1, этот триггер, работающий в режиме счета на 2, переключается в единичное состояние (рис. 49, 6) и напряжением высокого уровня на прямом выходе (вывод 5) открывает электронный ключ DD11.1. С этого момента импульсы напряжения измеряемой частоты проходят через электронный ключ, инвертор DD11.2 и поступают непосредственно на вход С1 (вывод 14) счетчика DD12. По фронту следующего импульса триггер DD10.1 принимает исходное состояние и переключает в единичное состояние триггер DD10.2 (рис. 49, в). В свою очередь триггер DD 10.2 низким уровнем напряжения на инверсном выходе (вывод 8) блокирует вход управляющего устройства от воздействия импульсов образцовой частоты, а высоким уровнем напряжения на прямом выходе (вывод 9) запускает ждущий мультивибратор. Электронный ключ закрывается напряжением низкого уровня на прямом выходе триггера DD10.1. Начинается индикация числа импульсов в пачке, поступивших на вход двоично-десятичного счетчика.
С появлением напряжения высокого уровня на прямом выходе триггера DD10.2 через резистор R5 начинает заряжаться конденсатор С3. По мере его зарядки увеличивается положительное напряжение на базе транзистора VT1 (рис. 49, г). Как только оно достигнет примерно 0,6 В, транзистор открывается, напряжение на коллекторе уменьшается почти до 0 (рис. 49, д). Появляющееся при этом на выходе элемента DD11.3 напряжение высокого уровня воздействует на входы RO микросхем DD12, DD14 и DD16, в результате чего двоично-десятичный счетчик импульсов сбрасывается в нулевое состояние, отчего результат измерения прекращается. Одновременно напряжение* низкого уровня, появившееся коротким импульсом на выводе 11 инвертора DD11.4 (рис. 49, е), переключает триггер DD10.2 и ждущий мультивибратор в исходное состояние и конденсатор СЗ разряжается через диод VD2 и элемент DD10.2. С появлением на входе триггера DD10.1 очередного импульса образцовой частоты начинается следующий цикл работы прибора в режиме измерения (рис. 49, ж).
Счетчик DD12, дешифратор DD13 и газоразрядный цифровой индикатор HG1 образуют младшую счетную ступень частотомера. Последующие счетные ступени называют старшими. В законченной конструкции частотомера индикатор HG1-крайний справа, влево от него следуют индикаторы HG2 и HG3. Первый из них высвечивает единицы, второй-десятки, третий-сотни частот данного поддиапазона измерения, выбранного переключателем SA1.
Рис. 50. Схема блока питания
Чтобы частотомер перевести в режим непрерывного счета импульсов, переключатель SA2 устанавливают в положение "Счет". В этом случае триггер DD10.1 по входу S переключается в единичное состояние-на его прямом выходе действует напряжение высокого уровня. При этом электронный ключ DD11.1 оказывается открытым и через него на вход двоично-десятичного счетчика непрерывно поступают импульсы входного сигнала. Показания счетчика в этом случае прекращаются при нажатии на кнопку SB1 "Сброс".
Блок питания частотомера (рис. 50) образуют сетевой трансформатор Т1, двухполупериодный выпрямитель VD3, конденсатор С9, сглаживающий пульсации выпрямленного напряжения, и стабилизатор напряжения на стабилитроне VD5 ч транзисторе VT2. Конденсатор СЮ на выходе стабилизатора дополнительно сглаживает пульсации выпрямленного напряжения. Конденсатор СП (как и конденсаторы С4-С8 прибора) блокирует микросхемы частотомера по цепи питания, резистор R16 поддерживает режим стабилизатора при отключенной от него нагрузке.
Напряжение обмотки III трансформатора (около 200...220 В) подается через диод DV4 в цепи питания анодных, цепей газоразрядных цифровых индикаторов частотомера.
