Частотомер на Интегральных Микросхемах серии К155. Цифровой частотомер Принцип работы частотомера

ЦИФРОВОЙ ЧАСТОТОМЕР

Один из необходимых приборов измерительной лаборатории начинающего радиолюбителя - цифровой частотомер. Почти четыре года назад в нашем разделе уже публиковалось описание сравнительно простого частотомера, выполненного на микросхемах серии К155 (см. статью В. Борисова и А. Партина «Частотомер с цифровой индикацией» в «Радио», 1985, № 11, с. 49-51; N9 12, с. 49-51). Как показала читательская почта, к этой конструкции начинающие радиолюбители проявили большой интерес. Многие из них собрали частотомер и остались довольны его работой.

Сегодня предлагаем вниманию читателей другой вариант прибора, выполненный на микросхемах серии К176. Его разработали радиокружковцы станции юных техников г. Березовский Свердловской обл. под руководством автора статьи Вадима Васильевича Иванова.

Предлагаемый цифровой частотомер позволяет измерять частоту электрических колебаний в пределах

100...99 999 Гц и может быть использован при настройке различных генераторов, электронных часов и многих других конструкций. При этом на частотомер нужно подавать сигнал амплитудой не менее 1 В и не более 30 В.

Познакомимся сначала со структурной схемой частотомера (рис. 1). Измеряемый входной сигнал fx поступает через переключатель SB1 на первый узел частотомера - формирователь импульсов. В нем сигнал преобразуется в импульсы прямоугольной формы, частота следования которых соответствует частоте входного сигнала.

Далее преобразованный сигнал поступает на один из входов электронного ключа. На второй вход ключа подается с управляющего устройства сигнал измерительного интервала времени, удерживающий ключ в открытом состоянии в течение 1 с. В результате на выходе электронного ключа, а значит, на входе счетчика импульсов появляется пачка импульсов. Логическое состояние счетчика, в котором он оказывается после закрывания ключа, отображает узел цифровой индикации в течение интервала времени, устанавливаемого управляющим устройством.

Генератор образцовой частоты необходим для формирования точных временных интервалов, контроля правильности работы частотомера, формирования импульса сброса показаний счетчика (обнуления) по окончании времени индикации показаний.

Принципиальная схема частотомера приведена на рис. 2. В нем использовано пять транзисторов, восемь микросхем и пять (по числу разрядов) семисегментных люминесцентных индикаторов.

В микросхему К176ИЕ12 (DD1), предназначенную для электронных часов, входит генератор, рассчитанный на совместную работу с внешним кварцевым резонатором ZQ1 на частоту 32 768 Гц. Делители частоты микросхемы делят частоту генератора до 1 Гц. Эта частота, формируемая на выводе 4 микросхемы, и является образцовой.

В микросхеме К176ЛЕ5 (DD2) четыре логических элемента 2ИЛИ-НЕ, а в микросхеме К176ТМ1 (DD3) -два

D-триггера. Один из элементов 2ИЛИ-НЕ выполняет функцию электронного ключа (DD2.4), а три других и оба D-триггера работают в устройстве управления.

Каждая из микросхем К176ИЕ4 (DD4-DD8) содержит декадный счетчик импульсов, т. е. счетчик до 10, и преобразователь (дешифратор) ее ло¬

гического состояния в сигналы управления семисегментным индикатором. На выходах а -g этих микросхем формируются сигналы, обеспечивающие свечение цифр индикаторов HG1 - HG5 в зависимости от логического состояния счетчиков. Микросхема DD4 и индикатор HG1 образуют младший счетный разряд, а микросхема DD8 и индикатор HG5 - старший счетный разряд частотомера. В конструкции прибора индикатор HG5 должен быть крайним слева, a HG1 - крайним справа.

Формирователь импульсного напряжения собран на транзисторах VT1 - VT4. Сигнал fx, поданный на его вход через гнездо XI, переключатель SB1, конденсатор С1 и резистор R1, усиливается и ограничивается по амплитуде дифференциальным каскадом на транзисторах VT1 и VT2. С резистора нагрузки R5 сигнал поступает на базу транзистора VT3 второго каскада, работающего как инвертор. Резистор R8, создающий между этими каскадами положительную обратную связь, обеспечивает им триггерный

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.

