Самодельный частотомер с печатной платой. "Электроника и Радиотехника"домашнему мастеру! Для схемы "Цифровой ревербepaтор"

Этот прибор имеет не только большой верхний предел измеряемой частоты, но и ряд дополнительных функций. Он измеряет уход частоты от начального значения, длительность импульсов и пауз между ними, подсчитывает число импульсов. Его можно использовать и как делитель частоты входного сигнала с задаваемым в широких пределах коэффициентом деления.

Предлагаемый частотомер содержит шесть микросхем - компаратор напряжения AD8611ARZ , синтезатор частоты LMX2316TM , D-триггер 74HC74D , селектор-мультиплексор 74HC151D , микроконтроллер PIC16F873A-1/SP и интегральный стабилизатор напряжения TL7805. Результаты измерения он выводит на символьный ЖКИ WH1602B .

Основные технические характеристики

Интервал измеряемой частоты

импульсов с уровнями ТТЛ, Гц...............0,1...8·10 7

аналоговых периодических сигналов произвольной формы напряжением более 100 мВэфф, Гц.....................1...8·10 7

синусоидальных ВЧ-сигналов напряжением более 100 мВэфф, МГц...............20...1250

Длительность счёта при измерении частоты, мс......10 4 , 10 3 , 100, 10

Интервал измеряемой длительности импульсов, мкс........10...10 6

Максимальная частота следования подсчитываемых импульсов, кГц...............100

Максимальное число подсчитанных импульсов.....100 000 000

Измеряемый уход частоты

импульсов на входе ТТЛ или сигнала на аналоговом входе, Гц..........±1...±10 6

сигнала на входе ВЧ, кГц...................±1...±10 5

Коэффициент деления частоты сигнала

поданного на аналоговый вход..............3 - 16383

поданного на вход ВЧ................1000 - 65535

Уровни выходных импульсов делителя частоты.............ТТЛ

Длительность выходных импульсов делителя частоты, мкс.......................0,5

Напряжение питания (постоянное), В...................9.16

Потребляемый ток, мА......100...150

При выключении прибора установленные режимы его работы микроконтроллер запоминает в своём EEPROM и восстанавливает при включении.

Схема частотомера изображена на рис. 1. Тактовый генератор микроконтроллера DD3 стабилизирован кварцевым резонатором ZQ1. Подстроечный конденсатор C13 позволяет установить тактовую частоту в точности равной 4 МГц. Стабилизатор напряжения +5 В собран на микросхеме DA2. Подстроечным резистором R23 регулируют яркость подсветки экрана ЖКИ HG1. Оптимальную контрастность изображения на нём устанавливают подстроечным резистором R21.

Рис. 1. Схема частотомера

Кнопками SB1-SB3 управляют прибором. Кнопка SB1 служит для выбора измеряемого параметра. Кнопкой SB2 выбирают разъём, на который подают измеряемый сигнал. В зависимости от частоты и формы входного сигнала это может быть XW1 (импульсы логических уровней частотой 0,1 Гц...80 МГц), XW2 (аналоговые сигналы произвольной формы частотой 1 Гц...80 МГц) или XW3 (сигналы частотой 20...1250 МГц). Кнопкой SB3 запускают и останавливают измерение в режимах счётчика импульсов и измерения ухода частоты. Длительным (более 1 с) нажатием на эту кнопку переходят из режимаизмерения частоты в режим её деления и вывода результата на разъём XW1. Когда кнопки не нажаты, на входах микроконтроллера, с которыми они соединены, резисторы R12-R14 поддерживают высокие уровни.

Резисторы R4 и R6 создают постоянное смещение около 100 мВ на неинвертирующем входе компаратора DA1. Резисторы R5 и R7 - цепь положительной обратной связи, нужной для получения гистерезиса в характеристике переключения компаратора. Диоды VD1 и VD2 вместе с резистором R2 образуют двухсторонний ограничитель входного напряжения на инвертирующем входе компаратора.

Микросхема DD1, основное назначение которой - работа в синтезаторах частоты диапазона 1,2 ГГц, содержит два делителя частоты с переменным коэффициентом деления, которые и используются в описываемом приборе для деления частоты входных сигналов, подаваемых на разъёмы XW2 и XW3, в заданное число раз. Микроконтроллер устанавливает коэффициенты деления и режим работы этой микросхемы, подавая команды по её последовательному интерфейсу (входы Clock, Data, LE). В зависимости от установленного режима на выход Fo/LD поступает результат работы одного из этих делителей. Резистор R19 и конденсатор C19 образуют фильтр питания микросхемы DD1, а диоды VD3 и VD4 защищают от перегрузки вход одного из её делителей частоты, непосредственно связанный с разъёмом XW3. На триггере DD4.1 собран одновибратор, формирующий из выходных сигналов делителей частоты импульсы длительностью 0,5 мкс. Его времязадающая цепь - резистор R17 и конденсатор C10.

Формирователь импульсов, подаваемых на разъём XW1, собран на транзисторе VT1 с коллекторной нагрузкой - резистором R8. Он работает, когда на выходе RC5 микроконтроллера установлен высокий логический уровень. В противном случае формирователь выключен и не оказывает влияния на подаваемые на разъём XW1 внешние сигналы. Поэтому разъём XW1 может быть как входным при измерении частоты и длительности логических сигналов, а также при счёте импульсов, так и выходным в режимах деления частоты. Резистор R11 служит для защиты входа 0 селектора-мультиплексора DD2 от случайно поданных на разъём XW1 сигналов большой амплитуды.