Рис. 51. Корпус прибора
Рис. 52. Размещение блоков и деталей цифрового частотомера в корпусе
Конструкция. С внешним видом частотомера вы уже знакомы. Его корпус (рис. 51) состоит из двух П-образных частей, согнутых из мягкого листового дюралюминия толщиной 2 мм. Нижняя часть выполняет функцию сборочного шасси. В ее передней стенке, являющейся лицевой панелью прибора, выпилено прямоугольное отверстие, прикрываемое спереди пластинкой красного органического стекла, через которое видны газоразрядные индикаторы. Справа от него- отверстия для крепления входного высокочастотного разъема XS1, переключателя SA1 на пять положений, тумблера SA2 "Измерение-счет" и кнопки SB1 "Сброс". Три отверстия на задней стенке служат для выключателя питания SA3, арматуры плавкого предохранителя FU1 и ввода сетевого шнура. Верхнюю часть - крышку - привертывают винтами МЗ к дюралюминиевым уголкам, приклепанным к шасси вдоль боковых сторон. Снизу к шасси прикреплены резиновые ножки. Монтаж. Детали частотомера смонтированы на четырех печатных платах из фольгированного стеклотекстолита -толщиной 2 мм. представляющих собой функционально законченные блоки прибора. Размещение плат и других деталей частотомера в корпусе показано на рис. 52. Платы винтами с гайками укреплены на пластине листового пластика, а она-на дие шасси. Соединения между платами и другими деталями прибора выполнены гибкими проводниками в надежной изоляции.
Первым монтируйте и испытывайте блок питания. Его внешний вид и печатная плата со схемой размещения деталей показаны на рис. 53. Сетевой трансформатор Т1 самодельный, выполнен на магнитопроводе ШЛ20х32. Обмотка I, рассчитанная на напряжение сети 220 В, содержит 1650 витков провода ПЭВ-1 0,1, анодная обмотка III-1500 витков такого же провода, обмотка II-55 витков провода ПЭВ-1 0,47. Вообще же для блока питания можно использовать подходящий готовый трансформатор мощностью более 7...8 Вт, обеспечивающий на обмотке II переменное напряжение 8... 10 В при токе нагрузки не менее 0,5 А, на обмотке III - около 200 В при токе не менее 10 мА.
Регулирующий транзистор VT2 стабилизатора напряжения укреплен на Г-образной дюралюминиевой пластинке размером 50x50 и толщиной 2 мм, выполняющей функцию теплоотвода. Выводы базы и эмиттера транзистора пропущены через отверстия в плате и припаяны непосредственно к соответствующим печатным проводникам. Электрический контакт коллектора транзистора с выпрямительным блоком VD3 осуществлен через его теплоотвод, крепежные винты с гайками и фольгу платы.
Рис. 53 (а). Блок питания
Рис. 53 (б). Блок питания
Сверив монтаж со схемой блока (см рис. 50), подключите к выходу стабилизатора напряжения эквивалент нагрузки-резистор сопротивлением 10... 12 Ом на мощность рассеяния 5 Вт. Подключите блок к сети и тут же измерьте напряжение на резисторе-оно должно быть в пределах 4,75...5,25 В. Более точно это напряжение можно установить подбором стабилитрона VD5. Оставьте блок включенным на 1,5...2 ч. За это время регулирующий транзистор может нагреться до 60...70° С, но напряжение на нагрузке должно оставаться практически неизменным. Так вы испытаете блок питания при работе в условиях, близких к реальным.
Счетчик импульсов и блок цифровой индикации смонтированы на одной общей плате размером 100x80 мм (рис.54). Шины цепи питания размещены на плате со стороны микросхем, что позволило обойтись лишь двумя проволочными перемычками в местах пересечения цепей счетчиков DD12, DD14; DD16. К этим же шинам припаяны блокировочные конденсаторы С7 и С8. Выводы газоразрядных индикаторов пропущены через отверстия в плате и припаяны к токонесущим площадкам, которые затем соединены отрезками монтажного провода с соответствующими им выходами дешифраторов DDI3, DD15 и DD17 (чтобы не усложнять эскиза платы, эти соединения на рис. 54 не показаны).
