Является двух диапазонным частотомером (измерителем частоты ) с ЖКИ и может быть использовано в качестве узла радиолюбительской аппаратуры либо отдельного устройства. Частотомер имеет ряд полезных возможностей:
- установка смещения;
- автоматическое/фиксированное нормирование частоты;
- установка уровня срабатывания;
- калибровка;
- настройка контрастности ЖКИ.
Основные технические характеристики
- Напряжение питания 8 В … 15 В
- Потребляемый ток на 12В, не более, мА 90
Низкочастотный вход
- Диапазон входных напряжений 0 B … 5 В
- Частота сигнала 1,1 Гц... 32 МГц (1,1 Гц... 12 МГц без применения дополнительных схем на входе)
Высокочастотный вход
- Тип входа 50 Ом
- Диапазон входных напряжений 0,0 B … 1,5 B
- Частота сигнала 0,5 МГц... 960 МГц (100 МГц... 960 МГц без применения дополнительных схем на входе)
Относительная погрешность измерения, не более 0,001
Рабочая температура окружающей среды, град Цельсия плюс 10 … плюс 55
Схема электрическая принципиальная приведена на рис.1
Описание работы узлов частотомера
Система на кристалле
Основным элементом частотомера является микросхема IC4 - система на кристалле CY8C27543-24AXI фирмы Cypress. Благодаря наличию специализированных встроенных цифровых и аналоговых блоков данная микросхема легко реализует следующие функции:
- вычисление частоты импульсов, поступающих на входы P2.2 (НЧ канал) и P2.0 (ВЧ канал);
- выдача опорных напряжений для компаратора (P0.5 – ВЧ канал, P0.3 – НЧ канал);
- обработка по прерыванию нажатий на кнопки управления K1…K3;
- управление ЖКИ индикатором.
Тактирование микросхемы обеспечивается встроенным высокочастотным генератором, использующим в качестве опоры внешний часовой кварц ZQ1 типа KX-327ST 32.768 kHz.
Питание
Питание устройства подается через разъем DJK-02A XS3, при этом диод SM4002 VD1 защищает от переполюсовки. Микросхема линейного стабилизатора MC7805CDT IC3 понижает входное напряжение до рабочего 5В, а керамические и электролитические конденсаторы обеспечивают необходимую фильтрацию для надежной работы устройства.
Компаратор
Компаратор MAX962EUA IC2 обеспечивает необходимые характеристики фронтов сигналов для правильной обработки их системой на кристалле. При этом для каждого входного канала используется собственное опорное напряжение, настроить которое можно только для НЧ канала. Для ВЧ канала опорное напряжение фиксировано и определяется характеристиками микросхемы делителя. Дополнительно на входе НЧ канала применена схема защиты на основе резистора R1 и сборки диодов Шоттки BAT54S VD2.
Высокочастотный делитель
Для вычисления частоты сигнала поступающего на ВЧ канал применена микросхема MC12080D IC1 - делитель с коэффициентом 80. Входное сопротивление ВЧ входа стандартно и равно 50 Ом.
ЖКИ
Жидкокристаллический индикатор WH1602D-TML-CT LCD в двустрочном режиме отображает различную информацию: входные частоты каналов и меню, в котором возможно настроить и откалибровать устройство в случае необходимости.
При подаче напряжения питания автоматически включается подсветка, что позволяет работать с устройством даже при плохой освещенности.
Математическое обоснование
При разработке частотомера применены следующие методы вычисления частоты:
- подсчет опорных импульсов высокой частоты за период входного сигнала для измерения низкочастотных сигналов;
- подсчет количества периодов входного сигнала за опорный промежуток времени для измерения высокочастотных сигналов.
В первом случае относительная погрешность измерений равна (x/n) (зеленый график), где x-входная частота, а n = 24000000 (опорная частота). Во втором – (k/x) (красный график), где k = 3 (обновлений в секунду), а х – входная частота.
Розовой штрихпунктирной линией показан уровень относительной погрешности равный 0,0005 (в два раза лучше заявленной).
