Частотомер на 176 серии. Простой цифровой частотомер. г., Ростовская обл

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).

Исследуемый сигнал подается на вход формирователя импульсного напряжения. На его выходе формируются электрические колебания прямоугольной формы, соответствующие частоте входного сигнала, которые далее поступают на электронный ключ. Сюда же через устройство управления поступают и импульсы образцовой частоты, открывающие ключ на определенное время. На выходе электронного ключа появляется пачка импульсов. Число импульсов в пачке подсчитывает двоично-десятичный счетчик Его состояние после закрывания ключа отображает блок цифровой индикации, работающий в течение длительности образцового импульса, т.е. одной секунды.
В режиме счета импульсов управляющее устройство блокирует источник образцовой частоты, двоично-десятичный счетчик ведет непрерывный счет поступающих на его вход импульсов, а блок цифровой индикации отображает результаты счета.

Принципиальная схема частотомера показана на рис. 2. Формирователь импульсов напряжения собран на микросхеме К155ЛД1 (DD1) и представляет собой усложненный триггер Шмитта. Резистор R1 ограничивает входной ток, а диод VD1 защищает микросхему от перепадов входного напряжения отрицательной полярности. Резистор R3 ограничивает нижний предел напряжения входного сигнала. С выхода формирователя (вывод 9 микросхемы) импульсы прямоугольной формы поступают на один из входов логического элемента DD11.1, выполняющего функцию электронного ключа.

В блок образцовых частот входят генератор на элементах DD2.1 – DD2.3, частота импульсов которого стабилизирована кварцевым резонатором ZQ1 и семи ступенчатый делитель частоты на микросхемах DD3 – DD9. Частота кварцевого резонатора равна 8 МГц. Микросхема DD3 делит частоту на 8, а микросхемы каждой последующей ступени делят частоту на 10. Частота импульсов на выходе DD9 равна 1 Гц. Диапазон измеряемых частот устанавливается переключателем SA1. Для более точного измерения частоты сигнала переключателем SA1 необходимо выбирать соответствующий диапазон измерения, переходя от более высокочаcтотного участка к низкочастотному. Управляющее устройство состоит из триггера DD10.1 и DD10.2 инверторов DD11.3, DD11.4 и транзистора VT1, образующих ждущий мультивибратор. На вход С триггера DD10.1 поступают импульсы с блока образцовой частоты и он переключается в единичное состояние и сигналом логической 1 открывает электронный ключ DD11.1 С этого момента импульсы измеряемой частоты проходит через ключ и инвертор D11.2 и поступают на вход счетчика DD12. По фронту следующего импульса DD10.1 принимает исходное состояние и переключает в единичное состояние триггер DD10.2.

В свою очередь триггер DD10.2 уровнем логического нуля на инверсном выходе блокирует вход управляющего устройства от воздействия импульсов образцовой частоты, а уровнем логической единицы на прямом выходе запускает ждущий мультивибратор. Электронный ключ закрывается, уровнем логического 0 на прямом выходе DD10.1. Начинается индикация числа импульсов в пачке, поступающих на вход счетчика. С появлением уровня логической 1 на прямом выходе триггера DD10.2 через резистор R9 начинает заряжаться конденсатор C3. По мере его зарядки увеличивается напряжение на базе транзистора VT1. Когда оно достигает 0.6 В, транзистор откроется и напряжение на его коллекторе уменьшится почти до нуля. Появляющийся при этом на выходе элемента DD11.3 сигнал логической 1 воздействует на вход R0 микросхем DD12, DD14, DD16, в результате чего счетчик сбрасывается на 0. Индикация измерения прекращается. Одновременно сигнал логического 0 появляется на выводе 11 инвертора DD11.4, переключает триггер DD10.2 и ждущий мультивибратор в исходное состояние. Конденсатор C3 разряжается через диод VD2 и микросхему DD10.2. С появлением на входе DD10.1 очередного импульса образцовой частоты, начинается следующий цикл работы прибора в режиме измерения. Чтобы частотомер перевести в режим непрерывного счета импульсов, переключатель SA2 установить в положение «счет». В этом случае триггер DD11.1 переключается и на его прямом выходе появляется 1. Ключ DD11.1 оказывается открытым и через него непрерывно поступают импульсы на вход счетчика импульсов. Показания счетчика сбрасываются нажатием кнопки «сброс». Блок питания частотомера (рис.3) состоит из трансформатора Т1, выпрямителя VD3, стабилизатора напряжения VD5, VT2 и фильтра на конденсаторах С9 – С11, обеспечивает напряжение 5 В для питания микросхем.

