Частотомер на микросхемах серии К155

Прибор позволяет измерять частоту синусоидальных гармонических и импульсных электрических колебаний частотой от единиц герц до 10 МГц и амплитудой от 0,15 до 10 В, а также вести счет числа импульсов входного исследуемого сигнала.
Принципиальная схема частотомера показана на рис.1:

Здесь рассматривается более подробно лишь новые цепи и узлы прибора.
Переменное или импульсное напряжение, частоту которого надо измерить, через гнездо XS1 и резистор R1 подают на вход формирователя импульсного напряжения, представляющего собой усложненный триггер Шмитта, собранный на микросхеме К155ЛД1 DD1. Резистор R1 ограничивает входной ток, а диод VD1 защищает микросхему от перепадов входного напряжения отрицательной полярности. Подборкой резистора R3 устанавливают нижний (наименьший) предел напряжения входного сигнала.
С выхода формирователя (вывод 9 микросхемы DD1) импульсы прямоугольной формы поступают на один из входов логического элемента DD11.1, выполняющего функцию электронного клапана.
В блок образцовой частоты входят генератор на элементах DD2.1—DD2.3, частота импульсов которого стабилизирована кварцевым резонатором ZQ1, и семиступенный делитель частоты на микросхемах DD3—DD9. Собственная частота кварцевого резонатора, использованного в описываемом приборе, равна 8 МГц, поэтому счетчик DD3 включен делителем частоты на 8. В результате частота импульсов на ее выходе (вывод 11) будет 1 МГц. Счетчик каждой последующей ступени делит частоту на 10. Таким образом, частота импульсов на выходе счетчика DD5 — 10 кГц, на выходе DD6—1 кГц, на выходе DD7—100 Гц, на выходе DD8— 10 Гц и на выходе всего делителя (вывод 5 счетчика DD9) — 1 Гц.
Требуемый частотный интервал устанавливают переключателем SAl «Диапазон». В крайнем правом (по схеме) положении этого переключателя трехразрядный блок цифровой индикации фиксирует частоту до 1 кГц (999 Гц), во втором от него положение -до 10 кГц (9999 Гц), в третьем—до 100 кГц (99999 Гц), в четвертом—до 1 МГц (999 кГц), в пятом—до 10 МГц (9,999 МГц). Для наиболее точного определения частоты входного сигнала приходится выбирать переключателем соответствующий поддиапазон измерения, постепенно переходят от более ‘высокочастотного участка к ‘низкочастотному. Так, например, чтобы измерить частоту звукового генератора, надо установить переключатель сначала в положение «х10 кГц», а затем переводить его в сторону меньшего
значения образцовой частоты.
Устройство управления, работу которого иллюстрируют графики, показанные на рис. 2,