Вертикальная голубая линия обозначает границу работы алгоритма вычисления частоты. Абсцисса этой линии – примерно 8485 Гц.
При проведении расчетов не учитывается относительная погрешность внутреннего генератора системы на кристалле ввиду того, что она равна погрешности применяемого часового кварца и составляет десятки миллионных долей.
В любой радиолюбительской лаборатории просто необходим прибор для измерения частоты, который позволит в разработке, конструировании, производстве, изготовлении, ремонте, регулировке и настройке различных электронных устройств.
Малогабаритный частотомер
Приведена схема малогабаритного частотомера среднего класса точности, удовлетворяющего большинство потребностей радиолюбителя, состоит из небольшого количества деталей, сконструирован в виде щупа, что очень необычно для частотомера и удобно.
О напряжении питания микросхем DD6-DD10, DD2.
Чертеж возможного варианта печатной платы малогабаритного частотомера Пузырькова.
Портативный частотомер
В любой радиолюбительской лаборатории просто необходим прибор для измерения частоты. Что необычно, в конструкции этого частотомера предусмотрена возможность слухового контроля измеряемой частоты с помощью пьезоэлектрического излучателя, а так же есть сервис самодиагностики исправного состояния.
Чертеж возможного варианта печатной платы портативного частотомера Токарева.
Доработанный вариант частотомера, в результате чего он превратился в измеритель емкости от 50 пФ до 5 мкФ.
Предварительный делитель частоты
Электронные частотомеры, собранные на широко-распространенных микросхемах структуры КМОП при всех своих преимуществах (простота схема-построения, малое энергопотребление, малые массо-габаритные свойства) имеют один существенный недостаток: низкая верхняя граница измерения частоты (несколько мегагерц), что сильно ограничивает их область применения. Но для этих целей совсем необязательно обзаводиться высокочастотным прибором. Можно адаптировать имеющийся радиолюбительский частотомер, предварительно уменьшив частоту входного сигнала в какое-то заведомо известное число раз, тем самым подняв граничную частоту прибора до 250 МГц. Описываемое устройство можно так же использовать совместно с осциллографом для этих же целей.
Большинство любительских частотомеров строятся по типовой схеме, когда есть время счета в течении которого производится подсчет периодов за это время (при этом индикаторы обычно погашены), затем следует время индикации - время в течении которого вход декадного счетчика заблокирован и светятся индикаторы, затем следует погасание индикаторов и обнуление счетчика, и процесс циклически повторяется. Несмотря на свою распространенность такой способ измерения частоты имеет существенные недостатки.
Во-первых
, весь процесс измерения, по времени, в большей степени состоит из времени счета и времени индикации, что при измерении низких частот может в сумме составлять 2-3 секунды.
Во-вторых
, индикаторы постоянно мигают, что тоже не очень приятно.
Предлагаемая конструкция отличается, практически отсутствием времени индикации - индикаторы горят постоянно, но после каждого времени счета меняют свои показания.
В результате весь процесс измерения длится чуть больше одной секунды. Достигнуто это благодаря введению в каждую декаду декадного счетчика по одной четырехразрядной ячейки память. В которой до завершения цикла измерения хранится информация о результате измерения в предыдущем цикле, затем она сменяется.
Принципиальная схема показана на рисунке. Декадный счетчик шестиразрядный на D1-D18. В качестве счетчиков и ячеек памяти используются одинаковые микросхемы К561ИЕ14, в первом случае включенные в режиме счета, а во втором - в режиме предустановки.
Характеристики частотомера:
1. Число разрядов индикации..................... 6
2. Диапазон измеряемых частот........ 1 Гц-1Мгц.
3. Время цикла измерения................. 1,2 сек.
4. Чувствительность входа.............. 250 мВ.
5. Входное сопротивление................ 10 ком.
Рассмотрим работу на примере младшего разряда. Устройство управления выполнено на D20 и D19. Для его функционирования на вход С D20 должны поступать импульсы частотой 8 Гц. В исходном состоянии D20 и D1 находятся в нулевом состоянии. Как только D20 переходит в состояние "1" триггер D19.3 D19.4 устанавливается в нулевое состояние и открывает открывает элемент D19.1, через который на вход С D1 поступают импульсы от входного формирователя на VT1 и VT2.