Селектор-мультиплексор по командам микроконтроллера подаёт на его предназначенные для измерения частоты и длительности импульсов входы либо импульсы уровней ТТЛ с разъёма XW1, либо сигналы, поступившие на разъём XW2 и преобразованные в такие импульсы компаратором DA1, либо сигналы, поступившие на разъём XW3 и прошедшие через делитель частоты микросхемы DD1. Микроконтроллер выполняет основные операции измерения частоты, длительности и счёта импульсов. Он же выводит результаты измерений на ЖКИ HG1 и управляет работой всего прибора. Программа микро-контроллера написана на языке ассемблера MASM, входящего в состав среды разработки программ MPLAB IDEv7.5.

В режимах измерения частоты микроконтроллер подсчитывает импульсы, поступившие на вход T0CKI в течение выбранного пользователем измерительного интервала (0,01, 0,1, 1 или 10 с). При измерении частоты сигнала, поданного на разъём XW3, его частоту предварительно делит на 1000 один из делителей микросхемы DD1.

При измерении длительности импульсов высокого логического уровня микроконтроллер по нарастающему перепаду измеряемого импульса на входе INT начинает счёт импульсов частотой 1 МГц, полученных делением своей тактовой частоты. Он прекращает этот счёт по спадающему перепаду измеряемого импульса. В случае измерения длительности импульса низкого уровня счёт начинается по его спадающему перепаду, а завершается по нарастающему.

Как только включён режим измерения ухода частоты, микроконтроллер выполняет первое измерение частоты входного сигнала, затем периодически повторяет эти измерения. Программа вычитает результат первого измерения из каждого последующего и выводит текущую разность на индикатор. После остановки этого режима на ЖКИ отображаются максимальные зафиксированные завремя измерения отклонения частоты вниз и вверх от начальной.

Для измерения частоты следования логических импульсов с уровнями ТТЛ кнопкой SB2 выбирают входной разъём XW1. Микроконтроллер формирует на выходах RC0-RC2 код 000, переводя этим селектор DD2 в состояние, при котором сигнал с разъёма XW1 поступает на входТОСК1 микроконтроллера для измерения частоты и на его же вход INT для измерения длительности импульсов. Результаты измерений программа выводит на ЖКИ HG1 (рис. 2), причём длительности импульсов высокого (H) и низкого (L) уровней на экране чередуются. Код в правой части верхней строки означает заданное время счёта: "10" - 10 с, "1" - 1 с, ",1" - 0,1 с и ",01" - 0,01 с. В правой части нижней строки выводится условное обозначение выбранного входного разъёма: TTL - XW1, VHF - XW2, UHF - XW3.

Рис. 2. Результаты измерений, выводимые программой на ЖКИ HG1

Измеряя частоту аналоговых сигналов (до 80 МГц), кнопкой SB2 выбирают входXW2. На выходах RC0-RC2 микроконтроллер формирует код 001, переводя мультиплексор DD2 в положение, в котором сигнал с разъёма XW2, преобразованный в прямоугольные импульсы компаратором DA1, поступает на вход TOCKI микроконтроллера. Программа измеряет частоту сигнала и выводит результат на ЖКИ (рис. 3).

Рис. 3. Результаты измерений, выводимые программой на ЖКИ HG1

Для измерения ВЧ-сигналов частотой до 1250 МГц кнопкой SB2 выбирают входной разъём XW3. С него сигнал поступает на вход f IN имеющегося в микросхеме DD1 делителя частоты. Коэффициент деления задан микроконтроллером равным 1000. Сигнал с выхода делителя частоты, преобразованный в импульсы длительностью около 0,5 мкс одновибратором на триггере DD4.1, поступает через мультиплексор DD2 на вход TOCKI микроконтроллера. Мультиплексор установлен в нужное для этого состояние кодом 010 на выходах RC0-RC2 микроконтроллера. Программа микроконтроллера измеряет частоту и с учётом коэффициента деления выводит результат на ЖКИ (рис. 4).

Рис. 4. Результаты измерений, выводимые программой на ЖКИ HG1

Подлежащие счёту импульсы подают на входной разъём XW1 или XW2. Кнопкой SB2 выбирают один из этих входов, а кнопкой SB1 - режим COUNTER (рис. 5). Счёт запускают нажатием на кнопку SB3, что сопровождается заменой на экране метки OFF (выключено) меткой ON (включено). Для остановки счёта на кнопку SB3 нажимают повторно, при этом метку ON сменяет метка OFF. Накопленное за время от запуска до остановки число импульсов программа показывает на ЖКИ.

Рис. 5. Результаты измерений, выводимые программой на ЖКИ HG1

Чтобы измерить уход частоты, сигнал (в зависимости от его формы и частоты) подают на один из входных разъёмов XW1-XW3, выбирают кнопкой SB2 этот разъём, а кнопкой SB1 - функцию "+/-FREQUENCV (её название сопровождается меткой OFF). Измерение запускают нажатием на кнопку SB3, при этом метку OFF сменяет метка ON. Прибор измеряет уход частоты и выводит его текущее значение на ЖКИ (рис. 6). После повторного нажатия на кнопку SB3, останавливающего измерение, на ЖКИ появляются максимальные зафиксированные за время измерения значения ухода частоты вверх и вниз от исходной (рис. 7).

