Простой цифровой частотомер. Частотомер на микросхемах серии К176

ЦИФРОВОЙ ЧАСТОТОМЕР

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 К155 (см. статью В. Борисова и А. Партина «Частотомер с цифровой индикацией» в «Радио», 1985, № 11, с. 49-51; N9 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 ло¬

гического состояния в сигналы управления семисегментным индикатором. На выходах а -g этих микросхем формируются сигналы, обеспечивающие свечение цифр индикаторов HG1 - 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

Схема очень простого цифрового частотомера на зарубежной элементной базе

Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Приветствую вас на сайте “ “

В этой статье на сайте Радиолюбитель мы рассмотрим очередную простую радиолюбительскую схему – частотомер . Частотомер собран на зарубежной элементной базе, которая подчас бывает доступнее отечественной. Схема проста и доступна для повторения начинающему радиолюбителю .

Схема частотомера :

Частотомер выполнен на измерительных счетчиках HFC4026BEY, микросхемах серии CD40 и семисегментных светодиодных индикаторах с общим катодом HDSP-H211H. При напряжении источника питания 12 вольт частотомер может измерять частоту от 1 Гц до 10 МГц.

Микросхема HFC4026BEY является представителем высокоскоростной КМОП логики и содержит десятичный счетчик и дешифратор для семисегментного светодиодного индикатора с общим катодом. Входные импульсы подаются на вход “С”, который имеет триггер Шмитта, что позволяет значительно упростить схему входного формирователя импульсов. Кроме того, вход счетчика “С” можно закрыть подав логическую единицу на вывод 2 микросхемы. Таким образом отпадает надобность во внешнем ключевом устройстве пропускающим импульсы на вход счетчика в период измерения. Выключить индикацию можно подав логический ноль на вывод 3. Все это упрощает схему управления частотомера.

Входной усилитель выполнен на транзисторе VT1 по схеме ключа. Он преобразует входной сигнал в импульсы произвольной формы. Прямоугольность импульсам придает триггер Шмитта, имеющийся на входе “С” микросхемы. Диоды VD1- VD4 ограничивают величину амплитуды входного сигнала. Генератор опорных сигналов выполнен на микросхеме CD4060B. В случае использования кварцевого резонатора на частоту 32768 Гц с вывода 2 микросхемы снимается частота 4 Гц, которая поступает на схему управления состоящего из десятичного счетчика D2 и двух RS триггеров на микросхеме D3. В случае использования резонатора на 16384 Гц (с китайских будильников) частоту 4 Гц нужно будет снимать не со 2 вывода микросхемы, а с 1-го.

Микросхему CD4060B можно заменить другим аналогом типа хх4060 (например NJM4060). Микросхему CD4017B можно заменить также другим аналогом типа хх4017, либо отечественной микросхемой К561 ИЕ8, К176 ИЕ8. Микросхема CD4001B прямой аналог наших микросхем К561ИЕ5, К176ИЕ5. Микросхему HFC4026BEY можно заменить ее полным аналогом CD4026, но при этом максимальная измеряемая частота будет 2 МГц. Схема входного ула частотомера примитивная, ее можно заменить каким-то более совершенным узлом.

В уже далёком 1986 году мне понадобилось сделать частотомер. Перерыл доступную тогда литературу, отобрал несколько схем. Больше всего понравился частотомер, описанный в «Радио» № 10 за 1981 год, стр. 44 … 47 + обложка, автор С. Бирюков. По книгам этого автора я изучал основы цифровой техники, так что это стало чуть ли ни основным аргументом при выборе именно этой схемы.
Смущала только индикация на газоразрядных индикаторах. В середине 80-х я считал ИН-ки «дико устаревшим хламом», место которому на помойке… J Но найти семисегментные АЛС-ки, а тем более, дешифраторы К514ИД1(2) к ним, тогда было весьма проблематично (я в то время жил в Воркуте). А вот с К155ИД1 проблем не было и индикаторов ИН-8-2 в «закромах» было много. Так что, в итоге, полностью повторил авторскую версию… J ну, почти полностью…

Где-то в 1987 году прибор я построил и потом много лет пользовался им. Смущало только то, что он у меня «подвирал». Не сильно, но это мне не нравилось. Несколько раз я пытался подогнать частоту кварцевого генератора, менял даже кварц, но проблема оставалась.