состоит из D-триггеров DD10.1 и DD10.2, инверторов DD11.3, DD11.4 и транзистора VT1, образующих усложненный одновибратор. На вход С D-триггера DD10.1 поступают импульсы с блока образцовой частоты (рис. 2, а). По фронту импульса образцовой частоты, устанавливаемой переключателем SА1, этот триггер, работающий в режиме счета на 2, переключается в .единичное состояние (рис. 2, б) и напряжением высокого уровня с прямого выхода (вывод 5) открывает электронный клапан DD11.1. С этого момента импульсы напряжения измеряемой частоты свободно проходят через электронный клапан, инвертор DD11.2 и поступают непосредственно на вход С1 (вывод 14) счетчика DD12. По фронту следующего импульса триггер DD10.1 принимает исходное состояние и переключает в единичное состояние триггер DD10.2 (рис, 2, в). В свою очередь, триггер DD10.2 низким уровнем напряжения с инверсного выхода (вывод 8) блокирует вход управляющего устройства от воздействия импульсов образцовой частоты, а высоким уровнем напряжения с прямого выхода (вывод 9) запускает одновибратор. Электронный клапан закрывается напряжением низкого уровня с .прямого выхода триггера DD10.1. С этого момента начинается индикация числа импульсов в пачке, поступивших на вход двоично-десятичного счетчика.
Одновременно с появлением напряжения высокого уровня на прямом выходе триггера DD10.2 через резистор R9 начинает заряжаться конденсатор СЗ. По мере его зарядки увеличивается положительное напряжение на базе транзистора VT1 (рис. 2, г). Как только оно достигнет примерно 0,6 В, транзистор открывается и напряжение на его коллекторе уменьшается почти до нуля (рис. 2, д). Появляющееся при этом на выходе элемента DD11.3 напряжение высокого уровня воздействует на вход RO микросхем DD12, DD14 и DD16, в результате чего двоично-десятичный счетчик импульсов переключается в нулевое состояние, отчего показания индикатора обнуляются. Одновременно короткий импульс низкого уровня, появившийся на выходе инвертора DD11.4 (рис. 2, е), переключает триггер DD10.2 и одновибратор в исходное состояние, и конденсатор СЗ разряжается через диод VD2 и выход триггера
DD10.2. С появлением на входе триггера DD10.1 очередного импульса образцовой частоты начинается следующий цикл работы прибора в режиме измерения (рис. 2, ж).
Счетчик DD12, дешифратор DD13 и газоразрядный цифровой индикатор HG1 образуют младшую счетную ступень частотомера Последующие счетные ступени называют старшими. В законченной конструкции частотомера индикатор HG1 на табло—крайний справа, влево от него следуют индикаторы HG2 и HG3. Первый из них высвечивает единицы, второй — десятки, третий — сотни единиц частоты данного поддиапазона измерения, выбранного переключателем SA1.
Чтобы частотомер перевести в режим непрерывного счета им-пульсов, переключатель SA2 устанавливают в положение «Счет». В этом случае триггер DD10.1 по входу S переключается в единичное состояние — на его прямом выходе появляется напряжение высокого уровня. При этом электронный клапан DD11.1 оказывается открытым и через него на вход двоично-десятичного счетчика непрерывно поступают импульсы входного сигнала. Показания счетчика в этом случае прекращаются при нажатии на кнопку SB1 «Обнуление».
Блок питания частотомера (рис. 3)

образуют сетевой трансформатор Т1, двуполупериодный выпрямитель DD3, конденсатор С9. сглаживающий пульсации выпрямленного напряжения, и стабилизатор напряжения на стабилитроне VD5, резисторе R16 и транзисторе VT2. Конденсатор С 10 на выходе стабилизатора дополнительно сглаживает пульсации выпрямленного напряжения, Конденсатор С 11 (как и конденсаторы С4—С8 прибора) блокирует микросхемы частотомера по цепи питания, резистор R17 поддерживает режим стабилизатора при отключенной от него нагрузке.
Напряжение обмотки III трансформатора (200… 220 В) подается через диод VD4 для питания анодных цепей газоразрядных цифровых индикаторов частотомера.
С внешним видом частотомера вы уже знакомы. Его корпус (рис. 4)

состоит из двух П-образных частей, согнутых из мягкого листового дюралюминия толщиной 2 мм. Нижняя часть выполняет функцию сборочного шасси, В ее передней панель выпилено прямоугольное отверстие, прикрываемое спереди пластиной красного органического стекла или целлулоида, через которое видны газоразрядные индикаторы. Справа от него — отверстия для крепления входного высокочастотного разъема XS1, переключателя SA1 на пять положений, тумблера SA2 «Измерение» — «Счет» и кнопки SB1 «Обнуление». Три отверстия на задней стенке служат для выключателя питания SA3, арматуры плавкого предохранителя FU1 и ввода сетевого шнура. Верхнюю часть — крышку — прикрепляют винтами МЗ к дюралюминиевым уголкам, приклепанным к шасси вдоль боковых сторон. Снизу к шасси прикреплены резиновые ножки.
Детали частотомера смонтированы на четырех печатных платах из фольгированного стеклотекстолита толщиной 2 мм, представляющих собой функционально законченные блоки прибора.
Размещение плат и других деталей частотомера в корпусе показано на рис. 5.

Платы винтами с гайками укреплены на пластине листового пластика, а она — на дне шасси. Соединения между платами и другими деталями прибора выполнены гибкими проводниками в надежной изоляции.
Первым монтируйте и испытывайте блок питания.
Его внешний вид и печатная плата со схемой размещения деталей показаны на рис. 6.

