Кишенькові ЦИФРОВИЙ Частотомір

В даний час є велика кількість схем електронних цифрових частотоміром, об'єднаних загальним недоліком: всі вони є стаціонарними приладами, мають порівняно великі габарити і споживають значний струм від джерела живлення, що змушує живити їх від мережі змінного струму і не допускає використання автономного батарейного живлення. Пропонована схема цифрового частотоміра позбавлена зазначених недоліків і дозволяє створити портативний малогабаритний прилад.

Описуваний в статті прилад дозволяє вимірювати частоту електричних коливань до 10 МГц. Чутливість за рівнем вхідного сигналу при вимірюванні частот до 600 кГц – 8 мВ, від 600 кГц до 2,5 МГц-30 мВ, понад 2,5 МГц-близько 100 мВ. Абсолютна похибка вимірювання частоти в діапазоні 0 … 20 кГц складає 3 Гц, 20 кГц … 2 МГц-10 Гц, понад 2 МГц-100 Гц. Харчування частотоміра проводиться від батареї "Крона" або "Корунд" напругою 9 В. При вимірах частот до 2,5 МГц струм, споживаний від джерела живлення, не перевищує 5 мА (при вимкненій індикації) або 35 мА (при включеній індикації). При вимірах частот вище 2,5 МГц струм споживання відповідно дорівнює 25 або 60 мА. Тому якщо частотомір буде використовуватися для вимірювань частот вище 2,5 МГц, доцільно застосовувати більш потужний джерело живлення.

Принцип дії частотоміра звичайний: вимір кількості імпульсів сигналу, що надходять на вхід лічильника протягом строго фіксованого інтервалу часу. Такими інтервалами в даній схемі вибрані 10 мс, 100 мс, 1 с і 10 с. Відповідно частотомір має чотири діапазони вимірювання частоти при п'яти розрядах десяткового індикатора з наступними межами вимірів: 9999,9 кГц, 999,99 кГц, 99,999 кГц і 9,9999 кГц.
Частотомір складається з наступних основних вузлів:
вхідного формуючого пристрою, призначеного для посилення, формування та перетворення вхідного сигналу;
задаючого кварцового генератора з дільниками частот для отримання фіксованих і стабільних інтервалів часу;
лічильника-дільника частоти імпульсів сигналу з цифровими індикаторами, призначеного для вимірювання та відображення змінною частоти;
пристрої керування, що забезпечує установку лічильника на нуль перед вимірюванням і надходження на його вхід послідовності імпульсів для рахунка протягом фіксованого інтервалу часу;
блока живлення.

Принципова схема частотоміра наведена на рис. 1. Сигнал ізмеряомоі частоти подається на вхід частотоміра-контакт 1 Вх. Резистор R1 і діоди VD1 і VD2 захищають вхідні ланцюги приладу від перевантажень. При вимірах частоти менше 2,5 МГц сигнал через перемикач SA2.2 надходить на вхід формуючого пристрою, зібраного на елементах D2.1-D2.4 і D1.3. У каскадах формуючого пристрою сигнал по черзі посилюється і обмежується, що необхідно для отримання крутих фронтів, здатних впливати на подальші цифрові мікросхеми. З виходу формуючого пристрою сигнал прямокутної форми через діод VD5 подається на вхід 13 елемента D1.4, який виконує функції клапана.

Схема частотоміра

При вимірах частоти більш 2,5 МГц в положенні перемикача SA2, показаному на схемі, сигнал надходить на іншу гілку формуючого пристрою, яка містить підсилювач-обмежувач на транзисторі VT1 з стабілітронів VD3, дільник частоти на 10, в якості якого використовується мікросхема D13, і каскад сполучення логіки ТТЛ з КМОП на транзисторі VT2. З колектора транзистора цього сигнал надходить також на клапан D1.4. Діод VD5 охороняє вихід елемента D1.3 від впливу сигналу, що надходить з колектора VT2.

Генератор опорної частоти 100 кГц виконаний на елементах D1.1 і D1.2 з кварцовим резонатором за звичайною схемою. Кварцовий резонатор ZQ1 включений в ланцюг позитивного зворотного зв'язку з виходу D1.2 на вхід D1.1. Резистор R3 виводить елемент D1.1 в активний режим. Імпульси з частотою проходження 100 кГц надходять на дільник частоти з коефіцієнтом ділення 10 6 , Що виконаний на мікросхемах D3-D6. Мікросхема D3 є дільником частоти із змінним коефіцієнтом ділення і використовується в режимі ділення частоти вхідного сигналу в 1000 разів. На виході мікросхеми (висновок 23) утворюються імпульси з частотою повторення 100 Гц (період повторення 10 мс). Далі йдуть три десяткових лічильника D4, D5 і D6, на виходах яких частота повторення імпульсів відповідно становить 10 Гц (100 мс), 1 Гц (1 с) і 0,1 Гц (10 с). Залежно від положення перемикача діапазонів SA1.1 імпульси з періодом повторення 10 мс, 100 мс, 1 с або 10 с подаються на пристрій керування.

