Каталог радиолюбительских схем

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 K155 (см. статью В. Борисова и А. Партина «Частотомер с цифровой индикацией» в «Радио», 1985, № 11, с. 49—51; № 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 логического состояния в сигналы управления семисегментным индикатором. На выходах а —g этих микросхем формируются сигналы, обеспечивающие свечение цифр индикаторов HGI — 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 характер работы. При этом на коллекторе транзистора VT3 формируются импульсы с крутыми фронтами и спадами, частота следования которых соответствует частоте исследуемого сигнала. Каскад на транзисторе VT4 ограничивает амплитуду импульсов до уровня, обеспечивающего микросхемам необходимый режим работы. Далее преобразованный сигнал поступает на входной вывод 12 электронного ключа DD2.4. 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.

Резистор R1 во входной цепи прибора ограничивает уровень входного тока, а диод VD1 защищает транзистор VT1 формирователя от перепадов входного напряжения положительной полярности. Подстроечным резистором R3 регулируют чувствительность частотомера. Резистор R11 и конденсаторы С2 и СЗ образуют развязывающий фильтр, предотвращающий самовозбуждение формирователя и нестабильность его работы от различных электрических помех.

Работу управляющего устройства иллюстрируют временные диаграммы, приведенные на рис. 3. На вход С (вывод 11) триггера DD3.2 непрерывно поступают импульсы генератора образцовой частоты (первая сверху диаграмма), а на такой же вход триггера DD3.1 — импульсы генератора запуска, собранного на логических элементах DD2.1 и DD2.2 (вторая диаграмма). За исходный примем случай, когда оба триггера находятся в нулевом состоянии. В это время уровень логической 1, действующий на инверсном выходе триггера DD3.2, поступает на входной вывод 13 электронного ключа DD2.4 и закрывает его. С этого момента через ключ прекращается прохождение импульсов сигнала измеряемой частоты на вход счетчика. С появлением на входе С триггера DD3.1 импульса генератора запуска этот триггер принимает единичное состояние и уровнем логической 1 на прямом выходе подготавливает триггер DD3.2 к дальнейшей работе. Одновременно на выводе 9 элемента DD2.3, соединенном с инверсным выходом триггера DD3.1, появляется уровень логического 0. Очередной импульс генератора образцовой частоты переключает триггер DD3.2 в единичное состояние. Теперь на его инверсном выходе и на выводе 13 элемента DD2.4 будет уровень логического 0, который открывает электронный ключ и тем самым разрешает прохождение через него импульсов сигнала измеряемой частоты.

Прямой выход триггера DD3.2 (вывод 13) соединен с R-входом (вывод 4) триггера DD3.1. Следовательно, когда триггер DD3.2 оказывается в единичном состоянии, он уровнем логической 1 на прямом выходе переключает триггер DD3.1 в нулевое состояние. Этот триггер находится в таком состоянии до тех пор, пока длится интервал измерительного времени. Очередной импульс генератора образцовой частоты на входе С триггера DD3.2 переключает его в нулевое состояние и уровнем логической 1 на инверсном выходе закрывает электронный ключ. В результате прекращается прохождение импульсов сигнала измеряемой частоты к счетчику и начинается цифровая индикация результатов измерения (пятая и седьмая диаграммы).

Каждому интервалу измерительного времени предшествует появление на выводах 5 R-входов микросхем DD4 — DD8 кратковременного импульса положительной полярности (четвертая диаграмма), сбрасывающего триггеры счетчика в нулевое состояние. С этого момента и начинается цикл счет—индикация работы частотомера. Формирование импульсов сброса происходит на выходе логического элемента DD2.3 в моменты совпадения на его входах уровней логического 0. Время индикации можно изменять в пределах 2... 5 с переменным резистором RI7 генератора импульсов запуска.

Светодиод HL1 в коллекторной цепи транзистора VT5, работающего в режиме ключа, служит для визуального наблюдения за длительностью времени счета.

В частотомере предусмотрена возможность контроля работоспособности прибора. Для этого переключатель SB1 переводят в положение «Контроль», при котором входная цепь прибора оказывается соединенной с выводом 14 микросхемы DD1 генератора образцовой частоты. При исправной работе частотомера индикаторы должны высвечивать частоту 32 708 Гц.

Микросхему К176ИЕ12 можно заменить на подобную ей К176ИЕ5, скорректировав соответственно чертеж печатной платы. Цифровые индикаторы могут быть типа ИВ-ЗА (вместо ИВ-6), но тогда в цепь питания их нитей накала следует включить резистор сопротивлением 2 Ома на мощность рассеяния 0,5 Вт.

Все постоянные резисторы — МЛТ-0,125, подстроечный (R3) — СПЗ-16, переменный (R17) — СП-1. 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 КЛС или К73-17, С6 — керамический (КТ-1, КМ), подстроечный конденсатор С7 — КПК-МП. Переключатель SB1 «Измерение — контроль» применен типа П2К с зависимой фиксацией (с двумя кнопками), выключатель питания SB2 — тоже П2К, но с возвратом повторным нажатием.

Внешний вид частотомера показан ниже.

Через прямоугольное отверстие в лицевой стенке корпуса, прикрытое пластиной зеленого органического стекла, видны светящиеся цифры индикаторов. Слева от него — «глазок» светодиодного индикатора HL1. Под ним находится переменный резистор R17 и входное гнездо XI. Слева от них — выключатель питания SB2 («П») и двух-кнопочный переключатель SB1. При нажатии на кнопку «К» («контроль») вход формирователя импульсного напряжения подключается к генератору образцовой частоты, а при нажатии на кнопку «И» («измерение») — к входному гнезду XI.

Все другие детали частотомера смонтированы на двух печатных платах из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм. На одной из них (рис. 4)

находятся детали формирователя импульсного напряжения, генератора образцовой частоты и устройства управления, на другой (рис. 5) — микросхемы DD4 — DD8 и цифровые индикаторы.

Налаживание безошибочно смонтированного частотомера сводится в основном к установке наилучшей чувствительности формирователя и, если надо, к подстройке генератора образцовой частоты. Для установки необходимой чувствительности на вход частотомера подают от генератора ЗЧ сигнал амплитудой 1 В, а к выходу электронного ключа DD2.4 подключают осциллограф. Подстроечным резистором R3 добиваются появления на экране осциллографа пачек импульсов. Подстраивают образцовую частоту генератора подбором конденсатора С6 (грубо) и подстроечным конденсатором С7 (точно). Точность настройки контролируют по образцовому (промышленному) частотомеру, подключенному к выводу 14 микросхемы DD1.

В. ИВАНОВ

г. Свердловск