 

Сетевой трансформатор Т1 — самодельный, выполнен на магнитопроводе ШЛ20Х32. Обмотка I, рассчитанная на напряжение сети 220 В, содержит 1650 витков провода ПЭВ-1 0,1; анодная обмотка III —1500 витков такого же провода; обмотка II — 55 витков провода ПЭВ-1 0,47. Вообще же, для блока питания можно использовать подходящий готовый трансформатор мощностью 7.. .8 Вт, обеспечивающий на обмотке II переменное напряжение 8…10 В при токе нагрузки не менее 0,5 А, на обмотке III— около 200 В при токе не менее 10 мА.
Транзистор VT2 стабилизатора напряжения укреплен на Г- образиной дюралюминиевой пластине размерами 50х50 мм и толщиной 2 мм, выполняющей функцию теплоотвода. Выводы базы и эмиттера транзистора пропущены через отверстия в плате и припаяны непосредственно к соответствующим печатным проводникам. Электрический контакт коллектора транзистора с выпрямительным блоком VD3 обеспечен через его теплоотвод, крепежные винты с гайками и фольгу платы.
Сверив монтаж со схемой блока (см. рис. 3), подключите к выходу стабилизатора напряжения эквивалент нагрузки — резистор сопротивлением 10…12 Ом мощностью рассеяния 5 Вт. Подключите блок к сети и тут же измерьте напряжение на резисторе—оно должно быть в пределах 4,76.. .5,25 В. Более точно это напряжение можно установить подборкой стабилитрона VD5. Оставьте блок включенным на 1,5… 2 ч. За это время транзистор VT12 может нагреться до 60… 70° С, но напряжение на нагрузке должно оставаться практически неизменным. Так вы испытаете блок питания при работе в условиях, близких к реальным.
Трехразрядный счетчик импульсов вместе с блоком цифровой индикации смонтированы на одной общей плате размерами 100Х
Х80 мм (рис.7.).

Проводники цепи питания размещены на плате со стороны микросхем, что позволило обойтись лишь двумя проволочными перемычками в местах пересечения цепей счетчиков DD12, DDI4, DD16. К этим же проводникам припаяны блокировочные конденсаторы С7 и С8. Выводы газоразрядных индикаторов пропущены через отверстия в плате и припаяны к контактным площадкам, которые затем соединены отрезками монтажного провода с соответствующими им выходами дешифраторов DD13, DD15 и DD17 (чтобы не усложнять эскиза платы, эти соединения на рис. 7 не показаны).
Тщательно проверив монтаж и надежность паек, соедините плату с блоком питания и, соблюдая осторожность, подключите блок к сети. Индикаторы должны высвечивать нули. Если теперь общий проводник входов R0 счетчиков, который должен соединяться с выходом 8 элемента DD11.3 устройства управления, замкнуть временно на общий проводник и на вход С1 (вывод 14) счетчика DD12 подать от испытательного генератора импульсы, следующие с частотой повторения 1 … 3 Гц, этот узел частотомера будет работать в режиме счета импульсов: индикатор HG1 станет высвечивать единицы, HG2—десятки, a HG3—сотни им-пульсов. После 999 импульсов на индикаторах высветятся нули и начнется счет следующего цикла импульсов.
В случае неполадок в этом узле проверяйте и испытывайте каждый разряд блока индикации раздельно с помощью индикаторов или, что лучше, электронного осциллографа.
Далее монтируйте и испытывайте блок образцовой частоты (рис. 8.).

В нем, как и в блоке цифровой индикации, проводники питания и блокировочные конденсаторы размещены на плате со стороны микросхем.
После проверки монтажа подайте на проводники питания это-го блока напряжение 5 В и, пользуясь светодиодным или транзисторным индикатором, проверьте его работоспособность. При подключении индикатора к выходу счетчика DD9 он должен ми-гать с частотой I Гц, к выходу счетчика DD8—с частотой 10 Гц, а к выходу DD7—с частотой 100 Гц (на глаз незаметно). Затем сигналы с выходов этих микросхем подайте поочередно на вход С1 счетчика DD12 блока цифровой индикации. Работая в режиме счета, он будет индицировать число импульсов, поступающих на него с выходов трех ступеней делителя. Если все будет так, то можно считать, что и генератор блока образцовой частоты работа-ет исправно.
Формирователь импульсного напряжения, электронный ключ и устройство управления смонтированы на одной общей плате (рис. 9.).

