Каталог радиолюбительских схем

Ю. Гриев

Частотомер с широкими пределами измерения является одним из приборов первой необходимости в лаборатории радиолюбителя. В настоящее время разработано большое количество различных конструкций как аналоговых, так и цифровых частотомеров, каждый из которых обладает своими достоинствами и недостатками. Если ограничить точность измерения частотомера в пределах 2% (что в подавляющем большинстве случаев вполне приемлемо в радиолюбительской практике), аналоговому частотомеру следует отдать предпочтение как с точки зрения удобства отсчета показаний, так и вследствие простоты схемного решения.

Обычный аналоговый частотомер построен по принципу измерения среднего тока, протекающего через головку стрелочного прибора. Необходимым условием работы такого частотомера является строгое нормирование подаваемых на головку импульсов по длительности и амплитуде при изменении частоты следования. Чаще всего такое нормирование выполняется с помощью одновибратора, запускаемого импульсами измеряемой частоты. Выходные импульсы одновибратора. подаваемые на головку стрелочного прибора, имеют одинаковую длительность, поэтому средний ток и связанная с ним величине! отклонения стрелки головки будет пропорциональна измеряемой частоте. Такое построение частотомера при очевидной простоте обладает недостатками:

- в случае построения частотомера, перекрывающего широкий диапазон частот, возникает необходимость переключения значительного количества времязадающих элементов одновибратора;

- на каждом диапазоне необходимо подбирать свои времязадаю-щие цепи, поэтому решение вопроса температурной и временной стабильности одновибратора становится проблематичным;

- калибровка частотомера должна производиться на каждом диапазоне в отдельности, что затрудняет настройку и особенно оперативный контроль работы;

- верхняя граница измеряемой частоты при приемлемой точности не превышает 1 МГц, так как емкость времязадающего конденсатора становится соизмеримой с монтажной емкостью;

- автоматизация процесса измерения при таком построении схемы если и возможна теоретически, то вряд ли целесообразна практически.

В отличие от известных схем аналоговых частотомеров в предложенной конструкции узел нормирования импульсов по длительности работает в одном диапазоне, а расширение пределов измерения осуществляется с помощью предварительного делителя частоты с задаваемым коэффициентом деления. В этом случае полностью отсутствуют механические коммутации, а наличие одной вре-мязадающей цепи позволяет при минимальных затратах формировать импульсы с весьма высокой временной и температурной стабильностью. Такой частотомер, будучи скалиброванным в одной точке любого диапазона, автоматически сохраняет калибровку при переходе на любой диапазон. Вследствие того, что узел нормирования по длительности работает в одном диапазоне частот, вопрос автоматизации процесса измерения не представляет трудности при незначительном усложнении схемы частотомера. Функциональная схема разработанного прибора приведена на рис. 1.

На рис. 1 приняты следующие обозначения: 1 — широкополосный усилитель; 2 — формирователь прямоугольных колебаний; 3 — делитель на три; 4 — узел подключения делителя на три; 5 — делители на десять; 6 — одновибратор; 7 — коммутатор делителей частоты; 8 — схема управления коммутатором; 9 — схема контроля соответствия выбранного диапазона и входной частоты; 10 — устройство индикации выбранного диапазона.

Широкополосный усилитель 1 предназначен для усиления сигналов с малой амплитудой до уровня, достаточного для работы формирователя прямоугольных импульсов 2. Этот формирователь преобразует входное напряжение любой формы в прямоугольные импульсы с высокой крутизной фронтов, что необходимо для нормальной работы делителей частоты. Делитель частоты на три 3 и делители на десять 5 предназначены для приведения любой возможной входной частоты (в данном варианте FB=300 кГц) в частоту, не превышающую 100 Гц. Одновибратор 6 предназначен для нормирования импульсов по длительности. Подключение нужного количества делителей между одновибратором и входом прибора происходит с помощью коммутатора 7. Работой коммутатора 7 управляет схема контроля соответствия выбранного диапазона и входной частоты 9. Схема управления коммутатором 8 предназначена для согласования

