ЦИФРОВИЙ Частотомір

С. БІРЮКОВ

Описуваний в статті прилад дозволяє вимірювати частоту електричних коливань до 180 МГц, період коливань н тривалість імпульсів від 1 мкс до 10 7 с, може працювати як лічильник імпульсів. Точність вимірювань – 3 * 10 -6 від вимірюваної величини ± 1 знак молодшого розряду. Мінімальна ціна молодшого розряду становить 0,1 Гц при вимірюванні частоти і 0,1 мкс при вимірюванні періоду та тривалості. Частотомір можна використовувати при градуювання приладів, як відлікового пристрою в генераторах і аматорських передавачах, при налагодженні різних радіоелектронних пристроїв. Чутливість при вимірюванні частоти на частотах до 20 МГц – близько 20 мВ, на частоті 180 МГц – 100 мВ.

Прилад зібраний в основному на мікросхемах серії К155, і тільки високочастотний дільник – з використанням мікросхем К500. Основними вузлами частотоміра є блок управління, схема якого наведена на рис 1,

лічильник і кварцовий генератор з подільником частоти (рис. 2)

і блок живлення, виконаний за схемою транзисторного перетворювача випрямленої напруги в напругу ультразвукової частоти зі знижувальним трансформатором на феритових кільцях, низьковольтним випрямлячем і лінійним стабілізатором.

Схема з'єднання блоку керування (НУ) з лічильником, кварцовим генератором і подільником частоти (КГ) і високочастотним дільником (СТ10) наведена на рис. 3.

Принцип дії частотоміра заснований ні вимірі числа імпульсів, що надходять на вхід лічильника протягом певного часу (в даному приладі 10 с, 1 с. 0.1 с або 0,01 с). Необхідний тимчасової інтервал формується в блоці керування.

Кварцовий генератор частотоміра зібрано на одному логічному елементі D6.1 (рис. 2) Підбором ємності конденсаторів С14 і С15 встановлюють номінальну частоту генерації 10 Мгц. Ця частота ділиться ланцюжком мікросхем D7 – D14 послідовно до 0,1 Гц, Елементи D6.3 н D6.4 – буферні. Щоб скоротити до 0,1 с проміжок часу між закінченням імпульсу скидання і початків еталонного інтервалу на низькочастотних діапазонах частотоміра, в останніх розрядах дільника використані мікросхеми К155ІЕ2, що встановлюються в "9".

У режимі вимірі частоти еталонна частота, обрана перемикачем S4.1 ("Діапазон"), через інвертор 04 н перемикач S1.3 ("Режим") надходить на вхід T БО, а на вхід F – сигнал, частоту якого необхідно виміряти. Цей сигнал підсилюється і обмежується диференціальний каскадом на транзисторах V2, V3 н надходить на інвертор на транзисторі V6. Діоди V4 і V5 виключають насичення транзистора V6, за рахунок чого верхня чистота формувача складає 40 МГц. Позитивна зворотній зв'язок (через резистор R8) надає підсилювача тригерні характеристики. Вихідний сигнал формувача через елементи D1.1 і D1.2 надходить ні вхід лічильника. Другий вхід елемента D1.1 підключений до виходу формувача еталонного ннтервала часу, виконаного на двох тригерах мікросхеми D6. Прікіпі дії цього формувача зручно розглядати з моменту генерації імпульсу установки нуля. Цей імпульс виробляє мультівібратор, зібраний на елементах D3.1 і D3.2. У момент генерації імпульсу (він може бути викликаний, наприклад, короткочасним замиканням контактів кнопки "Пуск") тригери D5, всі декади лічильника і подільники, за винятком D13 і D14, встановлюються в нуль. На вході 1 елемента D1.1 буде рівень логічного 0, і імпульси вимірюваної частоти на вхід лічильника не проходять.

