Цифрова шкала генератора ЗЧ.

Для установки частоти в вимірювальних генераторах синусоїдальних сигналів найчастіше використовують шкально пристрої, механічно пов'язані з регулюючим елементом приладу. Їх недоліки відомі: це – складність виготовлення, необхідність градуювання по зразковому генератору або частотоміри і недостатня в ряді випадків точність установки частоти, що залежить не тільки від конструкції відлікового пристрою, але і від стабільності параметрів радіоелементів частотозадающіх ланцюгів.

Від перелічених недоліків багато в чому вільні так звані електричні шкали. У найпростішому випадку – це аналоговий частотомір, робота якого грунтується на вимірюванні середньої напруги сформованої з генерується сигналу послідовності імпульсів з постійною тривалістю. Однак і така шкала забезпечує порівняно низьку точність установки частоти (в кращому випадку 1 … 3%), а для її калібрування також потрібно зразковий генератор.

Застосування цифрових способів вимірювання частоти дозволяє позбутися від усіх недоліків, властивих як механічним, так і електричним шкалами. Частоту в цьому випадку відраховують безпосередньо в цифровій формі і з високою точністю, що визначається стабільністю так званого вимірювального тимчасового інтервалу. Цифрова шкала спрощує компоновку і виготовлення генератора, так як її можна зібрати у вигляді окремого функціонально закінченого електронного блоку і розмістити в будь-якому зручному місці приладу.

Найбільш простий цифровий спосіб вимірювання частоти – метод прямого рахунку, який полягає в підрахунку числа періодів генерується сигналу за відомий проміжок часу – Вимірювальний часовий інтервал. Для визначення частоти з точністю до 1 Гц він повинен бути рівний 1 с. Якщо з синусоїдального сигналу сформувати послідовність імпульсів, фронти яких збігаються з моментами переходу синусоїдальної напруги через нульовий рівень, і підраховувати їх число, то при тій же точності вимірювальний тимчасової інтервал можна зменшити вдвічі.

Використання вузла подвоєння в цифровий шкалою скорочує тимчасову затримку між моментом зміни частоти регулюючим елементом і початком індикації результату вимірювання, що має велике значення при встановленні частоти з точністю до 1 Гц. Однак тимчасова затримка в 0,5 с при грубої настройки генератора все ж таки велика. Тому спільно з цифровою шкалою, що забезпечує точну установку частоти, іноді використовують додаткову механічну шкалу для грубої настройки. Можна вчинити й інакше: зменшити тимчасову затримку ще на порядок, тобто ввести в цифрову шкалу другий режим роботи ("Грубо"), в якому вимірювальний часовий інтервал дорівнює 0,05 з, а точність вимірювання частоти – ± 10 Гц. Однак просте зменшення вимірювального тимчасового інтервалу в 10 разів приводить до того, що значення вказують робочі частоти на шкалі зрушується вправо на один десятковий розряд, утруднюючи зчитування інформації. Для усунення цього недоліку послідовність імпульсів подвоєною частоти синусоїдального сигналу в режимі "Грубо" слід подати на другий десятковий лічильник цифрової шкали. У цьому випадку кожен розряд числа, що визначає вимірювану частоту, буде показана завжди в одному і тому ж місці.

Пристрій забезпечує вимірювання частоти в інтервалі від 1 Гц до 1 МГц. Амплітуда вхідного сигналу – до 15 В. Точність вимірювання, час вимірювання та індикації частоти в залежності від режиму роботи дорівнюють ± 10 Гц, 0,05 і 0,2 с (в режимі "Грубо") та 1 Гц, 0,5 і 2 з ("Точно"). Споживаний струм – не більше 50 мА.

Пристрій складається з вхідного формувача, подвоювач частоти, датчика вимірювальних тимчасових інтервалів, селектора і лічильника імпульсів та вузла комутації режимів роботи.