Напряжение с обмотки III трансформатора через диод VD5 подается в цепи питания газоразрядных цифровых индикаторов. Конструкция и детали. Детали частотомера смонтированы на печатных платах. В качестве индикаторов применены газоразрядные индикаторы ИН1. Трансформатор блока питания Т1 выполнен на магнитопроводе ШЛ 20х32. Обмотка 1 содержит 111650 витков провода ПЭВ-1 0.1, обмотка 2 содержит 55 витков ПЭВ-1 0.47, обмотка 3 – 1500 витков провода ПЭВ-1 0.1. Транзистор Т2 установлен на радиаторе. Вместо формирователя импульсов на микросхеме К155ЛД1 можно собрать формирователь по схеме рис. 4

Кроме того в конструкции увеличено количество цифровых индикаторов до пяти и соответственно количество микросхем счетчика К155ИЕ2 и дешифраторов К155ИД1. Расширение цифровой индикации дает более удобное отображение информации. Налаживание прибора сводится к проверке правильности монтажа и измерении питающих напряжений. Правильно собранный частотомер уверенно выполняет свои функции. Естественно вакуумные индикаторы можно заменить на более современные, светодиодные типа АЛС, а микросхемы на аналогичные новых серий.

Обсудить статью ЧАСТОТОМЕР

Рис. 2. Принципиальная схема прибора:

DD 1, DD 4 К155ЛАЗ; DD 3 К155ИЕ1; DD 5 К.155ТМ2; DD 6- DD 9 К176ИЕ4; VD 6- VD 9 Д226А, VD 10- VD 13 Д9Б, HG 1- HG 4 ИВ ЗА.

Рис. 3. Внешний частотомера.

Р . 5. Схема расположения элементов в корпусе частотомера:

1 - сетевой индикатор, 2 - сети, 3 - силовой , 4 - держатель предохранителя, 5 - печатная плата, 6 - светофильтр, 7 - переключатель временных интервалов.

Отрицательный импульс сброса на коллекторе VT2 инвертируется транзистором VT3, воздействуя на входы R микросхем DD6-DD9 и сбрасывая показания - индикация результатов измерения прекращается. По приходу фронта следующего эталонного импульса процесс повторяется.

В частотомере применены резисторы МЛТ-0,25, конденсаторы К50-6 и КЛС. Указанные в схеме транзисторы КТ315 и КТ361 (с любым буквенным индексом) заменяются любыми кремниевыми высокочастотными транзисторами соответствующей структуры. Вместо диодов КД522Б можно использовать любые из серии КД521, КД520. Диод ГД511Б можно заменить на Д9.

Микросхемы серии К155 могут быть заменены на аналогичные серии К133. Индикаторы ИВ-ЗА заменяются на ИВ-3. Трансформатор блока питания имеет 5-7 Вт. Напряжение на обмотках: II - 0,85 В (ток 200 мА), III - 10 В (ток 200 мА), IV - 10 В ( 15 мА). Диодные VD6- VD9 и VD10-VD13 можно запитать от одной 10 В обмотки (ток не менее 220 ). VT4 имеет радиатор 20X30X1 мм, выполненный из двух алюминиевых пластин, которые при помощи винта МЗ и гайки прикреплены к транзистору с двух сторон.

Рис. 4. Печатная плата со схемой расположения элементов.

Частотомер изготовляется с целью замены калиброванной шкалы в генераторе низкой частоты (ГНЧ). Из генератора удален оцифрованный . В окне , закрытом прозрачным оргстеклом с зеленым светофильтром, размещены цифровые индикаторы (рис. 3).