Рис. 6. Результаты измерений, выводимые программой на ЖКИ HG1

Рис. 7. Результаты измерений, выводимые программой на ЖКИ HG1

Для деления частоты аналогового сигнала частотой до 80 МГц кнопкой SB2 выбирают входной разъём XW2 и подают на него сигнал, частота которого подлежит делению. С выхода компаратора DA1 он поступает на вход OSCIN делителя частоты R_Counter микросхемы DD1. Микроконтроллер задаёт по последовательному интерфейсу необходимый коэффициент деления этого делителя и подключает его выход к выходу Fo/LD микросхемы. Нажатиями на кнопку SB1 коэффициент деления уменьшают, а на кнопку SB2 - увеличивают. Чем дольше удерживают кнопку нажатой, тем быстрее изменяется коэффициент.

На выходе RC5 микроконтроллер устанавливает высокий уровень, переключая разъём XW1 в режим выхода. На своих выходах RC0-RC2 микроконтроллер формирует код 000, поэтому сигнал, выведенный на разъём, поступает и на входТ0СКI микроконтроллера для измерения частоты. Длительность импульсов в этом режиме не измеряется.

Рис. 8. Результаты измерений, выводимые программой на ЖКИ HG1

На рис. 8 показан результат деления частоты 19,706 МГц поданного на разъём XW2 сигнала на 100. В этом случае на выходе XW1 с частотой 197,06 кГц следуют импульсы высокого логического уровня длительностью 0,5 мкс. Сигналы частотой от 50 до 1200 МГц подают для деления на разъём XW3. Они обрабатываются аналогично, отличие лишь в том, что в операции участвует более высокочастотный делитель частоты N-Counter микросхемы DD1. На рис. 9 показан результат деления частоты 200,26 МГц на 2000. Частота на выходе - 100,13 кГц.

Рис. 9. Результаты измерений, выводимые программой на ЖКИ HG1

Частотомер смонтирован на печатной плате из фольгированного с двух сторон стеклотекстолита толщиной 1 мм. Её чертёж показан на рис. 10, а размещение элементов - на рис. 11. Постоянные резисторы и большинство конденсаторов имеют типоразмер 0805 для поверхностного монтажа. Подстроечные резисторы R21 и R23 - SH-655MCL, подстроечный конденсатор C13 - TZC3P300A110R00. Оксидные конденсаторы С4 и C6 - алюминиевые с проволочными выводами.

Рис. 10. Печатная плата частотомера

Рис. 11. Размещение элементов на плате

Разъёмы XW1-XW3 - 24_BNC-50-2-20/133_N . Они соединены с платой отрезками коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом длиной около 100 мм. Кнопки SB1-SB3 - TS-A3PG-130. Индикатор HG1 укреплён над платой на стойках высотой 10 мм винтами М3.

Прибор собран в пластмассовом корпусе Z-28 . На его передней панели вырезано прямоугольное отверстие размерами 70x25 мм для экрана ЖКИ и просверлены три отверстия диаметром 3 мм под кнопки. Сами кнопки установлены на стеклотекстолитовой плате размерами 100x12x1,5 мм, прикреплённой к передней панели с обратной стороны винтами M3. С левой стороны корпуса установлено гнездо питания, а с правой - его выключатель. Входные байонетные разъёмы размещены на задней стенке корпуса.

Налаживание частотомера заключается в следующем:

Установите подстроечным резистором R21 оптимальную контрастность изображения на экране ЖКИ;

Установите подстроечным резистором R23 необходимую яркость подсветки ЖКИ;

Установите подстроечным конденсатором C13 тактовую частоту микроконтроллера в точности равной 4 МГц. Для этого к разъёму XW1 подключите цифровой частотомер (Ч3-63 или любой другой), включите налаживаемый прибор при нажатой кнопке SB3 (при этом на ЖКИ должна появиться надпись "TEST") и, вращая ротор подстроечного конденсатора C13, добейтесь показаний внешнего частотомера, максимально близких к 100000 Гц. Не забывайте, что погрешность установки этой частоты непосредственным образом влияет на погрешность налаживаемого прибора.

Литература

1. Ultrafast, 4 ns Single-Supply Comparators AD8611/AD8612. - URL: http://www.analog. com/media/en/technical-documentation/ data-sheets/AD8611_8612.pdf (02.11.2015).

2. PLLatinum™ LowPower Frequency Synthesizer for RF Personal Communications LMX2306 550 MHz, LMX2316 1.2 GHz, LMX2326 2.8 GHz. - URL: http://www.ti.com/lit/ds/ symlink/lmx2326.pdf (02.11.2015).

3. 74HC74, 74HCT74 Dual D-type flip-flop with set and reset; positive edge-trigger. - URL: http://www.nxp.com/documents/data_sheet/ 74HC_HCT74.pdf (02.11.2015).

4. 74HC151, 74HCT151 8-input multiplexer. - URL: http://www.nxp.com/documents/data_ sheet/74HC_HCT151.pdf (02.11.2015).

5. PIC16F87XA Data Sheet 28/40/44-Pin Enhanced Flash Microcontrollers. - URL: http://akizukidenshi.com/download/PIC16F 87XA.pdf (02.11.2015).

6. WH1602B character 16x2. - URL: http:// www.winstar.com.tw/download.php?ProID= 22 (17.11.15).

7. Coaxial Cable Connector: 24_BNC-50-2-20/133_N. - URL: http://www.electroncom. ru/pdf/hs/bnc/24bnc50-2-20_133n.pdf (16.11.15).

8. Корпус Z-28. - URL: http://files.rct.ru/ pdf/kradex/z-28.pdf (16.11.15).

Чертёж печатной платы в формате Sprint Layout 5.0 и программу микроконтроллера можно скачать .