Рис. 54 (а). Плата счетчика импульсов с блоком цифровой информации
Рис. 54 (б). Плата счетчика импульсов с блоком цифровой информации
Тщательно проверив монтаж и надежность паек, соедините плату с блоком питания и, соблюдая осторожность, под-1фючите блок к сети. Индикаторы должны высвечивать нули. Если теперь общий проводник RO-входов счетчиков, который должен соединяться с выводом 8 элемента DD11.3 устройства управления, замкнуть временно на "заземленный" проводник и на вход С1 (вывод 14) счетчика DD12 подать от испытательного генератора импульсы, следующие с частотой повторения 1...3 Гц, этот узел частотомера будет работать в режиме счета импульсов: индикатор HG1 станет высвечивать единицы, HG2-десятки, a HG3- сотни импульсов. После 999 импульсов на индикаторах высветятся нули и начнется счет следующего цикла импульсов.
Рис. 55 (а). Блок образцовых частот
Рис. 55 (б). Блок образцовых частот
В случае неполадок в этом узле проверяйте и испытывайте каждый разряд блока индикации раздельно с помощью индикаторов или, что лучше, электронного осциллографа.
После проверки монтажа подайте на шины питания этого блока напряжение 5 В и, пользуясь светодиодным или транзисторным индикатором, проверьте егс работоспособность. При подключения индикатора к выходу микросхемы DD5 он должен мигать с частотой 1 Гц, к выходу микросхемы DD8-с частотой 10 Гц, а к выходу DD7-с частотой 100 Гц (на глаз незаметно). Затем сигналы с выходов этих микросхем подайте поочередно на вход С1 счетчика DD12 блока цифровой индикации. Работая в режиме счета, он будет индицировать число импульсов, поступающих на него с выходов трех ступеней делителя. Если все будет так, можно считать, что и генератор блока образцовых частот работает исправно.
Формирователь импульсного напряжения, электронный ключ и устройство управления смонтированы на одной общей плате (рис. 56). Испытание этого узла частотомера начинайте с проверки работоспособности формирователя импульсов сигнала измеряемой частоты совместно с другими узлами и элементами прибора. Для этого вход S (вывод 4) триггера DD10.1 временно соедините с "заземленным" проводником (что равнозначно установке переключателя SA2 в положение "Счет"), вывод 6 инвертора DD11.2- с выводом 14 входа С1 счетчи-. ка DD12 и подайте на разъем XS1 сигнал с выхода микросхемы DD9 блока образцовых частот. Индикаторы должны высвечивать последовательно цифры от 1 до 999. При частоте импульсов 10 Гц, снимаемых с выхода микросхемы DD8, скорость счета импульсов возрастает в 10 раз.
Затем проводник, соединяющий вход S триггера DD10.1 с "заземленной" шиной питания, удалите (что соответствует установке переключателя SA2 в положение "Измерение"), вывод 8 инвертора DD11.3 соедините с шиной сброса счетчиков DD12, DD14, DD16 (предварительно удалив перемычку, которой эту шину ранее замыкали на "заземленный" проводник), вход С (вывод 3) триггера DDIO. I соедините непосредственно с выходом блока образцовых частот (вывод 5 DD9), что равнозначно установке переключателя SA1 в положение "xl Гц", и одновременно с разъемом XS1. Теперь индикатор HG1 будет периодически, примерно через 1,5...2 с (в зависимости от длительности зарядки времязадающего конденсатора СЗ), высвечивать цифру 1 (1 Гц).
Рис. 56 (а). Плата формирователя импульсного напряжения и устройств! управления
Рис. 56 (б). Плата формирователя импульсного напряжения и устройств! управления
При соединении разъема с выходом микросхемы DD8 блока образцовых частот индикаторы HG1 и HG2 должны высвечивать число 10 (10 Гц). Если же разъем соединить с выходом микросхемы DD7, индикаторы станут высвечивать число 100 (100 Гц).
После этого подайте на вход частотомера переменное напряжение сети, пониженное трансформатором до 1...3 В,- индикаторы зафиксируют частоту 50 Гц. После испытания блоков частотомера прикрепите платы к пластине листового гетинакса (можно текстолита или другого изоляционного материала) в соответствии с рис. 52, а пластину укрепите на дне шасси. Соедините платы между собой и с другими деталями частотомера, установленными на лицевой и задней стенках шасси, многожильными монтажными проводниками в поливинилхлорид-ной изоляции.
