Большинство конструкций цифровых частотомеров, описанных в литературе, содержит немало дефицитных компонентов, а в качестве источника стабильной частоты в таких приборах применяется дорогостоящий кварцевый резонатор. В итоге частотомер получается сложным и дорогим.

Предлагаем читателям описание простого частотомера с цифровым отсчетом, источником стабильной (эталонной) частоты в котором служит сеть переменного тока 50 Гц. Прибор найдет применение при различных измерениях в радиолюбительской практике, например в качестве калиброванных шкал в генераторах звуковой частоты, повышающих их достоверность, или вместо громоздких конденсаторных частотомеров. Со светодиодными или магнитными датчиками данный прибор можно применять для контроля числа оборотов электродвигателей и т. д.

ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ЦИФРОВОГО ЧАСТОТОМЕРА:

диапазон измеряемых частот, Гц…….. 10-999.9Х10 3

действующее значение входного напряжения, В…….0,02-5

время измерения, с …. 0,01; 0,1; 1

потребляемая мощность, Вт …. 3

погрешность измерения,счета……..±4Х10 -3 ±1.

Суммарная относительная погрешность измерения частоты определяется соотношением:

б1=±бэт± 1/N,

где бэт - частотная погрешность эталонной частоты;

1/N - погрешность дискретности (не зависит от измеряемой частоты и равна ±1 счета младшего разряда).

Из приведенной формулы видно, что погрешность измерений находится в прямой зависимости от стабильности частоты сети 50 Гц. Согласно ГОСТу нестабильность частоты сети 50 Гц составляет ±0,2 Гц за 10 минут. Следовательно, относительную погрешность частотомера можно считать равной ±4Х10 -3 ±1 счета. При практических измерениях относительная погрешность частотомера составила ±2Х Х10 -3 ±1 счета.

Действие частотомера основано на подсчете количества периодов измеряемого сигнала за эталонные (0,01; 0,1; 1 с) промежутки времени. Результаты измерений отображаются на цифровом табло и автоматически повторяются через определенные промежутки времени.

Частотомер (рис. 1) включает в себя: усилитель-формирователь входного сигнала, временной селектор, декадный счетчик, цифровой индикатор, формирователь сети, формирователь эталонных временных интервалов, устройство управления и сброса, блок питания.

В усилителе-формирователе происходит усиление и преобразование сигнала измеряемой частоты fx в прямоугольные импульсы той же частоты, которые поступают на один из входов временного селектора. На другой его вход подают с устройства управления и сброса прямоугольные импульсы эталонных временных интервалов. В формирователе сети вырабатываются прямоугольные импульсы частотой 100 Гц.

Время измерения, в течение которого открыт селектор, выбирают переключателем SA. В момент прихода эталонного импульса временной селектор открывается и на его выходе появляется пачка прямоугольных импульсов измеряемой частоты fx. Длительность пачки соответствует длительности эталонного импульса, «выбранного переключателем SA. Далее происходит подсчет импульсов в пачке и индикация их на цифровом табло.

По истечении времени индикации импульс сброса (с устройства управления и сброса) воздействует на временной селектор и декадный счетчик- табло очищается, а селектор подготавливается к новому циклу измерений.

Принципиальная схема частотомера - на рисунке 2. Входной сигнал измеряемой частоты усиливается резис-тивным усилителем на транзисторе VT1 и окончательно формируется элементами DD4.1, DD4.2 в последовательность прямоугольных импульсов измеряемой частоты. Входная цепь VT1 имеет защиту по току (R3) и напряжению (VD1). С вывода 6 DD4.2 импульсы прямоугольной формы входного сигнала поступают на один из входов (вывод 9 DD4.3) временного сейектора. На второй вход (вывод 10 DD4.3) подают прямоугольные импульсы эталонных интервалов времени. По окончании действия эталонного импульса временной селектор блокируется, входные импульсы на счетчик не проходят.

Подсчет входных импульсов осуществляется четырехразрядным счетчиком на микросхемах DD6-DD9, а индикаторы HG1-HG4 показывают частоту входного сигнала в цифровой форме.

На диодах VD10-VD13 выполнен выпрямитель сетевого напряжения. Пульсирующее (с частотой 100 Гц) напряжение преобразуется триггером Шмитта (DD1.1, DD1.2) в прямоугольные импульсы частотой 100 Гц, которые затем поступают на двухступенчатый декадный делитель DD2, DD3. Таким образом, на выходах микросхем DD1.2 (вывод 11), DD2 (вывод 5), DD3 (вывод 5) получают импульсы эталонных временных интервалов 0,01, 0,1 и 1 с. Время измерения устанавливают переключателем SA2.