Частотомер может быть использован своему прямому назначению. Для этого введен переключатель SA1, расположенный на передней панели генератора.

Печатная частотомера изготовлена из фольгированного гетинакса толщиной 1,5-2 мм (рис. 4). индикаторов HG1-HG4 с интегральными микросхемами DD6-DD9 производится со печатных проводников.

Все желательно выполнить одножильным изолированным проводом (например, 0 0,3 мм из телефонного кабеля). переменного тока - многожильным проводом 0 0,7-1,5 мм.

Рис. 6. корпуса: нижняя (1) и верхняя (2) П-образные панели. Отверстия органы управления сверлятся по месту.

Необходимо обратить на правильную установку цифровых индикаторов HG1 - HG4. должны быть размещены в одной плоскости и на одном уровне и отстоять от передней кромки печатной платы на расстоянии 2-3 мм. Резистор R18 и све-тодиод VD6 расположены на передней панели прибора. расположения узлов в частотомере (без ГНЧ) показан на рисунке 5.

Рис. 7. Схема подсоединения переключателя для измерения периода сигналов.

Прибора с указанием необходимых размеров - на рисунке 6. Он изготовлен из дюралюминия Д16АМ толщиной 1,5 мм. Верхняя и нижняя П-образные половины корпуса соединяются с помощью дюралюминиевых уголков 12Х 12 мм, наклепанных на нижнюю половину корпуса, в которых просверлены отверстия и нарезана резьба МЗ.

Крепится к днищу частотомера при помощи винтов МЗ и пластмассовых втулок высотой 10 мм.

У микросхем DD2 и DD3 перед установкой на печатную плату третью и двенадцатую ножки необходимо укоротить до утолщения.

Налаживание прибора начинают с проверки монтажа, далее измеряют напряжения блока питания, которые должны соответствовать указанным на принципиальной схеме.

На цифровом табло высветятся нули. Это говорит о работоспособности частотомера. Переключают SA2 в крайнее правое (по схеме) , а на вход частотомера (при помощи перемычки) подают с вывода 11 DD1.2 прямоугольные импульсы частотой 100 Гц. На табло высвечивается 0.100. В случае другой комбинации цифр, подбирая R2, добиваются правильной работы формирователя сети.

Завершающую настройку изготовленного частотомера производят при помощи генератора, осциллографа и промышленного частотомера, например Г4-18А, С1-65 (Н-313), 43-30.

На вход частотомера (R3) подают сигнал частотой 1 МГц и напряжением 0,02 В. Подбирая резистор R5, добиваются максимального усиления транзистора VT1. Изменяя частоту и амплитуду входного сигнала, контролируют работу частотомера в соответствии с техническими характеристиками, сличая показания с приборами заводского изготовления.

Если необходимо измерять низкие частоты с большой точностью, следует увеличить вр. емя счета. Для этого формирователь эталонных временных интервалов необходимо дополнить еще одним декадным делителем (включив его так же, как DD2 и DD3), увеличив время счета до 10 с.

Можно также измерять не частоту входного, сигнала, а его . Для. этого следует ввести в частотомер дополнительный , схема которого показана на рисунке 7.

В. РАСТВОРОВ,

г. , Ростовская обл.

Принципиальная схема входного устройства показана на рисунке 1. Измеряемый сигнал через гнездо Х1 и конденсатор С1 поступает на частотно-корректированный делитель на элементах R1, R2, С2, С3. Коэффициент деления 1:1 или 1:10 выбирается переключателем S1. С него входной сигнал поступает на затвор полевого транзистора VT1. Цепочка, состоящая из резистора R3 и диодов VD1-VD6, защищает этот транзистор от перегрузок по входа (ограничивает входной сигнал, расширяя таким образом динамический диапазон входа).

Транзистор VT1 включен по схеме истокового повторителя и нагружен на дифференциальный усилитель, выполненный на двух транзисторах микросборки DA1 и транзисторе VT2. Коэффициент усиления этого усилителя около 10. Режим работы дифференциального каскада задается делителем напряжения R7R8. Подбирая сопротивление резистора R4 , включенного в истоковой цепи транзистора VT1, можно установить максимальную чувствительность входного узла по напряжению.

