ЦИФРОВИЙ Частотомір

Один з необхідних приладів вимірювальної лабораторії початківця радіоаматора – цифровий частотомір. Майже чотири роки тому в нашому розділі вже публікувалося опис порівняно простого частотоміра, виконаного на мікросхемах серії K155 (див. статтю В. Борисова та О. Партин «Частотомір з цифровою індикацією» у «Радіо», 1985, № 11, с. 49-51; № 12, с. 49-51). Як показала читацька пошта, до цієї конструкції початківці радіоаматори виявили великий інтерес. Багато хто з них зібрали частотомір і залишилися задоволені його роботою.

Сьогодні пропонуємо увазі читачів інший варіант приладу, виконаний на мікросхемах серії К176. Його розробили радіокружковци станції юних техніків р. Березовський Свердловській обл. під керівництвом автора статті Вадима Васильовича Іванова.

Пропонований цифровий частотомір дозволяє вимірювати частоту електричних коливань у межах 100 … 99 999 Гц і може бути використаний при настройці різних генераторів, електронних годинників і багатьох інших конструкцій. При цьому на частотомір потрібно подавати сигнал амплітудою не менше 1 В і не більше 30 В.

f./24082010120000289./240820101200002980.gif

Познайомимося спочатку зі структурною схемою частотоміра (рис. 1). Вимірюваний вхідний сигнал fx надходить через перемикач SB1 на перший вузол частотоміра – формувач імпульсів. У ньому сигнал перетворюється в імпульси прямокутної форми, частота проходження яких відповідає частоті вхідного сигналу.

Далі перетворений сигнал надходить на один з входів електронного ключа. На другий вхід ключа подається з керуючого пристрою сигнал вимірювального інтервалу часу, що утримує ключ у відкритому стані протягом 1 с. У результаті на виході електронного ключа, а значить, на вході лічильника імпульсів з'являється пачка імпульсів. Логічне стан лічильника, в якому він виявляється після закривання ключа, відображає вузол цифрової індикації протягом інтервалу часу, встановленого керуючим пристроєм.

Генератор зразкової частоти необхідний для формування точних часових інтервалів, контролю правильності роботи частотоміра, формування імпульсу скидання показань лічильника (обнулення) після закінчення часу індикації показань.

f./24082010120000289./240820101200002981.gif

Принципова схема частотоміра наведена на рис. 2. У ньому використано п'ять транзисторів, вісім мікросхем і п'ять (за кількістю розрядів) семісегментних люмінесцентних індикаторів.

У мікросхему К176ІЕ12 (DD1), призначену для електронних годинників, входить генератор, розрахований на спільну роботу із зовнішнім кварцовим резонатором ZQ1 на частоту 32 768 Гц. Дільники частоти мікросхеми ділять частоту генератора до 1 Гц. Ця частота, формована на виведення 4 мікросхеми, і є зразковою.

У мікросхемі К176ЛЕ5 (DD2) чотири логічних елемента 2ІЛІ-НЕ, а в мікросхемі К176ТМ1 (DD3) – два D-тригера. Один з елементів 2ІЛІ-НЕ виконує функцію електронного ключа (DD2.4), а три інших і обидва D-тригера працюють у пристрої керування.

Кожна з мікросхем К176ІЕ4 (DD4-DD8) містить декадної лічильник імпульсів, тобто лічильник до 10, і перетворювач (дешифратор) її логічного стану в сигнали управління семісегментним індикатором. На виходах а-g цих мікросхем формуються сигнали, що забезпечують світіння цифр індикаторів HGI – HG5 залежно від логічного стану лічильників. Мікросхема DD4 і індикатор HG1 утворюють молодший рахунковий розряд, а мікросхема DD8 і індикатор HG5 – старший рахунковий розряд частотоміра. У конструкції приладу індикатор HG5 повинен бути крайнім зліва, a HG1 – крайнім справа. Формувач імпульсного напруги зібраний на транзисторах VT1 – VT4. Сигнал fx, поданий на його вхід через гніздо XI, перемикач SB1, конденсатор С1 і резистор R1, посилюється і обмежується по амплітуді диференціальним каскадом на транзисторах VT1 і VT2. З резистора навантаження R5 сигнал надходить на базу транзистора VT3 другого каскаду, що працює як інвертор. Резистор R8, що створює між цими каскадами позитивну зворотний зв'язок, забезпечує їм критичний характер роботи. При цьому на колекторі транзистора VT3 формуються імпульси з крутими фронтами і спадами, частота проходження яких відповідає частоті досліджуваного сигналу. Каскад на транзисторі VT4 обмежує амплітуду імпульсів до рівня, що забезпечує мікросхем необхідний режим роботи. Далі перетворений сигнал надходить на вхідний висновок 12 електронного ключа DD2.4. Другий вхідний виведення ключа підключений до виходу формувача вимірювального інтервалу часу, рівного 1 с. Тому число імпульсів, що пройшли за цей час через електронний ключ до лічильника, висвічується індикаторами в одиницях герц.

