АНАЛОГОВИХ Частотомір з автоматичним вибором ГРАНИЦІ ВИМІРЮВАННЯ

Ю. Гріев

Частотомір з широкими межами вимірювання є одним з приладів першої необхідності в лабораторії радіоаматора. В даний час розроблена велика кількість різних конструкцій як аналогових, так і цифрових частотоміром, кожен з яких володіє своїми достоїнствами і недоліками. Якщо обмежити точність вимірювання частотоміра в межах 2% (що в переважній більшості випадків цілком прийнятно в радіоаматорського практиці), аналоговому частотоміри слід віддати перевагу як з точки зору зручності відліку показань, так і внаслідок простоти схемного рішення.

Звичайний аналоговий частотомір побудований за принципом вимірювання середнього струму, що протікає через головку стрілочного приладу. Необхідною умовою роботи такого частотоміра є строге нормування що подаються на голівку імпульсів по тривалості і амплітуді при зміні частоти проходження. Найчастіше таке нормування виконується за допомогою одновібратора, запускається імпульсами вимірюваної частоти. Вихідні імпульси одновібратора. які подаються на голівку стрілочного приладу, мають однакову тривалість, тому середній струм і пов'язана з ним величиною! відхилення стрілки головки буде пропорційна вимірюваної частоті. Така побудова частотоміра при очевидній простоті володіє недоліками:

– У разі побудови частотоміра, перекриває широкий діапазон частот, виникає необхідність перемикання значної кількості времязадающіх елементів одновібратора;

– На кожному діапазоні необхідно підбирати свої времязадаю-щие ланцюга, тому вирішення питання температурної і тимчасової стабільності одновібратора стає проблематичним;

– Калібрування частотоміра має вироблятися на кожному діапазоні окремо, що ускладнює настройку та особливо оперативний контроль роботи;

– Верхня межа вимірюваної частоти при прийнятну точність не перевищує 1 МГц, тому що ємність времязадающего конденсатора стає сумірною з монтажною ємністю;

– Автоматизація процесу вимірювання при такій побудові схеми якщо і можлива теоретично, то навряд чи доцільна практично.

На відміну від відомих схем аналогових частотоміром в запропонованій конструкції вузол нормування імпульсів по тривалості працює в одному діапазоні, а розширення меж вимірювання здійснюється з допомогою попереднього дільника частоти з заданим коефіцієнтом ділення. У цьому випадку повністю відсутні механічні комутації, а наявність однієї вре-мязадающей ланцюга дозволяє при мінімальних витратах формувати імпульси з вельми високою часовою та температурною стабільністю. Такий частотомір, будучи скаліброванним в одній точці будь-якого діапазону, автоматично зберігає калібрування при переході на будь-який діапазон. Внаслідок того, що вузол нормування по тривалості працює в одному діапазоні частот, питання автоматизації процесу вимірювання не представляє труднощі при незначному ускладненні схеми частотоміра. Функціональна схема розробленого приладу приведена на рис. 1.

На рис. 1 прийняті наступні позначення: 1 – широкосмуговий підсилювач; 2 – формувач прямокутних коливань; 3 – дільник на три, чотири – вузол підключення дільника на три, п'ять – подільники на десять, шість – Одновібратор; 7 – комутатор дільників частоти; 8 – схема управління комутатором; 9 – схема контролю відповідності обраного діапазону і вхідний частоти; 10 – пристрій індикації вибраного діапазону.

Широкосмуговий підсилювач 1 призначений для посилення сигналів з малою амплітудою до рівня, достатнього для роботи формувача прямокутних імпульсів 2. Цей формувач перетворює вхідну напругу будь-якої форми в прямокутні імпульси з високою крутизною фронтів, що необхідно для нормальної роботи дільників частоти. Дільник частоти на три 3 і подільники на десять 5 призначені для приведення будь-який можливої вхідний частоти (в даному варіанті FB = 300 кГц) в частоту, що не перевищує 100 Гц. Одновібратор 6 призначений для нормування імпульсів по тривалості. Підключення потрібної кількості дільників між одновібратором та входом приладу відбувається за допомогою комутатора 7. Роботою комутатора 7 управляє схема контролю відповідності обраного діапазону і вхідний частоти 9. Схема управління комутатором 8 призначена для узгодження