Устройство управления и сброса состоит из D-триггеров DD5.1 и DD5.2 и транзисторов VT2 и VT3. Счет частоты входного сигнала начинается, когда передний фронт эталонного импульса поступает с переключателя SA2.1 на вход D триггера DD5.1, который переключается в «единичное» состояние.

Рис. 1. Блок-схема частотомера:

1 - усилитель-формирователь входного сигнала, 2 - временной селектор, 3 - декадный счетчик, 4 - цифровой индикатор, 5 - формирователь сети, 6 - формирователь эталонных временных интервалов, 7 - устройство управления и сброса, 8 - блок питания.

На вывод 10 DD4.3 временного селектора с триггера DD5.1 (вывод 5) поступает сигнал логической 1 и разрешает проход прямоугольных импульсов входной частоты на вход счетчика DD6 (вывод 4). По истечении выбранного эталонного интервала времени (0,01, 0,1, 1 с) на вход D триггера DD5.1 вновь поступает эталонный импульс, триггер возвращается в исходное состояние, блокируя временной селектор и переключая в «единичное» состояние триггер DD5.2. Начинается процесс индикации частоты входного сигнала на цифровом табло.

На выводе 9 DD5.2 появляется сигнал логической 1, и через резистор R11 начинается процесс заряда конденсатора С5. Как только напряжение на базе транзистора VT2 достигнет напряжения примерно 1,2 В, транзистор откроется и на его коллекторе появится короткий отрицательный импульс, который через МС DD1.3, DD1.4 переключит триггер DD5.2 в исходное состояние. Конденсатор С5 через диод VD2 и микросхему DD5.2 быстро разрядится почти до нуля.

Рис. 2. Принципиальная схема прибора:

DD 1, DD 4 К155ЛАЗ; DD 3 К155ИЕ1; DD 5 К.155ТМ2; DD 6- DD 9 К176ИЕ4; VD 6- VD 9 Д226А, VD 10- VD 13 Д9Б, HG 1- HG 4 ИВ ЗА.

Рис. 3. Внешний вид частотомера.

Р ис. 5. Схема расположения элементов в корпусе частотомера:

1 - сетевой индикатор, 2 - тумблер включения сети, 3 - силовой трансформатор, 4 - держатель предохранителя, 5 - печатная плата, 6 - светофильтр, 7 - переключатель временных интервалов.

Отрицательный импульс сброса на коллекторе VT2 инвертируется транзистором VT3, воздействуя на входы R микросхем DD6-DD9 и сбрасывая показания - индикация результатов измерения прекращается. По приходу фронта следующего эталонного импульса процесс повторяется.

В частотомере применены резисторы МЛТ-0,25, конденсаторы К50-6 и КЛС. Указанные в схеме транзисторы КТ315 и КТ361 (с любым буквенным индексом) заменяются любыми кремниевыми высокочастотными транзисторами соответствующей структуры. Вместо диодов КД522Б можно использовать любые из серии КД521, КД520. Диод ГД511Б можно заменить на Д9.

Микросхемы серии К155 могут быть заменены на аналогичные серии К133. Индикаторы ИВ-ЗА заменяются на ИВ-3. Трансформатор блока питания имеет мощность 5-7 Вт. Напряжение на обмотках: II - 0,85 В (ток 200 мА), III - 10 В (ток 200 мА), IV - 10 В (ток 15 мА). Диодные мосты VD6- VD9 и VD10-VD13 можно запитать от одной 10 В обмотки (ток не менее 220 мА). Транзистор VT4 имеет радиатор 20X30X1 мм, выполненный из двух алюминиевых пластин, которые при помощи винта МЗ и гайки прикреплены к транзистору с двух сторон.

Рис. 4. Печатная плата со схемой расположения элементов.

Частотомер изготовляется с целью замены калиброванной шкалы в генераторе низкой частоты (ГНЧ). Из генератора удален оцифрованный барабан. В окне табло, закрытом прозрачным оргстеклом с зеленым светофильтром, размещены цифровые индикаторы (рис. 3).

Частотомер может быть использован и по своему прямому назначению. Для этого введен переключатель SA1, расположенный на передней панели генератора.

Печатная плата частотомера изготовлена из фольгированного гетинакса толщиной 1,5-2 мм (рис. 4). Соединение индикаторов HG1-HG4 с интегральными микросхемами DD6-DD9 производится со стороны печатных проводников.

Все соединения желательно выполнить одножильным изолированным проводом (например, 0 0,3 мм из телефонного кабеля). Цепи переменного тока - многожильным проводом 0 0,7-1,5 мм.