Після закінчення імпульсу установки нуля на виходах дільника кварцового генератора з'являються імпульси відповідної частоти. Фронт першого імпульсу еталонної частоти, пройшовши із входу Т БО через формувач на транзисторі V8 н тригері Шмітта (D 1,3. D1.4), надходить на рахункові входи тригерів мікросхеми D5. Він встановлює їх у стан 1, так як і в вхід D тригера D5.1 надходить сигнал 1 з інверсного виходу D5.2, а на вхід D D5.2 – з резистора R29. Так, на вхід 1 елемента D1.1 приходить сигнал 1 та на лічильник починають надходити імпульси вимірюваної частоти. Тим часом на вхід D тригера D5.1 з інверсного

виходу тригера DS.2 надходить сигнал логічного 0, тому фронт другого імпульсу еталонної частоти встановлює тригер D5.1 в 0 і на вхід лічильника імпульси вимірюваної частоти перестають діяти. Фронт імпульсу з інверсного виходу тригера D5.1, що формується в момент приходу другого імпульсу еталонної частоти, продиференціювати ланцюгом C9R21, надходить на вхід елемента D2.1. Цей елемент спільно з транзистором V9 утворює режиму мультівібратор, що визначає час індикації виміряної частоти. При надходженні імпульсу запуску на входи 9 і 10 елемента D2.1 він включається, а спад з його виходу через конденсатор С11 потрапляє на базу транзистора V9 і закриває його. Конденсатор С8 перезаряджається через резистор R17 і одні з резисторів R37-R40, вибраний перемикачем S2 (Tінд). У момент, коли напруга на лівій обкладки конденсатора С8 досягає порогу відкривання V9, він включається, а елемент D2.1 вимикається. Його вихідний сигнал, інвертований елементом D2.2 і продиференціювати ланцюгом C10R23R24. запускає режиму мультівібратор D3.1, D3.2, і процес вимірювання повторюється.

Якщо перемикач S2 знаходиться в положенні "оо" (нескінченність) транзистор V3 постійно закритий, тому для кожного вимірювання необхідно натиснути кнопку "Пуск", а час індикації обмежена лише часом включення приладу.

Залежно від положення перемикача S4 запалюється одна з десяткових точок індикаторів лічильника (управляються секцією S4.2). У самому нижньому за схемою положенні 54 (частота еталонних імпульсів 0,1 Гц, час рахунку 10 з) запалюється друга праворуч точка, індиціюється частота в герцах з точністю до 0,1 Гц. У трьох інших положеннях 54, що використовуються для вимірювання частоти, положення десяткового дробу відповідає вимірі в кілогерц (точность0, 001 кГц, 0,01 кГц. 0,1 кГц).

Гранична частота роботи лічильника на мікросхемах К155ІЕ2 – близько 20 МГц, тому для вимірювання більш високих частот використаний високочастотний дільник CT1O верб мікросхемах серії К500 * (рис. 4).


(* Повна схема дільника опублікована в Радіо, 1980, № 10, с. 61 . На рис. 4 показана тільки частина схеми, що зазнала зміни. Нумерація елементів дільника на схемі до друкованої плати приведена у відповідність з у нас н кою статтею.)


Для підвищення стійкості роботи подільники з його формувача виключений один каскад підсилення. Для захисту вхідного каскаду на цементі D1.1 від перевантажень у схему формувача введений обмежувач R7, V1, V2. а для збереження достатньо високої чутливості намінал резистора R10 збільшено у 10 разів. У зв'язку з тим, що у невикористовуваних диференціальних каскадів мікросхеми К500ЛП116 входи не повинні залишатися вільними, входи елемента D1.2 з'єднані з його виходами.

У положенні "ВЧ" перемикача S1 сигнал з входу частотоміра надходить на вхід високочастотного дільника, а з його виходу – на вхід F БО. Положення комою в цьому режимі визначається секцією S4.3 перемикача "Режим", частота індиціюється в мегагерцах.

У положенні "К" (контроль) перемикача S1 вхід високочастотного дільника через ланцюжок C22R6 підключається до виходу 10 МГц кварцового генератора. Положення комою визначається секцією S4.2, тому не індикатор індиціюється частота 1000 кГц.