Испытание этого узла частотомера начинайте с проверки работоспособности формирователя импульсов сигнала измеряемой частоты совместно с другими узлами и элементами прибора. Для этого вход S (вывод 4) триггера DD10.I временно соедините с общим проводником (что равнозначно установке переключателя SA2 в положение «Счет»), выход инвертора DD1I.2—с входом С1 счетчика DD12 и подайте на разъем XSI сигнал с выхода счетчика DD9 блока образцовой частоты. Индикаторы должны высвечивать последовательно цифры от 1 до 999. При частоте импульсов 10 Гц, снимаемых с выхода счетчика DD8, скорость счета импульсов возрастает в 10 раз.
Затем проводник, соединяющий вход S триггера DD10.I с общим проводником, удалите (что соответствует установке переключателя SA2 в положение «Измерение»), вывод 8 инвертора DD11.3 соедините с проводником обнуления счетчиков DD12, DD14, DD16 (предварительно удалив перемычку, которой эти входы были замкнуты на общий проводник), вход С (вывод 3) триггера DD10.I соедините не-посредственно с выходом блока образцовой частоты (вывод 5 счетчика DD9), что равнозначно установке переключателя SAI в положение «XI Гц», и одновременно с разъемом XSI. Теперь индикатор HG1 будет периодически, примерно через 1,5… 2 с (в зависимости от длительности зарядки времязадающего конденсатора СЗ), высвечивать цифру I (1 Гц),
При соединении разъема с выходом счетчика DD8 блока образцовой частоты индикатора HG1 и НG2 должна высветить число 10 (10 Гц). Если же разъем соединить с выходом счетчика DD7, индикаторы станут высвечивать число 100 (100 Гц).
После этого подайте на вход частотомера переменное напряжение сети, пониженное трансформатором до 1….3 В,—индикаторы зафиксируют частоту 50 Гц.
После испытания блоков частотомера прикрепите его платы к пластине листового гетинакса (можно текстолита или другого изоляционного материала) в соответствии с рис. 79, а пластину укрепите на дне шасси. Соедините платы между собой и с другими деталями частотомера, установленными на лицевой и задней стенках шасси, многожильными монтажными проводниками с надежным изоляционным покрытием.
Окончательно проверьте работу прибора в режимах «Счет» и «Измерение». Источниками сигнала по-прежнему могут служить импульсы, снимаемые с разных ступеней делителя блока образцовой частоты.
Какие изменения, дополнения можно внести в цифровой частотомер?
Начнем с формирователя импульсного напряжения, от которого в значительной степени зависят чувствительность и четкость работы измерительного прибора в целом. Может случиться, что в вашем распоряжении не окажется микросхемы К155ЛД1, представляющей собой два четырехвходовых расширителя по ИЛИ, которые во входном блоке частотомера работают в триггерном режиме. Эту микросхему можно заменить одним из триггеров Шмитта микросхемы К155ТЛ1, дополнив его однотранзисторной усилительной ступенью, Без предварительного усиления напряжения измеряемой частоты чувствительность частотомера будет хуже, чем с формирователем на микросхеме К155ЛД1.
Схему такого варианта входного блока частотомера вы видите на рис. 10.