работы узлов 9 и 7. Под соответствием в данном случае понимается такой режим работы частотомера, при котором стрелка прибора отклоняется на величину не менее 27% и не более 105% от верхнего предела шкалы измерительного прибора. Устройство индикации 10 предназначено для выдачи информации о выбранном диапазоне. Принципиальная схема частотомера приведена на рис. 2. На двухкаскадном усилителе DA1 выполнен широкополосный усилитель. Диоды VD1 и VD2 предназначены для защиты усилителя от перегрузки по входу. Усиленный сигнал измеряемой частоты подается на формирователь прямоугольных импульсов, в качестве которого используется триггер Шмитта DD1.1. Делитель частоты на три выполнен на МС DD2.1, DD2.2 и DD7.3. Введение такого делителя позволяет получить кратность диапазонов частотомера, равную трем, а не десяти, как обычно, что повышает точность отсчета при работе частотомера вблизи нижней границы выбранного диапазона. Работа этого делителя поясняется диаграммой рис. 3. Делитель выполнен на двух D-триггерах с динамическим управлением. Как известно, такой триггер устанавливается в состояние, соответствующее уровню сигнала на входе D в момент переднего фронта на входе С. Задний фронт никакого воздействия на состояние триггера не оказывает, поэтому рассмотрим моменты времени, соответствующие передним фронтам на входах С этих триггеров. Предположим, что до момента времени ti микросхема DD2.1 находится в состоянии “1”, а DD2.2 — в состоянии “0”, т. е. на прямом выходе DD2.1 — высокий уровень напряжения, а на прямом выходе DD2.2 — низкий. При этом на входе D триггера DD2.1 —низкий уровень, а на аналогичном входе триггера DD2.2 — высокий уровень, снимаемый с выхода схемы DD7.3. Передний фронт импульса, поступающий на входы С в момент ti установит триггер DD2.2 в состояние “1”, а в триггере DD2.1 установится состояние “0”. После этого момента на входе D триггера DD2.1 устанавливается высокий уровень, также высокий уровень остается на входе D триггера DD2.2, так как на одном из входов схемы DD7.3 имеется низкий уровень с прямого выхода триггера DD2.1. В момент времени t2 передним фронтом импульса на входе С в триггер DD2.1 записывается “1” и подтверждается состояние “1” в триггере DD2.2. После этого момента на входах DD7.3 устанавливается высокий уровень, а на выходе — низкий. В момент времени U в триггер DD2.2 записывается “0”, в триггере DD2.1 подтверждается состояние “1”. Далее в момент времени t{ в триггер DD2.1 записывается “0”, а в триггер DD2.2 — “1”. Из приведенной диаграммы видно, что период выходного сигнала, снимаемого с прямого выхода триггера DD2.2, в три раза больше, чем период входного сигнала.

Узел подключения делителя на три выполнен на МС DD3.2, DD3.4 и DD14.2. Выходы схем 2И-НЕ DD3.2 и DD3.4 объединены в монтажное ИЛИ. Прохождение сигналов с входов (выводы 12 и 5) определяются логическими уровнями на выводах 11 и 6. Если на входе инвертора DD14.2 низкий уровень, сигнал с формирователя прямоугольных импульсов DD1.1 попадает непосредственно на вход декадных делителей частоты. В противном случае вход декадных делителей оказывается подключенным к формирователю через делитель на три.