Вхідний формувач на компараторі DA1 представляє собою тригер Шмітта. Ланцюг його позитивного зворотного зв'язку утворена резисторами R3 і R6. Сформована ним з синусоїдальної сигналу послідовність імпульсів через інвертори DD1.1, DD1.2 приходить на подвоювач частоти, виконаний на елементах R5, С2 і DD3.1. Інвертори DD1.1 і DD1.2 забезпечують необхідну крутизну фронтів і спадів імпульсів, від якої залежить чіткість роботи подвоювач частоти. З виходу елемента DD3.1 послідовність коротких позитивних імпульсів подвоєною частоти надходить на один з входів (висновок 9) селектора, функції якого виконує елемент DD1.3.

Датчик вимірювальних тимчасових інтервалів містить задаючий генератор, дільник частоти, вузол первісної установки і формувач імпульсів обнулення.

Задає кварцовий генератор, зібраний на елементах DD2.1, DD2.2, виробляє імпульси з частотою проходження 100 кГц, які через інвертори DD2.3 і DD2.4 проходять на дільник частоти на мікросхемах DD4-DD9. У дільник входять шість лічильників, два з яких (DD6, DD8) ділять частоту на п'ять, а решта – на десять. Вузол первісної установки, виконаний на елементах VD2, R10, С4, DD1.4, встановлює в початковий стан лічильники дільника при включенні живлення пристрою.

Вузол комутації режимів роботи зібраний на мікросхемі DD10, елементах DD11.1-DD11.3, транзисторі VT1 і перемикачі SB1. У режимі "Точно" імпульси з виходу лічильника DD5 через елементи DD11.1, DD11.3 поступають на вхід З лічильника DD6, і в роботі пристрою бере участь весь дільник. При цьому на виході лічильника DD9 формується послідовність імпульсів тривалістю 0,5 с і частотою повторення 0,4 Гц. У режимі "Грубо" з дільника виключається лічильник DD5, а імпульси з виходу попереднього (DD4) через елементи DD11.2 і DD11.3 проходять на лічильник DD6, і на виході дільника формується послідовність імпульсів тривалістю 0,05 с і частотою проходження 4 Гц.


Рис.1. Принципова схема.

Імпульси з виходу лічильника DD9 підводяться до другого входу (висновок 8) елемента DD1.3 і до формувачі імпульсів обнулення, зібраному на елементах DD3.3, DD3.4, DD11.4. На виході елемента DD3.4 з'являються короткі імпульси, які періодично, перед початком кожного циклу вимірювання, встановлюють в нульове стан лічильник імпульсів на мікросхемах DD12-DD17. Транзисторний ключ VT2 гасить індикатори шкали на час вимірювання частоти.

Імпульси з виходу селектора надходять на лічильник імпульсів через елемент DD3.2, який виключає зайве спрацьовування лічильника по фронту імпульсу, який задає вимірювальний часовий інтервал. Лічильник імпульсів включає в себе шість однотипних вузлів перерахунку. У режимі "Точно" всі вузли включені послідовно через елементи DD10.2, DD10.4, і імпульси подвоєною частоти з виходу селектора приходять на вхід вузла молодшого розряду (DD12, HG1). У режимі "Грубо" ці імпульси через елементи DD10.3, DD10.4, подаються на другий вузол перерахунку (DD13, HG2), а транзисторний ключ VT1 вимикає індикатор молодшого десяткового розряду шкали.

Точка індикатора HG4 на цифровий шкалою розділяє розряди, індиціюється частоту в кілогерц і герцах.

Якщо вимірювати частоту з точністю до 1 Гц не потрібно, шкалу можна спростити, виключивши елементи SB1, DD5, DD10, DD11.1-DD11.3, DD12, HG1, VT1, R11 і з'єднавши вихід лічильника DD4 з виведенням 4 мікросхеми DD6, а вихід елемента DD3.2 – з входом З лічильника DD13.