Рис. 6. Конструкция корпуса: нижняя (1) и верхняя (2) П-образные панели. Отверстия под органы управления сверлятся по месту.

Необходимо обратить внимание на правильную установку цифровых индикаторов HG1 - HG4. Они должны быть размещены в одной плоскости и на одном уровне и отстоять от передней кромки печатной платы на расстоянии 2-3 мм. Резистор R18 и све-тодиод VD6 расположены на передней панели прибора. Вариант расположения узлов в частотомере (без ГНЧ) показан на рисунке 5.

Рис. 7. Схема подсоединения переключателя для измерения периода сигналов.

Корпус прибора с указанием необходимых размеров - на рисунке 6. Он изготовлен из дюралюминия Д16АМ толщиной 1,5 мм. Верхняя и нижняя П-образные половины корпуса соединяются с помощью дюралюминиевых уголков 12Х 12 мм, наклепанных на нижнюю половину корпуса, в которых просверлены отверстия и нарезана резьба МЗ.

Печатная плата крепится к днищу частотомера при помощи винтов МЗ и пластмассовых втулок высотой 10 мм.

У микросхем DD2 и DD3 перед установкой на печатную плату третью и двенадцатую ножки необходимо укоротить до утолщения.

Налаживание прибора начинают с проверки монтажа, далее измеряют напряжения блока питания, которые должны соответствовать указанным на принципиальной схеме.

На цифровом табло высветятся нули. Это говорит о работоспособности частотомера. Переключают SA2 в крайнее правое (по схеме) положение, а на вход частотомера (при помощи перемычки) подают с вывода 11 DD1.2 прямоугольные импульсы частотой 100 Гц. На табло высвечивается число 0.100. В случае другой комбинации цифр, подбирая R2, добиваются правильной работы формирователя сети.

Завершающую настройку изготовленного частотомера производят при помощи генератора, осциллографа и промышленного частотомера, например Г4-18А, С1-65 (Н-313), 43-30.

На вход частотомера (R3) подают сигнал частотой 1 МГц и напряжением 0,02 В. Подбирая резистор R5, добиваются максимального усиления транзистора VT1. Изменяя частоту и амплитуду входного сигнала, контролируют работу частотомера в соответствии с техническими характеристиками, сличая показания с приборами заводского изготовления.

Если необходимо измерять низкие частоты с большой точностью, следует увеличить вр.емя счета. Для этого формирователь эталонных временных интервалов необходимо дополнить еще одним декадным делителем (включив его так же, как DD2 и DD3), увеличив время счета до 10 с.

Можно также измерять не частоту входного, сигнала, а его период. Для. этого следует ввести в частотомер дополнительный переключатель, схема которого показана на рисунке 7.

В. РАСТВОРОВ,

г. Таганрог, Ростовская обл.

«Моделист-Конструктор» 10 1990

OCR Pirat

Построенный . Он позволяет измерять частоты до 10 МГц в четырех автоматически переключаемых диапазонах. Наименьший диапазон имеет разрешение 1 Гц.

Технические характеристики частотомера

• Диапазон 1: 9,999 кГц, разрешение 1 Гц.
• Диапазон 2: 99,99 кГц, разрешение до 10 Гц.
• Диапазон 3: 999.9 кГц, разрешение до 100 Гц.
• Диапазон 4: 9999 кГц, разрешение до 1 кГц.

Описание частотомера на микроконтроллере

Микроконтроллер Attiny2313 работает от внешнего кварцевого генератора с тактовой частотой 20 МГц (это максимально допустимая частота). Точность измерения частотомера определяется точностью данного кварца. Минимальная длина полупериода измеряемого сигнала должна быть больше, чем период кварцевого генератора (это связано с ограничениями архитектуры микроконтроллера ATtiny2313). Следовательно, 50 процентов от тактовой частоты генератора составляет 10 МГц (это максимальное значение измеряемой частоты).

Установка фьюзов (в PonyProg):

На базе только одной микросхемы К155ЛАЗ, используя все ее логические элементы 2И-НЕ, можно построить сравнительно простой прибор, способный измерять частоту переменного напряжения примерно от 20 Гц до 20 кГц. Входным элементом такого измерительного прибора колебаний звуковой частоты служит триггер Шмитта - устройство, преобразующее подаваемое на его вход переменное напряжение синусоидальной формы в электрические импульсы такой же частоты. Без такого преобразования аналогового сигнала логические элементы работать не будут, причем триггер Шмитта "срабатывает" при определенной амплитуде входного сигнала. Если она меньше порогового значения, импульсного сигнала на выходе триггера не будет.