У положенні "Т" (період) вимірювана і еталонна частоти міняються місцями – еталонна частота в межах 10 МГц … 0,1 Гц надходить на вхід F БО і далі на лічильник, а сигнал, період якого потрібно виміряти, – Через формувач V8, D1.3, D1.4 – на вхід формувача інтервалу D5.I. D5.2. Формувач V8, Dl.5, D1.4 має, на відміну від формувача на транзисторах V2, V3, V6, відкритий вхід, що дозволяє вимірювати тривалість практично будь-яких імпульсів. Поріг його включення – близько 0,75 В, вимкнення – близько 0,7 В, тому частотомір можна безпосередньо застосовувати для вимірювання періоду і тривалості імпульсів на виходах ТТЛ-мікросхем. У положенні "т" (тривалість) фронт вхідного імпульсу, як і при вимірюванні періоду, встановлює тригер D5.1 в 1, а спад імпульсу, продиференціювати ланцюгом C13R27R28, перемикає цей тригер в 0, в результаті чого час проходження еталонної частоти через елементи D1.1, D1.2 відповідає тривалості вимірюваних імпульсів.

У положенні "N" (лічильник імпульсів) вхідний сигнал надходить на вхід T БО, з виходу T – на вхід N (відкритий вхід формувача V2, V3, V6), що дозволяє вважати позитивні імпульси практично будь-який тривалості (починаючи приблизно від 100 нс) за їх фронтах. Проходження імпульсів через елементи D1.1, D1.2 забезпечується встановленням тригерів мікросхеми D5 в 1 перемикачем S1.4.

Конструктивно частотомір зібраний на трьох друкованих платах товщиною 1,5 мм. На першій платі розміром 60X 155 мм розташовані всі деталі кварцового генератора, подільника і лічильника, включаючи газорозрядні індикатори. Розташування про водників друкованої плати наведено на рис. Травень ( а – сторона установки мікросхем, індикаторів та інших деталей , б – протилежна сторона

Арабськими цифрами позначені точки, до яких підпоюють висновки відповідних цифр газорозрядних індикаторів; до точки, позначеної буквою А, – анод, буквою 3 – електрод комою.

На другий платі ( див. третю с, вкладки ) Розмірами 80X155 мм встановлені всі деталі блоку управління (рис. 1), високочастотний дільник і лінійний стабілізатор напруги, схема якого наведена на рис. 6.

Плата виготовлена з фольгованого з двох сторін склотекстоліти, на ній показані провідники, розташовані з боку, протилежного установці елементів. З боку установки елементів фольга збережена цілком і виконує роль загального проводу, а навколо отворів фольга роззенковані. Чорною точкою з хрестом показано місця пайки деталей до фользі на стороні установки мікросхем. Якщо такий майданчик обведена ще й червоним кружечком, то в цих точках виводи деталей паяют і до фользі н до друкованих провідникам,

Транзистор V11 блоку живлення знаходиться на ребристому алюмінієвому радіаторі з розмірами 25×40 і висотою 30 мм. Радіатор встановлений з боку, протилежній стороні установки інших елементів плати.

Мікросхема D1 високочастотного дільника разом з усіма елементами, розташованими між нею і вхідними контактами дільника, прикрита екраном з латуні товщиною 0,1 мм, припаяні безпосередньо до фользі загального проводу.

На третій платі такого ж розміру, що й друга, змонтовані всі елементи перетворювача напруги мережі 220 В в постійне 9 В 0,7 А, що надходить на лінійний стабілізатор і 200 В 10 мА для живлення індикаторів H1-H6.

На передній панелі частотоміра зі сплаву Д16 розмірами 90X 156 і товщиною 2 мм встановлені мережевий вимикач, запобіжник, перемикачі S1, S2, S4, вхідний роз'єм н кнопка S3, Елементи R36 ~ R40, С22 розпаяні безпосередньо на контактах перемикачів. Вікно в панелі закрито зсередини пластиною кольорового прозорого органічного скла товщиною 3 мм. Передня панель, друковані плати, задня панель зі сплаву Д16 розмірами 82x156x2 мм з'єднані між собою латунними шпильками діаметром 5 ім. мають різьбові кінці або отвори М2. Відстань між передньою панеллю та першої платою 33 мм, між першою і другою платою – 15 мм, другий і третьої – 33 ми, третьої платою і задньою панеллю – 5 мм. Отримана "етажерка" покладена на П-образне шасі і прикрита зверху П-образним кожухом. Шасі й верхня сторона кожуха мають отвори для вентиляції. Охолоджуючий повітря входить у зазор висотою в мм між низом задній панелі н поверхнею, на якій стоїть частотомір.

