Электрификация

Справочник домашнего мастера

Входной формирователь для частотомера


В радиолюбительской литературе опубликовано немало схем различных частотомеров, но на что обращаешь внимание сразу, так это на то, что авторы, в большинстве своем,сосредотачиваются на цифровой части прибора, уделяя минимум внимания входному узлу. А ведь входной узел частотомера это не менее ответственная деталь чем счетчик или узел управления.

От качества входного узла зависит точность измерения, поскольку необходимо измерять не только частоту синусоидальных или прямоугольных импульсов, но и более сложной формы. Потому что простой формирователь, выполненный по схеме ограничителя будет ловить не все полуволны сложного сигнала. Кроме того требуется высокая чувствительность и широкий динамический диапазон при достаточной широкополосности.

Для измерения сигналов высокой частоты требуется входной узел, снабженный делителем частоты, при помощи которого можно будет измерять частоту сигналов, значительно превышающую верхнюю граничную частоту цифровой части частотомера.
На рисунке 1 приводится схема относительно простого усилителя-формирователя, который отлично работает с синусоидальным сигналом и достаточно хорошо с сигналом сложной формы. Чувствительность входа 0,2 V, входное сопротивление 15-20 кОм. Максимальный уровень входного сигнала 30V. Полоса частот 5Гц…100МГц. При питании от источника напряжением 5V формирователь формирует импульсы, которые можно подавать на входы микросхем ТТЛ или на входы микросхем КМОП, питаемых напряжением 5…6V.
На рисунке 2 приводится относительно простая схема входного устройства с делителем частоты на 10. Этот блок можно включить последовательно с блоком, приведенным на рисунке 1 или использовать самостоятельно, подавая импульсы с его выхода на вход микросхем типа ТТЛ. Узел содержит усилитель-ограничитель на транзисторе VT1 и высокочастотный делитель на 10 на микросхеме КС193ИЕ3. Чувствительность входа 0,1V, входное сопротивление 8 кОм, полоса входных частот 1…400 МГц. Узел предпочтительно использовать для измерения частоты синусоидальных сигналов.

Разгон частотомера до 105 МГц без делителя.


За основу взят частотомер Хлюпина. Он достаточно совершенен, а писать прошивку самому лень.
Как правило частотомеры на PIC16F628А имеют верхний порог в 50-60Мгц. Хлюпин же утверждает, что его частотомер может измерять до 95 МГц, и это правда.
Дело оказывается не в контроллере, а в неудачных входных формирователях применённых в большинстве конструкций.
У Хлюпина для увеличения крутизны полевого транзистора к нему подключён биполярный, что позволило в несколько раз снизить выходное сопротивление каскада, и уменьшить падение напряжения под нагрузкой V3 Триггер шмидта выступает как дополнительный усилитель. Но параметры частотомера можно и улучшить.
Делитель частоты td6358 потребляет около 80мА, поэтому питание прибора от кроны безсмысленно. При питании от сети целесообразно питать входной формирователь повышенным напряжением, а значит можно подобрать оптимальные режимы по постоянному току и получить максимально возможный Ку.
Параметры входа до 100Мгц.
Чувствительность на частоте
10Мгц — 20мВ.
70МГц — 100мВ.
105МГц — 500мВ.
макс. входное напряжение на частотах
до 100кГц — 200В
до 1Мгц — 50В
до 100МГц — 7В
Схема прибора

Многокаскадные широкополосные усилители склонны к самовозбуждению из-за паразитной ОС, даже если явной обратной связи нет. Проявляется это как резкое снижение чувствительности на НЧ (обычно ниже 100 кгц), и отсутствие нулевых показаний при короткозамкнутом входе. Формирователь с одним каскадом усиления напряжения подобными проблемами не страдает. Для получения необходимого усиления он питается повышенным напряжением, что позволило подобрать режим с максимальным модулем К передачи на ВЧ.

