Частотомер на люминисцентных индикакторах

Прибор предназначен для измерения электрических колебаний частотой до 2 МГц. Принцип действия частотомера основан на измерении числа импульсов, поступающих на вход счетчика в течение строго фиксированного интервала времени (в данном случае 1, 0,1 с, 10 и 1 мс). Чувствительность при измерении частот до 500 кГц — 20 мВ, на остальных частотах — не более 50 мВ. Входное сопротивление — приблизительно 1 МОм. Прибор имеет четыре знаковых разряда, минимальная цена младшего разряда — 1 Гц. Измеряемый сигнал может быть ослаблен входным делителем напряжения в 10 раз. Электрическая часть прибора питается от блока питания напряжением +11 В и потребляет ток 18 мА.
Частотомер собран на микросхемах серий К561 и К176. Он состоит из следующих основных узлов:
входного формирующего устройства, предназначенного для усиления и преобразования входного сигнала в импульсную последовательность с уровнями напряжения, соответствующими логическим уровням МОП-микросхем;
делителя частоты с опорным кварцевым генератором, обеспечивающего фиксированные интервалы времени счета;
счетчика импульсов с устройством отсчета, предназначенного для измерений частоты и отображения ее значения на индикаторных лампах;
узла управления циклом измерений и индикации;
блока питания.

Принципиальная схема входного устройства приведена на рис. 1. Измеряемый сигнал через гнездо XS1 и конденсатор С1 подается на делитель напряжения R1C2R2C3, а с него, в зависимости от положения тумблера SA1,— на затвор транзистора VT1, либо без ослабления (SA1 в положении «1 : 1»), либо ослабленным в 10 раз. Цепочка, состоящая из резистора R3 и диодов VD1 —VD6, защищает транзистор VT1 от перегрузок по входу прибора. Транзистор VT1 включен по схеме истокового повторителя и нагружен на дифференциальный усилитель, выполненный на микросхеме DA1 и транзисторе VT2. Коэффициент усиления этого усилителя около 10. Исходный режим работы дифференциального каскада задается резисторами R7, R8. Резистором R4, стоящим в истоковой цепи транзистора VT1, можно отрегулировать входное устройство на максимальную чувствительность по напряжению. С коллектора транзистора VT2 усиленный сигнал поступает на пороговое устройство, выполненное на элементах DD1.1, DD 1.2, формирующее импульсы с крутыми фронтами и МОП-уровнями. С выхода элемента DD1.2 импульсы подаются в счетчик импульсов для дальнейшей обработки.

Принципиальная схема делителя частоты приведена на рис. 2. Генератор опорной частоты 100 кГц выполнен на элементах DD1.1, DD1.2. Резистор R1 выводит элемент DD1.1 в активный режим работы. Резонатор ZQ1 включен в цепь положительной обратной связи с выхода DD1.2 на вход DD1.1. Импульсы частотой следования 100 кГц подаются одновременно в устройство управления (см. ниже) и на делитель частоты (с коэффициентом деления 105), выполненный на микросхемах DD2 - DD4, DD6, DD7 и элементах DD1.3, DD1.4, DD5.1, DD5.2. Микросхемы DD2, DD3 — сдвоенные 4 -разрядные двоичные счетчики с коэффициентом деления 16. Чтобы получить коэффициент деления 10, введена обратная связь через элементы 2И-НЕ. Например, в делителе частоты 100 кГц/10 кГц она организована через элементы DD1.3, DD1.4. В момент достижения счетчиком состояния 1010 на выходе элемента DD1.4 появляется короткий положительный импульс, принудительно устанавливающий счетчик в состояние 0000. Остальные делители частоты на микросхемах DD2, DD3 построены аналогично. Делитель частоты 10 Гц/1 Гц выполнен на D -триггерах DD6, DD7. Импульсы длительностью 1, 10 мс, 0,1 или 1 с (в зависимости от положения переключателя SA1 «Т, сек») подают в устройство управления. Кроме того, импульсы частотой повторения 1 Гц с выхода триггера DD7.2 проходят в устройство управления напрямую.

