Частотомір (до 2 МГц)

Прилад призначений для вимірювання електричних коливань частотою до 2 МГц.

Принцип дії частотоміра заснований на вимірюванні числа імпульсів, що надходять на вхід лічильника протягом строго фіксованого інтервалу часу (в даному випадку 1, 0,1 с, 10 і 1 мс). Чутливість при вимірюванні частот до 500 кГц-20 мВ, на інших частотах-не більше 50 мВ. Вхідний опір-приблизно 1 МОм. Прилад має чотири знакових розряду, мінімальна ціна молодшого розряду – 1 Гц. Вимірюваний сигнал може бути ослаблений вхідним дільником напруги в 10 разів. Електрична частина приладу живиться від блоку живлення напругою 11 В і споживає струм 18 мА.
Частотомір зібраний на мікросхемах серій К.561 і К176. Він складається з наступних основних вузлів:
– Вхідного формуючого пристрою, призначеного для посилення і перетворення вхідного сигналу в імпульсну послідовність з рівнями напруги, відповідними логічним рівнями МОП-мікросхем;

– Дільника частоти з опорним кварцовим генератором, що забезпечує фіксовані інтервали часу рахунку;
– Лічильника імпульсів з пристроєм відліку, призначеного для вимірювань частоти і відображення її значення на індикаторних лампах;
– Вузла керування циклом вимірювань і індикації;
– Блоку живлення.



Принципова схема вхідного пристрою наведена на рис. 1. Вимірюваний сигнал через гніздо XS1 і конденсатор С1 подається на дільник напруги R1C2R2C3, а з нього, в залежності від положення тумблера SA1,-на затвор транзистора VT1, або без ослаблення (SA1 в положенні «1:1»), або ослабленим в 10 разів. Ланцюжок, що складається з резистора R3 і діодів VD1-VD6, захищає транзистор VT1 від перевантажень по входу приладу. Транзистор VT1 включений за схемою потокового повторювача і навантажений на диференційний підсилювач, виконаний на мікросхемі DA1 і транзисторі VT2. Коефіцієнт посилення цього підсилювача близько 10. Оригінальний режим роботи диференціального каскаду задається резисторами R7, R8. Резистором R4, що стоять в істоковой ланцюга транзистора VT1, можна відрегулювати вхідний пристрій на максимальну чутливість по напрузі. З колектора транзистора VT2 посилений сигнал надходить на порогове пристрій, виконаний на елементах DD1.1, DD1.2, яка формує імпульси з крутими фронтами і МОП-рівнями. З виходу елемента DD1.2 імпульси подаються в лічильник імпульсів для подальшої обробки.

Принципова схема дільника частоти наведена на рис. 2. Генератор опорної частоти 100 кГц виконаний на елементах DD1.1, DD1.2. Резистор R1 виводить елемент DD1.1 в активний режим роботи. Резонатор ZQ1 включений в ланцюг позитивного зворотного зв'язку з виходу DD1.2 на вхід DD1.1. Імпульси частотою проходження 100 кГц подаються одночасно в пристрій керування (див. нижче) і на дільник частоти (з коефіцієнтом ділення 105), виконаний на мікросхемах DD2-DD4, DD6, DD7 та елементах DD1.3, DD1.4, DD5.1, DD5.2. Мікросхеми DD2, DD3-здвоєні 4-розрядні двійкові лічильники з коефіцієнтом ділення 16. Щоб отримати коефіцієнт ділення 10, введена зворотній зв'язок через елементи 2И-НЕ. Наприклад, в дільнику частоти 100 кГц/10 кГц вона організована через елементи DD1.3, DD1.4. У момент досягнення лічильником стану 1010 на виході елемента DD1.4 з'являється короткий позитивний імпульс, примусово встановлює лічильник в стан 0000. Решта подільники частоти на мікросхемах DD2, DD3 побудовані аналогічно. Дільник частоти 10 Гц / 1 Гц виконаний на D-трігге-рах DD6, DD7. Імпульси тривалістю 1, 10 мс, 0,1 або 1 с (в залежності від положення перемикача SA1 «Т, сек») подають до пристрій керування. Крім того, імпульси частотою повторення 1 Гц з виходу тригера DD7.2 проходять в пристрій керування напряму.