Дата публикации: 16.02.2016

Мнения читателей

• Владимир / 20.01.2017 - 10:55
  Вышли еще две версии частотомера. Третья версия опубликована в журнале "Радиолюбитель" №8,9. Четвертая: https://cloud.mail.ru/public/4EKo/QaTMuiDMv

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

В тематический план кружка 3-го года занятий надо включить изучение и конструирование устройств цифровой техники повышенной сложности, например цифрового частотомера.

Примером такого измерительного прибора может стать описываемый здесь пятиразрядный частотомер с цифровой индикацией результатов измерения, разработанный в радиокружке станции юных техников г. Березовский Свердловской области под руководством В. Иванова. Прибор позволяет измерять частоту электрических колебаний в пределах 100...99999 Гц и может быть использован для настройки различных генераторов, электронных часов, устройств автоматики. Амплитуда входного сигнала - 1...30 В.

Рис. 130. Структурная схема цифрового частотомера

Структурная схема частотомера показана на рисунке 130. Его основные элементы: формирователь импульсного напряжения сигнала fх измеряемой частоты, генератор образцовой (эталонной) частоты, электронный ключ, счетчик импульсов с блоком цифровой индикации и управляющее устройство, организующее работу прибора. Принцип его действия основан на измерении числа импульсов, поступающих на вход счетчика в течение строго определенного времени, равного в данном приборе 1 с. Этот необходимый измерительный интервал времени формируется в блоке управления.

Сигнал fх, частоту которого надо измерить, подают на вход формирователя импульсного напряжения. Здесь он преобразуется в импульсы прямоугольной формы, частота следования которых соответствует частоте входного сигнала. Далее преобразованный сигнал поступает на один из входов электронного ключа, А на второй вход ключа подается сигнал измерительного интервала времени, удерживающий его в открытом состоянии в течение 1с.

В результате на выходе электронного ключа, а значит, и на входе счетчика появляется пачка импульсов. Логическое состояние счетчика, в котором он оказывается после закрывания ключа, отображает блок цифровой индикации в течение интервала времени, устанавливаемого устройством управления.

Принципиальная схема частотомера показана на рисунке 131. Кроме транзисторов, в частотомере используют восемь цифровых микросхем серии К176 и пять (по числу разрядов) семисегментных люминесцентных индикаторов типа ИВ-6. В микросхему К176ИЕ12 (D1), предназначаемую специально для электронных часов, входит генератор (условный символ G), рассчитанный на совместную работу с внешним кварцевым резонатором Z1 на частоту 32 768 Гц. Делители частоты микросхемы делят частоту генератора до 1 Гц. Эта частота, формируемая на соединенных вместе выводах 4 и 7 микросхемы, и является в частотомере образцовой.

В микросхеме К176ЛЕ5 (D2) четыре логических элемента 2ИЛИ-НЕ, а в микросхеме К176ТМ1 (D3) -два D-триггера. Один из элементов 2ИЛИ-НЕ выполняет функцию электронного ключа (D2.4), а три других и оба D-триггера работают в устройстве управления.

Каждая из микросхем К176ИЕ4 (D4-D8) содержит декадный счетчик импульсов, т. е. счетчик до 10, и преобразователь (дешифратор) ее логического состояния в сигналы управления семи-сегментным индикатором. На выходах а-д этих микросхем формируются сигналы, обеспечивающие индикаторам Н1 - Н5 свечение цифр, значение которых соответствует логическому состоянию счетчиков. Микросхема D4 и индикатор H1 образуют младший счетный разряд, а микросхема D8 и индикатор Н5 - старший счетный разряд частотомера.

В конструкции прибора индикатор Н5 д6лжен быть крайним слева, а H1 - крайним справа.

Для питания микросхем, транзисторов и управляющих электродов индикаторов можно использовать две соединенные последовательно батареи 3336Л (GB1), а для питания нитей накала индикаторов - один элемент 343 или 373 (G1).

Формирователь импульсного напряжения образуют транзисторы V2-V5. Сигнал fx, поданный на его вход через гнездо X1, переключатель S1, конденсатор С1 и резистор R1, усиливается и ограничивается по амплитуде дифференциальным каскадом на транзисторах V2 и УЗ. С нагрузочного резистора R5 сигнал поступает на базу транзистора V4 второго каскада, работающего как инвертор. Резистор R8, создающий между этими каскадами положительную обратную связь, обеспечивает им триггерныи характер работы. При этом на коллекторе транзистора V4 формируются импульсы с крутыми фронтами и спадами, частота следования которых соответствует частоте исследуемого сигнала. Каскад на транзисторе V5 ограничивает напряжение импульсов до уровня, обеспечивающего микросхемам необходимый режим работы Далее преобразованный сигнал поступает на входной вывод 12 электронного ключа D2.4. Второй входной вывод ключа подключен к выходу формирователя измерительного интервала времени, равного 1 с. Поэтому число импульсов, прошедших за это время через электронный ключ к счетчику, высвечивается индикаторами в единицах Герц.

Рис. 132. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу управляющего устройства частотомера

Работу управляющего устройства иллюстрируют временные диаграммы (рис. 132).