Окончательно проверьте работу прибора в режимах "Счет" и "Измерение". Источниками сигнала по-прежнему могут служить импульсы, снимаемые с разных ступеней делителя блока образцовых частот. Какие изменения, дополнения можно внести в цифровой частотомер!?
Начнем с формирователя импульсного напряжения, от которого в значительной степени зависят чувствительность и четкость работы измерительного прибора в целом. Может случиться, что в вашем распоряжении не окажется микросхемы К155ЛД1, представляющей собой два че-тырехвходовых расширителя по ИЛИ, которые во входном блоке частотомера работают в триггерном режиме. Эту микросхему можно заменить одним из триггеров Шмитта микросхемы К155ТЛ1, если дополнить его однотранзисторным усилительным каскадом. Без предварительного усиления напряжения измеряемой частоты чувствительность частотомера будет хуже, чем с формирователем на микросхеме К155ЛД1.
Схему такого варианта входного блока частотомера вы видите на рис. 57. Переменное напряжение измеряемой частоты через резистор R1 и конденсатор С1 подается на базу транзистора VT1 усилительного каскада, а с его нагрузочного резистора R4 - на вход триггера Шмитта DD1.1. Формируемые триггером импульсы, частота следования которых соответствует -частоте входного сигнала, снимаются с его выходного вывода 6 и далее поступают на входной вывод 2 электронного ключа DD11.1 управляющего устройства частотомера.
Какова роль кремниевого диода VD1 и резистора R1 на входе прибора? Диод ограничивает отрицательное напряжение на эмиттерном переходе транзистора. Пока напряжение входного сигнала не превышает 0,6...0,7 В, диод практически закрыт и не оказывает никакого влияния на работу транзистора как усилителя. Когда же амплитуда измеряемого сигнала оказывается больше этого порогового напряжения, диод при отрицательных по-лупернодах открывается и таким образом поддерживает на базе транзистора напряжение, не превышающее 0,7...0,8 В.- А резистор R1 предотвращает протекание через диод опасного для него тока лри входном сигнале повышенного напряжения.
Конденсатор С2 блокирует усилительный каскад и микросхему формирователя по цепи питания. Налаживание формирователя сводится к подбору резистора R2. Добиваются, чтобы на коллекторе транзистора (относительно общего провода) было напряжение 2,5...3 В.
Рис. 57. Формирователь импульсного напряжения на триггере Шмитта микросхемы К155ТЛ1
Чувствительность частотомера с таким формирователем импульсного напряжения будет не менее 50 мВ, что более чем на порядок лучше, чем с формирователем на микросхеме К155ЛД1.
Схема другого варианта формирователя, обеспечивающего частотомеру примерно такую же чувствительность, показана на рис. 58. Его входная цепь и усилитель-такие же, как в формирователе предыдущего варианта. А функцию самого формирователя импульсного напряжения из усиленного сигнала выполняет триггер Шмитта на логических элементах DD1.1 я DD1.2 микросхемы К155ЛАЗ. Подобный триггер Шмитта уже использовался вами в простом частотомере со стрелочным индикатором на выходе (см. рис. 24). Инвертор DD1.3 улучшает форму импульсов, подаваемых на вход электронного ключе устройства управления.
Итак, еще два возможных варианта формирователя импульсного напряжения, отличающихся один от другого используемыми в них микросхемами, но практически одинаковых по чувствительности. На каком из них остановиться, если не окажется микросхемы К155ЛД1 и, *роме того, пожелаете улучшить чувствительность частотомера? Решить этот вопрос можно опытным путем: испытать в работе оба варианта и монтировать тот из них, с которым частотомер работает четче. Выбору может помочь электронный осциллограф, на экране которого можно наблюдать формируемые импульсы. Предпочтение следует отдать формирователю, фронты и спады выходных импульсов которого круче, имеющие одинаковые длительности самих импульсов и пауз между ними.