Начнем с опыта.

Триггер Шмитта. Пользуясь схемой, показанной на рис. 23, а, смонтируйте на макетной панели микросхему К155ЛАЗ, включив в работу только два ее логических элемента. Здесь же, на панели, разместите батареи GB1 и GB2, составленные из четырех гальванических элементов 332 или 316, и переменный резистор R1 сопротивлением 1,5 или 2,2 кОм (желательно с функциональной характеристикой А - линейной). Выводы батарей подключайте к резистору только на время опытов.

Включите питание микросхемы и по вольтметру постоянного тока установите движок переменного резистора в такое положение, при котором на левом, по схеме, выводе резистора R2, являющемся входом триггера Шмитта, будет нулевое напряжение. При этом элемент DD1.1 окажется в единичном состоянии - на его выходном выводе 3 будет напряжение высокого уровня, а элемент DD1.2 - в нулевом. Таково исходное состояние элементов этого триггера.

Рис. 23. Опытный триггер Шмитта и графики, иллюстрирующие его работу

Теперь вольтметр постоянного тока подключите к выходу элемента DD1.2 и, внимательно наблюдая за его стрелкой, начинайте плавно перемещать движок переменного резистора в сторону верхнего, по схеме, вывода, а затем, не останавливаясь, в обратную сторону - до нижнего вывода, далее - до верхнего и т. д. Что при этом фиксирует вольтметр? Периодическое переключение элемента DD1.2 из нулевого состояния в единичное, т. е., иначе говоря, появление на выходе триггера импульсов положительной полярности.

Взгляните на графики б и в на том же рис. 23, которые иллюстрируют работу триггера. Перемещением движка переменного резистора из одного крайнего положения в другое вы имитировали подачу на вход опытного устройства переменного напряжения синусоидальной формы (рис. 23.б) амплитудой до 3 В. Пока напряжение положительной полуволны этого сигнала было меньше порогового (U пор.1), устройство сохраняло исходное состояние. При достижении же порогового напряжения, равного примерно 1,7 В (в момент t 1), оба элемента переключились в противоположные состояния и на выходе триггера (вывод 6 элемента DD1.2) появилось напряжение высокого уровня. Дальнейшее повышение положительного напряжения на входе не изменило этого состояния элементов триггера. А вот при перемещении движка в обратную сторону, когда напряжение на входе триггера снизилось примерно до 0,5 В (момент t 2), оба элемента переключились в первоначальное состояние. На выходе триггера вновь появился высокий уровень напряжения.

Отрицательная полуволна не изменила этого состояния элементов, образующих триггер Шмитта, поскольку оказалась замкнутой на общий проводник источника питания через внутренние диоды входной цепи элемента DD1.1.

При следующей положительной полуволне входного переменного напряжения на выходе триггера сформируется второй импульс положительной полярности (моменты t 3 и t 4). Повторите этот опыт несколько раз и по показаниям вольтметров, подключенных ко входу и выходу триггера, постройте графики, характеризующие его работу. Они должны получиться такими же, как и те, что на графиках рис. 23. Два разных по уровню порога срабатывания элементов - наиболее характерная особенность триггера Шмитта.

Принципиальная схема предлагаемого для повторения частотомера приведена на рис. 24. Логические, элементы DD1.1, DD1.2 и резисторы R1-R3 образуют триггер Шмитта, а два других элемента той же микросхемы - формирователь его выходных импульсов, от частоты следования которых зависят показания микроамперметра РА1. Без формирователя прибор не даст достоверных результатов измерения, потому что длительность импульсов на выходе триггера зависит от частоты входного измеряемого переменного напряжения.

Конденсатор С1 - разделительный. Пропуская широкую полосу колебаний звуковой частоты, он преграждает путь постоянной составляющей источника сигнала. Диод VD2 замыкает на общий провод цепи питания отрицательные полуволны напряжения (в принципе этого диода может и не быть, поскольку его функцию способны выполнять внутренние диоды на входе элемента DD1.1), диод VD1 ограничивает амплитуду положительных полуволн, поступивших на входы первого элемента, на уровне напряжения источника питания.