Не так давно мне в руки попал термостатированный высокоточный кварцевый генератор на 10,0 МГц. Но для его питания нужно +12 В при токе 0,46 А (при нагреве) и 0,16 А (в рабочем режиме).

В тороидальном силовом трансформаторе, который установлен в частотомере, подходящей обмотки не нашлось. Но зато там есть подходящая обмотка для питания анодов ИН-ок (+200 В). Домотать ещё обмотку так же не получится, поскольку тор залит компаундом. Поставить второй тор внутри корпуса так же некуда. В итоге, решил поставить его снаружи, на заднюю стенку. Там же разместил и радиатор транзистора сабилизатора +12 В.

В «закромах» нашлась «аутентичная» плата стабилизатора, то же «из той эпохи» J . Даже нашел схему этого стабилизатора ("Радио" № 09 за 1986 г.). Заменил электролиты, установил многооборотный подстроечный резистор и вынес транзистор с платы на заднюю стенку.

Что бы установить новые узлы и переделать узел кварцевого генератора на плате частотомера, пришлось произвести частичную разборку устройства. Кварц и обвязку с платы удалил, всё почистил от пыли и промыл в спирте.

Просверлил нужные отверстия, подобрал крепёж и всё установил на место.

Включил прибор, всё работает нормально.
Пара фотографий «до» и «после» модернизации.

После этого съездил «в гости» в лабораторию к своему товарищу - метрологу. После 30-минутного прогрева проверил частоту генератора на образцовом частотомере. Частота моего генератора оказалась 10 000 000, 137 Гц. В районе сотых долей Герца (!) начинается «болтанка» . Чуток подстроил частоту, но точно в «0» доли Герца вывести не получается. Потом измерил уже своим частотомером частоту образцового бериллиевого генератора 10,0 МГц. Показал 10 000 000, 083 Гц. Точность удивительная. В общем, весьма неплохо для самоделки… J

Что дальше? Хотелось бы сделать ВЧ-делитель «на 10», поскольку работа "родного", на ИМС серии К500, мне не нравится. Есть задумка сделать его на основе ИМС прескалера МС12080. Пока эта идея на уровне разработки печатной платы. Ну а там видно будет. J

В широкой продаже часто встречаются многоразрядные электролюминесцентные индикаторы, рассчитанные на динамическую индикацию. Преимущество таких индикаторов, главным образом, в их цене и в доступности (стоимость тринадцатиразрядного ИВ-27М равна стоимости светодиодного индикатора на один разряд). Предлагаемая схема частотомера разработана именно под ИВ-27М. Частотомер шестиразрядный, имеет два предела измерения: до 1 Мгц, с точностью 1 Гц, и до 50 Мгц с точностью 100 Гц.

Чувствительность входов 300 мВ, входные сопротивления 10 кОм. Принципиальная схема показана на рисунке. Сигналы до 1 Мгц подаются на вход НЧ, до 50 Мгц- на вход ВЧ. Выбор входов производится переключателем S1, в показанном на схеме положении включен НЧ вход, при этом импульсы с усилителя-формирователя на транзисторах VT1-VT2 поступают непосредственно на входной коммутатор на D1.1. В противоположном положении S1 включен ВЧ вход.

В этом случае импульсы с выхода формирователя на VT4-VT5 сначала поступают на высокочастотный делитель на микросхемах D2 и D3 , который делит частоту на 100, а затем уже на входной коммутатор. Частота 50 Мгц в таком режиме ограничена только граничной частотой микросхем К555ИЕ2. Если вместо этих микросхем использовать К155ИЕ2 граничная частота будет ниже - до 30 Мгц. Если сделать делитель на более высокочастотных микросхемах, то можно измерять до 100 Мгц.

Импульсы с выхода D1.1 поступают на шестиразрядный счетчик на микросхемах D4-D9 с дешифраторами на D12-D17. Каждая из микросхем D4-D9 работает в десятичном режиме счета.

Динамическая индикация реализована при помощи счетчика D19. На его вход поступают импульсы частотой 1024 Гц с выхода "F" D10. Все выходы дешифраторов D12-D17 включены параллельно, и подключены к сегментным анодам газоразрядного индикатора. Выходы дешифраторов имеют возможность переходить в отключенное состояние при подаче логической единицы на вывод 7.

