Как улучшить технические характеристики частотомера по схеме А. Денисова. Схемы. Платы. Входной делитель частоты Технические данные и область применения

Цифровые микросхемы и их применение

Представленный делитель является приставкой к цифровому измерителю частоты. Благодаря его использованию возможно измерение частоты до 1,2 ГГц измерителем частоты с максимальным диапазоном измерений 10 МГц. Во входном каскаде делителя работает монолитный цифровой делитель ECL, который входную частоту делит в соотношении 1: 64.

Вход микросхемы предохранен от повреждения сигналами со слишком большой амплитудой диодами Шотки. Устройство хорошо работает при частотах от 30 МГц до 1,2 ГГц. Чувствительность делителя равна ~20 мВ при входном сопротивлении 50 Ом.

Схема приставки- делителя частоты

Входная частота, деленная на 64, поступает на следующие делители с соотношением 5/4. Транзистор Т1 доводит уровень ECL к стандарту TTL. Роль делителей 5/4 выполняет микросхема 74LS390, имеющая в своей структуре 2 бинарных десятичных счетчика.

Каждый из них имеет делитель на 2 и на 5. Разделение 5/4 состоит в том, что из каждых пяти входных импульсов пропускаются только 4. Если на вход делителя поступает 1600 импульсов, то после деления на 64 их будет 25. После прохождения через первый делитель их будет 20, а после прохождения через второй - 16. Таким образом реализуется деление на 100.

Следует помнить об умножении показаний измерителя частоты, работающего с делителем на 100.

Устройство можно встроить в имеющийся измеритель частоты или использовать в качестве щупа. Выводы элементов, использованных для делителя, должны быть как можно короче. Интегральные микросхемы следует впаять непосредственно в плату. После монтажа всю приставку следует заэкранировать.

Делитель требует напряжения питания 5 В. Прототипная схема потребляла ~70 мА.

Перечень элементов

Внимание! После монтажа схемы следует соединить между собой выводы интегральной микросхемы US3 (74LS132).

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.

При использовании программного частотомера и осциллографа измерение частот сигналов ограничено, как правило, границами частотного диапазона звуковой карты компьютера. Чтобы иметь возможность измерить частоты выше 20 кГц, а также посмотреть их форму и спектр на осциллографе, можно применить простейший делитель частоты. Проще всего его можно реализовать с помощью цифровых микросхем – десятичных счетчиков. Каждый такой счетчик выдает на соответствующем выходе сигнал, меньший входного по частоте в 10 раз. На рис.1 представлена схема такого делителя частоты. При использовании двух микросхем-счетчиков входной сигнал можно разделить на 10 два раза, то есть получить на выходе сигнал, частота которого будет меньше входного в 10 и 100 раз. Коммутация кратности деления частоты производится при помощи простого переключателя S1 на два положения.

В качестве счетчиков можно применить любые МС (десятичные счетчики), желательно КМОП-технологии, так как такие микросхемы некритичны к питающему напряжению и хорошо работают с разными уровнями сигналов, как цифровых, так и аналоговых. В приведенной схеме применены микросхемы К164ИЕ2, можно использовать и другие, функционально аналогичные, например К561ИЕ4, К 176ИЕ4……… Неиспользуемые входные и управляющие выводы микросхем следует соединить с общим проводом, как показано на схеме (выводы 1,4,5,6,7,9), чтобы исключить возможность появления на них наведенного напряжения помех.

Конструкция делителя показана на фото ниже (прошу извинить за низкое разрешение картинки, в данный момент нет лучшего фото!). Схема собрана на печатной плате, на которой протравлены только контактные площадки под ножки микросхем. Все соединения сделаны одножильным проводом в изоляции, поскольку схема простая и соединений минимум.

Щуп делителя сделан из отрезка провода в экране. В качестве наконечника щупа можно использовать, например, тонкий гвоздь длиной 4 – 5 см. Провод паяется к гвоздю любым обычным припоем на таблетке аспирина (простого «советского»). Аспирин хорошо заменяет паяльную кислоту при пайке железа. Затем провод с наконечником-гвоздем можно вставить, например, в корпус пустой шариковой ручки.

Экран входного провода нужно соединить с общим проводником делителя (минус питания). Питание на делитель можно подавать с устройства, частоту которого мы измеряем. Для этого концы проводов питания можно снабдить небольшими зажимами типа «крокодил». Выходной шнур с разъемом для входа звуковой карты компьютера также экранированный. Схема распайки разъема показана на рисунке.

Если брать питание с измеряемой схемы, то соединение с общим проводом обеспечится через минусовой питающий провод. Если же питание делителя отдельное, например от батареи типа «Крона», то следует соединить общий провод делителя с общим проводом измеряемой схемы отдельным проводником.

Для лучшего согласования входа делителя с измеряемой схемой и для уменьшения взаимного влияния можно на входе данного делителя добавить какой-либо простой согласующий каскад с как можно более высоким входным сопротивлением. Например такой:

Подстроечным резистором VR1 выставляют режим работы транзистора, чтобы не было ограничения («срезки») входного сигнала по амплитуде снизу и сверху (можно контролировать форму сигнала с помощью программного осциллографа на выходе делителя частоты). Транзистор – любой маломощный, например КТ315, КТ342, КТ3102….

Для наглядной демонстрации работы делителя ниже приводится скриншот, где измеряется ВЧ сигнал с частотой порядка 900 кГц (переключатель S1 в положении «1/100»). Показания частотомера в этом случае, естественно, нужно умножить на 100 .