Рис. 24. Принципиальная схема простейшего частотомера

С выхода триггера (вывод 6 элемента DD1.2) импульсы положительной полярности поступают на вход формирователя. Работает формирователь так. Элемент DD1.3 включен инвертором, а DD1.4 используется по своему прямому назначению-как логический элемент 2И-НЕ. Как только на входе формирователя (выводы 9, 10 элемента DD1.3) появляется напряжение низкого уровня, элемент DD1.3 переключается в единичное состояние и через него и резистор R4 заряжается один из конденсаторов С2-С4. По мере зарядки конденсатора положительное напряжение на выводе 13 элемента DD1.4 повышается до высокого уровня. Но этот элемент остается в единичном состоянии, так как на втором его входном выводе 12, как и на выходе триггера Шмитта, низкий уровень напряжения. В таком режиме через микроамперметр протекает незначительный ток. Как только на выходе триггера Шмитта появляется напряжение высокого уровня, элемент DD1.4 переключается в нулевое состояние и через микроампер-метр начинает протекать значительный ток. Одновременно элемент DD1.3 переключается в нулевое состояние, и конденсатор формирователя начинает разряжаться. Когда напряжение на нем снизится до порогового, элемент DD1.4 вновь переключится в единичное состояние. Таким образом, на выходе формирователя появляется импульс отрицательной полярности (см. рис. 23,г), в течение которого через микроамперметр протекает ток, значительно больший, чем начальный. Угол отклонения стрелки, микроамперметра пропорционален частоте следования импульсов: чем она больше, тем на больший угол отклоняется стрелка.

Длительность импульсов на выходе формирователя определяется продолжительностью разрядки включенного времязадающего конденсатора (С2, СЗ или С4) до напряжения срабатывания элемента DD1.4. Чем меньше его емкость, тем короче импульс, тем большую частоту входного сигнала можно измерить. Так, с времязадающнм конденсатором С2 емкостью 0,2 мкФ прибор способен измерять частоту колебаний ориентировочно от 20 до 200 Гц, с конденсатором СЗ емкостью 0,02 мкФ - от 200 до 2000 Гц, с конденсатором С4 емкостью 2000 пФ - от 2 до 20 кГц. Подстроечными резисторами R5 - R7 стрелку микроамперметра устанавливают на конечную отметку шкалы, соответствующую наибольшей измеряемой частоте соответствующего поддиапазона. Минимальный уровень переменного напряжения, частоту которого можно измерить, около 1,5В.

Еще раз проанализируйте графики на рис. 23, чтобы закрепить в памяти принцип работы частотомера, а затем дополните опытный триггер Шмитта деталями входной цепи и формирователя и испытайте устройство в действии на макетной панели. На это время переключатель поддиапазонов не нужен, времязадающий конденсатор, например С2, можно подключить непосредственно к выводу 13 элемента DD1.4, а в цепь микроамперметра включить один из подстроечных резисторов или постоянный резистор сопротивлением 2,2...3,3 кОм. Микроамперметр РА1 на ток полного отклонения стрелки 100 мкА такой же, как в сетевом блоке питания.

Налаживание. Закончив монтаж, включите источник питания и подайте на входные выводы 1, 2 первого элемента триггера Шмитта импульсы положительной полярности. Их источником может быть описанный выше генератор испытательных импульсов или другой аналогичный генератор. Частоту следования импульсов установите минимальную. При этом стрелка микроамперметра должна резко отклоняться на некоторый угол и возвращаться к нулевой отметке шкалы, что будет свидетельствовать о работоспособности частотомера. Если же микроамперметр не реагирует на входные импульсы, придется подобрать точнее резистор R2: его сопротивление может быть от 1,8 до 5,1 кОм.

Далее подайте на вход прибора (через конденсатор С1) переменное напряжение 3...5 В с понижающего сетевого трансформатора. Теперь стрелка микроамперметра должна отклониться на некоторый угол, соответствующий частоте 50 Гц. Подключите параллельно времязадающему конденсатору еще один такой же или большей емкости. Угол отклонения стрелки увеличится.

Точно так же можно испытать устройство на втором и третьем поддиапазонах измерения, но при входных сигналах соответствующих частот.

После этого детали частотомера можно перенести с макетной панели на монтажную плату и укрепить на ней подстроечные резисторы R5-R7 (рис. 25), а плату укрепить в корпусе, конструкция которого может быть произвольная. Конденсаторы С2 и СЗ составлены из двух конденсаторов каждый, а С4 из трех. На лицевой стенке корпуса разместите микроамперметр, переключатель поддиапазонов (например, галетный ЗПЗН или другой с двумя секциями на три положения), входные гнезда (XS1, XS2) или зажимы.