Счетчик D19 поочередно на эти входы разных дешифраторов подает нули (единицы с выхода D19 инвертируются при помощи D20) , таким образом, что в любой момент времени включены выходы только одного дешифратора, а выходы всех остальных выключены. Одновременно единица (до D20) поступает на соответствующую сетку того разряда, дешифратор которого включен. Таким образом последовательно отображается шесть цифр, но благодаря инерционности зрения кажется что все цифры горят одновременно.

Из тринадцати разрядов ИВ-27М используется только шесть, по этому для индикации высокочастотного режима включаются еще два младших разряда, в которых всегда нули. В них показания не меняются, но они позволяют считывать результат измерения на ВЧ не умножая его на 100 (вместо "Х100" добавлено еще два нуля).

Для этого служит дешифратор D18, на его входы постоянно подаются нули и при включении его выходов на них имеется семисегментный код цифры "0". При этом счетчик D19 включает сетки двух младших разрядов, роль инвертора, в данном случае выполняет VT7.

Устройство управления выполнено на D10, D11, D1.2, D1.3. Микросхема D10 вырабатывает импульсы частотой 1 Гц для управления режимом измерения, и импульсы 1024 Гц для динамической индикации.

Допустим, триггер D11 находится в единичном состоянии. При этом коммутатор D1.1 закрыт и импульсы на вход счетчика не поступают. При поступлении первого импульса на вход С D11 устанавливается в нулевое положение и D1.1 открывается, идет счет входных импульсов. Затем, на D11 поступает следующий импульс и D11 устанавливается в единичное состояние.

При этом D1.1 закрывается и счет входных импульсов прекращается. Одновременно цепью C5R14 формируется короткий импульс, который поступает на выводы 1 дешифраторов D12-D17 и записывает результат измерения в их регистры.

Затем после этого импульса, через время, установленное цепью R17C10, при помощи цепи C9R16 формируется второй такой импульс, который обнуляет счетчики D4-D9. Таким образом показания частотомера меняются через каждые две секунды.

Источник питания - не стабилизированный, на трансформаторе Т1. Трансформатор взят готовый импортный (предположительно китайский) - 230V / 2X6V / 300 mА. Напряжения 8В для ИВ-27М недостаточно, поэтому катод питается отрицательным напряжением.

Индикатор ИВ-27М имеет выводы с обеих сторон баллона, поэтому выводы с торца, на котором 15 выводов обозначены на схеме без буквы, а выводы с торца на котором 11 выводов - с буквой А. Отсчет выводов как у любой лампы - повернуть к себе торцом и считать по часовой стрелке от отсутствующего вывода (большой разрыв между первым и последним выводами).

Параметры предлагаемого частотомера приведены в табл. 1.

Данный частотомер, на мои взгляд, обладает целым рядом преимуществ по сравнению с предшествующими:

Современная дешевая и легко доступная элементная база;
- максимальная измеряемая частота - 200 МГц;
- совмещение в одном приборе частотомера и цифровой шкалы;
- возможность увеличения максимальной измеряемой частоты до 1,2 ГГц при незначительной доработке входной части прибора;
- возможность коммутации во время работы до 4 ПЧ.
Измерение частоты осуществляется классическим способом: подсчет количества импульсов за фиксированный интервал времени.

Входной сигнал через конденсатор С4 поступает на базу транзистора VT1, который усиливает входной сигнал до уровня, необходимого для нормальной работы микросхемы DD2. Микросхема DD2 193ИЕЗ представляет собой высокочастотный делитель частоты, коэффициент деления которого равен 10. Ввиду того что в используемое микроконтроллере К1816ВЕ31 максимальная частота счетного входа Т1 f=Fкв/24, где Fкв - частота используемого кварца, а в частотомере Fкв=8,8672 МГц, сигнал с высокочастотного делителя поступает на дополнительный делитель частоты, представляющий собой десятичный счетчик DD3. Процесс измерения частоты начинается с обнуления делителя DD3, сигнал сброса которого поступает с вывода 12 микроконтроллера DD4. Сигнал разрешения прохождения измеряемого сигнала на десятичный делитель поступает с вывода 13 DD4 через инвертор DD1.1 на вывод 12 DD1.3.

По окончании фиксированного интервала времени измерения на выводе 13 DD4 появляется высокий уровень, который через инвертор DD1.1 запрещает прохождение измеряемого сигнала на делитель DD3, и начинается процесс преобразования накопленных импульсов времени в частоту, а также подготовка данных для вывода на индикацию.