На вход С (вывод 11) триггера D3.2 непрерывно поступают импульсы генератора образцовой частоты (рис. 132,а), а на такой же вход триггера D3.1 - импульсы генератора запуска, собранного на логических элементах D2.1 и D2.2 (рис. 132, б). За исходный примем случай, когда оба триггера находятся в нулевом состоянии. В это время напряжение высокого уровня, действующее на инверсном выходе триггера D3.2, поступает на входной вывод 13 электронного ключа D2.4 и закрывает его. С этого момента через ключ прекращается прохождение импульсов сигнала измеряемой частоты на вход счетчика. С появлением на входе С триггера D3.1 импульса генератора запуска этот триггер принимает единичное состояние и напряжением высокого уровня на прямом выходе подготавливает триггер D3.2 к дальнейшей работе. Одновременно на выводе 9 элемента D2.3, соединенном с инверсным выходом триггера D3.1, появляется напряжение низкого уровня. Очередной импульс генератора образцовой частоты переключает триггер D3.2 в единичное состояние. Теперь на его инверсном выходе и на выводе 13 элемента D2.4 будет напряжение низкого уровня, которое открывает электронный ключ и тем самым разрешает прохождение через него импульсов сигнала измеряемой частоты.

Прямой выход триггера D3.2 (вывод 13) соединен с R-входом (вывод 4) триггера D3.1. Следовательно, когда триггер D3.2 оказывается в единичном состоянии, он, воздействуя напряжением высокого уровня на прямом выходе переключает триггер D3.1 в нулевое состояние. Этот триггер находится в нулевом, состоянии до тех пор, пока сохраняется интервал измерительного времени. Очередной импульс генератора образцовой частоты на входе С триггера D3.2 переключает его в нулевое состояние и напряжением высокого уровня на инверсном выходе закрывает электронный ключ. В результате прекращается прохождение импульсов сигнала измеряемой частоты к счетчику и начинается цифровая индикация результатов измерения (рас 132,(5, ж).

Каждому интервалу измерительного времени предшествует появление на выводах 5 R-входов микросхем D4-D8 кратковременного импульса положительной полярности (рис. 132, г), сбрасывающего триггеры счетчика в нулевое состояние. С этого момента и начинается цикл счет - индикация работы частотомера. Формирование импульсов сброса происходит на выходе логического элемента D2.3 в моменты совпадения на его входах напряжений низкого уровня. Время индикации можно плавно изменять в пределах 2...5 с резистором R17 генератора импульсов запуска.

Светодиод V7 в коллекторной цепи транзистора V6, работающего в режиме ключа, служит для визуального наблюдения, за длительностью времени индикации.

В частотомере предусмотрена возможность контроля его работоспособности. Для этого переключатель S1 переводят в положение «Контроль», при котором входная цепь прибора оказывается соединенной с выводом 14 микросхемы D1 генератора образцовой частоты. При исправной работе частотомера индикаторы должны высвечивать частоту 32 769 Гц.

Рис. 133. Внешний вид частотомера

Внешний вид описанного частотомера показан на рисунке 133. Через удлиненное прямоугольное отверстие в лицевой стенке корпуса, прикрытое пластинкой зеленого органического стекла, хо-
рошо видны светящиеся цифры индикаторов. Слева от отверстия расположен «глазок» светодиодного индикатора V7. Под ним находится переменный резистор R17 установки длительности индикации результата измерения и входное гнездо X1. Слева от них -выключатель питания S2 («Я») и двухсекционный переключатель S1 «Измерение-контроль». При нажатии на кнопку «K» (контроль) вход формирователя импульсного напряжения подключается к генератору образцовой частоты, а при нажатии на кнопку «И» (измерение) - к входному гнезду X1.

Другие детали частотомера смонтированы на двух печатных платах размерами 115X60 мм, выполненных из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм. На одной из них (рис. 134, а) находятся детали формирователя импульсного напряжения, генератора образцовой частоты и устройства управления, на другой (рис 134, б)-микросхемы D4-D8 и цифровые индикаторы H1- Н5. Все постоянные резисторы типа МЛТ. Подстроечный резистор R3 - СПЗ-16, переменный R17 может быть любого типа. Оксидные конденсаторы СЗ и С5- К50-6 или К53-1А, неполярные С1 и С8 - К53-7 (можно заменить наборами конденсаторов типа К73-17). Конденсаторы С2, С4 могут быть типа КЛС или К73-17, С6 - керамический КТ-1, КМ, подстроечный конденсатор С7- КПК-МП. Переключатель S1 «Измерение-контроль» образуют два кнопочных переключателя П2К с зависимой фиксацией в нажатом положении; выключатель питания S2 - тоже П2К, но без фиксации, т. е. с возвратом в исходное положение при повторном нажатии на кнопку.

Микросхему К176ИЕ12 можно заменить на подобную ей микросхему К176ИЕ5, скорректировав соответственно печатные проводники монтажной платы. Цифровые индикаторы могут быть типа ИВ-3А (вместо ИВ-6), но тогда в цепь питания их нитей накала надо будет включить резистор сопротивлением 2 Ом на мощность рассеяния 0,5 Вт.

Налаживание безошибочно смонтированного частотомера сводится в основном к установке наилучшей чувствительности формирователя импульсного напряжения и, если надо, к подстройке генератора образцовой частоты. При установке необходимой чувствительности на вход частотомера подают от генератора 34 сигнал с амплитудой 1 В, к выходу электронного ключа D2.4 подключают осциллограф и подстроечный резистором R3 добиваются появления на экране осциллографа пачек импульсов. Подстройку образцовой частоты генератора производят: грубо - подбором конденсатора С6, точно - подстроечный конденсатором С7. Точность настройки контролируют по образцовому частотомеру, подключенному к выводу 14 микросхемы D1.