При зниженні верхній робочої частоти з 1 МГц до 600 кГц можливе подальше спрощення пристрою і застосування мікросхеми К176ІЕ3 замість К176ІЕ4 в старшому розряді лічильника (DD17). У цьому випадку додатково виключають елементи DD1.1, DD1.2, DD2.3, DD2.4, вихід елемента DD2.2 з'єднують із входом З лічильника DD4, а виведення 7 мікросхеми DA1 – з виведенням 2 елементи DD3.1 і резистором R5.

У пристрої використано кварцовий резонатор (ZQ1) з набору "Кварц-21". Замість нього можна застосувати кварцовий резонатор на частоту 1 МГц, додавши в дільник частоти ще один лічильник К176ІЕ4 і включивши його між елементом DD2.4 і мікросхемою DD4.

Замість зазначених на схемі у пристрої можуть бути застосовані як знакові світлодіодні індикатори інших типів, так і катодолюмінесцентние. Схема підключення катодолюмінесцентного індикатора ІВ3 показана на рис.2. У цьому випадку резистор R12 основний схеми підключають не до загального проводу, а до емітером транзистора VT2. Крім того, для харчування індикаторів ІВ3 буде потрібно додаткове джерело напруги 0,7 В.

Схема підключення світлодіодних індикаторів АЛС324Б або АЛС321Б представлена на рис.3. Як транзисторних ключів VT1-VT7 можна використовувати будь-які кремнієві транзистори з допустимою напругою колектор – емітер і база – емітер не менше 10 В і колекторним струмом не менше 10 мА (КТ312Б, КТ3102Б, КТ315 з будь-яким буквеним індексом, К1НТ251 та ін.) У цьому випадку транзистор VT2 пристрою повинен бути складеним. Базу додаткового транзистора КТ807Б з'єднують з емітером транзистора VT2, колектор – з його колектором, а емітер – з вузлами перерахунку (висновок 4). Крім того, буде потрібно більше потужне джерело живлення, так як споживаний шкалою струм зросте до 300 мА.

На вхід цифрової шкали можна подавати сигнали амплітудою до 15 В, так як допустимий вхідна напруга компаратора К521СА3 (DA1) не перевищує 30 В. Для вимірювання частоти сигналів більшого рівня шкалу потрібно доповнити вузлом захисту від перевантаження або вхідним дільником, що знижує напругу на входах компаратора до допустимого значення.

При виготовленні пристрої між висновками харчування кожної мікросхеми встановлюють конденсатор ємністю 1000 пФ. Для зменшення впливу на генератор імпульсних перешкод цифрову частина шкали поміщають у металевий екран, який з'єднують із загальним проводом генератора в одній точці. Якщо шкала призначена для роботи зі звуковим генератором, формує сигнали з малими рівнем і коефіцієнтом гармонік, то особливо ретельно екранують проводи, що з'єднують індикатори НG1-HG6 з лічильниками, так як вони можуть бути джерелами потужних імпульсних перешкод, особливо у разі застосування індикаторів АЛС324Б або АЛС321Б. Повністю усунути імпульсні перешкоди можна відключенням харчування шкали після встановлення частоти генератора, для чого потрібно передбачити окремий вимикач.

Якщо передбачається використовувати цифрову шкалу генератора для вимірювання частоти сигналів інших джерел, доцільно на його передній панелі встановити додаткове гніздо і перемикач, що з'єднує вхід пристрою або з виходом генератора, або з цим гніздом.

При налагодженні спочатку перевіряють осцилографом наявність імпульсних послідовностей на виході датчика вимірювальних тимчасових інтервалів. Потім на вхід пристрою подають синусоїдальний сигнал амплітудою близько 0,5 В. При цьому на виході подвоювач частоти (висновок 3 елементи DD3.1) повинні спостерігатися імпульси амплітудою не менш 8 В. Встановлюючи на генераторі значення частоти в робочому інтервалі, перевіряють правильність індикації при напрузі живлення 8,1 і 9,9 В. У випадку розбіжності свідчень шкали і частоти генератора необхідно підібрати конденсатор С5, що впливає на дільник імпульсів обнулення.

Рис. 2

Рис. 3

    В. Власенко, м. Москва, Радіо № 5,1987 р., стор.44