Данный прибор имеет возможность работы как в высокочастотном, так и в низкочастотном диапазонах. При работе в низкочастотном диапазоне переключатель S1 необходимо установить в верхнее положение и сигнал подавать на вход 2 (вывод 9) платы частотомера. Для измерения частоты от 1 Гц до 20 МГц необходимо использовать формирователь, предложенный в .

Программа работы микроконтроллера находится в ПЗУ DD8, микросхема DD5 используется для мультиплексирования адресов микроконтроллера. Прошивка ПЗУ для работы прибора в качестве частотомера приведена в табл.2.

Для получения максимальной эффективности использования микроконтроллера в приборе применена динамическая индикация.

При использовании данного прибора в качестве цифровой шкалы на вывод 22 DD8 необходимо с помощью переключателя S2.3 подать высокий уровень. Выбор значения ПЧ производится путем соединения выводов 10,11 микросхемы DD4 с землей. Вход 3 (вывод 5) платы частотомера предназначен для включения выбранной промежуточной частоты (например при переходе с приема на передачу). Во время работы прибора в режиме цифровой шкалы младшие разряды индикатора показывают сотни герц. Работе прибора в режиме цифровой шкалы соответствует иная прошивка ПЗУ.

Печатная плата (рис.2 , рис.3 , рис.4) изготовлена из двухстороннего стеклотекстолита размерами 100х130 мм. Индикатор крепится непосредственно на печатной плате двумя хомутами из обычного монтажного провода. Для установки микросхемы DD8 предусмотрена панелька. При разводке платы предусматривалась необходимость размещения транзистора VT1 в максимальной близости к DD2. Вокруг VT1 и DD2 оставлено возможно большее количество фольги с обеих сторон с целью экранирования высокочастотных цепей. В конструкции в качестве индикатора HL1 применен ИВ-18 как наиболее популярный в радиолюбительских конструкциях. В случае необходимости миниатюризации конструкции индикатор ИВ-18 может быть заменен на ИВ-21, который имеет значительно меньшие габаритные размеры. В этом случае необходимо уменьшить напряжение накала и отрицательное напряжение на катоде согласно паспортным данным. Микросхему DD1 желательно применять серии 1533 как более высокочастотную.

Для питания частотомера можно использовать блок питания, подробно описанный в . Нужно только увеличить напряжение от -20 В до -30 В и напряжение накала - до 4,8 В при использовании индикатора ИВ-18. В указанной схеме блока питания желательно диод КД503 заменить на стабилитрон КС133, что исключает ложную подсветку сегментов индикатора.

Наладку частотомера следует начинать с проверки на обрыв всех без исключения соединительных проводников печатной платы, затем проверить на отсутствие замыкания соседних на печатной плате соединительных проводников. Сразу же после подачи питания на частотомер проконтролируйте ток потребления по напряжению +5 В. Он не должен превышать 250 мА. Затем измерьте напряжение на коллекторе VT1, оно должно находиться в пределах 2,0 В...3,0 В. Установка указанного напряжения осуществляется подбором резистора R3. При безошибочном монтаже, исправных деталях и отсутствии ошибок в программе окончательное налаживание прибора заключается в точной установке частот задающего генератора микроконтроллера с помощью конденсатора С7 в соответствии с показаниями образцового частотомера.

Благодаря программно-управляемому процессу измерения можно путем незначительного изменения программы микроконтроллера применять недесятичные высокочастотные делители. Автором были опробованы в данном приборе микросхемы 193ПП1 (коэффициент деления - 704), 193ИЕ6 (коэффициент деления - 256). Испытания показали, что максимальная частота измеряемого сигнала достигает значения 1 ГГц. Наиболее предпочтительной оказалась микросхема 193ПЦ1,т.к. она имеет входной усилитель. Микроконтроллер К181ВЕ51 можно заменить на К1816ВЕ31, К1830ВЕ31, К1830ВЕ51 или их зарубежные аналоги - 8031, 80С31. При отсутствии микросхемы 193ИЕЗ можно заменить ее микросхемой К500ИЕ137, включив ее по типовой схеме.

Литература
1. Бирюков С. Цифровой частотомер//Радио. - 1981.-N10.-C.44.
2. Хлюпин Н. Цифровой частотомер//Радиолюби-тель.- 1994.- N 11.
3. Сташин В.В. Проектирование цифровых устройств. - 1990.

Список радиоэлементов