УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ЦИФРОВОЙ ЧАСТОТОМЕР
Описываемый прибор позволяет измерять частоту электрических колебаний до 180 МГц, период колебаний и длительность импульсов от 1 мкс до 107 с, может работать как счетчик импульсов. Точность измерений — 3-10~6 от измеряемой величины +1 знак младшего разряда. Минимальная цена младшего разряда составляет 0,1 Гц при измерении частоты и 0,1 мкс при измерении периода и длительности. Частотомер можно применять при градуировании приборов, использовать в качестве отсчетного устройства в генераторах и любительских передатчиках, при налаживании различных радиоэлектронных устройств. Чувствительность при измерении частоты — около 20 мВ на частотах до 20 МГц, около 1О0 мВ на частоте 180 МГц. Максимальное значение входного сигнала — 5 В.
Прибор собран в основном на микросхемах серии К155, в высокочастотном делителе использованы микросхемы серии К500. Основными узлами частотомера являются блок управления, схема которого приведена на рис. 66, счетчик и кварцевый генератор с делителем частоты (рис. 67) и блок питания.
Схема соединения блока управления (БУ) со счетчиком, кварцевым генератором и делителем частоты (КГ), высокочастотным делителем (СТ10) приведена на рис. 68.
Принцип действия частотомера основан на измерении числа импульсов, поступающих на вход счетчика в течение строго определенного времени (в данном приборе 10, 1, 0,1 или 0,01 с). Необходимый временной интервал формируется в блоке управления.
Кварцевый генератор частотомера собран на одном логическом элементе DD6.1 (см. рис. 67). Подбором емкости конденсаторов С14 и С15 устанавливают номинальную частоту генерации 10 МГц. Эта частота делится цепочкой микросхем DD7 — DD14 до 0,1 Гц. Элементы DD6.3 и DD6.4 — буферные. Использование в последних разрядах делителя микросхем К155ИЕ2, устанавливаемых в 9, позволяет до 0,1 с сократить промежуток времени между окончанием импульса «установка в 0» и началом эталонного интервала на низкочастотных диапазонах частотомера.
Рис. 66. Блок управления частотомера
В режиме измерения частоты эталонная частота выбранная переключателем SA4.1 Диапазон (см. рис. 68), через инвертор DD4 и переключатель SA1.3 Режим поступает на вход Т блока управления (см. рис. 66).
На вход F блока управления со входа частотомера поступает сигнал, частоту которого необходимо измерить. Он усиливается и ограничивается дифференциальным каскадом на транзисторах VT2 и VT3 (см. рис. 66) и поступает на инвертор на транзисторе VT6. Диоды VD4 и VD5 исключают насыщение транзистора VT6, что обеспечивает верхнюю частоту формирователя около 40 МГц. Положительная обратная связь через резистор R8 обеспечивает триггерный режим работы. Выходной сигнал формирователя через клапан на элементах DD1.1 и DD1.2 поступает на вход счетчика. Второй вход клапана подключен к выходу формирователя эталонного интервала времени, состоящего из двух триггеров микросхемы DD5.
Принцип действия формирователя интервала удобно рассматривать с момента генерации импульса установки 0 мультивибратором, собранным на элементах DD3.1 и DD3.2. В момент генерации импульса (он может быть вызван, например, кратковременным замыканием кнопки Пуск) (см. рис. 68) триггеры DD5 и все декады счетчика и делителя, за исключением DD13 и DD14, устанавливаются в 0. На входе 1 DD1.1 уровень логического 0, и импульсы измеряемой частоты на вход счетчика не проходят.
Рис. 67. Счетчик и кварцевый генератор частотомера
Рис. 68. Схема соединения блоков частотомера
По окончании импульса установки 0 на выходах делителя кварцевого генератора появляются импульсы соответствующей частоты. Фронт первого импульса эталонной частоты, пройдя со входа Т БУ через формирователь на транзисторе VT8 (см. рис. 66) и триггере Шмитта DD1.3 и DD1.4 на входы С триггеров микросхемы DD5, устанавливают их в состояние 1, так как на вход D триггера DD5.1 поступает уровень логической 1 с инверсного выхода . DD5.2, а на вход DD5.2 — с резистора R29. На вход 1 DD1.1 проходит логическая 1, и на счетчик начинают поступать импульсы измеряемой частоты.