Применение микросхемы U664BS высокочастотного цифрового делителя частоты способствовало упрощению конструкции устройства, которое автор использовал для расширения диапазона измерений относительно низкочастотного частотомера. Делитель можно конструктивно оформить как переходник между входным гнездом и кабелем к источнику сигнала либо встроить в имеющийся любительский частотомер с дополнительным высокочастотным входом.

В радиолюбительской литературе уже были опубликованы схемы делителей частоты (например ), предназначенных для использования с низкочастотным частотомером. Делитель, описанный в , при относительной простоте позволяет увеличить верхнюю частотную границу прибора всего лишь в 10 раз. Делитель частоты из имеет коэффициент деления 100, но, на мой взгляд, его устройство неоправданно усложнено как по номенклатуре примененных деталей, так и по технической реализации.
Между тем, используя современную элементную базу, можно значительно упростить схему делителя частоты без необходимости программирования в случае применения микроконтроллера . Описываемый делитель имеет коэффициент деления, равный 100, и диапазон устойчивой работы 25 МГц... 1 ГГц {верхняя граница соответствует паспортному значению частоты входного делители). Чувствительность делителя составляет 20 мВ при входном сопротивлении 50 Ом.

Схема делителя приведена на рис. 1 . Микросхема U664BS (TELEFUNKEN) представляет собой монолитный цифровой делитель частоты в отношении 1:64. Эта микросхема выполнена по технологии ЭСЛ (змиттерно-связанной логики), ее транзисторы имеют граничную частоту frp = 4,5 ГГц. Диоды с барьером Шотки (VD1, VD2) служат для защиты входа микросхемы DD1 от сигналов большой амплитуды.
Как известно, логические уровни ЭСЛ в стандартном включении находятся в области напряжения отрицательной полярности и поэтому они непосредственно не совместимы с логическими уровнями микросхем ТТЛ и КМОП. Для преобразования уровней ЭСЛ в уровни ТТЛ при питании микросхемы ЭСЛ от напряжения плюсовой полярности служит согласующий каскад на транзисторе VT1.

Входной сигнал с частотой, поделенной на 64, поступает на следующие два делителя, выполненных на микросхемах DD2 (К555ИЕ20) и DD3 (К155ТЛЗ). Микросхема К555ИЕ20 содержит два четырехразрядных двоично-десятичных счетчика каждый из них имеет триггер со входом С1, выходом 1 и делитель частоты на 5 со входом С2 и выходами 2, 4, 8. В этом устройстве счетчики DD2 работают в режиме делителя частоты на пять со входом С2 и выходом 8. Кстати, исходя из моей практики, верхняя рабочая частота всего устройства определяется максимальной частотой для счетчика DD2.1 (К555ИЕ20), которая по входам С2 обычно не менее 20 МГц, т. е. фактически не менее 1,28 ГГц. Каждый из делителей на DD2.1, DD3.1, DD3.2 и DD2 2, DD3.3. DD3.4 имеет дробный коэффициент деления Кя= 1,25 (или 5/4).
Суть использованного способа дробного деления частоты состоит в следующем. Пусть имеется последовательность импульсов, следующих с частотой F (рис. 2) Если из каждой пачки, образованной m импульсами, исключить n импульсов, то средняя частота следовании импульсов в новой последовательности
Fo =(m-n) / m* F
Коэффициент деления имеет вид отношения двух чисел КД = m/(m-n) ,: т. е. в общем случае представляет неправильную дробь.
В общем виде структурная схема дробного делителя частоты показана на рис. 3 . Его основу составляет делитель А1 на целое число т. Формирователь А2 создает импульс длительностью, равной n периодов входной последовательности импульсов.: Устройство совпадения A3 выделяет импульсы числом (m-п) из каждой последовательности в гп импульсов.
В нашем случае m = 5 и n = 1. Триггеры Шмитта логических элементов микросхемы D03 позволяют использовать схему совпадения для четкого выделения только четыре> импульсов из каждых пяти входных импульсов, поступающих на счетчики микросхемы DD2. На рис. 4 показаны временные диаграммы поясняющие работу каждого из двух каскадно включенных дробных делителей.
Таким образом, если на вход описываемою делителя частоты поступает сигнал частотой, например, F = 1000 МГц, то после первого делителя DD1 частота F2 = F1 /64 = 15,625 МГц . После второго делителя (с DD2.1) частота станет равной F2 = F1 /1,25 = 12,5 МГц и после третьего — F2 /1,25 = 10 МГц
Все элементы делителя размещены на плате из фольгированного стеклотекстолита. Чертеж печатной платы представлен на рис. 5. Плату следует поместить в металлический экран. Вход и выход делителя соединяют с частотомером ВЧ кабелем
Если частотомер выполнен в виде законченной малогабаритной конструкции, делитель можно конструктивно оформить как переходник между входным гнездом и кабелем к источнику сигнала. Для этого плату нужно поместить в прямоугольный экран, в торцах которого смонтировать разъемы СР-50-75: с одной стороны — штыревую часть разъема, с другой — гнездовую.
Делитель частоты был испытан совместно с частотомером, описанным в , и показал отличные результаты.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бирюков С. А. Предварительный делитель. — Радио, 1980, № 10, с- 61.
2. Жук В. Предварительный делитель частоты на диапазон 50 .1500 МГц. — Радио, 1992, № 10. с. 46, 47
3. Нечаев И. Делитель частоты диапазона 0.1. .3.5 ГГц. — Радио. 2005. № 9, с. 24—26.
4. Бирюков С. Цифровой частотомер — Радио, 1981, № 10, с. 44 47.