роботи вузлів 9 і 7. Під відповідністю в даному випадку розуміється такий режим роботи частотоміра, при якому стрілка приладу відхиляється на величину не менше 27% і не більше 105% від верхньої межі шкали вимірювального приладу. Пристрій індикації 10 призначено для видачі інформації про обраному діапазоні. Принципова схема частотоміра наведена на рис. 2. На Двохкаскадний підсилювачі DA1 виконаний широкосмуговий підсилювач. Діоди VD1 і VD2 призначені для захисту підсилювача від перевантаження по входу. Посилений сигнал вимірюваної частоти подається на формувач прямокутних імпульсів, в якості якого використовується тригер Шмітта DD1.1. Дільник частоти на три виконаний на МС DD2.1, DD2.2 і DD7.3. Запровадження такого дільника дозволяє отримати кратність діапазонів частотоміра, рівну трьом, а не десяти, як звичайно, що підвищує точність відліку при роботі частотоміра поблизу нижньої межі вибраного діапазону. Робота цього дільника пояснюється діаграмою рис. 3. Дільник виконаний на двох D-тригерах з динамічним управлінням. Як відомо, такий тригер встановлюється в стан, що відповідає рівню сигналу на вході D в момент переднього фронту на вході С. Задній фронт ніякого впливу на стан тригера не робить, тому розглянемо моменти часу, що відповідають переднім фронтах на входах З цих тригерів. Припустимо, що до моменту часу ti мікросхема DD2.1 знаходиться в стані "1", а DD2.2 – У стані "0", тобто на прямому виході DD2.1 – високий рівень напруги, а на прямому виході DD2.2 – низький. При цьому на вході D тригера DD2.1-низький рівень, а на аналогічному вході тригера DD2.2 – Високий рівень, що знімається з виходу схеми DD7.3. Передній фронт імпульсу, що надходить на входи С у момент ti встановить тригер DD2.2 в стан "1", а в тригері DD2.1 встановиться стан "0". Після цього моменту на вході D тригера DD2.1 встановлюється високий рівень, також високий рівень залишається на вході D тригера DD2.2, так як на одному з входів схеми DD7.3 є низький рівень з прямого виходу тригера DD2.1. У момент часу t2 переднім фронтом імпульсу на вході С в тригер DD2.1 записується "1" і підтверджується стан "1" в тригері DD2.2. Після цього моменту на входах DD7.3 встановлюється високий рівень, а на виході – низький. У момент часу U в тригер DD2.2 записується "0", в тригері DD2.1 підтверджується стан "1". Далі в момент часу t (в тригер DD2.1 записується "0", а в тригер DD2.2 – "1". З наведеної діаграми видно, що період вихідного сигналу, що знімається з прямого виходу тригера DD2.2, в три рази більше, ніж період вхідного сигналу.

Вузол підключення дільника на три виконаний на МС DD3.2, DD3.4 і DD14.2. Виходи схем 2И-НЕ DD3.2 і DD3.4 об'єднані в монтажне АБО. Проходження сигналів з входів (виводи 12 і 5) визначаються логічними рівнями на висновках 11 і 6. Якщо на вході інвертора DD14.2 низький рівень, сигнал з формувача прямокутних імпульсів DD1.1 потрапляє безпосередньо на вхід декадних дільників частоти. В іншому випадку вхід декадних дільників виявляється підключеним до формувачі через дільник на три.