С коллектора транзистора VT2 усиленный сигнал поступает на формирователь импульсов, построенный на элементах D1.1 и D1.2 по схеме триггера Шмитта. С выхода этого формирователя импульсы поступают на вход ключевого устройства на элементах D1.3 и D1.4. Работая по логике "2-И-НЕ" элемент D1.3 пропускает через себя импульсы от входного устройства только тогда, когда на его вывод 9 поступает уровень логической единицы.

При уровне нуля на этом выводе импульсы через D 1.3 не проходят, таким образом, устройство управления изменяя уровень на этом выводе может устанавливать временной интервал, в течении которого импульсы будут поступать на вход счетчика частотомера, и таким образом измерять частоту. Элемент D1.4 выполняет роль инвертора. С выхода этого элемента импульсы поступают на вход счетчика частотомера.

Технические характеристики:

1. Верхний предел измерения частоты........ 2 МГц.
2. Пределы измерения.... 10 кГц 100 кГц, 1 МГц, 2 МГц.
3. Чувствительность (S1 в положении 1:1).... 0,05 В.
4. Входное сопротивление............................... 1 МОм.
5. Ток потребления от источника не более......0,2А.
6. Напряжение питания.....................................9...11В.

Принцип работы частотомера.

Счетчик четырехразрядный, он состоит из четырех одинаковых счетчиков К176ИЕ4 - D2-D5, включенных последовательно. Микросхема К176ИЕ4 представляет собой десятичный счетчик совмещенный с дешифратором, рассчитанным на работу с цифровыми индикаторами с семисегментной организацией индикации цифр.

При поступлении импульсов на счетный вход С этих микросхем, на их выходах формируется такой набор уровней, что семисегментный индикатор показывает число импульсов, поступивших на этот вход. При поступлении десятого импульса счетчик обнуляется и счет начинается снова, при этом на выходе переноса Р (вывод 2) появляется импульс, который подается на счетный вход следующего счетчика (на вход более старшего разряда). При подаче единицы на вход R счетчик в любой момент можно установить в нулевое положение.

Таким образом, включенные последовательно четыре микросхемы К176ИЕ4 образуют четырехразрядный десятичный счетчик с семисегментными светодиодными индикаторами на выходе.

Принципиальная схема формирователя опорных частот и устройства управления показана на рисунке 3. Задающий генератор выполнен на элементах D6.1 и D6.2, его частота (100 кГц) стабилизирована кварцевым резонатором Q1. Затем эта частота поступает на пяти-декадный делитель, выполненный на счетчиках D7-D11, микросхемах К174ИЕ4, семисегментные выходы которых не используются.

Каждый счетчик делит частоту, поступающую на его вход, на 10. Таким образом, при помощи переключателя S2.2 можно выбрать временной интервал в котором будет происходить подсчет входных импульсов и, таким образом. изменять пределы измерения. Предел измерения 2 МГц ограничен функциональными возможностями микросхем К176, которые на более высоких частотах не работают. На этом пределе можно пытаться измерять и более высокие частоты (до 10 МГц), но погрешность измерения будет слишком высокой, а на частотах более 5 МГц измерение вообще будет невозможным.

Рис.2
Устройство управления выполнено на четырех D-триггерах на микросхемах D12 и D13. Работу устройства удобно рассматривать с момента появления импульса установки нуля ("R"), который поступает на входы R счетчиков частотомера (рисунок 2). Одновременно этот импульс поступает на вход S триггера D13.1 и устанавливает его в единичное состояние.

Единичный уровень с прямого выхода этого триггера блокирует работу триггера D13.2, а нулевой уровень на инверсном выходе D13.1 разрешает работу триггера D12.2, который по фронту первого же импульса, поступившего с выхода D12.1 вырабатывает измерительный стробирующий импульс ("S"), который открывает элемент D1.3 входного устройства (рисунок 1). Начинается цикл измерения, в течении которого импульсы с выхода входного устройства поступают на вход "С" четырехразрядного счетчика (рисунок 2), и он их считает.