Может случиться, что при измерении частоты более нескольких килогерц будут наблюдаться мерцания светящихся цифр индикаторов и, кроме того, прибор иногда будет показывать в два раза большую частоту. В чем причины этих явлений и как их устранить, если, конечно, они наблюдаются в готовом частотомере или появятся позже?
В описанном частотомере время индикации результата измерения зависит от положения переключателя SA1 "Диапазон". При частоте тактовых импульсов более 1 кГц, поступающих от блока образцовых частот на вход управляющего устройства, конденсатор СЗ не всегда успевает полностью разрядиться за время между двумя соседними импульсами, из-за чего при следующем цикле работы он начинает заряжаться с более высокого напряжения на нем. В результате время индикации (см. рис. 49, в и ж) уменьшается и свечение индикаторов начинает мерцать.
Причина второго явления - некоторая нестабильность конечной длительности сигнала "сброс" (см. рис. 49,е) устройства управления в исходное состояние. По фронту этого импульса триггер DD10.2 переключается в нулевое состояние и напряжение высокого уровня на его инверсном выходе (вывод 8) разрешает работу триггера DD10.1. И если тактовый импульс образцовой частоты поступит на вход С этого триггера в промежуток времени, когда сигнал сброса еще не закончился, то триггер DD10.1 переключится в единичное состояние, начнется счет входных импульсов, на что Триггер DD10.2 своевременно не среагирует, так как после такого цикла работы сигнала сброса не будет. В итоге индикаторы будут фиксировать сумму частот измеренного сигнала и показания "внепланового" цикла работы управляющего устройства.
Оба эти недостатка нетрудно устранить введением в устройство управления еще одного D-триггера, DD10.1, выделенного на рис. 59 утолщенными линиями. В таком случае с появлением сигна-. ла "сброс" работа триггера DD10.1 еще запрещена напряжением низкого уровня, поступающим на его вход R с выхода триггера DD10.1. Разрешение на его работу дает дополнительный триггер по окончании импульса, приходящего на его вход С. Период следования этих импульсов должен быть таким, чтобы во время пауз между ними конденсатор СЗ успевал полностью разрядиться. Эта задача решается подачей на вход С триггера DD10.1 импульсов частотой следования 10 Гц, снимаемых с вывода 5 счетчика DD8 блока образцовых частот.
Анод индикатора HG4 подают, как и на аноды других индикаторов, через ограничительный резистор R15 такого же номинала.
Рис. 60. Схема дополнительной счетной ступени блока цифровой индикации
При желании и наличии деталей блок цифровой индикации можно дополнить еще одной счетной ступенью - пятой. Но, как показывает радиолюбительская практика, в этом особой необходимости нет.
Следующий вопрос, который мы предвидим: какие знаковые индикаторы, кроме ИН-8-2, подойдут для частотомера? Любые другие индикаторы тлеющего разряда, например ИН-2, ИН-14, ИН-16. Надо только при монтаже учитывать соответствующую им цоколевку. Распознать же или уточнить цоколевку используемого индикатора нетрудно опытным путем, подавая на выводы его электродов постоянное или пульсирующее напряжение 150...200 В (через ограничительный резистор сопротивлением 33...47 кОм). За исходный удобно принять вывод анода-он хорошо просматривается через стеклянный баллон индикатора. Соединив с ним плюсовой проводник источника напряжения, отрицательным проводником источника касайтесь поочередно других выводов. При этом будут светиться цифры, соответствующие цоколевке проверяемого индикатора.
И еще один вопрос, касающийся выбора- кварцевого резонатора. Генератор блока образцовых частот-"сердце" частотомера, от ритмичности которого зависит точность измерений. Поэтому его работа стабилизируется кварцевым резонатором. В принципе, частоту генератора можно стабилизировать, например, частотой переменного напряжения электроосветительной сети (как это сделано в описанном выше реле времени). Но она, к сожалению, в разное время суток может отличаться от 50 Гц на 0,5... 1 Гц. Соответственно будет "плавать" частота генератора и, следовательно, погрешность измерений. В результате цифровой частотомер утратит свои достаточно высокие качества.