Принципова схема лічильника імпульсів з пристроєм відліку наведена на рис. 3. Вхідний селектор виконаний на елементах DD1.1, DD1.2. На вивід 1 елемента DD1.1 подаються імпульси вимірюваної частоти, на другий вхід цього елемента з пристрою керування надходить стробірующій імпульс тривалістю, рівний обраному інтервалу часу вимірювання. При його наявності імпульси з вихідного пристрою підраховуються лічильником, виконаним на мікросхемах DD2-DD5. Ці мікросхеми – десяткові лічильник з внутрішнім дешифраторів, які працюють у семіелементном коді. Напруга живлення мікросхем близько +11 У вибрано з метою підключення шкали на люмінесцентних індикаторах HG1-HG4 безпосередньо до дешифратора (без використання проміжних транзисторних ключів). Кома визначається обраним інтервалом часу вимірювання, Періодично імпульсом позитивної полярності з пристрою керування, поданим на входи R мікросхем DD2-DD5, лічильник встановлюється в нульове стан.

Принципова схема пристрою управління наведена на рис. 4. Воно складається з чотирьох D-тригерів (мікросхеми DD2, DD1) і диференціює ланцюжка R1C1. Роботу пристрою зручно розглянути з моменту появи імпульсу «Установка 0». Цей імпульс встановлює лічильник (див. рис. 3) у вихідне (нульове) стан. Одночасно він поступає на вхід S тригера DD2.1 і встановлює його в одиничне стан. Високий логічний рівень з прямого виходу тригера DD2.1 забороняє роботу тригера DD2.2 в рахунковому режимі, а низький рівень напруги з інверсного виходу DD2.1 відкриває тригер DD1.2, який за фронту першого ж імпульсу з виходу тригера DD1.1 виробляє вимірювальний стробірующій імпульс, який відкриває вхідний селектор в лічильнику (див. рис. 3). Йде цикл вимірювання. По фронту наступного імпульсу з тригера DD1.1 тригер DD1.2 повертається в початковий стан, на прямому виході DD1.2 встановлюється низький логічний рівень, що закриває селектор, а фронтом імпульсу з інверсного виходу DD1.2 тригер DD2.1 переводиться в нульове стан, і дозволяє роботу тригера DD2.2. На вхід С тригера DD2.2 подані імпульси частотою повторення 1 Гц, і він послідовно встановлюється спочатку в нульове стан (за інверсної виходу), а потім у одиничне. Під час рахунку тригером DD2.2 тригер DD1.2 заблокований логічної 1 з інверсного виходу тригера DD2.1. Йде цикл індикації, що триває 1 с при виборі інтервалу вимірювання, рівним 1 с і приблизно 2 сек при інших інтервалах вимірювання. Як тільки на інверсної виході тригера DD2.2 буде логічна 1, позитивний перепад напруги пройде через диференціюються ланцюг R1C1, знову переведе лічильник в нульове стан і дозволить формування вимірювального строба. Цикл вимірювання повториться. Тригер DD1.1 усуває вплив флуктуацій фронту низькочастотних імпульсів, що відповідають інтервалу вимірювання. Для цього імпульси, подані на вхід D тригера DD1.1, проходять на вихід тригера тільки по фронту синхронізуючих імпульсів частотою слідування 100 кГц, поданих на вхід С. Тимчасова діаграма, що пояснюють роботу пристрою керування, наведена на рис. 5.

Принципова схема блоку живлення показана на рис.6.

Стабілізатор напруги +11 В виконаний па транзисторах VT1, VT2 за традиційною схемою. Опорне напруга на базі транзистора VT1 створюється стабілітронів VD5. Для усунення можливих імпульсних перешкод з боку мережі на вході стабілізатора напруги встановлена ланцюжок L1C3.
Корпус приладу (мал. 7) розмірами 155х130х60 мм – алюмінієвий. Деталі частотоміра встановлені на платі розмірами 90х80, блоку живлення-55х40 мм. Весь монтаж виконаний за допомогою коротких відрізків проводи МГТФ 0,07. Передня і задня панелі приладу оксидований, а верхня і нижня кришки обклеєні плівкою з імітацією коштовних порід дерева.

