Цифровой частотомер. Частотомер на Интегральных Микросхемах серии К155

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

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

Данная статья предназначена для тех, кто не хочет «заморачиваться» с МК.

Каждый радиолюбитель в процессе своей творческой деятельности сталкивается с необходимостью оборудования своей «лаборатории» необходимыми измерительными приборами.
Одним из приборов - это частотомер. У кого есть возможность, тот покупает готовый, а кто-то и собирает свою конструкцию, по своим возможностям.
Сейчас много различных конструкций, выполненных на МК, но встречаются и на цифровых микросхемах (как говорится «гугл в помощь!»).
После «ревизии» в своих закромах обнаружилось, что имеются в наличии цифровые микросхемы серий 155, 555, 1533, 176, 561, 514ИД1(2) (простая логика - ЛА, ЛЕ, ЛН, ТМ, средней сложности - ИЕ, ИР, ИД, еще 80-90 г.г. выпуска, выбрасывать их - «жаба» задавила!) на которых можно собрать не сложный приборчик, из тех компонентов, которые были под рукой в данный момент.
Захотелось просто творчества, поэтому приступил к разработке частотомера.

Рисунок 1.
Внешний вид частотомера.

Блок-схема частотомера:

Рисунок 2.
Блок-схема частотомера.

Входное устройство-формирователь.

Схему взял из журнала «Радио» 80-х годов (точно не помню, но вроде как частотомер Бирюкова). Ранее повторял её, работой был доволен. В формирователе использована К155ЛА8 (уверенно работает на частотах до 15-20 мГц). При использовании в частотомере микросхем 1533 серии (счётчики, входной формирователь) рабочая частота частотомера составляет 30-40 мГц.

Рисунок 3.
Входной формирователь и ЗГ измерительных интервалов.

Задающий генератор, формирователь измерительных интервалов.

Задающий генератор собран на часовой МС серии К176, изображён на рисунке №3 вместе с входным формирователем.
Включение МС К176ИЕ12 типовое, каких-либо отличий нет. Формируются частоты 32,768 кГц, 128 Гц, 1,024 кГц, 1 Гц. Используется в ЧС только 1 Гц. Для формирования управляющего сигнала для ВУ эта частота делится на 2 (0,5 Гц) МС К561ТМ2 (CD4013A) (используется один D-триггер).

Рисунок 4.
Сигналы интервалов.

Формирователь сигналов сброса счетчиков КР1533ИЕ2 и записи в регистры хранения К555ИР16

Собран на МС К555(155)АГ3 (два ждущих мультивибратора в одном корпусе), можно использовать и две МС К155АГ1 (смотри рис.№3).
По спаду управляющего сигнала МС АГ3 первый ж/м формирует импульс Rom - записи в регистры хранения. По спаду импульса Rom формируется вторым ж/м импульс сброса триггеров счетчиков КР1533ИЕ2 Reset.

Рисунок 5.
Сигнал сброса.

Для при измерении частоты собран блок на 2-х К555ИР16 и 4-х К555(155)ЛЕ1 (схемку нашел на просторах интернета, только немного подкорректировал под себя и имеющуюся элементарную базу).
Можно упростить частотомер и не собирать схему гашения незначащих нулей (на рисунке №9 изображена схема частотомера без схемы гашения незначащих нулей), в этом случае просто будут светиться все индикаторы, смотрите сами, как Вам лучше.
Я её собрал потому, что мне просто так приятнее смотреть на табло частотомера.

Рисунок 6. Схема гашения незначащих нулей.

Включение счетчиков КР1533ИЕ2, регистров К555ИР16, дешифраторов КР514ИД2 типовое, согласно документации.

Рисунок 7.
Схема включения счётчиков и дешифраторов.