Вот почему без резонатора не обойтись. А как быть, если резонатора на частоту 8 МГц, использованного в описанном частотомере, нет? Подойдет любой другой кварцевый резонатор. Конечно, лучше использовать резонатор на частоту 1 МГц, потому что в этом случае отпадает надобность в микросхеме D03 первой ступени делителя, и сигнал с выхода генератора можно подать сразу на вход микросхемы DD4. Подойдет, также кварцевый резонатор на частоту 100 кГц-тогда можно исключить и микросхему DD4. В обоих случаях делитель блока образцовых частот упростится.
Рис. 61. Схема делителя частоты генератора с кварцевым резонатором на 1,96 МГц
А если и таких кварцевых резонаторов нет? Тогда используйте любой другой с резонансной частотой от 0,1 до 10 МГц. Вот конкретный пример. Допустим, есть резонатор на частоту 1,96 МГц (1960 кГц). В таком случае делитель до целого кратного числа 10 кГц можно построить по схеме, приведенной на рис. 61. Сам генератор остается без изменений. Его частоту, равную 1960 кГц, JK-триггер 2, а счетчики DD2 и DD3 совместно с микросхемой DD4 делит на К155ЛА1 (два логических элемента 4И-НЕ) дополнительно еще на 98 (2x7x7). В результате на выходе трех ступеней делителя формируются импульсы частотой 10 кГц, которые надо подавать непосредственно на вход S микросхемы DD6 делителя конструируемого частотомера.
Как видите, при использовании практически любого кварцевого резонатора надо лишь изменить построение первых ступеней делителя частоты. В этом вам поможет \ соответствующая справочная литература.
Схема очень простого цифрового частотомера на зарубежной элементной базе
Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Приветствую вас на сайте “ “
В этой статье на сайте Радиолюбитель мы рассмотрим очередную простую радиолюбительскую схему – частотомер . Частотомер собран на зарубежной элементной базе, которая подчас бывает доступнее отечественной. Схема проста и доступна для повторения начинающему радиолюбителю .
Схема частотомера :
Частотомер выполнен на измерительных счетчиках HFC4026BEY, микросхемах серии CD40 и семисегментных светодиодных индикаторах с общим катодом HDSP-H211H. При напряжении источника питания 12 вольт частотомер может измерять частоту от 1 Гц до 10 МГц.
Микросхема HFC4026BEY является представителем высокоскоростной КМОП логики и содержит десятичный счетчик и дешифратор для семисегментного светодиодного индикатора с общим катодом. Входные импульсы подаются на вход “С”, который имеет триггер Шмитта, что позволяет значительно упростить схему входного формирователя импульсов. Кроме того, вход счетчика “С” можно закрыть подав логическую единицу на вывод 2 микросхемы. Таким образом отпадает надобность во внешнем ключевом устройстве пропускающим импульсы на вход счетчика в период измерения. Выключить индикацию можно подав логический ноль на вывод 3. Все это упрощает схему управления частотомера.
Входной усилитель выполнен на транзисторе VT1 по схеме ключа. Он преобразует входной сигнал в импульсы произвольной формы. Прямоугольность импульсам придает триггер Шмитта, имеющийся на входе “С” микросхемы. Диоды VD1- VD4 ограничивают величину амплитуды входного сигнала. Генератор опорных сигналов выполнен на микросхеме CD4060B. В случае использования кварцевого резонатора на частоту 32768 Гц с вывода 2 микросхемы снимается частота 4 Гц, которая поступает на схему управления состоящего из десятичного счетчика D2 и двух RS триггеров на микросхеме D3. В случае использования резонатора на 16384 Гц (с китайских будильников) частоту 4 Гц нужно будет снимать не со 2 вывода микросхемы, а с 1-го.