Напряжение питания составляет 10В( так как напряжение больше 13-14В взять негде), что даёт возможность измерять частоты до 100 — 105Мгц. Если не предполагается работа в качестве шкалы его можно питать нестабилизированным напряжением. При питании 13,5В частотомер работает на частотах до ~110Мгц.
На частотах до 80 МГц удобней пользоваться НЧ входом, так как td6358 шунтирует гетеродины низким входным сопротивлением, вызывает срыв колебаний. Выше 80 начинает выигрывать td6358 из-за более высокой чувствительности на этих частотах, при гораздо меньшей точности, естественно.
Через частотнозависимый ограничитель на r6c4vd1vd2 сигнал поступает на повторитель с выходным сопротивлением менее 100 Ом. Здесь требуется транзистор с максимально возможной крутизной ВАХ. Применение повторителя ограничивает чувствительность на уровне 20мв, зато на вч он выигрывает у усилителей напряжения, которые из за высокого выходного сопротивления имеют ещё меньший К передачи, ведь входное сопротивление следующего каскада не более пары десятков Ом. Таким образом чувствительность такого формирователя более линейна во всём диапазоне частот.
Усилитель напряжения сделан на кт399 имеющем более высокий модуль К передачи на ВЧ чем кт368, чувствительность на вч заметно выше, а вот на НЧ несколько ниже чем с 368. Для получения максимального усиления ток покоя каскада выбран около 10мА, ВЧ дроссель l1 увеличивает коллекторное сопротивление в два раза на 100МГц, что так же даёт некоторый выигрыш. Резистивный делитель задаёт необходимое смещение, хотя триггер шмидта может работать и без него.
Далее сигнал поступает на коммутатор вч/нч входов на сдвоенном тумблере МТ-1, второй контакт переключает контроллер в режим умножения на 256, который выставляется в меню прибора. Далее на триггер шмидта. На НЧ он не нужен, на на вч очень кстати, оригинальный частотомер Хлюпина диапазоном частот обязан именно ему.
Делитель и формирователь на отдельных платах. Платы крепятся прямо на входных разъёмах. Контроллер и триггер шмидта на макетке закреплена поверх индикатора, источник питания навесным монтажом. Переключатель соединяется с платами витой парой МГТФ.
Для удобства нч вход выполнен на клеммах. При измерении вч, провода нужно свивать в витую пару.
Вид на монтаж:


Для входа в меню нужно нажать нажать все три кнопки. Кноками 0.1 и 1 выполняется перебор, 10- подтверждение с переходом в следующий пункт.
Структура меню:
1-Время измерения по умолчанию
2-номер делителя(вкл. соединением выводов 8/9 на землю) и К деления(должен быть включен)
3-знак и номер ПЧ(6/7 на землю)
4-номинал выбранной пч(после подтверждения надпись «—- SETUP ——«)
через 3 секунды бездействия выход из меню.
Для калибровки нажать кнопку 10 на 3 сек. далее кнопками вводится истинная частота кварца. Гораздо удобней настроиться конденсатором.
Оригинальное описание Хлюпина
Оригинальные прошивки, платы

Частотомер. Виды и устройство. Работа и применение. Особенности

Частотомер представляет собой специализированный измерительный прибор, созданный для определения частоты, то есть периода колебаний электросигнала. Частота – один из основных показателей тока. Она определяет число колебаний за определенный временной цикл. Измеряется частота в герцах, она обратно пропорциональна периоду колебаний. Элементы оборудования, работающие на электрическом токе, должны работать на токах определенной частоты. Именно поэтому так важны устройства для определения частоты протекающего тока.

Зная частоту, можно своевременно настроить, обслужить, диагностировать и выполнить регулировку оборудования разнообразного назначения, осуществить контроль протекания технологических процессов. Приборы для измерения частоты могут иметь разное конструктивное исполнение, что определяется их назначением и особенностями работы. Подобные приборы требуются во многих областях науки и промышленности. Особенное значение приборы для измерения частоты имеют в телекоммуникационной, радиоэлектронной и электротехнической деятельности.

Виды

Частотомер, исходя из метода измерения, может быть двух типов:
  1. Аналоговые, которые предназначены для оценки частоты.
  2. Приборы сравнения, к которым относятся резонансные, гетеродинные, электронно-счетные устройства и так далее.

Аналоговые устройства предназначены в основном для определения колебаний синусоидального характера. Приборы сравнения применяются для измерения дискретных частот, гармонических параметров и так далее. Подобные устройства используются в большей части случаев для измерения частоты гармонического характера, находящихся в диапазоне 20-2500 Герц. Однако они имеют ограниченность использования, что вызвано невысокой точностью и высокой потребляемой мощностью.