Весь ЧС собран на 5-х платах:
1, 2 - счетчики, регистры и дешифраторы (на каждой плате по 4-е декады);
3 - блок гашения незначащих нулей;
4 - задающий генератор, формирователь измерительных интервалов, формирователь сигналов Rom и Reset;
5 - блок питания.

Размеры плат: 1 и 2 - 70х105, 3 и 4 - 43х100; 5 - 50х110.

Рисунок 8.
Подключение схемы гашения незначащих нулей в частотомере.

Блок питания. Собран на двух МС 7805. Включения типовое, как рекомендует завод-изготовитель. Для принятия решения по блоку питания были проведены замеры тока потребления ЧС, так же проверялось возможность применения ИБП и БП с ШИМ стабилизацией. Проверялись: ИБП собранный на TNY266PN (5В, 2А), БП с ШИМ на основе LM2576T-ADJ (5В, 1,5А). Общее замечания - ЧС работает не корректно, т.к. по цепи питания проходят импульсы с частотой работы драйверов (для TNY266PN около 130 кГц, для LM2576T-ADJ - 50 кГц). Применение фильтров большого изменения не выявили. Так, что остановился на обыкновенном БП - транс, диодный мост, электролиты и две МС 7805. Ток потребления всего ЧС (на индикаторах все «8») около 0,8А, когда индикаторы погашены - 0,4А.

Рисунок 9.
Схема частотомера без схемы гашения незначащих нулей.

В блоке питания использовал две МС 7805 для питания ЧС. Одна МС стабилизатора питает плату входного формирователя, блока управления дешифраторами (гашение незначащих нулей) и одной платы счетчиков-дешифраторов. Вторая МС 7805 - питает другую плату счетчиков-дешифраторов и индикаторы. Можно бп собрать и на одной 7805, но греться будет прилично, встанет проблема с отведением тепла. В ЧС можно применять МС серий 155, 555, 1533. Все зависит от возможностей….

Рисунок 10, 11, 12, 13.
Конструкция частотомера.

Возможная замена: К176ИЕ12 (MM5368) на К176ИЕ18, К176ИЕ5 (CD4033E); КР1533ИЕ2 на К155ИЕ2 (SN7490AN, SN7490AJ), К555ИЕ2 (SN74LS90); К555ИР16 (74LS295N) можно заменить на К155ИР1 (SN7495N, SN7495J) (отличаются одним выводом), или применить для хранения информации К555(155)ТМ5(7) (SN74LS77, SN74LS75); КР514ИД2 (MSD101) дешифратор для индикаторов с ОА, можно применить и КР514ИД1 (MSD047) дешифратор для индикаторов с ОК; К155ЛА8 (SN7403PC) 4 элемента 2И-НЕ с открытым коллектором - на К555ЛА8; К555АГ3 (SN74LS123) на К155АГ3 (SN74123N, SN74123J), или две К155АГ1 (SN74121); К561ТМ2 (CD4013A) на К176ТМ2 (CD4013E). К555ЛЕ1 (SN74LS02).

P.S. Можно использовать различные индикаторы с ОА, только ток потребления на один сегмент не должен превышать нагрузочной способности дешифратора по выходу.. Ограничительные резисторы зависят от типа применяемого индикатора (в моем случае 270 ом).

Ниже в архиве есть все необходимые файлы и материалы для сборки частотомера.

Удачи всем и всего наилучшего!

Настройка микропроцессорной аппаратуры, конструирование КВ трансиверов, цифровых приемников, ремонт электронных
игрушек, телевизоров, видеомагнитофонов — вот далеко неполный перечень приборов, нуждающихся в простом высокочастотном цифровом частотомере.

Основные технические характеристики

• Напряжение питания………………………………5 В
• Ток потребления…………………………….>150 мА
• Разрядность (с возможностью расширения)…..8
• Чувствительность …………………………..0,5.30 В
• Диапазон измерения частоты ………..1.9999 кГц
• Входное сопротивление ………………..10 МОм

Промышленность выпустила простейший цифровой счетчик (большая интегральная схема КР1044ИЕ1) для измерения частоты сигналов (pис.1). Но, к сожалению, достать эту МС нелегко, поэтому автор собрал частотомер на 9 микросхемах и 6 транзисторах (рис.2).