Микросхему CD4060B можно заменить другим аналогом типа хх4060 (например NJM4060). Микросхему CD4017B можно заменить также другим аналогом типа хх4017, либо отечественной микросхемой К561 ИЕ8, К176 ИЕ8. Микросхема CD4001B прямой аналог наших микросхем К561ИЕ5, К176ИЕ5. Микросхему HFC4026BEY можно заменить ее полным аналогом CD4026, но при этом максимальная измеряемая частота будет 2 МГц. Схема входного ула частотомера примитивная, ее можно заменить каким-то более совершенным узлом.
Предлагаемый для самостоятельной сборки частотомер сравнительно низкочастотный, тем не менее позволяет измерять частоты до нескольких мегагерц. Разрядность измерителя частот зависит от количества установленных цифровых индикаторов. Чувствительность входа - не хуже 0,1V, максимальное входное напряжение, которое он может выдерживать без повреждения - порядка 100V. Время индикации и время измерения чередуются, длительность одного цикла — 1 сек. измерение и 1 сек. - индикация. Собран он по классической схеме, с генератором частоты 1 Гц на специализированных микросхемах-счётчиках, применяемых в частности в схемах цифровых часов:
На К176ИЕ5 собран «секундный» генератор по типовой схеме, с кварцевым «часовым» резонатором 16,384 Гц. Конденсатор С2 — подстроечный, позволяет в некоторых пределах подстраивать частоту с необходимой точностью. Резистор R1 подбирается при настройке по наиболее устойчивому запуску и генерации схемы. Цепь С3 VD1 R2 формирует короткий импульс «сброса» всей схемы в начале каждого секундного периода счёта.
Транзистор VT2 работает как ключ: когда на его коллектор поступает постоянное напряжение питания от схемы «счёта» (уровень логической «1») - он пропускает импульсы от входного формирователя, которые затем поступают на десятичные счетчики и цифровые светодиодные индикаторы. Когда же на его коллекторе появляется уровень логического «0» - коэффициент усиления транзистора резко снижается и счёт входных импульсов прекращается. Эти циклы повторяются каждую 1 сек.
Вместо К176ИЕ5 можно применить также аналогичную по функциям микросхему К176ИЕ12:
В обоих случаях используется часовой кварц на частоту 16 348 Гц (такие часто применяются, например, в «китайских» электронных часах разных размеров и видов). Но можно поставить и отечественный кварц на 32768 Гц, тогда необходимо понизить частоту в два раза. Для этого можно использовать типовую схему «делителя на 2» на триггере К561ТМ2 (имеет два триггера в корпусе). Например, как показано на рисунке выше (обведено пунктиром). Таким образом на выходе получим необходимую нам частоту (секундные импульсы).
К коллектору транзистора-ключа (КТ315 на первой схеме) подключается узел счёта и индикации на микросхемах — десятичных счётчиках-дешифраторах и цифровых светодиодных индикаторах:
Вместо индикаторов АЛС333Б1 можно без каких-то изменений в схеме использовать АЛС321Б1 или АЛС324Б1. Или любые другие подходящие индикаторы, но с соблюдением их цоколёвки. Цоколёвку можно определить по справочной литературе или же просто «прозвонить» индикатор «батарейкой» на 9V с последовательно включенным резистором 1 кОм (по засвечиванию). Количество микросхем-дешифраторов и индикаторов может быть любым, в зависимости от общей необходимой разрядности счётчика (количества цифр в показаниях).
В данном случае были использованы три имеющихся в наличии малогабаритных знакосинтезирующих индикатора типа К490ИП1 - индикаторы управляемые цифровые, красного цвета свечения, предназначенные для применения в радиоэлектронной аппаратуре. Схема управления выполнена по КМОП технологии. Индикаторы имеют 7 сегментов и децимальную точку, позволяют воспроизвести любую цифру от 0 до 9 и децимальную точку. Высота знака 2,5 мм):
Данные индикаторы удобны тем, что имеют в своём составе не только сам индикатор, но и счётчик-дешифратор, что позволяет значительно упростить схему и сделать её очень малогабаритной. Ниже приведена схема счёта-индикации на таких микросхемах:
Как видно из схемы, эти МС требуют два отдельных питания - для самих светодиодных индикаторов и для схемы счётчиков-дешифраторов. Однако напряжения питания обоих «частей» МС одинаковы, поэтому и запитать их можно от одного источника. Но от напряжения питания «индикатора» (выводы 1) зависит яркость свечения «цифр», а величина напряжения питания схемы дешифраторов (выводы 5) оказывает некоторое влияние на чувствительность и стабильность работы этих МС в целом. Поэтому при настройке эти напряжения следует подбирать экспериментально (при питании от 9 вольт можно использовать дополнительные «гасящие» резисторы, чтобы несколько понизить напряжение). При этом следует обязательно зашунтировать все выводы питания микросхем конденсаторами ёмкостью 0,1-0,3 мкФ.