В.Г. Борисов. Кружок радиотехнического конструирования

Настройка микропроцессорной аппаратуры, конструирование КВ трансиверов, цифровых приемников, ремонт электронных
игрушек, телевизоров, видеомагнитофонов — вот далеко неполный перечень приборов, нуждающихся в простом высокочастотном цифровом частотомере.

Основные технические характеристики

• Напряжение питания………………………………5 В
• Ток потребления…………………………….>150 мА
• Разрядность (с возможностью расширения)…..8
• Чувствительность …………………………..0,5.30 В
• Диапазон измерения частоты ………..1.9999 кГц
• Входное сопротивление ………………..10 МОм

Промышленность выпустила простейший цифровой счетчик (большая интегральная схема КР1044ИЕ1) для измерения частоты сигналов (pис.1). Но, к сожалению, достать эту МС нелегко, поэтому автор собрал частотомер на 9 микросхемах и 6 транзисторах (рис.2).

Сигнал, частоту которого надо измерить, через гнезда XS1, «Вход» и конденсатор С1 поступает на вход формирователя, собранного на полевом транзисторе VT1 и биполярных VT2, VT3. Непосредственная связь биполярных транзисторов разной структуры с истоковой и стоковой цепями полевого транзистора обеспечивает формирователю триггерный режим работы. В результате на коллекторе транзистора VT3 этого узла формируются импульсы прямоугольной формы, частота следования которых соответствует частоте входного сигнала. Входное сопротивление формирователя около 10 МОм, полоса частот от 1 до 30 МГц, коэффициент усиления 10 .

Для точного определения частоты до 10 МГц длительность измеряемого импульса должна быть 0,5 с, при этом погрешность измерения составит 10 в -7степени. Для формирования импульса измерения в схеме применена DD1 К176ИЕ5 с часовым кварцевым резонатором 32768 Гц.

Совместная работа DD1 и DD5 построена таким образом, чтобы интервал измерения длился 0,5 с, а интервал индикации 1,5 с (рис.3,г. счет-индикация (индикация при включении VT5); рис.3,е. импульс сброса должен опережать импульс счета, поэтому интегрирующая цепочка R6С5 сдвигает импульс счета и с помощью DD5 организуется алгоритм сброс счет/индикация с различными временными интервалами). Импульс сброса снимается с выв.5 DD5.1 и через дифференцирующую цепочку C9R13 подается на DD6.DD9. Импульс счета формируется DD3.1, на вход которой приходит импульс, сдвинутый на 0,5 с, и импульс переключения счет-индикация выв.9 DD5.2.
Делитель частоты поступаемого сигнала собран на быстродействующих счетчиках DD2.DD4 (тактовая частота 77 МГц, коэффициент деления 500, импульс счета 0,5 с, общий коэффициент деления 1000 (так как интервал счета дает деление на 2). Счетчики-дешифраторы DD6.DD9 позволяют делить частоту на 10, и результат деления отображается на ЖКИ индикаторе.

Потребление тока незначительно благодаря применению МС серии 176 (561) и ЖКИ индикатору.

Настройка частотомера.

Входной каскад VT1-VT3 необходимо собрать на отдельной экранируемой плате (можно навесным монтажом) и проверить работу в диапазоне частот от 1 кГц до 10 МГц с помощью ГСС. Регулируя емкость конденсатора С4 и подстраивая R6, устанавливают эталонную частоту 1 Гц на выв.5 DD1, а на выв.3 DD3.1 — длительность импульса 0,5 с. при этом на выв.5 DD6.DD9 должны поступать импульсы сброса достаточной длительности для сброса счетчиков. С помощью эталонной частоты и осциллографа необходимо убедиться в правильной работе делителя частоты DD2.DD4. Можно изменять параметры конденсаторов С6-С8, С10 (указанные емкости должны иметь хороший ТКЕ и малую утечку и индуктивность).
Микросхемы DD2.DD4 можно заменить на зарубежные аналоги НС4520, DD3 — на 74АС00.
Литература РАДІОАМАТОР 9.2000

• Похожие статьи

Войти с помощью:

Случайные статьи

• 07.05.2019

  На аудиопроцессоре TDA7468 совместно с Arduino можно собрать высоко качественный регулятор тембра и громкости. Аудипроцессор имеет 4 стерео входа и один стерео выход. Аудиопроцессор имеет следующие характеристики: Напряжение питания 5…10 В (9 В рекомендуемое) КНИ не более 0.01% Отношение сигнал.шум 100 дБ Разделение каналов 90 дБ Ток потребления 9 мА …