Это продолжается до тех пор, пока D20 не досчитает до "9". В этот момент триггер устанавливается в единичное состояние и закрывает элемент D19.1. Импульсы на вход D1 больше не поступают. В это же время положительный импульс с вывода 11 D20 поступает на вывод 1 D2 и включает режим предустановки счетчика D2. В результате код с выходов D1 "копируется" на выходы D2, и будет там оставаться неизменным до второго поступления импульса на этот вывод.
Затем, спустя очень небольшое время (время зарядки С1 через R43) счетчик D1 устанавливается в нулевое состояние. Как только D20 снова вернется в состояние "1" процесс повториться.
Таким образом сокращается более чем вдвое время всего измерительного процесса и исключаются мигания светодиодных индикаторов.
Для получения частоты 8 гц, необходимой для работы у-тройства управления, служит мультивибратор на микросхеме ТТЛ - D21 - К155ЛАЗ, частота которого (8 мгц) стабилизирована кварцевым резонатором, затем следует ТТЛ делитель на 10 - D22 - К155ИЕ2 и еще пять десятичных делителей на микросхемах D23-D27 - К561ИЕ8. Применение микросхем ТТЛ вызвано тем, что серия К561 плохо работает на частотах более 3 мгц. Возможно применение более распространенного резонатора на 4 мгц, но для этого нужно один из счетчиков D22-D27 включить по схеме деления на пять.
Все микросхемы частотомера смонтированы на одной макетной печатной плате размерами 240X160мм с разводкой только по цепям питания и площадками под каждый вывод микросхемы (такие платы несколько лет назад имелись в широкой продаже и даже высылались наложенным платежом). Все остальные соединения выполнены монтажным проводом МГТФ 0,12 в соответствии со схемой.
Если такая неприятность имеется нужно на выходе переноса "Р0" соответствующего "волосатого" счетчика поставить между этим выходом и общим проводом конденсатор типа КМ на 10-56 пф, подобрав его емкость эксперементально. При этом "волосатость" исчезнет либо совсем, либо её уровень не будет доставать до единичного порога. Крайне редко попадаются микросхемы К561ИЕ14 с "волосами" даже на выводах 6, 11, 14 и 2. Бороться с неприятностью можно таким же способом, но лучше такие микросхемы по возможности не использовать.
Тоже самое может потребоваться если счетчики D23-D27 будут делить неправильно (на выходе не 8 гц). Здесь нужно ставить конденсатор между выводом 12 и общим проводом. Источник питания - стабилизированный на напряжение 5В. Семисегментные светодиодные индикаторы могут быть любого типа, важно чтобы с общим анодом.
При разработке этого прибора ставилась задача получить универсальный прибор, который можно использовать, как в составе радиолюбительской лаборатории, так и в качестве цифровой шкалы для трансивера или КВ приёмника. Дополнительным условием было использование как можно менее разнообразной элементной базы, что немаловажно для его повторяемости. Прибор трёхвходовый, он измеряет частоту в диапазоне от 10гц до 35 Мгц, разрешающая способность 10 гц.Время измерения 0,8 секунд. Чувствительность входов - 0,3 В, при входном сопротивлении 13 кОм.
Особенность прибора состоит в возможности подачи сигналов на три входа, причём, в зависимости от положения тумблеров прибор будет индицировать сумму или разность частот, таким образом - У=f1+ f2+f3 или У=f1+2-f3 или У=fl-f2-f3 или У=f1-f2+f3. Входы на передней панели располагаются в ряд, между ними устанавливаются тумблеры, положение рычажка которых - вверх означает действие "+", вниз "-". Таким образок можно задать нижний режим действий с входами.
Прибор имеет семиразрядную шкалу индикации и во всем диапазоне измеряемых частот работает без переключения пределов.