В зависимости от типа конструктивного исполнения устройства бывают стационарными, переносными, либо щитовыми. Конкретный тип конструкции определяется областью применения устройства.

Больше всего распространены устройства прямого отсчета, то есть цифровые устройства. Они позволяют с удобством и высокой точностью измерять необходимые параметры частоты. Главная их особенность в том, что они подсчитывают число импульсов, поступающих от входного формирователя за конкретный период времени. Данный прибор способен измерить не только частоту, но также периоды времени и число импульсов.

Цифровые устройства позволяют выполнять с большой точностью исследования частот импульсного и гармонического характера в пределах 10 Гц – 50 ГГц. Подобные приборы в основном применяются для измерения частот, временных параметров.

По принципу действия подобный частотомер можно классифицировать на 4 группы:
  1. Устройства средних значений, которые являются наиболее распространенными. При помощи этих устройств можно измерять среднее значение частоты за определенное время. Пределы измеряемых частот составляют от 10 герц до 100 мегагерц. При использовании специальных преобразователей данный предел можно расширить до 1000 мегагерц.
  2. Устройства мгновенных значений. При помощи них можно узнать частоту в узком диапазоне. Подобные приборы чаще всего применяют для измерения инфранизких и низких частот.
  3. Устройства номинальных значений применяются с целью исследования изменений частот в узких пределах. Процентные устройства измеряют частоту в относительных единицах.
  4. Следящие устройства лучше всего подходят для измерения средних частот. Они измеряют частоту непрерывно. Если говорить прямо, то все электронные, а также электромеханические устройства являются следящими. К их преимуществам можно отнести возможность создания отчетов в каждый момент времени. К следящим устройствам также относятся и многие цифровые приборы.

В отдельную категорию можно выделить устройства, которые расширяют функционал следящих устройств. Это могут быть сервисные или универсальные приборы. Сервисные устройства имеют малые габариты, так как в них применяются интегральные схемы. Чаще всего они применяются в качестве автономных устройств, переносных, а также встроенных агрегатов в структуре автоматизированных систем. Их можно использовать для измерения разных величин.

Универсальные аппараты в большинстве случаев многофункциональны. Они имеют конструкцию, которая позволяет задействовать сменные блоки. Благодаря этому можно существенно повысить их функциональность. Специализированные устройства заточены под конкретные параметры измерений, поэтому в большей части случаев у них более простая конструкция.

Устройство

Частотомер может иметь разное конструктивное исполнение. К примеру, электронно-счетное устройство выделяется блочно-модульным исполнением. Его базу составляет кроссплата, где монтируются модульные платы. От них выходят проводники на управляющие и индикаторные элементы, в том числе входящие и выходящие разъемы. Лампы и индикаторы находятся в модуле, которой расположен за панелью. Индикация осуществляется динамически.

В отдельной кассете находится блок питания и генератор. Имеется возможность подключить внешний генератор. Для защиты от перегрева используется термостат. Вычисление осуществляется с помощью декад и делителей. Кроме того, в состав устройства входят умножитель, узел сброса и самонастройки, автоматический блок и входной формирователь. В качестве элементной базы для этих элементов используются транзисторы. Подобные устройства уже считаются устаревшими, но все равно иногда применяются.

Самый простой частотомер производится на базе микросхем. В качестве входного элемента используется триггер Шмидта, трансформирующий напряжение синусоидального характера в импульсы одинаковой частоты. Чтобы триггер нормально работал, требуется конкретная амплитуда входного сигнала. Важно, чтобы она не была выше заданной величины. Чтобы повысить чувствительность, в устройстве может применяться дополнительный усилитель входящего сигнала. К примеру, для этого может быть использован полупроводниковый транзистор малой мощности либо аналоговая микросхема.

Когда колебания проходят через конденсатор, происходит усиление его показателей посредством второго конденсатора. После этого колебания направляются на вход триггера. Следующий конденсатор убирает обратную связь. Чтобы пользователь мог увидеть показатели частоты, используются стрелочные приспособления, а также подсвечиваемая шкала.

Принцип действия

Частотомер позволяет определить частоту тока в элементе какого-нибудь оборудования. Например, Вам надо получить схему, которая состоит из 2-х блоков: передатчика и приемника. До готовности передатчика можно задействовать генератор сигналов. Большинство генераторов способно обеспечить создание сигналов с разными параметрами.