Впрочем, возможно и другое конструктивное решение: плату частотомера можно встроить в корпус блока питания и его же микроамперметр использовать при измерении частоты электрических колебаний. Шкала частотомера - общая для всех поддиапазонов измерения и практически равномерная. Поэтому надо только определить начальную и конечную границы шкалы, применительно к одному из них - к поддиапазону "20...200 Гц", после чего подогнать под нее границы частот двух других поддиапазонов измерения. В дальнейшем, при переключении прибора на поддиапазон "200...2000 Гц" результат измерений, считанный по шкале, будете умножать на 10, а при измерении в поддиапазоне "2...20 кГц" - на 100. Техника градуировки такова. Переключатель SA1 установите в положение измерения в поддиапазоне "20...200 Гц", движок подстроечного резистора R5 - в положение наибольшего сопротивления и подайте на вход частотомера от звукового генератора, например ГЗ-33, сигнал частотой 20 Гц напряжением 1,5...2 В.

Сделайте на шкале отметку, соответствующую углу отклонения стрелки микроамперметра. Затем звуковой генератор перестройте на частоту 200 Гц и подстроечным резистором R5 установите стрелку прибора на конечную отметку шкалы. После этого по сигналам звукового генератора сделайте на шкале отметки, соответствующие частотам 30, 40, 50 и т. д. до 190 Гц. Позже эти участки шкалы разделите еще на несколько частей, каждая из которых будет соответствовать численному значению частоты измеряемого сигнала.

Затем частотомер переключите на второй поддиапазон измерений, подайте на его вход сигнал частотой 2000 Гц и подстроечным резистором R6 установите стрелку микроамперметра на конечную отметку шкалы. После этого на вход прибора подайте от генератора сигнал частотой 200 Гц. При этом стрелка микроамперметра должна установиться против начальной отметки шкалы, соответствующей частоте 20 Гц первого поддиапазона. Точнее установить ее на эту исходную отметку шкалы можно заменой конденсатора СЗ или подключением параллельно ему второго конденсатора, несколько увеличивающего их общую емкость.

Аналогично подгоняйте под шкалу микроамперметра границы третьего поддиапазона измеряемых частот 2...20 кГц. Возможно, пределы измерения частоты на поддиапазонах получатся иные, или вы захотите изменить их. Делайте это подбором времязадающих конденсаторов С2-С4.

Улучшение чувствительности. А может быть вы пожелаете повысить чувствительность частотомера? В таком случае простейший частотомер придется дополнить усилителем входного сигнала, используя для этого, например, аналоговую микросхему К118УП1Г (рис.26). Эта микросхема представляет собой трехкаскадный усилитель для видеоканалов телевизионных приемников, обладающий большим коэффициентом усиления. Ее корпус с 14 выводами такой же, как у микросхемы К155ЛA3, но положительное напряжение источника питания подают на вывод 7, а отрицательное - на вывод 14. С таким усилителем чувствительность частотомера увеличится до 30...50 мВ.

Рис. 26. Усилитель, повышающий чувствительность простейшего частотомера

Колебания измеряемой частоты могут быть синусоидальными, прямоугольными, пилообразными - любыми. Через конденсатор С1 они поступают на вход (вывод 3) микросхемы DA1, усиливаются и далее через выходной вывод 10 (соединенный с выводом 9) и конденсатор СЗ подаются на вход триггера Шмитта частотомера. Конденсатор С2 устраняет внутреннюю отрицательную обратную связь, ослабляющую усилительные свойства микросхемы.

Диоды VD1, VD2 и резистор R1 (рис. 24) теперь можно удалить, а на их месте смонтировать, микросхему и дополнительные электролитические конденсаторы. Микросхему К118УП1Г можно заменить на К118УП1В или К118УП1А. Но в этом случае чувствительность частотомера несколько ухудшится.

Первой конструкцией на цифровых ИС, которую изготовляли радиолюбители в 80-90 годах, как правило, были электронные часы или частотомер.
Такой частотомер и сегодня можно применять при градировке приборов, или использовать в качестве отсчетного устройства в генераторах и любительских передатчиках, при налаживании различных радиоэлектронных устройств. Прибор может заинтересовать тех, у кого без дела лежат микросхемы серии К155, либо начинающих знакомиться с устройствами автоматики и вычислительной техники.

Описываемый прибор позволяет измерять частоту электрических колебаний, период и длительность импульсов, а также может работать как счетчик импульсов. Рабочая частота от единиц Герц до нескольких десятков МГц при входном напряжении до 50 мВ. Предельная частота работы счетчиков на интегральных микросхемах К155ИЕ2 - около 15 МГц. Однако следует иметь в виду, что фактическое быстродействие триггеров и счетчиков превышает указанное значение 1,5... 2 раза, поэтому отдельные экземпляры TTL микросхем допускают работу на более высоких частотах.

Минимальная цена младшего разряда составляет 0,1 Гц при измерении частоты и 0,1 мкс при измерении периода и длительности.
Принцип действия частотомера основан на измерении числа импульсов, поступающих на вход счетчика в течение строго определенного времени.