Переменное напряжение измеряемой частоты через резистор R1 и конденсатор С2 подается на базу транзистора VT1 усилительного каскада, а с его нагрузочного резистора R4—на вход триггера Шмитта DD1.1. Формируемые триггером импульсы, частота следования которых соответствует частоте входного сигнала, снимаются с его выходного вывода 6 и далее поступают на входной вывод 2 электронного клапана DD11.1 управляющего устройства частотомера.
Транзистор КТ3102Б усилительной ступени можно заменить на КТ315А.
Какова роль кремниевого диода VD1 и резистора R1 на входе прибора? Диод ограничивает отрицательное напряжение на эмиттерном переходе транзистора. Пока напряжение входного сигнала не превышает 0,6… 0,7 В, диод практически закрыт и не оказывает никакого влияния на работу транзистора как усилителя. Когда же амплитуда измеряемого сигнала оказывается больше этого напряжения, диод при отрицательных полупериодах открывается и, таким образом, поддерживает на базе транзистора напряжение, не превышающее 0,7… 0,8 В. А резистор Rl предотвращает протекание через диод опасного для него тока при входном сигнале повышенного напряжения. Конденсатор С1, шунтирующий резистор R1 входной цепи, несколько улучшает чувствительность частотомера при измерении сигналов с высокой частотой.
Конденсатор СЗ блокирует ступень и микросхему формирователя по цепи питания.
Налаживание формирователя такого варианта сводится к подборке резистора R2 таким, чтобы на коллекторе транзистора (относительно общего провода) было напряжение +2,5… 3 В.
Чувствительность частотомера с таким формирователем импульсного напряжения будет не хуже 50 мВ, что более чем в 10 раз лучше, чем с формирователем на микросхеме К155ЛД1.
Схема другого варианта формирователя, обеспечивающего частотомеру примерно такую же чувствительность, показана на рис. 11.

Его входная цепь и усилитель—такие же, как в формирователе
предыдущего варианта. А функцию самого формирователя импульсного напряжения из усиленного сигнала выполнит триггер Шмитта, собранный на логических элементах DD1.1 и DD1.2. Подобный триггер Шмитта уже использовался вами в простом аналоговом частотомере с микроамперметром на выходе (см. рис. 24). Инвертор DD1.3 улучшает форму импульсов, подаваемых на вход электронного клапана устройства управления.
Итак, еще два возможных варианта формирователя импульсного напряжения, отличающихся один от другого используемыми в них микросхемами, но практически одинаковых по чувствительности. На каком из них остановиться, если не окажется микросхемы К155ЛД1 и если, кроме того, вы пожелаете улучшить чувствительность частотомера? Решить этот вопрос можно опытным путем:
испытать в работе оба варианта и монтировать тот из них, с которым частотомер работает четче. Выбору может помочь электронный осциллограф, на экране которого можно наблюдать формируемые импульсы. Предпочтение следует отдать формирователю, фронт и спад выходных импульсов которого круче.
Может случиться, что при измерении частоты более нескольких килогерц будут наблюдаться значительные мерцания светящих цифр индикаторов, и, кроме того, прибор иногда будет показывать в два раза большую частоту. В чем причины этих явлений и как их устранить, если, конечно, они наблюдаются в готовом частотомере или появятся позже?
В описанном частотомере время индикации результата измерения зависит от положения переключателя SA1 «Диапазон». При частоте тактовых импульсов более 1 кГц, поступающих от блока образцовой частоты на вход управляющего устройства, конденсатор СЗ не всегда успевает полностью разрядиться за время между двумя соседними импульсами, из-за чего при следующем цикле работы он начинает заряжаться с более высокого напряжения на нем. В результате время индикации (см. рис. 76, в и ж) уменьшается и свечение индикаторов становится мерцающим.
Причина второго явления — некоторая нестабильность конечной длительности сигнала «Обнуление» (см. рис. 76, е), переводящего устройство управления в исходное состояние. По фронту этого импульса триггер DD10.2 переключается в нулевое состояние и напряжение высокого уровня на его инверсном выходе (вывод 8) разрешает работу триггера DD10.1. И если тактовый импульс образцовой частоты поступит на вход С этого триггера в промежуток времени, когда сигнал обнуления еще не закончен, то триггер DD10.1 переключится в единичное состояние, начнется счет входных импульсов, на что триггер DD10.2 своевременно не среагирует, так как после такого цикла работы сигнала обнуления не будет. В итоге индикаторы будут фиксировать сумму значений частоты измеряемого сигнала и показания «внепланового» цикла работы управляющего устройства.
Оба эти недостатка нетрудно устранить введением в устройство управления еще одного D-триггера DD10.l, выделенного на рис. 12 утолщенными линиями.