Чтобы точно определить частоту сигнала необходимо подключить генератор к входу устройства для измерения частоты. У ряда генераторов имеются встроенные модули, предназначенные для определения частоты. Цифровой частотомер использует счетно-импульсный принцип, благодаря которому счетный блок подсчитывает число импульсов, поступающих на вход за конкретный период времени. То есть устройство осуществляет подсчет числа импульсов, период времени определяется с помощью опорных частот.

На входе устройства измеряемое колебание усиливается, превращаясь в последовательность усиленных импульсов с такой же частотой, которую и необходимо измерить. В то же время кварцевый генератор создает последовательность эталонных импульсов, которые приводят к старту схемы управления. В качестве нее выступает стробирующая схема. Она задает стандартное время измерений, за которое подаются колебания на вход. Счетчик устройства подсчитывает импульсы за данный период времени. Их количество выводится на цифровом индикаторе. В случае необходимости нового измерения имеется кнопка, которая направляет сигнал на схему сброса. Она ставит счетчик в нулевое положение.

Применение

Универсальный частотомер в большинстве случаев используется для автоматизированного определения частоты, непрерывности сигналов, времени, пика напряжения, которое является входящим. Также устройство применяется с целью исследования времени прохождения импульсов, времени, фазового сдвига между сигналов, исследования отношений частотных характеристик, подсчитывания количества импульсов.

Частотомер в большей части случаев используется с целью настраивания, испытания и калибрующих работ в разнообразных устройствах. К примеру, это могут быть преобразователи, генераторы, фильтрующие устройства. Частотомеры часто применяют для настраивания оборудования связи и так далее. Они довольно часто применяются в связном деле, измерительной технике, навигации, локации, ядерной физике, электронике, а также при создании, изготовлении и эксплуатации радиоэлектронных устройств.

БЛОГ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА

Для измерения частоты переменного тока применяется стрелочный ферродинамический частотомер, имеющий шкалу, отградуированную от 45 до 55 Гц, и состоящий .из двух частей: измерительного прибора и добавочного устройства к последнему. Принципиальная схема частотомера изображена на рис. 1.
Основными элементами схемы являются: неподвижный резонансный контур, подвижная рамка, создающая вращающий момент, и подвижная рамка, создающая противодействующий момент («электрическая пружинка»).
Резонансный контур состоит из четырех неподвижных катушек S, надетых на магнитопровод (на схеме не показан); дросселя L1 переменной индуктивности, двух конденсаторов С1 и добавочных сопротивлений R4, R5 и R6. Этот контур настроен на частоту 50 Гц. Ток I в неподвижных катушках при резонансной частоте совпадает по фазе с напряжением сети.
Вращающий момент создается взаимодействием тока I резонансного контура с током I1, протекающим через катушку рамки W1, включенную последовательно с добавочным сопротивлением R2 на зажимы шунта R1. В цепь подвижной рамки W1 включен конденсатор С2, поэтому ток в рамке I1 на 90° опережает напряжение сети.
Вращающий момент прибора пропорционален произведению токов в неподвижной и подвижной катушках на косинус угла между токами. При резонансной частоте угол между токами I и I1 равен 90°, косинус угла равен нулю, следовательно, и вращающий момент прибора также равен нулю.

Рис. 1 С изменением частоты резонанс нарушается, угол между токами I и I1 изменяется и появляется вращающий момент. Подвижная часть прибора при этом поворачивается и увлекает скрепленную с ней рамку W2 и стрелку прибора.
Рамка W2 через сопротивление R3 замкнута на дроссель L2. Когда обмотка рамки пересекает переменное магнитное поле, в ее обмотке возникает ток І2. В результате взаимодействия этого тока с магнитным потоком создается момент, противодействующий повороту рамки. При равенстве вращающего и противодействующего моментов наступает равновесие. Каждому значению частоты соответствует вполне определенная точка на шкале прибора.
Добавочное устройство имеет пять зажимов; два для подсоединения к двум фазам сети и три для подсоединения к измерительному прибору.

ЦИФРОВОЙ ЧАСТОТОМЕР СВОИМИ РУКАМИ

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.

Форум

Обсудить статью ЦИФРОВОЙ ЧАСТОТОМЕР СВОИМИ РУКАМИ

admin

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Наверх