Сигнал, частоту которого надо измерить, через гнезда XS1, «Вход» и конденсатор С1 поступает на вход формирователя, собранного на полевом транзисторе VT1 и биполярных VT2, VT3. Непосредственная связь биполярных транзисторов разной структуры с истоковой и стоковой цепями полевого транзистора обеспечивает формирователю триггерный режим работы. В результате на коллекторе транзистора VT3 этого узла формируются импульсы прямоугольной формы, частота следования которых соответствует частоте входного сигнала. Входное сопротивление формирователя около 10 МОм, полоса частот от 1 до 30 МГц, коэффициент усиления 10 .

Для точного определения частоты до 10 МГц длительность измеряемого импульса должна быть 0,5 с, при этом погрешность измерения составит 10 в -7степени. Для формирования импульса измерения в схеме применена DD1 К176ИЕ5 с часовым кварцевым резонатором 32768 Гц.

Совместная работа DD1 и DD5 построена таким образом, чтобы интервал измерения длился 0,5 с, а интервал индикации 1,5 с (рис.3,г. счет-индикация (индикация при включении VT5); рис.3,е. импульс сброса должен опережать импульс счета, поэтому интегрирующая цепочка R6С5 сдвигает импульс счета и с помощью DD5 организуется алгоритм сброс счет/индикация с различными временными интервалами). Импульс сброса снимается с выв.5 DD5.1 и через дифференцирующую цепочку C9R13 подается на DD6.DD9. Импульс счета формируется DD3.1, на вход которой приходит импульс, сдвинутый на 0,5 с, и импульс переключения счет-индикация выв.9 DD5.2.
Делитель частоты поступаемого сигнала собран на быстродействующих счетчиках DD2.DD4 (тактовая частота 77 МГц, коэффициент деления 500, импульс счета 0,5 с, общий коэффициент деления 1000 (так как интервал счета дает деление на 2). Счетчики-дешифраторы DD6.DD9 позволяют делить частоту на 10, и результат деления отображается на ЖКИ индикаторе.

Потребление тока незначительно благодаря применению МС серии 176 (561) и ЖКИ индикатору.

Настройка частотомера.

Входной каскад VT1-VT3 необходимо собрать на отдельной экранируемой плате (можно навесным монтажом) и проверить работу в диапазоне частот от 1 кГц до 10 МГц с помощью ГСС. Регулируя емкость конденсатора С4 и подстраивая R6, устанавливают эталонную частоту 1 Гц на выв.5 DD1, а на выв.3 DD3.1 — длительность импульса 0,5 с. при этом на выв.5 DD6.DD9 должны поступать импульсы сброса достаточной длительности для сброса счетчиков. С помощью эталонной частоты и осциллографа необходимо убедиться в правильной работе делителя частоты DD2.DD4. Можно изменять параметры конденсаторов С6-С8, С10 (указанные емкости должны иметь хороший ТКЕ и малую утечку и индуктивность).
Микросхемы DD2.DD4 можно заменить на зарубежные аналоги НС4520, DD3 — на 74АС00.
Литература РАДІОАМАТОР 9.2000

• Похожие статьи

Войти с помощью:

Случайные статьи

• 07.05.2019

  На аудиопроцессоре TDA7468 совместно с Arduino можно собрать высоко качественный регулятор тембра и громкости. Аудипроцессор имеет 4 стерео входа и один стерео выход. Аудиопроцессор имеет следующие характеристики: Напряжение питания 5…10 В (9 В рекомендуемое) КНИ не более 0.01% Отношение сигнал.шум 100 дБ Разделение каналов 90 дБ Ток потребления 9 мА …

• 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.