Предлагаемый для самостоятельной сборки частотомер сравнительно низкочастотный, тем не менее позволяет измерять частоты до нескольких мегагерц. Разрядность измерителя частот зависит от количества установленных цифровых индикаторов. Чувствительность входа - не хуже 0,1V, максимальное входное напряжение, которое он может выдерживать без повреждения - порядка 100V. Время индикации и время измерения чередуются, длительность одного цикла — 1 сек. измерение и 1 сек. - индикация. Собран он по классической схеме, с генератором частоты 1 Гц на специализированных микросхемах-счётчиках, применяемых в частности в схемах цифровых часов:

На К176ИЕ5 собран «секундный» генератор по типовой схеме, с кварцевым «часовым» резонатором 16,384 Гц. Конденсатор С2 — подстроечный, позволяет в некоторых пределах подстраивать частоту с необходимой точностью. Резистор R1 подбирается при настройке по наиболее устойчивому запуску и генерации схемы. Цепь С3 VD1 R2 формирует короткий импульс «сброса» всей схемы в начале каждого секундного периода счёта.

Транзистор VT2 работает как ключ: когда на его коллектор поступает постоянное напряжение питания от схемы «счёта» (уровень логической «1») - он пропускает импульсы от входного формирователя, которые затем поступают на десятичные счетчики и цифровые светодиодные индикаторы. Когда же на его коллекторе появляется уровень логического «0» - коэффициент усиления транзистора резко снижается и счёт входных импульсов прекращается. Эти циклы повторяются каждую 1 сек.

Вместо К176ИЕ5 можно применить также аналогичную по функциям микросхему К176ИЕ12:

В обоих случаях используется часовой кварц на частоту 16 348 Гц (такие часто применяются, например, в «китайских» электронных часах разных размеров и видов). Но можно поставить и отечественный кварц на 32768 Гц, тогда необходимо понизить частоту в два раза. Для этого можно использовать типовую схему «делителя на 2» на триггере К561ТМ2 (имеет два триггера в корпусе). Например, как показано на рисунке выше (обведено пунктиром). Таким образом на выходе получим необходимую нам частоту (секундные импульсы).

К коллектору транзистора-ключа (КТ315 на первой схеме) подключается узел счёта и индикации на микросхемах — десятичных счётчиках-дешифраторах и цифровых светодиодных индикаторах:

Вместо индикаторов АЛС333Б1 можно без каких-то изменений в схеме использовать АЛС321Б1 или АЛС324Б1. Или любые другие подходящие индикаторы, но с соблюдением их цоколёвки. Цоколёвку можно определить по справочной литературе или же просто «прозвонить» индикатор «батарейкой» на 9V с последовательно включенным резистором 1 кОм (по засвечиванию). Количество микросхем-дешифраторов и индикаторов может быть любым, в зависимости от общей необходимой разрядности счётчика (количества цифр в показаниях).

В данном случае были использованы три имеющихся в наличии малогабаритных знакосинтезирующих индикатора типа К490ИП1 - индикаторы управляемые цифровые, красного цвета свечения, предназначенные для применения в радиоэлектронной аппаратуре. Схема управления выполнена по КМОП технологии. Индикаторы имеют 7 сегментов и децимальную точку, позволяют воспроизвести любую цифру от 0 до 9 и децимальную точку. Высота знака 2,5 мм):

Данные индикаторы удобны тем, что имеют в своём составе не только сам индикатор, но и счётчик-дешифратор, что позволяет значительно упростить схему и сделать её очень малогабаритной. Ниже приведена схема счёта-индикации на таких микросхемах:

Как видно из схемы, эти МС требуют два отдельных питания - для самих светодиодных индикаторов и для схемы счётчиков-дешифраторов. Однако напряжения питания обоих «частей» МС одинаковы, поэтому и запитать их можно от одного источника. Но от напряжения питания «индикатора» (выводы 1) зависит яркость свечения «цифр», а величина напряжения питания схемы дешифраторов (выводы 5) оказывает некоторое влияние на чувствительность и стабильность работы этих МС в целом. Поэтому при настройке эти напряжения следует подбирать экспериментально (при питании от 9 вольт можно использовать дополнительные «гасящие» резисторы, чтобы несколько понизить напряжение). При этом следует обязательно зашунтировать все выводы питания микросхем конденсаторами ёмкостью 0,1-0,3 мкФ.

Для гашения «точек» на индикаторах следует отключить напряжение +5...9 V от выводов 9 индикаторов. Светодиод HL1 - это индикатор «переполнения» счётчика. Он загорается при достижении счёта цифры 1000 и в данном случае (при наличии трёх МС-индикаторов как на этой схеме) соответственно показывает количество единиц килогерц - в данном варианте счётчик в целом может посчитать и «показать» частоту 999 Гц. Для увеличения разрядности счётчика следует, соответственно увеличить количество микросхем дешифраторов-индикаторов. В данном случае подобных микросхем было в наличии только три, поэтому пришлось добавить дополнительный узел деления частоты на 3-х микросхемах К176ИЕ4 (или аналогичных микросхемах счётчиков-делителей на 10) и соответствующий переключатель. В целом схема получилась такая:

Переключатель также управляет включением/гашением «точек» на индикаторах для лучшего визуального восприятия отображаемого значения измеряемой частоты. Он ползунковый, сдвоенный, на четыре положение (такие применяются, например, в импортных магнитолах). Таким образом при разных положениях переключателя измерение и отображение частоты имеет следующие значения и вид:

«999 Гц» - «9.99 кГц» - «99.9 кГц» - «999. кГц». При превышении значения частоты 1 МГц загорится светодиод HL2, 2 МГц — загорится дважды и т. д.