Принципиальная схема счетчика импульсов с устройством отсчета приведена на рис. 3. Входной селектор выполнен на элементах DD1.1, DD1.2. На вывод 1 элемента DD1.1 подаются импульсы измеряемой частоты, на второй вход этого элемента с устройства управления поступает стробирующий импульс длительностью, равной выбранному интервалу времени измерения. При его наличии импульсы с выходного устройства подсчитываются счетчиком, выполненным на микросхемах DD2— DD5. Эти микросхемы — десятичные счетчики с внутренним дешифратором, работающим в семиэлементном коде. Напряжение питания микросхем около +11 В выбрано с целью подключения шкалы на люминесцентных-индикаторах HG1—HG4 непосредственно к дешифраторам (без использования промежуточных транзисторных ключей). Запятая определяется выбранным интервалом времени измерения, Периодически импульсом положительной полярности с устройства управления, по данным на входы R микросхем DD2 — DD5, счетчик устанавливается в нулевое состояние.

Принципиальная схема устройства управления приведена на рис. 4. Оно состоит из четырех D-триггеров (микросхемы DD2, DD1) и дифференцирующей цепочки R1C1. Работу устройства удобно рассмотреть с момента появления импульса «Установка 0». Этот импульс устанавливает счетчик (см. рис. 3) в исходное (нулевое) состояние. Одновременно он поступает на вход S триггера DD2.1 и устанавливает его в единичное состояние. Высокий логический уровень с прямого выхода триггера DD2.1 запрещает работу триггера DD2.2 в счетном режиме, а низкий уровень напряжения с инверсного выхода DD2.1 открывает триггер DD1.2, который по фронту первого же импульса с выхода триггера DD1.1 вырабатывает измерительный стробирующий импульс, открывающий входной селектор в счетчике (см. рис. 3). Идет цикл измерения. По фронту следующего импульса с триггера DD1.1 триггер DD1.2 возвращается в исходное состояние, на прямом выходе DD1.2 устанавливается низкий логический уровень, закрывающий селектор, а фронтом импульса с инверсного выхода DD1.2 триггер DD2.1 переводится в нулевое состояние, и разрешает работу триггера DD2.2. На вход С триггера D.D2.2 поданы импульсы частотой повторения 1 Гц, и он последовательно устанавливается сначала в нулевое состояние (по инверсному выходу), а затем в единичное. Во время счета триггером DD2.2 триггер DD1.2 заблокирован логической 1 с инверсного выхода триггера DD2.1. Идет цикл индикации, продолжающийся 1 с при выборе интервала измерения, равным 1 с и примерно 2 с при стальных интервалах измерения. Как только на инверсном выходе триггера DD2.2 будет логическая 1, положительный перепад напряжения пройдет через дифференцирующую цепь R1C1, вновь переведет счетчик в нулевое состояние и разрешит формирование измерительного строба. Цикл измерения повторится. Триггер DD1.1 устраняет влияние флуктуации фронта низкочастотных импульсов, соответствующих интервалу измерения. Для этого импульсы, поданные на вход D триггера DD1.1, проходят на выход триггера только по фронту синхронизирующих импульсов частотой следования 100 кГц, поданных на вход С. Временная диаграмма, поясняющая работу устройства управления, приведена на рис. 5.

Принципиальная схема блока питания показана на рис. 6.

Стабилизатор напряжения +11 В выполнен на транзисторах VT1, VT2 по традиционной схеме. Опорное напряжение на базе транзистора VT1 создается стабилитроном VD5. Для устранения возможных импульсных помех со стороны сети на входе стабилизатора напряжения установлена цепочка L1C3.