Резистор R1 у вхідний ланцюга приладу обмежує рівень вхідного струму, а діод VD1 захищає транзистор VT1 формувача від перепадів вхідного напруги позитивної полярності. Підлаштування резистором R3 регулюють чутливість частотоміра. Резистор R11 і конденсатори С2 і СЗ утворюють розв'язують фільтр, що запобігає самозбудження формувача і нестабільність його роботи від різних електричних перешкод.

f./24082010120000289./240820101200002982.gif

Роботу керуючого пристрою ілюструють часові діаграми, наведені на рис. 3. На вхід С (висновок 11) тригера DD3.2 безперервно надходять імпульси генератора зразкової частоти (перша зверху діаграма), а на такій же вхід тригера DD3.1 – імпульси генератора запуску, зібраного на логічних елементах DD2.1 і DD2.2 (друга діаграма). За вихідний приймемо випадок, коли обидва тригера знаходяться в нульовому стані. У цей час рівень логічної 1, що діє на інверсної виході тригера DD3.2, надходить на вхідний висновок 13 електронного ключа DD2.4 і закриває його. З цього моменту через ключ припиняється проходження імпульсів сигналу вимірюваної частоти на вхід лічильника. З появою на вході тригера DD3.1 З імпульсу генератора запуску цей тригер приймає одиничне стан і рівнем логічної 1 на прямому виході готує тригер DD3.2 до подальшої роботи. Одночасно на виведення 9 елемента DD2.3, з'єднаному з інверсним виходом тригера DD3.1, з'являється рівень логічного 0. Черговий імпульс генератора зразкової частоти перемикає тригер DD3.2 в одиничне стан. Тепер на його інверсної виході і на виведення 13 елемента DD2.4 буде рівень логічного 0, який відкриває електронний ключ і тим самим дозволяє проходження через нього імпульсів сигналу вимірюваної частоти.

Прямий вихід тригера DD3.2 (висновок 13) з'єднаний з R-входом (висновок 4) тригера DD3.1. Отже, коли тригер DD3.2 виявляється в одиничному стані, він рівнем логічної 1 на прямому виході перемикає тригер DD3.1 в нульове стан. Цей тригер знаходиться в такому стані до тих пір, поки триває інтервал вимірювального часу. Черговий імпульс генератора зразкової частоти на вході З тригера DD3.2 перемикає його в нульове стан і рівнем логічної 1 на виході інверсної закриває електронний ключ. У результаті припиняється проходження імпульсів сигналу вимірюваної частоти до лічильника і починається цифрова індикація результатів вимірювання (п'ята і сьома діаграми).

Кожному інтервалу вимірювального часу передує поява на висновках 5 R-входів мікросхем DD4 – DD8 короткочасного імпульсу позитивної полярності (четверта діаграма), що скидають тригери лічильника в нульове стан. З цього моменту і починається цикл рахунок-індикація роботи частотоміра. Формування імпульсів скидання відбувається на виході логічного елемента DD2.3 в моменти збігу на його входах рівнів логічного 0. Час індикації можна змінювати в межах 2 … 5 з перемінним резистором RI7 генератора імпульсів запуску.

Світлодіод HL1 в колекторної ланцюга транзистора VT5, що працює в режимі ключа, служить для візуального спостереження за тривалістю часу обрахунку.

У частотоміри передбачена можливість контролю працездатності приладу. Для цього перемикач SB1 переводять у положення «Контроль», при якому вхідна ланцюг приладу виявляється поєднаної з виведенням 14 мікросхеми DD1 генератора зразкової частоти. При справній роботі частотоміра індикатори повинні висвічувати частоту 32708 Гц.

Мікросхему К176ІЕ12 можна замінити на подібну їй К176ІЕ5, скоригувавши відповідно креслення друкованої плати. Цифрові індикатори можуть бути типу ІВ-ЗА (замість ІВ-6), але тоді в ланцюг живлення їх ниток напруження слід включити резистор опором 2 Ома на потужність розсіювання 0,5 Вт.

Всі постійні резистори – МЛТ-0, 125, підлаштування (R3) – СПЗ-16, змінний (R17) – СП-1. Оксидні конденсатори СЗ і С5 – К50-6 або К53-1А, неполярні С1 і С8 – К53-7 (можна замінити наборами конденсаторів типу К73-17). Конденсатори С2, С4 можуть бути КЛС або К73-17, С6 – керамічний (КТ-1, КМ), Конденсатори підлаштування С7 – КПК-МП. Перемикач SB1 «Вимірювання – контроль» застосований типу П2К з залежною фіксацією (з двома кнопками), вимикач харчування SB2 – теж П2К, але з поверненням повторним натисканням.

Зовнішній вигляд частотоміра показаний нижче.
./240820101200004065.jpg
Через прямокутний отвір в лицьовій стінці корпусу, прикрите пластиною зеленого органічного скла, видно що світяться цифри індикаторів. Зліва від нього – «око» світлодіодного індикатора HL1. Під ним знаходиться змінний резистор R17 і вхідний гніздо XI. Зліва від них – вимикач харчування SB2 («П») і двох-кнопковий перемикач SB1. При натисканні на кнопку «К» («Контроль») вхід формувача імпульсної напруги підключається до генератора зразкової частоти, а при натисненні на кнопку «І» («вимір») – до вхідного гнізда XI.

Всі інші деталі частотоміра змонтовані на двох друкованих платах з фольгованого склотекстоліти товщиною 1 мм. На одній з них (рис. 4)
f./240820101200002900.gif
знаходяться деталі формувача імпульсної напруги, генератора зразкової частоти і пристрої керування, на іншій (мал. 5) – мікросхеми DD4 – DD8 і цифрові індикатори.
./240820101200004067.gif

Налагодження безпомилково змонтованого частотоміра зводиться в основному до встановлення найкращої чутливості формувача і, якщо треба, до підстройці генератора зразкової частоти. Для встановлення потрібної чутливості на вхід частотоміра подають від генератора ЗЧ сигнал амплітудою 1 В, а до виходу електронного ключа DD2.4 підключають осцилограф. Підлаштування резистором R3 домагаються появи на екрані осцилографа пачок імпульсів. Підлаштовують зразкову частоту генератора підбором конденсатора С6 (грубо) і Конденсатори підлаштування С7 (точно). Точність настройки контролюють за зразковому (промислового) частотоміри, підключеному до висновку 14 мікросхеми DD1.

В. ІВАНОВ

м. Свердловськ

Радіо № 10, 1989, с. 77-81.