На одновибраторе DD11 выполнена схема нормирования импульсов по длительности. Элементы времяза-дающих цепей R12, R13 и С5 подобраны таким образом, что длительность выходного импульса составляет примерно 4,5 мс. Головка измерительного прибора подключена к выходу инвертора DD3.1, управляемого одновибратором. Сопротивление резистора R14 подобрано таким образом, что полное отклонение стрелки прибора имеет место при скважности импульсов, равной . Вход одновибратора подключается к одному из выходов декадных делителей DD4, DD5 и DD6 через мультиплексор DD10. Как известно, мультиплексор передает информацию с одного из входов Do—D7 на выход. Двоичный код на адресных входах Ai, A2 и Аз определяет, какой именно информационный вход в данный момент подключен к выходу. Следовательно, изменяя логические уровни на адресных входах, можно подать на вход одновибратора либо непосредственно входную частоту, либо поделив на 10, 102 или на 103. Номер подключенного входа мультиплексора в данном случае определяется информацией, записанной в реверсивный счетчик DD8. В том случае, если на выходах счетчика имеются низкие уровни, на вход одновибратора DD11 подключена входная частота с выхода формирователя DD1.1. Это состояние соответствует работе частотомера в диапазоне 0...100 Гц. При подаче одного импульса на вход “+1” реверсивного счетчика на его выходах устанавливаются логические уровни 001. Через мультиплексор DD10 к одновибратору DD11 подключается вход D1, т. е. точка подключения одновибратора к делителям не изменяется. Но в то же время на входах инвертора DD14.2 и схемы DD3.4 устанавливается высокий уровень, а на входе DD3.2 — низкий уровень. При этом входная частота попадает на одновибратор через делитель на три. Следовательно, состояние счетчика 001 соответствует диапазону частотомера 300 Гц. При воздействии еще одного импульса на вход “+1” реверсивного счетчика на его выходах установятся логические уровни 010. К входу одновибратора DD11 через вход D2 мультиплексора подключится входная частота, деленная на 10, а делитель на три отключится. При этом частотомер будет работать в диапазоне 1 кГц. Аналогично с помощью импульсов, подаваемых на вход “-|-1”, можно последовательно изменять диапазон частотомера в сторону увеличения. Для уменьшения диапазона импульсы необходимо подавать на вход “—1”. Соответствие состояний счетчика DD8 и выбранных диапазонов приведено в табл. 1.

Реверсивный счетчик DD8 переключается с помощью импульсов релаксационного генератора, выполненного на транзисторах VT1 и VT2. Запуск генератора осуществляется при наличии низкого уровня на любом из входов МС DD3.3. При этом выходной транзистор микросхемы запирается и конденсатор С4 начинает заряжаться через резистор R5 до тех пор, пока эмиттерный переход транзистора VT1 не сместится в прямом направлении. Тогда транзистор VT1 отпирается, что приводит к лавинообразному отпиранию обоих транзисторов. Конденсатор С4 разряжается через резистор R9 и оба транзистора. После разрядки конденсатора С4 транзисторы запираются и процесс формирования импульса повторяется. Следовательно, в момент разрядки конденсатора на коллекторе транзистора VT2 формируется короткий отрицательный перепад напряжения, а на выходе инвертора DD14.3 — положительный перепад. В зависимости от логических уровней на входах схем ЗИ-НЕ DD7.1 и DD7.2 этот импульс поступит на вход “+1” либо “-1” реверсивного счетчика DD8.

Схема контроля соответствия выбранного диапазона входной частоте выполнена на одновибраторах DD12.1, DD12.2 и триггерах DD13.1 и DD13.2. Работа схемы основана на сравнении длительности паузы между импульсами одновибратора DD11 при подаче на его вход измеряемой частоты F,, с длительностями пауз, соответствующих отклонению стрелки на 27% (FH) и 105% (FD) от максимального. Работа схемы поясняется с помощью диаграммы на рис. 4.

Рассмотрим работу схемы при подаче на вход колебаний с частотой 25 Гц (F,,<F,,). В момент времени I, соответствующий запуску одновибратора DD11, происходит запись информации в триггеры DD12.1 и DD12.2. Как видно из диаграммы, к моменту появления очередного фронта импульса на выходе DD11 формирование импульсов одновибраторами DD12.1 и DD12.2 уже закончилось, поэтому в триггеры DD13.1 и DD13.2 запи сываются соответственно “О” и “1”. (D-вход триггера DD13.2 подключен к инверсному выходу одновибратора DD12.2).

При подаче на вход прибора частоты 50 Гц (Fh<F0<;Fb) очередной запуск одновибратора DD12.2 происходит раньше завершения процесса формирования импульса, поэтому одновибратор переходит в режим повторного запуска и на его инверсном выходе постоянно присутствует низкий уровень. Поэтому при соответствии входной частоты выбранному пределу на прямых выходах триггеров DD12.1 и DD12.2 находятся низкие уровни.