Принципиальная схема входного устройства изображена на рисунке 1- Оно содержит три входных усилителя-формирователя на транзисторах VT1 - VТ6. Вход каждого формирователя подключается к соответствующему входному разъёму, обозначенному - In 1, In 2 и In 3. Переключение входов производится при помощи трех ключевых устройств, выполнения на элементах D1.1, D1.2 и D1.3 и объединителе D2.
На выводы входной платы 8, 9 и 10 поступают управляющие сигналы от платы управления (рис.4). В любой момент Бремени измерения на одном из этих выводов присутствует коль, на остальных единицы. Пропускает сигнал только тот элемент на вход которого подан ноль. Если подана единица, этот вход блокируется.
Рис.2
С выхода D2 сигнал включенного входа поступает на схему определения направления счёта. Плата счетчиков и индикации (рис.2) имеет два входа "+1" и "-1". При подаче сигнала на её вывод 2 сигнал поступает на вход 1 и показания счетчика растут с каждым импульсом, на вывод 3 - на вход -1 и показания уменьшаются, происходит вычитание числа импульсов из уже измеренного по предыдущему входу.
Для переключения этих входов на влаге входов (рис.1) используется микросхема D3. Управление происходит со выводу 11 платы. При поступлении на этот вывод единицы открывается элемент D3.1 и импульсы поступают на вход вычитания. При подаче нуля этот элемент закрывается и открывается D1.2, импульсы проходят на вход сложения. Сигнал управления направлением счета поступает от платы управления (рис.4).
На рисунке 2 изображена схема платы счетчиков и индикации. Непосредственно, счет импульсов производится семиразрядным десятичным счетчиком на микросхемах D4 - D10. Этот счетчик состоит из семи десятичных счетчиков с реверсом, на микросхемах К555ИЕ6. Они включены последовательно. После каждого цикла измерения на выходе счетчика устанавливается код десятичного числа, численно равного результату измерений.
Этот код получается таким образом, например на входы доданы три сигнала - на 1n1 - 1000 кгц, на 1n2 - 400 кгц, на 1n3 - 200 кгц. Тумблерами задаём действие - 1n1 + 1n2 - 1n3. Плата управления формирует три измерительных импульс равной длительности.
Во время первого импульса открыт первый вход и в счётчик записывается число 100000, затеи включается второй вход и к этому числу прибавляется (досчитывается) число 400 кгц, получается 140000, затем включается третий вход и теперь импульсы поступают на вход -1 счетчика, записанное число уменьшается на 200 кгц. Получается 120000x10гц=1200000гц.
Если на один или два входа сигналы не поступают, то операции производятся с теми на которые поступают. По неподключенным входам вычитается и ли прибавляется число "0" и на показания не влияет.
Установившийся на выходе счетчика, после трех тактов измерения, код записывается в регистры на микросхемах D11 - D17. Здесь разумнее использовать регистры типа К555ИР1, но у автора имелись только счетчики К555ИЕ6. Эти счетчики имеют входы предустановки. При подаче нуля на выводы 11 этих микросхем код поданный на их входы 1, 2, 4, 8 переносится в память и появляется на соответствующих выходах.
Он так хранится до следующего отрицательного импульса на выводе 11. Функции счета в данном случае не используются. Таким образом код с выходов счетчиков записывается в регистры, с выходов 1 которых поступает на дешифраторы на микросхемах D18 - D24 и далее с их выходов семисегментный код поступает на светодиодные индикаторы H1-Н7.
Затем счётчик обнуляется отрицательным импульсом, поступившим от платы управления на выводы 14 микросхем счетчика, и цикл повторяется. Снова три измерения и затем импульсом записи, поступающим на вывод 1 платы счетчиков и индикации, стирается информация, записанная на микросхемах D11 - D17 в предыдущем цикле и записывается код этого цикла. Соответственно изменяются и показания индикаторов.
Рис.3
Таким образом в течении обнуления счетчика и трех измерений на индикаторах высвечивается результат последнего завершенного цикла, то есть предыдущего измерения. В результате нет мигания индикатора, просто его показания изменяются с периодом в 0,8 секунды.