На вход D триггера DD5.1, с инверсного выхода DD5. 2 поступает уровень логического 0, поэтому фронт второго импульса эталонной частоты устанавливает DD5.1 в 0 и на вход счетчика импульсы перестают поступать. Фронт импульса с инверсного выхода триггера DD5.1, формируемый в момент прихода второго импульса эталонной частоты после дифференцирования цепочкой C9R21, поступает в виде импульса положительной полярности на вход элемента DD2.1. Этот элемент совместно с транзистором VT9 образует ждущий мультивибратор, определяющий время индикации измеряемой частоты. При поступлении импульса запуска на входы 9 и 10 DD2.1 этот элемент включается, спад с его выхода через конденсатор С8 поступает на базу транзистора VT9 и закрывает его. Конденсатор С8 перезаряжается через резистор R17 и один из резисторов R37 — R40, выбранный переключателем SA2 Время индикации. В момент, когда напряжение на левой обкладке конденсатора С8 достигает порога отпирания VT9, последний включается, элемент DD2.1 выключается, его выходной сигнал после инвертирования элементом DD2.2 и дифференцирования цепочкой C10R23R24 запускает ждущий мультивибратор DD3.1, DD3.2 и процесс измерения повторяется.
Если переключатель SA2 находится в положении оо, транзистор VT9 не включается, поэтому для каждого измерения необходимо нажать кнопку Пуск (см. рис. 68), а время индикации ограничено лишь временем включения прибора.
В зависимости от положения переключателя SA4 зажигается одна из десятичных точек индикаторов счетчика (управляются секцией SA4.2). В самом нижнем по схеме положении SA4 (частота эталонных импульсов 0,1 Гц, время счета 10 с) зажигается вторая справа точка, индицируется частота в герцах с точностью до 0,1 Гц. В трех других положениях SA4, используемых для измерения частоты, положение десятичной точки соответствует измерению в килогерцах (точность 0,001, 0,01, 0,1 кГц).
Предельная частота работы счетчика на интегральных микросхемах К155ИЕ2 — около 20 МГц, поэтому для измерения более высоких частот использован высокочастотный делитель СТ10 на микросхемах серии К500.
Схема делителя приведена на рис. 69. Входной сигнал через резистор R41 и конденсатор С23 подается на один из входов дифференциального усилителя-ограничителя DD27.1. Второй вход усилителя-ограничителя соединен с общим проводом через конденсатор С25. С резистора iR47, являющегося нагрузкой усилителя, выходной сигнал подается на триггер Шмитта, собранный на элементе DD27.2 и резисторах R48-R51.
Усилитель и триггер Шмитта обеспечивают формирование прямоугольных импульсов из входного сигнала на частотах до 180 МГц.
Выходной сигнал формирователя подается на триггер DD28.1, делящий частоту на два. Его выходной сигнал управляет делителем частоты на пять, собранным на D-триггерах DD28.2, DD29.1, DD29.2. Делитель построен по принципу сдвигающего регистра с перекрестными связями. Для уменьшения коэффициента пересчета с шести до пяти прямой выход триггера DD29.1 и инверсный DD29.2 объединены и образуют так называемый «проводной элемент ИЛИ». Объединение выходов элементов серии К500 для образования функции ИЛИ возможно потому, что выходами элементов являются ненагру-женные эмиттерные повторители. В силу этой же их особенности каждый используемый выход должен быть нагружен на резистор.
Для защиты входного каскада от перегрузок в схему формирователя введен ограничитель ,R41, VD11, VD12. В связи с тем что у неиспользуемых дифференциальных каскадов ИС К500ЛП116 входы не должны оставляться свободными, входы элемента DD27.3 соединены с его выходами.
В положении ВЧ переключателя SA1 (см. рис. 68) сигнал со входа частотомера поступает на вход высокочастотного делителя, а с его выхода — на вход F фомирователя. Положение запятой в этом режиме определяется секцией SA4.3 переключателя Диапазон, частота индицируется в мегагерцах.
В положении К (контроль) переключателя SA1 вход высокочастотного делителя через цепочку C22-R36 подключается к выходу 10 МГц кварцевого генератора. Положение запятой определяется секцией SA4.3, поэтому на индикаторах индицируется частота 1000 кГц.
В положении Т (период) измеряемая и эталонная частоты меняются местами — эталонная частота в пределах 10 МГц — 0, 1 Гц поступает на вход N блока управления и далее на счетчик, а сигнал, период которого нужно измерить, — через формирователь VT8, DD1.3, DD1.4 (см. рис. 66) на вход формирователя интервала DD5.1, DD5.2. Формирователь VT8, DD1.3, DD1.4 име-ет открытый вход, что позволяет измерять длительность импульсов большой длительности. Порог его включения около 0,75 В, выключения около 0,7 В, поэтому частотомер можно непосредственно применять для измерения периода и длительности импульсов на выходах ИС ТТЛ.