Последняя диаграмма поясняет работу схемы при подаче на вход прибора колебаний с частотой 110 Гц (F0>FB). В этом случае одновибратор DD12.2 также находится в режиме повторного запуска, а длительность выходного импульса одновибратора DD12.1 превышает паузу между импульсами одновибратора DD11, поэтому очередным фронтом выходного импульса одновибратора DD11 в триггер DD13.1 записывается “1”. Следовательно, при условии FO>FB на прямых выходах триггеров DD13.1 и DD13.2 устанавливаются высокий и низкий уровни соответственно.

Прямые выходы триггеров DD13.1 и DD13.2 используются для определения направления переключения реверсивного счетчика DD8. В случае высокого уровня на прямом выходе триггера DD13.1 (FO>FB) импульсы с генератора на транзисторах VT1 и VT2 подаются на вход “+1” счетчика DD8, поэтому частотомер будет изменять диапазон в сторону увеличения до тех пор, пока выбранный диапазон не станет соответствовать входной частоте. Аналогично при появлении высокого уровня на прямом выходе триггера DD13.2 (F0<;FH) частотомер будет изменять диапазон в сторону уменьшения. В любом случае, кроме F,,-<Fo<FB, Ha одном из входов схемы DD3.3 появляется низкий уровень с одного из инверсных выходов триггеров DD13, что приводит к запуску генератора, изменяющего состояние счетчика DD8.

Индикация выбранного диапазона осуществляется с помощью светодиодов VD3—VD10, управляемых дешифратором DD9, который преобразует двоичный код состояния счетчика DD8 в позиционный код.

Для устранения возможного “сканирования” диапазонов при попадании на частотомер сигналов с частотой Fo<FH на пределе 100 Гц введена блокировка импульса “—1” с выхода “О” дешифратора DD9 на селектор DD7.2. Аналогично блокируется прохождение импульса “+1” при подаче на частотомер сигнала с частотой более 300 кГц (выход 7 дешифратора DD9 подключен к селектору DD7.1).

Настройка частотомера сводится к установке длительностей импульсов, формируемых одновибраторами. Для этого на вход одновибратора DD11, отключенного от мультиплексора DD10, подают прямоугольные импульсы с частотой 20...25 Гц. На выходах одновибраторов DD11 и DD12 с помощью соответствующих резисторов устанавливаются следующие длительности импульсов (мс): выход DD11—4,5; выход DD12.1—5,5; выход DD12.2 —28.

Далее соединение одновибратора DD11 и мультиплексора DD10 восстанавливают и на вход частотомера подают напряжение любой формы с точно известной частотой. С помощью резистора R12 стрелка прибора устанавливается на соответствующую отметку шкалы. Калибровка остальных шкал обеспечивается автоматически. С помощью резисторов R4 и R8 уточняются пороги переключения диапазонов. Рекомендуемые значения: FH=27%, a FB== 105% от верхнего значения выбранного диапазона.

Разработанный частотомер обеспечивает следующие технические характеристики:

- диапазон частот 0...300 кГц;

- кратность шкал диапазонов равна 3 (оцифровка 0...100 Гц и 0...300 Гц);

- амплитуда входного сигнала Uвх>100 мВ;

- входное сопротивление Rвх>5 кОм;

- форма входного напряжения — любая, имеющая не более двух экстремумов за период;

- точность измерения в основном определяется типом примененного стрелочного прибора;

- потребляемый ток Iпотр<0,4 А.

У автора данный частотомер используется в качестве шкалы низкочастотного генератора, перекрывающего без переключений диапазон частот 0...100 кГц. Такой частотомер имеет смысл применять и в обычных генераторах, имеющих шкалы, не кратные десяти. По вышеописанному принципу можно построить частотомер с диапазоном частот до 30 МГц, добавив два делителя на десять и расширив разрядность дешифратора и мультиплексора.

Также необходимо изменить входной формирователь и применить более быстродействующие триггеры в делителе на три. Переделанный таким образом частотомер можно применить в качестве шкалы высокочастотного генератора стандартных сигналов или в любом другом случае, когда требуется измерять частоты, изменяющиеся в значительном диапазоне. При необходимости увеличения входного сопротивления частотомера следует установить на его входе истоковый повторитель. Питание частотомера должно быть стабилизировано, так как от этого зависит точность измерения.