Корпус прибора (рис. 7) размерами 155 Х 130 Х 6 0 мм — алюминиевый. Детали частотомера установлены на плате размерами 90 X 80, блока питания — 55 Х 40 мм. Весь монтаж выполнен с помощью коротких отрезков провода МГТФ 0,07. Передняя и задняя панели прибора оксидированы, а верхняя и нижняя крышки оклеены пленкой с имитацией ценных пород дерева.
В приборе применены следующие детали. Переключатель SA1 — ПГ2-14 4П6Н, тумблеры —П1ТЗ-1T, держатель предохранителя — ДПМ, гнездо — СГ-5. Резисторы в основном МТ-0,25, конденсаторы — К10-23, КМ-6, К50-6, КТ. Дроссели — Д-0,1. Транзисторы ГТ403А можно заменить любыми транзисторами из се¬рий П213 —П215; П307В — на КТ315 с любым буквенным индексом. Вместо диодной сборки КД906Г можно взять четыре отдельных диода любого типа с максимальным прямым током не менее 50 мА. Микросхемы К561ЛА7 заменяются на К176ЛА7, К561ТМ2 —на К176ТМ2. Вместо индикаторных ламп ИВ-3 можно использовать ИВ-ЗА. Трансформатор Т1 — любой маломощный трансформатор с подходящими обмотками.
Как правило, цифровая часть прибора в регулировке не нуждается. Налаживание входного устройства ведется в следующей последовательности. К входному гнезду XS1 подключают генератор сигналов, а к выходу элемента DD1.2 — осциллограф. На частоте 2 МГц подбором резистора R4 добиваются максимальной чувствительности при хорошем качестве выходных импульсов. Желательно одновременно контролировать показания прибора промышленным частотомером и сравнивать их показания. Следует отметить, что измерение частоты выше 2 МГц производить с помощью отдельной приставки — делителя частоты, выполненного, например, на микросхемах серии К500 (К100). Для измерения частот с верхним пределом 150... 180 МГц достаточно иметь две декады, выполненные по схеме, приведенной в [1, 2].
Частотомер можно использовать и как отсчетное устройство цифрового вольтметра. Для этого вход прибора соединяют с преобразователем постоянное напряжение — частота (рис. 8) и переводят переключатель интервалов времени в положение «0,1 с». При этом предел измерения частоты 20 кГц будет соответствовать верхнему пределу шкалы вольтметра 2 В.
Нелинейность преобразователя — менее 0,025 % при коэффициенте перекрытия более 10 000. Крутизна преобразования— 10 Гц/мВ. Входное сопротивление — 100 кОм. Преобразователь допускает подачу на его вход напряжения до —10 В при выходной частоте более 45 кГц.
На левом по схеме транзисторе сборки DA2 выполнен импульсный генератор стабильного тока. Напряжение на базе этого транзистора стабилизировано. Роль образцового элемента, питаемого от генератора стабильного тока на транзисторе VT1, играет эмиттерный переход правого по схеме транзистора сборки DA2. Напряжение стабилизации 6,5 В (относительно дополнительного источника —11 В, выполненного по аналогии с приведенным на рис. 6 ) определено напряжением лавинного пробоя эмиттерного перехода. Операционный усилитель DA1 выполняет функцию интегратора. Интегрирующий конденсатор—С1. Резистор R3 ограничивает выходной ток операционного усилителя (ОУ) на уровне 5 мА (при R=0, I=Iк3=25 мА). На погрешность преобразователя он не влияет. Диод VD1 защищает входную цепь триггера DD1 от перенапряжения со сто¬роны выхода ОУ при отсутствии импульса измерения на его входе S. Ключ на транзисторе VT2 управляет работой импульсного генератора стабильного тока (ГСТ). Резистором R5 калибруют прибор.
Для понимания работы преобразователя удобно рассматривать момент, когда на прямом выходе триггера DD1—логический 0. Напряжение на эмиттере транзистора VT2 ниже, чем на базе, и транзистор закрыт. Через ГСТ течет ток Iст (идет заряд конденсатора С1). Когда на прямом выходе триггера появляется логическая 1, транзистор открывается и Iст становится равным нулю.
Как только выходное напряжение усилителя DA1 станет немного ниже порогового уровня выхода D триггера, следующий импульс вызовет переключение триггера. Это приводит к большому приращению заряда конденсатора С1 и, следовательно, повышению выходного напряжения операционного усилителя DA1. Следующий опорный импульс вызовет новое переключение триггера. Конденсатор С1 начнет разряжаться. Если исключить случай Uвx=Uвх. max, то к приходу следующего импульса выходное напряжение ОУ все еще будет высоким, и триггер своего состояния не изменяет. При этом возможен дальнейший разряд интегрирующего конденеатора. Процесс повторяется до тех пор, пока напряжение на выходе операционного усилителя не станет ниже уровня срабатывания триггера по входу D. На этом цикл заканчивается и начинается новый.
Для измерения выходной частоты преобразователя на вход S триггера DD1 подают измерительный импульс длительностью 100 мс и полученную пачку импульсов подсчитывают частотомером.
С частотомера на преобразователь необходимо подать импульсы с частотой следования 100 кГц и импульсы интервала измерения 0,1 Гц, а с преобразователя импульсы с инверсного выхода триггера DD1.1 (вывод 8) — на частотомер. Все это можно делать с помощью одного кабеля, подключенного к гнезду XS1.