По фронту следующего импульса, поступающего с выхода D12.1, триггер D12.2 возвращается в исходное положение и на его прямом выходе устанавливается нуль, который закрывает элемент D1.3 и подсчет входных импульсов прекращается. Поскольку время, в течении которого длился подсчет импульсов кратно одной секунде, то в этот момент на индикаторах будет истинное значение частоты измеряемого сигнала. В этот момент фронт импульса с инверсного выхода триггера D12.2 триггер D13.1 переводится в нулевое состояние, и разрешается работа триггера D13.2. На вход С триггера D13.2 поступают импульсы частотой 1 Гц с выхода D11, и он последовательно устанавливается сначала в нулевое, затем в единичное состояние.

Во время счета триггером D13.2 триггер D12.2 заблокирован единицей, поступающей с инверсного выхода триггера D13.1. Идет цикл индикации, который длится одну секунду на нижнем пределе измерения, и две секунды на остальных пределах измерения. Как только на инверсном выходе D13.2 будет единица, положительный перепад напряжение на этом выходе пройдет через цепочку C10R43, которая сформирует короткий импульс, он поступит на входы "R" счетчиков D2-D5 и установит их в нулевое состояние. Одновременно установится в единичное состояние триггер D13.1 и весь, описанный процесс работы устройства управления повторится.

Триггер D12.1 устраняет влияние флуктуаций фронта низкочастотных импульсов, соответствующих времени, в течении которого происходит подсчет входных импульсов. Для этого импульсы, поступающие на вход D триггера D12.1, проходят на выход этого триггера только по фронту синхронизирующих импульсов с частотой следования 100 кГц, снимаемым с выхода мультивибратора на D6.1 и D6.2, и поступающих на вход С D12.1.

Частотомер можно собрать и на других микросхемах. Микросхемы К176ЛА7 можно заменить на К561ЛА7, микросхемы К176ТМ2 - на К561ТМ2, при этом схема прибора никак не изменяется.

Рис.3
Светодиодные семисегментные индикаторы можно использовать любые (отображающие одиночные цифры), если они с общим анодом, что более предпочтительно, поскольку выходы микросхем К176ИЕ4 развивают больших ток при зажигании сегментов нулями, и в результате получается больше яркость свечения, то изменения схемы касаются только цоколевки индикаторов. Если имеются только индикаторы с общим катодом, можно использовать и их, но в этом случае нужно на выводы 6 микросхем D2-D5 подавать не нуль, а единицу, отключив их от общего провода и подключив к шине + питания.

При отсутствии микросхем К176ИЕ4 каждую микросхему D2-D5 можно заменить двумя микросхемами, - двоично-десятичным счетчиком и дешифратором, например в качестве счетчика - К176ИЕ2 или К561ИЕ14 (в десятичном включении), а в качестве дешифратора - К176ИД2. Вместо К174ИЕ4 в качестве D7-D11 тоже можно использовать любые десятичные счетчики серий К176 или К561, например К176ИЕ2 в десятичном включении, К561ИЕ14 в десятичном включении, К176ИЕ8 или К561ИЕ8.

Кварцевый резонатор может быть на другую частоту, но не более 3 МГц, при этом придется изменить коэффициент пересчета делителя на микросхемах D7-D11, например если резонатор будет на 1 МГц, то между счетчиками D7 и D8 нужно будет включить еще один такой же счетчик.

Питается прибор от стандартного сетевого адаптера или от лабораторного источника питания, напряжение питания должно быть в пределах 9...11 В.

Настройка.

Настройка входного узла. К входному гнезду Х1 подключают генератор синусоидальных сигналов, а к выходу элемента D1.2 - осциллограф. На генераторе устанавливают частоту 2 МГц и напряжение 1В, и постепенно уменьшая выходное напряжение генератора, подбором сопротивления R4 добиваются максимальной чувствительности входного устройства, при которой сохраняется правильная форма импульсов на выходе элемента D1.2.

Цифровая часть частотомера, при исправных деталях и безошибочном монтаже в настройке не нуждается. Если не будет запускаться кварцевый генератор нужно подобрать сопротивление резистора R42.