Близьке розташування вхідного роз'єму, перемикача S1 н вхідних контактів високочастотного дільника дозволило обійтися при монтажі частотоміра без кабелів і екранованих провідників. Цьому ж сприяє низький опір н мала індуктивність загального проводу, а також з'єднання передньої панелі з шаром суцільний металізації другий друкованої плати через шпильки. "Земляний" пелюстка вхідного роз'єму з'єднаний з шаром суцільний металізації другий плати (а районі входу високочастотного дільника) відрізкам обплетення екранованого проводу мінімальної довжини. На випадок виникнення високочастотних наведень до монтажу з використанням кабелів на друкованих платах біля входів і виходів формувачів та високочастотного дільника передбачені точки для підключення екранів.

У частотоміри застосовані резистори МТ-0, 125 до МТ-0.25, конденсатори КМ-5а і КМ-6. К52-1 (С28). К53-4 (С8), К53-7 (С1, неполярні), перемикачі ПГ2-4-вП4Н (S1), ПГ2-8-12П4Н (S4), кнопка КМ 1-1 (S3), роз'єм СР-50-73Ф, дросель ДМ-0, 1 (L1).

Комутаційні елементи, конденсатори до резистори можна замінити на деталі інших типів, що забезпечують необхідні параметри, транзистор КТ816А – будь-яким транзистором цієї серії або серії КТ814, інші транзистори – на високочастотні кремнієві відповідного типу провідності (КТ312, КТ306, KT3I6 – V6, V9, КТ326, KT3I07 – V2, V3, V8), Замість діодів К Д 503 А можна встановити КД503Б, КД509А, КД522А, КД512А та інші кремнієві високочастотні діоди.

Мікросхеми К155ІЕ1 можна замінити на К155ІЕ2, всі мікросхеми серії К155 – на аналогічні мікросхеми серії К133, К500 – на К100. При переробці малюнка друкованої плати високочастотного дільника слід зберегти суцільний шар металізації на стороні установки мікросхем і ширину шини живлення не менше 7,5 мм.

Налаштування частотоміра полягає в установці резистором R42 напруги на виході лінійного стабілізатора в межах 5,0 … 5,1 В, добірці резистора R3 для отримання максимальної чутливості формувача на частоті 20 МГц та встановлення номінальної частоти кварцового генератора підбіркою конденсаторів C14 і C15.

При відсутності мікросхем серій К500 або К100 можна зберігати граничну робочу частоту в межах 35 … 40 МГц установкою в частотомір однієї мікросхеми К131ТМ2 (K130TM2) Один з тригерів цієї мікросхеми включається в положенні "ВЧ" перемикача S1 між виходом елемента D1.1 та входом лічильника, другий – між виходом D4 і входом T БО (рис. 7).

У цьому випадку перемикач S1 необхідно замінити на ПГ2-12-6П8Н. Замість мікросхеми К131ТМ2 можна використовувати K131TB1 або К130ТВ1 (D27.1) і KI55TB1 (D27.2). Входи З цих тригерів необхідно з'єднати з виходом D1.2 н з рухомим контактом перемикача S4.1 відповідно. Всі невживані входи тригерів слід поєднати з джерелом + 6 В через резистор R44.

Ще більше збільшення швидкодії (до 70 … 80 МГц) можна отримати, використавши замість D27.1 два послідовно включених тригера серії K530 або К531, а замість D27.2 – два тригера Серім К155. У цьому випадку, можливо, буде потрібно застосування більш високочастотних транзисторів у формувачі: КТЗ63 (V2, V3) і КТ316, КТ325, КТ355 (V6),

Виключити мерехтіння цифр а процесі рахунку можна, запровадивши між лічильником і дешифраторів регістра пам'яті на мікросхемах К155ТМ5 або К155ТМ7. Імпульс перепису на тактові входи мікросхем можна зняти з виходу 6 елемента D2 (рис. 8).

У цьому випадку перемикач S2 доцільно замінити на тумблер, в одному положенні якого ("Авт") вхід Тинди БО підключається до джерела + 5 В через резистор 7,5 кОм, в іншому – до загального проводу ("Ручне пуск "),

м. Москва