Для гашения «точек» на индикаторах следует отключить напряжение +5...9 V от выводов 9 индикаторов. Светодиод HL1 - это индикатор «переполнения» счётчика. Он загорается при достижении счёта цифры 1000 и в данном случае (при наличии трёх МС-индикаторов как на этой схеме) соответственно показывает количество единиц килогерц - в данном варианте счётчик в целом может посчитать и «показать» частоту 999 Гц. Для увеличения разрядности счётчика следует, соответственно увеличить количество микросхем дешифраторов-индикаторов. В данном случае подобных микросхем было в наличии только три, поэтому пришлось добавить дополнительный узел деления частоты на 3-х микросхемах К176ИЕ4 (или аналогичных микросхемах счётчиков-делителей на 10) и соответствующий переключатель. В целом схема получилась такая:
Переключатель также управляет включением/гашением «точек» на индикаторах для лучшего визуального восприятия отображаемого значения измеряемой частоты. Он ползунковый, сдвоенный, на четыре положение (такие применяются, например, в импортных магнитолах). Таким образом при разных положениях переключателя измерение и отображение частоты имеет следующие значения и вид:
«999 Гц» - «9.99 кГц» - «99.9 кГц» - «999. кГц». При превышении значения частоты 1 МГц загорится светодиод HL2, 2 МГц — загорится дважды и т. д.
Схема входной цепи
Большое значение при измерениях частоты имеет качество входного каскада — формирователя сигнала. Он должен иметь высокое входное сопротивление чтобы не оказывать влияния на измеряемую цепь и преобразовывать сигналы любой формы в последовательность прямоугольных импульсов. В данной конструкции применена схема согласующего каскада с полевым транзистором на входе:
Эта схема частотомера, конечно, не лучшая из возможных, но всё-таки обеспечивает более-менее приемлемые характеристики. Она была выбрана в основном исходя из общих габаритов конструкции, которая получилась очень компактная. Вся схема собрана в пластиковом корпусе-футляре от зубной щётки:
Микросхемы и прочие элементы запаяны на узкой полоске макетной платы и все соединения сделаны с помощью проводов типа МГТФ. При настройке входного каскада-формирователя сигнала следует подбором сопротивлений R3 и R4 добиться установления напряжения 0,1...0,2 вольт на истоке полевого транзистора. Транзисторы здесь можно заменить на аналогичные, достаточно высокочастотные.
Дополнения
Для питания частотомера можно использовать любой сетевой адаптер с выходным стабилизированным напряжением 9 вольт и током нагрузки не менее 300 мА. Либо установить в корпус частотомера стабилизатор на микросхеме типа КРЕН на 9 вольт и питать от адаптера с выходным напряжением 12 вольт, либо брать питание непосредственно от измеряемой схемы, если там напряжение питания не менее 9 вольт. Каждую микросхему необходимо зашунтировать по питанию конденсатором порядка 0,1 мкФ (можно подпаять конденсаторы прямо на ножки «+» и «-» питания). В качестве входного щупа можно использовать стальную иглу, припаянную к входной «площадке» платы, а «общий» провод снабдить зажимом типа «крокодил».
Данная конструкция была «создана» в 1992 году и успешно работает до сих пор. Андрей Барышев.
Обсудить статью ЦИФРОВОЙ ЧАСТОТОМЕР СВОИМИ РУКАМИ