Для работы любого частотомера необходим генератор образцовой частоты, равной минимуму измеряемой величины. В данном случае 10 гц. Схема платы формирователя этой частоты изображена на рисунке 3.
Сигнал стабильной частоты 100 кгц вырабатывается генератором на микросхеме D25 и транзисторе VT7. Частота стабилизирована кварцевым резонатором Q1. Для того чтобы получить 10 гц нужно 100 кгц разделить на 10000. Для этого используется четырёхзвенный делитель на микросхемах d26 - d29, используются все те-же счетчики К555ИЕ6. С вывода 7 этой платы импульсы частотой 10 гц поступают на плату управления.
Рис.4
Принципиальная схема платы управления показана на рисунке 4. Она содержит счетчик D30 и дешифратор D31, которые разбивают период измерения индикации частотомера на восемь участков. В исходном положении на выходе D30 число "0" и уровень нуля появляется на выводе 1 дешифратора, на остальных выводах в это время единицы.
Этот нуль через вывод 4 платы поступает на плату счетчиков и индикации и устанавливает её счетчики в нулевое положение. Затем с приходом первого импульса нуль появляется на втором выводе D31 и через диод VD7 поступает на вывод 11 платы входов и включает положительный счёт. Затем следующий импульсом включается первый вход. Затем снова следует импульс установки направления счета.
В данном случае на пути этого импульса стоит тумблер S1. В замкнутом состоянии на вывод 11 платы поступает нуль в разомкнутом - единица, соответственно изменяется и направлении счета. Следующий импульс включает второй вход, затем снова предустановка направления, в данном случае учавствует тумблер S2, и теперь включение третьего входа.
При поступлении восьмого импульса отрицательный перепад на выводе 1 платы включает запись информации в микросхемы D11-D17 платы счетчиков и индикации (рис.2).
Затем цикл повторяется снова. Питается прибор от стабилизированного источника питания, схема которого изображена на рисунке 5.
Рис.5
Все детали смонтированы на четырёх печатных платах, схемы монтажа и разводки изображены на рисунках в натуральную величину. Источник питания монтируется объемным монтажем, микросхема А1 должна быть помещена на радиатор. Можно использовать, источник, выполненный до другой схеме, важно стабильное напряжение 5В и ток до 1А.
Трансформатор питания T1 намотан на сердечнике ШЛ20х25. Сетевая обмотка содержит 1000 витков провода ПЭВ-2 0,2. вторичная обмотка - 65 витков ПЭВ-2 0,68. В качестве микросхем D11 - D17 можно использовать К555ИР1, К155ИР1, при изменении разводки платы, или К555(155)ИЕ7 без изменений. Если использовать газоразрядные индикаторы можно дешифраторы К514ИЦ2 заменить на К155ИЛ1, рисунок платы изменить.
С изменением разводки вместо D26-D26 можно использовать счетчики К155ИЕ2 или К555ИЕ2, D30 тоже можно заменить на К155ИЕ2. Все диоды могут быть КД521 или КД522.
Если прибор используется как отдельное устройство его платы располагаются в металлическом корпусе размерами 220x300x80 мм, используется готовый корпус, выпускаемый специально для радиолюбительских конструкции. При самостоятельном изготовлении корпуса частотомер можно сделать компактнее.
Частотомер измеряет частоту входного сигнала в диапазоне 10 Гц…50МГц, со временем счета 0,1 и 1 с, отклонение частоты 10МГц(относительно зафиксированного значения), а так же осуществляет счет импульсов с отображением интервала счета (до99с). Входное сопротивление составляет 50…100 Ом на частоте 50МГц и увеличивается до нескольких кОм на НЧ диапазона.
Основу частотомера составляет микроконтроллер PIC12F629 (DD1). Входной усилитель собран на VT1. Для отображения информации применен цифровой индикатор НТ1610 со встроенным контроллером. Питание частотомера осуществляется от батареи 8…9В.
Напряжение питания на микроконтроллер стабилизировано интегральным стабилизатором DA1. На индикатор напряжение питания поступает с движка подстроечного резистора R5 и составляет 1,4…1,6В.