На одновібраторе DD11 виконана схема нормування імпульсів по тривалості. Елементи времяза-дають ланцюгів R12, R13 і С5 підібрані таким чином, що тривалість вихідного імпульсу становить приблизно 4,5 мс. Головка вимірювального приладу підключена до виходу інвертора DD3.1, керованого одновібратором. Опір резистора R14 підібрано таким чином, що повне відхилення стрілки приладу має місце при шпаруватості імпульсів, рівний . Вхід одновібратора підключається до одного з виходів декадних дільників DD4, DD5 і DD6 через мультиплексор DD10. Як відомо, мультиплексор передає інформацію з одного з входів Do-D7 на вихід. Двійковий код на адресних входах Ai, A2 і Аз визначає, який саме інформаційний вхід в даний момент підключений до виходу. Отже, змінюючи логічні рівні на адресних входах, можна подати на вхід одновібратора або безпосередньо вхідні частоту, або поділивши на 10, 102 або на 103. Номер підключеного входу мультиплексора в даному випадку визначається інформацією, записаною в реверсивний лічильник DD8. У тому випадку, якщо на виходах лічильника є низькі рівні, на вхід одновібратора DD11 підключена вхідна частота з виходу формувача DD1.1. Це стан відповідає роботі частотоміра в діапазоні 0 … 100 Гц. При подачі одного імпульсу на вхід "+1" реверсивного лічильника на його виходах встановлюються логічні рівні 001. Через мультиплексор DD10 до одновібратору DD11 підключається вхід D1, тобто точка підключення одновібратора до дільника не змінюється. Але в той же час на входах інвертора DD14.2 і схеми DD3.4 встановлюється високий рівень, а на вході DD3.2 – низький рівень. При цьому вхідна частота потрапляє на одновібратор через дільник на три. Отже, стан лічильника 001 відповідає діапазону частотоміра 300 Гц. При впливі ще одного імпульсу на вхід "+1" реверсивного лічильника на його виходах встановляться логічні рівні 010. До входу одновібратора DD11 через вхід D2 мультиплексора підключиться вхідна частота, поділена на 10, а дільник на три відключиться. При цьому частотомір буде працювати в діапазоні 1 кГц. Аналогічно за допомогою імпульсів, що подаються на вхід "- | -1", можна послідовно змінювати діапазон частотоміра в бік збільшення. Для зменшення діапазону імпульси необхідно подавати на вхід "-1". Відповідність станів лічильника DD8 та вибраних діапазонів наведено в табл. 1.

Таблиця 1

Стан лічильника

Обраний діапазон

000

100 Гц

001

300 Гц

010

1 кГц

011

3 кГц

100

10 кГц

101

30 кГц

110

100 кГц

111

300 кГц

Реверсивний лічильник DD8 переключається з допомогою імпульсів релаксаційного генератора, виконаного на транзисторах VT1 і VT2. Запуск генератора здійснюється за наявності низького рівня на будь-якому з входів МС DD3.3. При цьому вихідний транзистор мікросхеми замикається і конденсатор С4 починає заряджатися через резистор R5 до тих пір, поки емітерний перехід транзистора VT1 не зміститься в прямому напрямку. Тоді транзистор VT1 відмикається, що призводить до лавиноподібного відмикання обох транзисторів. Конденсатор С4 розряджається через резистор R9 і обидва транзистора. Після розрядки конденсатора С4 транзистори замикаються та процес формування імпульсу повторюється. Отже, в момент розрядки конденсатора на колекторі транзистора VT2 формується короткий негативний перепад напруги, а на виході інвертора DD14.3 – позитивний перепад. Залежно від логічних рівнів на входах схем ЗІ-НЕ DD7.1 і DD7.2 цей імпульс надійде на вхід "+1" або "-1" реверсивного лічильника DD8.

Схема контролю відповідності обраного діапазону вхідний частоті виконана на одновібраторах DD12.1, DD12.2 і тригерах DD13.1 і DD13.2. Робота схеми заснована на порівнянні тривалості паузи між імпульсами одновібратора DD11 при подачі на його вхід вимірюваної частоти F,, з тривалістю пауз, відповідних відхиленню стрілки на 27% (FH) та 105% (FD) від максимального. Робота схеми пояснюється за допомогою діаграми на рис. 4.

Розглянемо роботу схеми при подачі на вхід коливань з частотою 25 Гц (F,, <F,,). У момент часу I, відповідний запуску одновібратора DD11, відбувається запис інформації в тригери DD12.1 і DD12.2. Як видно з діаграми, до моменту появи чергового фронту імпульсу на виході DD11 формування імпульсів одновібраторамі DD12.1 і DD12.2 вже закінчилося, тому в тригери DD13.1 і DD13.2 запі Сива відповідно "О" і "1". (D-вхід тригера DD13.2 підключений до інверсної виходу одновібратора DD12.2).

При подачі на вхід приладу частоти 50 Гц (Fh <F0 <; Fb) черговий запуск одновібратора DD12.2 відбувається раніше завершення процесу формування імпульсу, тому одновібратор переходить в режим повторного запуску і на його інверсної вихід постійно присутня низький рівень. Тому при відповідності вхідний частоти обраному межі на прямих виходах тригерів DD12.1 і DD12.2 знаходяться низькі рівні.