Принципиальная схема показана на рис.1

Исследуемый сигнал через разъем X1 и конденсатор С1 поступает на вход формирователя прямоугольных импульсов.

Широкополосный усилитель-ограничитель собран на транзисторах V1, V2 и V3. Полевой транзистор V1 обеспечивает прибору высокое входное сопротивление. Диоды V1 и V2 предохраняют транзистор V1 от повреждения при случайном попадании на вход прибора высокого напряжения. Цепочкой C2-R2 осуществляют частотную коррекцию входа усилителя.

Транзистор V4, включенный как эмитерный повторитель, согласует выход усилителя-ограничителя с входом логического элемента D6,1 микросхемы D6, обеспечивающей дальнейшее формирование прямоугольных импульсов, которые через электронный ключ поступают на устройство управления на микросхеме D9, сюда же поступают и импульсы образцовой частоты, открывающие ключ на определенное время. На выходе этого ключа появляется пачка импульсов. Число импульсов в пачке подсчитывает двоично-десятичный счетчик, его состояние после закрывания ключа отображает блок цифровой индикации.

В режиме счета импульсов управляющее устройство блокирует источник образцовой частоты, двоично-десятичный счетчик ведет непрерывный счет поступающих на его вход импульсов, а блок цифровой индикации отображает результаты счета. Показания счетчика сбрасываются нажатием кнопки «Сброс».

Задающий тактовый генератор собран на микросхеме D1 (ЛА3) и кварцевом резонаторе Z1 на частоту 1024 кГц. Делитель частоты собран на микросхемах К155ИЕ8; К155ИЕ5 и четырех К155ИЕ1. В режиме измерения точность установки «МГц», «кГц» и «Гц» задается кнопочными переключателямиSA4 и SA5.

Блок питания частотомера (рис.3) состоит из трансформатора Т1, с обмотки II которого после выпрямителя VDS1, стабилизатора напряжения на микросхеме DА1 и фильтра на конденсаторах С4 – С11, напряжение +5V подается для питания микросхем.

Напряжение 170V с обмотки III трансформатора Тр1 через диод VD5 используется для питания газоразрядных цифровых индикаторов Н1..H6.

В формирователе импульсов полевой транзистор КП303Д (V3) можно заменить на КП303 или КП307 с любым буквенным индексом, транзистор КТ347 (V5) -на КТ326, а КТ368 (V6, V7) - на КТ306.

Дроссель L1 типа Д-0,1 или самодельный - 45 витков провода ПЭВ-2 0,17, намотанных на каркасе диаметром 8 мм. Все переключатели типа П2К.

Налаживание прибора сводится к проверке правильности монтажа и измерении питающих напряжений. Правильно собранный частотомер уверенно выполняет свои функции, «капризным» узлом является лишь входной формирователь, настройке которого надо уделить максимум старания. Заменив R3 и R4 переменными резисторами 2,2 кОм и 100 Ом, надо на резисторе R5 установить напряжение примерно 0,1...0,2V. Подав от генератора сигналов на вход формирователя синусоидальное напряжение амплитудой около 0,5V, и заменив резистор R6 переменным резистором с номиналом 2,2 кОм, надо его подстроить так, чтобы на выходе элемента D6.1 появились прямоугольные импульсы. Постепенно понижая входной уровень и повышая частоту, надо подбором элементов R6 и СЗ добиться устойчивой работы формирователя во всем рабочем диапазоне. Возможно, при этом придется подобрать сопротивление резистора R9. В процессе налаживания все переменные резисторы должны иметь выводы длиной не более 1...2 см.

Когда налаживание будет завершено, следует их выпаивать по одному и заменять постоянными резисторами подходящего номинала, каждый раз проверяя работу формирователя.

В конструкции вместо индикаторов ИН-17 можно применить газоразрядные индикаторы ИН-8-2, ИН-12 и т. п.

В формирователе импульсов транзисторы КТ368 можно заменить на КТ316 или ГТ311, вместо КТ347 можно использовать КТ363, ГТ313 или ГТ328. Диоды V1, V2 и V4 можно заменить на КД521, КД522.

Схема и плата в формате sPlan7 и Sprint Layout - schema.zip *

* Данная схема была собрана мной в далеком 1988 году в одном корпусе со звуковым генератором и использовалась как цифровая шкала.

Как самостоятельный прибор оформлен недавно, поэтому возможно, где-то в схему и рисунок печатной платы могла закрасться ошибка..

Список Литературы:

В помощь радиолюбителю №084, 1983 г.