При включении питания микроконтроллер выполняет программу измерения со временем счета 0,1с. При кратковременном нажатии кнопки SB1 значение частоты фиксируется и микроконтроллер измеряет отклонение частоты от зафиксированного значения. При повторном нажатии SB1 частотомер возвращается в исходное состояние. Для перехода в режим измерения частоты и ее отклонения с временем счета 1 с следует нажать на SB1 и удерживать ее не менее 2 с. Еще одно нажатие на SB1 переводит частотомер в режим счета импульсов. В этом режиме при нажатии кнопки происходят запуск, остановка и обнуление счетчика и индикатора времени измерения.
Частота и ее отклонение оттображаются на табло частотомера в герцах, в интервале 0,1 с индикатор выглядит как 1FXXXXXXXX или 1F|_XXXXXXX (1F-XXXXXXX)для отклонения частоты, а знак показывает на ее увеличение или уменьшение. |_ — так как в индикаторе не предусмотрен +, то он отображается как |_.
В режиме 1 с первый знак индикатора заменяется с 1 на 2 — 2FXXXXXXXX.
В режиме счета импульсов на индикаторе будет — CCУУУУУУ, где СС — время счета а УУУУУУУУ- число импульсов. По окончании счета состояние индикаторов фиксируется.
Детали:
- подстроечный резистор СП3-19
- постоянные резисторы С2-23 или МЛТ
- подстроечный конденсатор КТ4-25
- микросхему LM2931Z-5.0 можно заменить на 78L05
- микроконтроллер можно запрограммировать программой Pony Prog, IC Prog.
Настройка:
- подстраиваем частоту совпадения индикатора и эталонного частотомера с помощью С5
- R1 — чувствительность по входному сигналу.
Войти с помощью:
Случайные статьи
- 06.10.2014
Предусилитель выполнен на одной ИМС К1401УД2А, которая содержит 4-е ОУ, в стерео варианте по 2-а ОУ на канал. Общий коэффициент передачи(усиления) равен 5-и, максимальное входное напряжение 0,5В, номинальное 0,2В. Входное сопротивление 100кОм. Диапазон частот 30…20000Гц при неравномерности АЧХ 2 дБ. Регулировка АЧХ 6-и полосная с центральными частотами 60, 200, 1000, …
- 26.09.2014
Принципиальная схема генератора сигналов ЗЧ изображена на рис. Он представляет собой двухкаскадный усилитель ЗЧ, охваченный цепями положительной и отрицательной обратных связей. В первом каскаде работают транзисторы VT1 и VT2, включенные по схеме составного транзистора, во втором- транзистор VT3, включенный по схеме с общим эмиттером. Для улучшения работы генератора на низших …
- 07.10.2015
8-и канальное реле времени выполнено на микроконтроллере PIC16F877A и индикаторе LCD WH1602D, содержит 8 реле (12В) которые можно включать и выключать в заданное время. Управление реле осуществляется тремя кнопками, при нажатии кнопки «Установка времени» и при помощи кнопок «Уст.часов» и «Уст.мин» можно задать время включения и выключения реле (1-8), а так …
- 04.10.2014
На рисунке показана электрическая схема регулируемого ЭПРА для управления 26 Вт четырехвыводными компактными люминесцентными лампами (CFL) от сети 220 В с гальванически изолированным аналоговым входом управления яркостью 1…10 В. Балласт включает в себя: фильтр ЭМИ для уменьшения собственного генерируемого шума; выпрямитель и конденсатор для преобразования переменного входного напряжения в постоянное; контроллер и транзисторный …
- 21.09.2014
Предлагаемый автомат управления освещением обладает возможностью обнаруживать низкие уровни освещенности, что позволяет включать освещение с наступлением сумерек и выключать, как только забрезжит рассвет. Электрическая схема автомата управления показана на рисунке. Он состоит из управляемого генератора импульсов на однопереходном транзисторе VT2 и электронных ключей на тиристорах VS1 и VS2. Управление генератором …
Loading...