Схема входной цепи

Большое значение при измерениях частоты имеет качество входного каскада — формирователя сигнала. Он должен иметь высокое входное сопротивление чтобы не оказывать влияния на измеряемую цепь и преобразовывать сигналы любой формы в последовательность прямоугольных импульсов. В данной конструкции применена схема согласующего каскада с полевым транзистором на входе:

Эта схема частотомера, конечно, не лучшая из возможных, но всё-таки обеспечивает более-менее приемлемые характеристики. Она была выбрана в основном исходя из общих габаритов конструкции, которая получилась очень компактная. Вся схема собрана в пластиковом корпусе-футляре от зубной щётки:

Микросхемы и прочие элементы запаяны на узкой полоске макетной платы и все соединения сделаны с помощью проводов типа МГТФ. При настройке входного каскада-формирователя сигнала следует подбором сопротивлений R3 и R4 добиться установления напряжения 0,1...0,2 вольт на истоке полевого транзистора. Транзисторы здесь можно заменить на аналогичные, достаточно высокочастотные.

Дополнения

Для питания частотомера можно использовать любой сетевой адаптер с выходным стабилизированным напряжением 9 вольт и током нагрузки не менее 300 мА. Либо установить в корпус частотомера стабилизатор на микросхеме типа КРЕН на 9 вольт и питать от адаптера с выходным напряжением 12 вольт, либо брать питание непосредственно от измеряемой схемы, если там напряжение питания не менее 9 вольт. Каждую микросхему необходимо зашунтировать по питанию конденсатором порядка 0,1 мкФ (можно подпаять конденсаторы прямо на ножки «+» и «-» питания). В качестве входного щупа можно использовать стальную иглу, припаянную к входной «площадке» платы, а «общий» провод снабдить зажимом типа «крокодил».

Данная конструкция была «создана» в 1992 году и успешно работает до сих пор. Андрей Барышев.

Обсудить статью ЦИФРОВОЙ ЧАСТОТОМЕР СВОИМИ РУКАМИ

Одним из приборов-помощников радиолюбителя должен быть частотомер. С его помощью легко обнаружить неисправность генератора, измерить и подстроить частоту. Генераторы очень часто встречаются в схемах. Это приемники и передатчики, часы и частотомеры, металлоискатели и различные автоматы световых эффектов…

Особенно удобно пользоваться частотомером для подстройки частоты, например при перестройки радиостанций, приёмников или настройки металлоискателя.

Один из таких несложных наборов я недорого приобрёл на сайте китайского магазина здесь: GEARBEST.com

Набор содержит:

• 1 x PCB board (печатная плата);
• 1 x микроконтроллер PIC16F628A;
• 9 x 1 кОм резистор;
• 2 x 10 кОм резистор;
• 1 x 100 кОм резистор;
• 4 x диоды;
• 3 x транзисторы S9014, 7550, S9018;
• 4 x конденсаторы;
• 1 x переменный конденсатор;
• 1 x кнопка;
• 1 x DC разъём;
• 1 x 20МГц кварц;
• 5 x цифровые индикаторы.

Описание частотомера

• Диапазон измеряемых частот: от 1 Гц до 50 МГц;
• Позволяет измерять частоты кварцевых резонаторов;
• Точность разрешение 5 (например 0,0050 кГц; 4,5765 МГц; 11,059 МГц);
• Автоматическое переключение диапазонов измерения частоты;
• Режим энергосбережения (если нет изменения показаний частоты — автоматически выключается дисплей и на короткое время включается;
• Для питания Вы можете использовать интерфейс USB или внешний источник питания от 5 до 9 В;
• Потребляемый ток в режиме ожидания — 11 мА

Схема содержит небольшое количество элементов. Установка проста — все компоненты впаиваются согласно надписям на печатной плате.

Мелкие радиодетали, разъемы и т.п. упакованы в небольшие пакетики с защелкой. Индикаторы, микросхема и её панелька для исключения повреждений ножек вставлены в пенопласт.

Принципиальная схема частотомера

Напряжение на выводах микроконтроллера

(измерения мультиметром)

Генератор для проверки кварцев

Приступаем к сборке

Высыпаем на стол содержимое пакета. Внутри находятся печатная плата, сопротивления, конденсаторы, диоды, транзисторы, разъемы, микросхема с панелькой и индикаторы.

Ну и вид на весь набор в полностью разложенном виде.

Теперь можно перейти к собственно сборке данного конструктора, а заодно попробовать разобраться, на сколько это сложно.

Я начинал сборку с установки пассивных элементов: резисторов, конденсаторов и разъёмов. При монтаже резисторов следует немного узнать об их цветовой маркировке из предыдущей статьи. Дело в том, что резисторы очень мелкие, а при таких размерах цветовая маркировка очень плохо читается (чем меньше площадь закрашенного участка, тем сложнее определить цвет) и поэтому также посоветую просто измерить сопротивление резисторов при помощи мультиметра. И результат будем знать и за одно его исправность.

Конденсаторы маркируются также как и резисторы.
Первые две цифры - число, третья цифра - количество нулей после числа.
Получившийся результат равен емкости в пикофарадах.
Но на этой плате есть конденсаторы, не попадающие под эту маркировку, это номиналы 1, 3 и 22 пФ.
Они маркируются просто указанием емкости так как емкость меньше 100 пФ, т.е. меньше трехзначного числа.