В положении т (см. рис. 68) (Длительность) фронт импульса, как и при измерении периода, устанавливает DD5.1 (см. рис. 66) в 1, а спад импульса после дифференцирования цепочкой C13R27R28 переводит этот триггер в 0, в результате чего время прохождения эталонной частоты через клапан DD1.1, DD1.2 соответствует длительности измеряемых импульсов.
В положении JV (см. рис. 68) (счетчик импульсов) входной сигнал поступает на вход Т БУ, с выхода Т он поступает на вход JV — на открытый вход формирователя VT2, VT3, VT6 (см. рис. 66), что позволяет считать положительные импульсы практически любой длительности (начиная приблизительно от 100 не) по их фронтам. Прохождение импульсов через клапан DD1.1, DD1.2 обеспечивается установкой триггеров интегральной микросхемы DD5 в 1 переключателем SA1.4 (см. рис. 68).
Конструктивно частотомер собран на трех печатных платах толщиной 1,5 мм. На первой плате размером 60Xi,155 мм расположены все детали кварцевого генератора, делителя и счетчика, включая газоразрядные индикаторы. Расположение проводников печатной платы приведено на рис. 70 (а — сторона установки микросхем, индикаторов и других деталей, б — противоположная сторона). На второй плате размером 80X155 мм (рис. 71) установлены все детали блока управления (см. рис. 66), высокочастотный делитель (см. рис. 69) и стабилизатор напряжения, схема которого приведена на рис. 72.
Плата изготовлена из фольгированного с двух сторон стеклотекстолита, на рис. 71 показаны проводники, расположенные со стороны, противоположной установке элементов. Со стороны установки элементов фольга сохранена целиком и выполняет роль общего провода, вокруг отверстий фольга раззенко-вана. На рис. 71 крестиками обозначены места паек элементов к фольге на стороне их установки. Некоторые резисторы подпаяны к общему приводу и проводникам на обратной стороне (R7, R9, R13, R18), отверстия в этом случает не зенкуются. Это необходимо для соединения с общим проводом электродов транзисторов VT2, VT6, VT8, VT9, паять их непосредственно к фольге неудобно из-за малой длины их выводов и опасности перегрева.
Рис. 69. Схема высокочастотного делителя
Транзистор VT13 блока питания (см. рис. 72) установлен на ребристом алюминиевом радиаторе с размерами 25X40 в плате и высотой 30 мм. Радиатор установлен со стороны, противоположной стороне установки других элементов платы. .
Интегральная микросхема DD27 высокочастотного делителя вместе со всеми элементами, расположенными между ней и входными контактами делителя, закрыта экраном из латуни толщиной 0,1 мм, припаянным непосредственно к фольге общего провода.
На третьей плате такого же размера, что и вторая, смонтированы все элементы преобразователя напряжения сети 220 В в постоянное 9 В 0,7 А, поступающее на стабилизатор, и 200 В 10 мА для питания индикаторов HG1 — HG6. Преобразователь описан в последнем резделе книги.
На передней панели частотомера из сплава Д16 размером 90X156 мм и толщиной 2 мм установлены сетевой выключатель, предохранитель, переключатели SA1, SA2, SA4, кнопка SB3, входной разъем. Элементы R36 — R40, С22 установлены на контактах переключателей. Окно в панели закрыто изнутри пластиной цветного прозрачного органического стекла толщиной 3 мм. Передняя панель, печатные платы, задняя панель размером 82X156X2 мм из силава Д16 соединены между собой латунными шпильками диаметром 5 мм, имеющими резьбовые концы или отверстия М2.
Расстояние между передней панелью и первой платой 33 мм, между первой и второй платой 15 мм, между второй и третьей платой 33 мм, между третьей платой и задней панелью 5 мм. Полученная «этажерка» уложена на П-образное шасси и закрыта сверху П-образным кожухом. Шасси и верхняя сторона кожуха имеют отверстия для вентиляции. В шасси охлаждающий воздух входит в зазор высотой 8 мм меж-ДУ нижней частью задней панели и поверхностью, на которой стоит частотомер.