Пристрій керування містить два D-тригера D7.1 і D7.2, а також клапан D1.4. При натисканні кнопки SA3 відбувається встановлення першого тригера в стан "О", при якому на його прямому виході і зв'язаному з ним вході D другого тригера встановлюється низький потенціал. Перший же вступник після цього позитивний фронт імпульсу, який приходить з перемикача SA1.1, встановлює тригер D7.2 в стан "О". При цьому на його інверсної вихід встановлюється високий потенціал, фронт якого після диференціювання осередком С2, R11 встановлює на нуль лічильники-індикатори D8-D12. Низький потенціал на прямому виході надходить на один з входів клапана D1.4, відкриваючи його для вступників на другий вхід імпульсів сигналу. З виходу клапана імпульси сигналу подаються на лічильник-індикатор.

Той же позитивний фронт імпульсу з перемикача SA1.1 переводить тригер D7.1 в стан "1", завдяки чому на його прямому виході утворюється високий потенціал, який подається на вхід D другого тригера, не змінюючи його стану. Через період обраного інтервалу часу перемикачем SA1.1 на управляючий пристрій надходить другий позитивний перепад напруги (негативний перепад в середині періоду, вступаючи на входи З тригерів, не змінює їх стану). На стан першого тригера цей перепад не впливає, так як тригер вже знаходиться в стані "1". Другий же тригер перекладається також в стан "1", з його прямого виходу на керуючий вхід клапана надходить високий потенціал, завдяки якому клапан закривається, імпульси сигналу перестають надходити на лічильник-індикатор, рахунок припиняється, на індикаторі висвічується значення частоти сигналу.

Лічильник-індикатор зібраний з п'яти мікросхем, кожна з яких містить лічильник імпульсів по модулю 10, дешифратор та семісегментний світлодіодний цифровий індикатор з комою, яка включається по одному з входів 9 в залежності від положення перемикача SA1.2. Показання індикатора зчитуються в кілогерц. За допомогою тумблера SA4 в процесі між відліку індикацію можна вимикати, чим досягається економія енергії елемента живлення. На межі виміру 10 МГц, коли перемикач SA2 знаходиться в положенні, показаному на схемі, показання індикатора необхідно множити на 10. При цьому для отримання всіх п'яти значущих цифр необхідно встановити перемикач діапазонів в положення, відповідне межі вимірювання в 1 МГц (999,99 кГц). Межа вимірювання частоти можна збільшити ще в 10 разів, до 100 МГц (99999 кГц), якщо використовувати ще один високочастотний дільник частоти на 10, зібраний на мікросхемах серії К500. Опис такої приставки до цифрового частотоміри наведено в [1,2]. При цьому перемикач діапазонів також встановлюється в положення, відповідне межі вимірювання в 1 МГц, а показання індикатора множаться на 100. Якщо ж встановити перемикач діапазонів в положення, відповідне 10 МГц, можна буде вимірювати частоту сигналу аж до 160 МГц. Вимірювання більш високих частот менш достовірно, так як обмежується швидкодією мікросхем серії К500.

На відміну від зазвичай використовуються схем цифрових частотоміром в даній схемі вимірювання частоти проводиться одноразово, протягом тільки одного періоду нормованого інтервалу часу. Третій і наступні позитивні перепади напруги, що надходять на управляючий пристрій, не змінюють стану тригерів і клапана. Тому виміряне кількість імпульсів сигналу висвічується індикатором постійно. Для повторного вимірювання-слід знову натиснути пускову кнопку SA3, після чого процес повторюється.

Для живлення використаних мікросхем потрібно два напруги 9 та 5 В. Для отримання напруги 5 В використовується стабілізатор напруги, схема якого також наведено на рис. 1. Він зібраний за загальноприйнятою схемою з використанням опорного стабілітрон. При перемиканні вхідного сигналу перемикачем SA2 одночасно комутується харчування елементів дільника частоти.

Опорна частота генератора, що задає 100 кГц виводиться на окреме гніздо і може бути використана в якості зразковою, а також, будучи поданої на вхід, – для перевірки частотоміра.

Конструктивно прилад складається з друкованої плати й табло з лічильниками-індикаторами, яке виділене на схемі штриховою лінією і з'єднується з платою провідниками. Друкована плата виконана з двостороннього фольгованого склотекстоліти.

Розташування елементів схеми та друковані провідники з цього боку плати показані на рис. 2 .

Друковані провідники зі зворотного боку плати показані на рис. 3 .

Перемички між провідними доріжками, розташованими з різних боків плати, виконані голим лудіння мідним дротом діаметром від 0,3 до 0,7 мм і пропаяти з обох сторін плати. Монтаж інших сполук проводиться проводом МГТФ 0,07 мм (14 скручених дротів діаметром по 0,08 мм) під фторопластовою ізоляції.

В приладі використовуються резистори типу ОМЛТ-0, 125 або С2-23-0, 125, конденсатори КМ5, КМ6, електролітичний конденсатор С5 типу К50-16. Мікросхеми серії К176 можуть бути замінені відповідними мікросхемами серій К561 або К564. Замість транзисторів КТ3102 можна використовувати КТ315 з будь-яким буквеним індексом, замість КТ630А – КТ815 або КТ817.

Правильно зібрана схема в регулюванні й налагодженню не потребує. Потрібно лише підібрати ємність конденсатора С2 для чіткої установки на нуль лічильників-індикаторів.

Література

1. Бірюков С. Цифровий частотомер.-Радіо, 1981. № 10), с. 44-47.
2. Бірюков С. Попередній дільник .- Радіо, 1980, № 10, с. 61.
3. Щагін А. широкодіапазонним перетворювач напруга-частота.-Радіо, 1987, № 10, с. 31-33

Б. Колобов, ВРЛ 108