Теперь с появлением сигнала «Обнуление» работа триггера DD10.1 еще запрещена напряжением низкого уровня, поступающим на его вход R с выхода триггера DD10.1 . Разрешение на его работу дает дополнительный триггер по окончании импульса, приходящего на его вход С. Период следования этих импульсов должен быть таким, чтобы во время пауз между ними конденсатор СЗ успевал ‘полностью разрядиться. Эта задача решается подачей на вход С триггера DD10.1 импульсов частотой следования 10 Гц, снимаемых с вывода 5 счетчика DD8 блока образцовой частоты,
Блок цифровой индикации частотомера трехразрядный, что, конечно, создает некоторые неудобства пользования прибором, о чем мы уже говорили ранее. Но это сделано исключительно с целью упрощения прибора, уменьшения числа используемых микросхем и знаковых индикаторов.
Чтобы частотомер стал четырехразрядным, его надо дополнить комплектом микросхем и индикаторов, соответствующим одному разряду, как показано на схеме рис. 13.

Счетчик DD18, дешифратор DD19 и индикатор HG4, образующие четвертый разряд (теперь он будет старшей счетной ступенью и на табло будет крайним левым), соединяют между собой так же, как детали других разрядов. Вход С1 счетчика этого разряда соединяют с выходом 8 счетчика DD16 третьего разряда, а его входы RO (выводы 2 и 3) — с аналогичными входами всех других счетчиков блока индикации. Питание на анод индикатора HG4 подают, как и на аноды других индикаторов, через ограничительный резистор R18 такого же номинала.
При желании и наличии деталей частотомер можно дополнить еще одной счетной ступенью с блоком цифровой индикации. Прибор станет пятиразрядным. Но, как показывает радиолюбительская практика, в этом особой необходимости нет.
Следующий вопрос, который мы предвидим: какие знаковые индикаторы, кроме ИН8-2, подойдут для частотомера? Любые другие индикаторы тлеющего разряда, например, ИН2, ИН14, ИН16. Надо
только при монтаже учитывать соответствующую им цоколевку. Распознать же или уточнить цоколевку используемого индикатора нетрудно опытным путем, подавая на выводы его электродов постоянное или пульсирующее напряжение 150…200В (через ограничительный резистор сопротивлением 33 … 47 к0м). За исходный удобно принять вывод анода—он хорошо просматривается через стеклянный баллон индикатора. Соединив с ним плюсовой проводник источника напряжения, отрицательным проводником источника касайтесь поочередно других выводов. При этом будут светиться цифры, соответствующие цоколевке проверяемого индикатора.
И еще один вопрос, касающийся кварцевого резонатора. Генератор блока образцовой частоты—«сердце» частотомера, от стабильности которого зависит точность измерений. Поэтому его частота стабилизирована кварцевым резонатором, Принципиально в качестве тактовой можно использовать весьма стабильную частоту переменного напряжения электроосветительной сети (как это сделано в описанном выше реле времени;. Но, к сожалению, частота напряжения электросети в разное время суток может отличаться от 50 Гц на 0,5 … 1 Гц. Соответственно Будет «плавать» частота генератора и. следовательно, погрешность измерении. В результате цифровой частотомер утратит свои довольно высокие качества. Поэтому-то без резонатора не обойтись.
А как быть, если резонатора на частоту 8 МГц, использованного в описанном частотомере, нет? Можно подобрать другой подходящий кварцевый резонатор. Конечно, лучше использовать резонатор на частоту 1 Mгц. В этом случае отпадает надобность в счетчике DD3 первой ступени делителя, так как сигнал генератора можно будет подавать сразу на вход счетчика DD4. Подойдет также кварцевый резонатор на частоту 100 кГц—тогда можно исключить и счетчик DD4. Во всех случаях делитель блока образцовой частоты упростится.
А если и таких кварцевых резонаторов нет? Тогда используйте любой другой с резонансной частотой от 0,1 до 10 MГц. При использовании практически любого кварцевого резонатора надо лишь изменить построение первых ступеней делителя частоты. В этом вам поможет соответствующая справочная литература.