Близкое расположение входного разъема, переключателя SA1 и входных контактов высокочастотного делителя позволило обойтись в монтаже частотомера без кабелей и экранированных проводников. С этой же целью обес-.печены малые сопротивление и индуктивность общего провода — соединение .передней панели со слоем сплошной металлизации второй печатной платы через шпильки, соединение «земляного» лепестка входного разъема со слоем оплошной металлизации второй платы в районе входа высокочастотного делителя отрезком оплетки экранированного провода («плетенкой») минимальной длины. На случай возникновения высокочастотных наводок и монтажа с использованием кабелей у .входов я выходов формирователей и высокочастотного делителя . предусмотрены точки для подключения экранов.
Рис. 70. Печатная плата счетчика и кварцевого генератора
Рис. 71. Печатная плата блока управления, высокочастотного делителя и стабилизатора
Рис. 72. Схема стабилизатора частотомера
В частотомере применены следующие детали: резисторы МТ-0,125 и МТ-0,25, конденсаторы КМ-5а и КМ-6, R53-4 (С8), неполярный К53-7 (С1), переключатели ПГ2-4-6П4Н (SA1) — можно заменить на ПГ2-,11-6П6Н, ПГ2-9-6П2Н (SA2), ПГ2-8-;12П4Н (SA4), кнопка KMl-1 (SB3), разъем СР-78Ф, дроссель ДМ-0,1 (L1).
Коммутационные элементы, конденсаторы и резисторы можно заменить деталями других типов, имеющими необходимые параметры, транзистор КТ816А — любым транзистором этой серии или серии КТ814, остальные транзисторы — ВЧ кремниевыми транзисторами соответствующей структуры (КТ312, КТ306 — VT6, VT9, КТ326, КТ3107 — VT2, VT3, VT8). Вместо диодов КД503А можно установить КД503Б, КД509А, КД522А, КД522Б, КД512А и другие кремниевые высокочастотные диоды.
Микросхемы К155ИЕ1 можно заменить на К155ИЕ2, все микросхемы серии К155 — аналогичными ИС серии К133, микросхемы К500 — на К10О. При переработке для этого случая печатной платы высокочастотного делителя следует сохранить сплошной слой металлизации на стороне установки интегральных микросхем и ширину шины питания не менее 7,5 мм.
Настройка частотомера заключается в установке резистором R60 (см. рис. 72) напряжения на выходе стабилизатора в пределах 5,1 — 5,2 В, подборе сопротивления резистора R3 (см. рис. 66) для получения максимальной чувствительности формирователя на частоте 20 МГц и установке номинальной частоты кварцевого генератора подбором С14 и С15 (см. рис. 67).
При отсутствии микросхем серий К500 или К100 можно обеспечить возможность измерения частоты до 35 — 40 МГц установкой в частотомер одной ИС R131TM2 (К130ТМ2, К531ТМ2, К530ТМ2). Один из триггеров этой микросхемы включается в положении ВЧ SA1 между выходом клапана DD1.1 и входом счетчика, другой — между выходом DD4 и входом Т БУ (рис. 73). В этом случае переключатель SA1 необходимо заменить на ПГ.2-12-6П8Н. Вместо ИС К131ТМ2 можно использовать К131ТВ1 или К130ТВ1 (DD31.1) и К155ТВ1 (DD31.2). Входы С этих триггеров необходимо соединить с выходом DD1.2 и с подвижным контактом SA4.1 соответственно. Все неиспользуемые входы триггеров соединить с источником +5 В через резистор R62.
Увеличения быстродействия до 70 — 80 МГц можно достигнуть, используя вместо DD31.1 два последовательно включенных триггера серии К520 или К531, а вместо DD31.2 — два триггера серии КД55. В этом случае, возможно, потребуется применение более высокочастотных транзисторов в формирователе (см. рис. 66) — КТ363 в качестве VT2, VT3, КТ316, КТ325, КТ355 на месте VT6.
Рис. 73. Схема включения ИС К.131ТМ2 Рис. 74. Схема включения регистра памяти
Исключить мерцание цифр в процессе счета можно введением между счетчиком и дешифратором регистра памяти на ИС R155TM5 или К155ТМ7.Импульс переписи на тактовые входы микросхем можно снять с выхода 6 DD2 (рис. 74). В этом случае переключатель SA2 целесообразно заменить тумблером, в одном положении которого (Авт.) вход Тиид БУ подключается к источнику +5 В через резистор 7,5 кОм, в другом — заземляется (Ручной пуск).