У приладі застосовані наступні деталі. Перемикач SA1-ПГ2-14 4П6Н, тумблери-П1ТЗ-IT, тримач запобіжника – ДПМ, гніздо – СГ-5. Резистори в основному МТ-0, 25, конденсатори-К.10-23, КМ-6, К50-6, КТ. Дроселі-Д-0, 1. Транзистори ГТ403А можна замінити будь-якими транзисторами з серій П213-П215; П307В-на КТ315 з будь-яким буквеним індексом. Замість діодним збирання КД906Г можна взяти чотири окремі діода будь-якого типу з максимальним прямим струмом не менше 50 мА. Мікросхеми К561ЛА7 замінюються на К176ЛА7, К561ТМ2-на К176ТМ2. Замість індикаторних ламп ІВ-3 можна використовувати ІВ-ЗА. Трансформатор Т1 – будь-який малопотужний трансформатор з підходящими обмотками.
Як правило, цифрова частина приладу в регулюванню не потребує. Налагодження вхідного пристрою ведеться в такій послідовності. До вхідного гнізда XS1 підключають генератор сигналів, а до виходу елемента DD1.2-осцилограф. На частоті 2 МГц підбором резистора R4 домагаються максимальної чутливості при хорошій якості вихідних імпульсів. Бажано одночасно контролювати свідчення приладу промисловим частотоміром і порівнюй, їх свідчення. Слід відзначити, що вимірювання частоти вище 2 МГц виробляти за допомогою окремої приставки – дільника частоти, виконаного, наприклад, на мікросхемах серії К500 (К100). Для вимірювання частот з верхньою межею 150 … 180 МГц досить мати дві декади, виконані за схемою, наведеною в [1, 2].
Частотомір можна використовувати і як відліковий пристрій цифрового вольтметра. Для цього вхід приладу з'єднують з перетворювачем постійне напруга – частота (рис. 8)

і переводять перемикач інтервалів часу в положення «0,1 с». При цьому межа вимірювання частоти 20 кГц буде відповідати верхній межі шкали вольтметра 2 В. Нелінійність перетворювача – менше 0,025% при коефіцієнті перекриття більше 10000. Крутість перетворення-10 Гц / мВ. Вхідний опір-100 кОм. Перетворювач допускає подачу на його вхід напруги до -10 В при вихідний частоті більше 45 кГц.
На лівому за схемою транзисторі збирання DA2 виконаний імпульсний генератор стабільного струму. Напруга на базі цього транзистора стабілізовано. Роль зразкового елемента, питомого від генератора стабільного струму на транзисторі VT1, грає емітерний перехід правого за схемою транзистора збирання DA2. Напруга стабілізації 6,5 В (щодо додаткового джерела -11 В, виконаного за аналогією з наведеним на рис. 6) визначено напругою лавинного пробою емітерний переходу. Операційний підсилювач DA1 виконує функцію інтегратора. Інтегруючий конденсатор-С1. Резистор R3 обмежує вихідний струм операційного підсилювача (ОП) на рівні 5 мА (при R = 0, 1 = Iкз = 25 мА). На похибка перетворювача він не впливає. Діод VD1 захищає вхідні ланцюг тригера DD1 від перенапруги з боку виходу ОП при відсутності імпульсу вимірювання на його вході S. Ключ на транзисторі VT2 управляє роботою імпульсного генератора стабільного струму (ГСТ). Резистором R5 калібрують прилад.
Для розуміння роботи перетворювача зручно розглядати момент, коли на прямому виході тригера DD1 – логічний 0. Напруга на емітер транзистора VT2 нижче, ніж на базі, і транзистор закритий. Через ГСТ тече струм IСТ (йде заряд конденсатора С1). Коли на прямому виході тригера з'являється логічна 1, транзистор відкривається і 1ст стає рівним нулю.
Як тільки вихідна напруга підсилювача DA1 стане трохи нижче порогового рівня виходу D тригера, наступний імпульс викличе перемикання тригера. Це призводить до великої збільшенню заряду конденсатора С1 і, отже, підвищенню вихідної напруги операційного підсилювача DA1. Наступний опорний імпульс викличе нове перемикання тригера. Конденсатор С1 почне розряджатися. Якщо виключити випадок Uвx = Uвx.max, то до приходу наступного імпульсу вихідна напруга ОП все ще буде високим, і тригер свого стану не змінює. При цьому можливе подальше розряд інтегруючого конденсатора. Процес повторюється до тих пір, поки напруга на виході операційного підсилювача не стане нижче рівня спрацьовування тригера по входу D. На цьому цикл закінчується і починається новий.
Для вимірювання вихідний частоти перетворювача на вхід S тригера DD1 подають вимірювальний імпульс тривалістю 100 мс і отриману пачку імпульсів підраховують частотоміром.
З частотоміра на перетворювач необхідно подати імпульси з частотою проходження 100 кГц і імпульси інтервалу вимірювання 0,1 Гц, а з перетворювача імпульси з інверсного виходу тригера DD1.1 (висновок 8) – на частотомір. Все це можна робити за допомогою одного кабелю, підключеного до гнізда XS1.

М. Овечкін

Література
1. Бірюков С. Цифровий частотомер.-Радіо, 1981, № 10, С. 44-47.
2. Бірюков С. Попередній дільник .- Радіо, 1980, № 10, с. 61.