Остання діаграма пояснює роботу схеми при подачі на вхід приладу коливань з частотою 110 Гц (F0> FB). У цьому випадку одновібратор DD12.2 також знаходиться в режимі повторного запуску, а тривалість вихідного імпульсу одновібратора DD12.1 перевищує паузу між імпульсами одновібратора DD11, тому черговим фронтом вихідного імпульсу одновібратора DD11 в тригер DD13.1 записується "1". Отже, за умови FO> FB на прямих виходах тригерів DD13.1 і DD13.2 встановлюються високий і низький рівні відповідно.

Прямі виходи тригерів DD13.1 і DD13.2 використовуються для визначення напрямку перемикання реверсивного лічильника DD8. У разі високого рівня на прямому виході тригера DD13.1 (FO> FB) імпульси з генератора на транзисторах VT1 і VT2 подаються на вхід "+1" лічильника DD8, тому частотомір буде змінювати діапазон в бік збільшення до тих пір, поки ці діапазон не стане відповідати вхідний частоті. Аналогічно при появі високого рівня на прямому виході тригера DD13.2 (F0 <; FH) частотомір буде змінювати діапазон в бік зменшення. У будь-якому випадку, крім F,, – <Fo <FB, Ha одному з входів схеми DD3.3 з'являється низький рівень з одного з інверсних виходів тригерів DD13, що призводить до запуску генератора, що змінює стан лічильника DD8.

Індикація обраного діапазону здійснюється за допомогою світлодіодів VD3-VD10, керованих дешифраторів DD9, який перетворює двійковий код стану лічильника DD8 в позиційний код.

Для усунення можливого "сканування" діапазонів при попаданні на частотомір сигналів з частотою Fo <FH на межі 100 Гц введена блокування імпульсу "-1" з виходу "О" дешифратора DD9 на селектор DD7.2. Аналогічно блокується проходження імпульсу "+1" при подачі на частотомір сигналу з частотою більше 300 кГц (вихід 7 дешифратора DD9 підключений до селектора DD7.1).

Налаштування частотоміра зводиться до встановлення тривалостей імпульсів, які формуються одновібраторамі. Для цього на вхід одновібратора DD11, відключеного від мультиплексора DD10, подають прямокутні імпульси з частотою 20 … 25 Гц. На виходах одновібраторов DD11 і DD12 за допомогою відповідних резисторів встановлюються такі тривалості імпульсів (мс): вихід DD11-4, 5; вихід DD12.1-5, 5; вихід DD12.2 -28.

Далі з'єднання одновібратора DD11 і мультиплексора DD10 відновлюють і на вхід частотоміра подають напругу будь-якої форми з точно відомою частотою. За допомогою резистора R12 стрілка приладу встановлюється на відповідну позначку шкали. Калібрування інших шкал забезпечується автоматично. За допомогою резисторів R4 і R8 уточнюються пороги перемикання діапазонів. Рекомендовані значення: FH = 27%, a FB == 105% від верхнього значення вибраного діапазону.

Розроблений частотомір забезпечує наступні технічні характеристики:

– Діапазон частот 0 … 300 кГц;

– Кратність шкал діапазонів дорівнює 3 (оцифровка 0 … 100 Гц і 0 … 300 Гц);

– Амплітуда вхідного сигналу Uвх> 100 мВ;

– Вхідний опір Rвх> 5 кОм;

– Форма вхідного напруги – будь-яка, яка має не більше двох екстремумів за період;

– Точність вимірювання в основному визначається типом застосованого стрілочного приладу;

– Споживаний струм Iпотр <0,4 А.

У автора даний частотомір використовується як шкали низькочастотного генератора, перекриває без перемикань діапазон частот 0 … 100 кГц. Такий частотомір має сенс застосовувати і в звичайних генераторах, мають шкали, не кратні десяти. За вищеописаному принципом можна побудувати частотомір з діапазоном частот до 30 МГц, додавши два дільника на десять і розширивши розрядність дешифратора і мультиплексора.

Також необхідно змінити вхідний формувач і застосувати більш швидкодіючі тригери в дільнику на три. Перероблений таким чином частотомір можна застосувати як шкали високочастотного генератора стандартних сигналів або в будь-якому іншому випадку, коли потрібно вимірювати частоти, що змінюються в значному діапазоні. При необхідності збільшення вхідного опору частотоміра слід встановити на його вході істоковий повторювач. Харчування частотоміра має бути стабілізовано, так як від цього залежить точність вимірювання.