Цифровые Устройства на Интегральных Микросхемах - © Издательство «Радио и связь», 1984.

Журнал «Радио»: 1977, № 5, № 9, № 10; 1978, № 5; 1980, № 1; 1981, № 10; 1982, № 1, № 11; № 12.

Радиолюбительские цифровые устройства. - М.: Радио и связь, 1982.

Поводом повторения данного частотомера и приставки для определения параметров неизвестных контуров послужила конструкция приемника Р-45. В дальнейшем этот "мини комплекс" облегчит намотку и настройку ВЧ контуров, контроль опорных точек генераторов и так далее. Итак, представленный в данной статье частотомер позволяет измерять частоту от 10 Гц до 60 МГц с точностью 10 Гц. Это позволяет использовать данный прибор для самого широкого применения, например измерять частоту задающего генератора, радио приёмника и передатчика, функционального генератора, кварцевого резонатора. Частотомер обеспечивает хорошие параметры и обладает хорошей входной чувствительностью, благодаря наличию усилителя и TTL-преобразователя. Это позволяет измерять частоту кварцевых резонаторов. Если использовать дополнительный делитель частоты, максимальная частота измерения может достигать 1 ГГц и выше.

Схема частотомера довольно простая, большинство функций выполняет микроконтроллер. Единственное, для микроконтроллера необходим усилительный каскад, чтобы увеличить входное напряжения с 200-300 мВ до 3 В. Транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, обеспечивает псевдо-TTL сигнал, поступающий на вход микроконтроллера. В качестве транзистора необходим какой-нибудь "быстрый" транзистор, я применил BFR91 - отечественный аналог КТ3198В.

Напряжение Vкэ устанавливается на уровне 1.8-2.2 вольта резистором R3* на схеме. У меня это 22 кОм, однако может потребоваться корректировка. Напряжение с коллектора транзистора прикладывается к входу счетчика/таймера микроконтроллера PIC, через последовательное сопротивление 470 Ом. Для выключения измерения, в PIC задействываются встроенные pull-down резисторы. В PIC реализован 32-битный счетчик, частично аппаратно, частично софтово. Подсчет начинается после того, как выключаются встроенные pull-down резисторы микроконтроллера, продолжительность составляет точно 0.4 секунды. По истечении этого времени, PIC делит полученное число на 4, после чего прибавляет или отнимает соответствующую промежуточную частоту, для получения реальной частоты. Полученная частота конвертируется для отображения на дисплее.

Для того, чтобы частотомер работал правильно, его необходимо откалибровать. Проще всего это сделать так: подключить источник импульсов с заранее точно известной частотой и вращая подстроечный конденсатор выставить необходимые показания. Если данный метод не подходит, то можно воспользоваться "грубой калибровкой". Для этого, выключите питание прибора, а 10 ножку микроконтроллера подсоедините на GND. Затем, включите питание. МК будет измерять и отображать внутреннюю частоту.

Если вы не можете подстроить отображаемую частоту (путем подстройки конденсатора 33 пФ), то кратковременно подсоедините вывод 12 или 13 МК к GND. Возможно, что это нужно будет сделать несколько раз, так как программа проверяет эти выводы только один раз за каждое измерение (0.4 сек). После калибровки, отключите 10 ногу микроконтроллера от GND, не выключая при этом питания прибора, чтобы сохранить данные в энергонезависимой памяти МК.

Печатную плату рисовал под свой корпус. Вот что получилось, при подаче питания выскакивает кратковременно заставка и частотомер переходит в режим измерения, тут на входе нет ни чего:

Схема приставки контур

Автор статьи схему доработал относительно первоисточника, посему оригинал не прилагаю, плата и файл прошивки в общем архиве . Теперь возьмем неизвестный нам контур - приставка для измерения резонансной частоты контура.

Вставляем в не совсем пока удобную панельку, для проверки девайса сойдет, смотрим результат измерений:

Частотомер калибровался и тестировался на кварцевом генераторе 4 МГц, результат был зафиксирован такой: 4,00052 МГц. В корпусе частотомера решил вывести питание и на приставку +9 Вольт, для этого был сделан простой стабилизатор +5 В, +9 В, его плата на фото:

Забыл добавить, плата частотомера разведена немного к верху задом - для удобства съёма pic микроконтроллера, вращении подстроечного конденсатора, минимальной длины дорожек на LCD.

Теперь частотомер выглядит вот так:

Единственное, не стал исправлять пока ошибку в надписи мгГц, а так всё на 100% рабочее. Сборка и испытание схемы - ГУБЕРНАТОР .

Обсудить статью КАК СДЕЛАТЬ ИЗМЕРИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