Резисторы и керамические конденсаторы можно впаивать любой стороной — здесь полярности нет.

Выводы резисторов и конденсаторов я загибал, чтобы компонент не выпал, лишнее откусывал, а затем опаивал паяльником.

Немного рассмотрим такой компонент, как — подстроечный конденсатор. Это конденсатор, ёмкость которого можно изменять в небольших пределах (обычно 10-50пФ). Это элемент тоже неполярный, но иногда имеет значение как его впаивать. Конденсатор содержит шлиц под отвертку (типа головки маленького винтика), который имеет электрическое соединение с одним из выводов. Чтобы было меньше влияния отвертки на параметры цепи, надо впаивать его так, чтобы вывод соединенный со шлицом, соединялся с общей шиной платы.

Разъемы — сложная часть в плане пайки. Сложная не точностью или малогабаритностью компонента, а наоборот, иногда место пайки тяжело прогреть, плохо облуживается. Потому нужно ножки разъёмов дополнительно почистить и облудить.

Теперь впаиваем кварцевый резонатор, он изготовлен под частоту 20МГц, полярности также не имеет, но под него лучше подложить диэлектрическую шайбочку или приклеить кусочек скотча, так как корпус у него металлический и он лежит на дорожках. Плата покрыла защитной маской, но я как то привык делать какую нибудь подложку в таких случаях, для безопасности.

Длительность пайки каждой ножки не должна превышать 2 сек! Между пайками ножек должно пройти не менее 3 сек на остывание.

Ну вот собственно и всё!

Теперь осталось смыть остатки канифоли щёткой со спиртом.

Теперь красивее 🙂

Осталось правильно вставить микросхему в свою «кроватку» и подключить питание к схеме.

Питание должно быть В пределах от 5 до 9 В — постоянное стабилизированное без пульсаций. (В схеме нет ни одного эл.конденсатора по питанию.)

Не забудьте у микросхемы есть с торца ключ — он располагается у вывода №1! Не следует полагаться на надпись названия микросхемы — она может быть написана и к верх ногами.

При подключении питания и отсутствия сигнала на входе высвечивается 0 .

Первым делом нашёл кучу кварцев и начал проверять. Следует отметить, что частота кварца, например 32,768 кГц не может быть измерена, т.к. измерение ограничивается в диапазоне от 1 МГц.

Можно измерить, например 48 МГц, но следует иметь ввиду, что будет измерены гармонические колебания кварцевого генератора. Так 48 МГц будет измерена основная частота 16 МГц.

Подстроечным конденсатором можно подстроить показания частотомера по эталонному генератору или сравнить с заводским частотомером.

Режим программирования частотомера позволяет вычесть четыре основные запрограммированные ПЧ частоты 455 кГц; 3,9990 МГц; 4,1943 МГц; 4,4336 МГц; 10,700 Гц, а также любую собственную частоту.

Таблица алгоритма програмирования

Чтобы войти в режим программирования (Prog ) нужно нажать и удерживать кнопку в течении 1-2 сек.

Затем нажимаем кнопку и поочередно пролистываем меню:

«Quit » — «Выход »: прерывает режим программирования, ничего не сохраняя.

«Add » — «Добавление »: сохранение измеренной частоты и в дальнейшем эта частота будет складываться с измеряемыми частотами.

«Sub » — «Вычитание »: сохранение измеренной частоты и в дальнейшем она будет вычитаться с измеряемыми частотами.

«Zero «- «Ноль » — обнуляет все ранее запрограммированные значения.

«table » — «Таблица «: в этой таблице можно выбрать основные запрограммированные частоты 455 кГц; 3,9990 МГц; 4,1943 МГц; 4,4336 МГц; 10,700 Гц. После выбора записи (длительное нажатие), вы вернетесь в «Главное меню» и выберите пункт «Add » — «добавить » или «Sub » — «убавить «.

«PSave » / «NoPSV «: включает / отключает режим энергосбережения. Дисплей отключается если нет изменения частоты некоторое время.

Если показания сильно отличаются, то возможно включена предустановка. Чтобы её отключить войдите в режим программирования и затем нажимая кнопку выберите «Zero» и удерживайте пока не начнёт мигать, затем отпустите её.

Интересный обучающий конструктор. Собрать частотомер под силу даже начинающему радиолюбителю.

Качественно изготовленная печатная плата, прочное защитное покрытие, небольшое количество деталей благодаря программируемому микроконтроллеру.

Конструктор приятно порадовал, я считаю его хорошей базой как в получении опыта сборки и наладки электронного устройства, так и в опыте работы с немало важным для радиолюбителя прибором - частотомером.

Доработка частотомера

Внимание! В заключение хочется отметить, что входной измеряемый сигнал подаётся непосредственно на вход микросхемы, поэтому для лучшей чувствительности и главное, защиты микросхемы нужно добавить по входу усилитель-ограничитель сигнала.

Можно спаять один из предложенных ниже.

Сопротивление R6 на верхней и R9 на нижней схеме подбирается в зависимости от напряжения питания и устанавливается на его левом выводе 5 В. При питании 5 В сопротивление можно не ставить.

… или простой, на одном транзисторе:

Номиналы сопротивлений указаны при питании 5В. Если у Вас питание усилителя другим напряжением, то подберите номинал R2,3 чтобы на коллекторе транзистора было половина питания.

Схема похожего частотомера с входным каскадом усилителя.

Вторая доработка. Для увеличения измеряемого потолка частоты можно собрать к частотомеру делитель частоты. Например, схемы ниже: