Простой цифровой частотомер своими руками. Простой стрелочный частотомер. Схема входной цепи

Большинство конструкций цифровых частотомеров, описанных в литературе, содержит немало дефицитных компонентов, а в качестве источника стабильной частоты в таких приборах применяется дорогостоящий кварцевый резонатор. В итоге частотомер получается сложным и дорогим.

Предлагаем читателям описание простого частотомера с цифровым отсчетом, источником стабильной (эталонной) частоты в котором служит сеть переменного тока 50 Гц. Прибор найдет применение при различных измерениях в радиолюбительской практике, например в качестве калиброванных шкал в генераторах звуковой частоты, повышающих их достоверность, или вместо громоздких конденсаторных частотомеров. Со светодиодными или магнитными датчиками данный прибор можно применять для контроля числа оборотов электродвигателей и т. д.

ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ЦИФРОВОГО ЧАСТОТОМЕРА:

диапазон измеряемых частот, Гц…….. 10-999.9Х10 3

действующее значение входного напряжения, В…….0,02-5

время измерения, с …. 0,01; 0,1; 1

потребляемая мощность, Вт …. 3

погрешность измерения,счета……..±4Х10 -3 ±1.

Суммарная относительная погрешность измерения частоты определяется соотношением:

б1=±бэт± 1/N,

где бэт - частотная погрешность эталонной частоты;

1/N - погрешность дискретности (не зависит от измеряемой частоты и равна ±1 счета младшего разряда).

Из приведенной формулы видно, что погрешность измерений находится в прямой зависимости от стабильности частоты сети 50 Гц. Согласно ГОСТу нестабильность частоты сети 50 Гц составляет ±0,2 Гц за 10 минут. Следовательно, относительную погрешность частотомера можно считать равной ±4Х10 -3 ±1 счета. При практических измерениях относительная погрешность частотомера составила ±2Х Х10 -3 ±1 счета.

Действие частотомера основано на подсчете количества периодов измеряемого сигнала за эталонные (0,01; 0,1; 1 с) промежутки времени. Результаты измерений отображаются на цифровом табло и автоматически повторяются через определенные промежутки времени.

Частотомер (рис. 1) включает в себя: усилитель-формирователь входного сигнала, временной селектор, декадный счетчик, цифровой индикатор, формирователь сети, формирователь эталонных временных интервалов, устройство управления и сброса, блок питания.

В усилителе-формирователе происходит усиление и преобразование сигнала измеряемой частоты fx в прямоугольные импульсы той же частоты, которые поступают на один из входов временного селектора. На другой его вход подают с устройства управления и сброса прямоугольные импульсы эталонных временных интервалов. В формирователе сети вырабатываются прямоугольные импульсы частотой 100 Гц.

Время измерения, в течение которого открыт селектор, выбирают переключателем SA. В момент прихода эталонного импульса временной селектор открывается и на его выходе появляется пачка прямоугольных импульсов измеряемой частоты fx. Длительность пачки соответствует длительности эталонного импульса, «выбранного переключателем SA. Далее происходит подсчет импульсов в пачке и индикация их на цифровом табло.

По истечении времени индикации импульс сброса (с устройства управления и сброса) воздействует на временной селектор и декадный счетчик- табло очищается, а селектор подготавливается к новому циклу измерений.

Принципиальная схема частотомера - на рисунке 2. Входной сигнал измеряемой частоты усиливается резис-тивным усилителем на транзисторе VT1 и окончательно формируется элементами DD4.1, DD4.2 в последовательность прямоугольных импульсов измеряемой частоты. Входная цепь VT1 имеет защиту по току (R3) и напряжению (VD1). С вывода 6 DD4.2 импульсы прямоугольной формы входного сигнала поступают на один из входов (вывод 9 DD4.3) временного сейектора. На второй вход (вывод 10 DD4.3) подают прямоугольные импульсы эталонных интервалов времени. По окончании действия эталонного импульса временной селектор блокируется, входные импульсы на счетчик не проходят.

Подсчет входных импульсов осуществляется четырехразрядным счетчиком на микросхемах DD6-DD9, а индикаторы HG1-HG4 показывают частоту входного сигнала в цифровой форме.

На диодах VD10-VD13 выполнен выпрямитель сетевого напряжения. Пульсирующее (с частотой 100 Гц) напряжение преобразуется триггером Шмитта (DD1.1, DD1.2) в прямоугольные импульсы частотой 100 Гц, которые затем поступают на двухступенчатый декадный делитель DD2, DD3. Таким образом, на выходах микросхем DD1.2 (вывод 11), DD2 (вывод 5), DD3 (вывод 5) получают импульсы эталонных временных интервалов 0,01, 0,1 и 1 с. Время измерения устанавливают переключателем SA2.

Устройство управления и сброса состоит из D-триггеров DD5.1 и DD5.2 и транзисторов VT2 и VT3. Счет частоты входного сигнала начинается, когда передний фронт эталонного импульса поступает с переключателя SA2.1 на вход D триггера DD5.1, который переключается в «единичное» состояние.

Рис. 1. Блок-схема частотомера:

1 - усилитель-формирователь входного сигнала, 2 - временной селектор, 3 - декадный счетчик, 4 - цифровой индикатор, 5 - формирователь сети, 6 - формирователь эталонных временных интервалов, 7 - устройство управления и сброса, 8 - блок питания.

На вывод 10 DD4.3 временного селектора с триггера DD5.1 (вывод 5) поступает сигнал логической 1 и разрешает проход прямоугольных импульсов входной частоты на вход счетчика DD6 (вывод 4). По истечении выбранного эталонного интервала времени (0,01, 0,1, 1 с) на вход D триггера DD5.1 вновь поступает эталонный импульс, триггер возвращается в исходное состояние, блокируя временной селектор и переключая в «единичное» состояние триггер DD5.2. Начинается процесс индикации частоты входного сигнала на цифровом табло.

На выводе 9 DD5.2 появляется сигнал логической 1, и через резистор R11 начинается процесс заряда конденсатора С5. Как только напряжение на базе транзистора VT2 достигнет напряжения примерно 1,2 В, транзистор откроется и на его коллекторе появится короткий отрицательный импульс, который через МС DD1.3, DD1.4 переключит триггер DD5.2 в исходное состояние. Конденсатор С5 через диод VD2 и микросхему DD5.2 быстро разрядится почти до нуля.

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 вид частотомера.

Р ис. 5. Схема расположения элементов в корпусе частотомера:

1 - сетевой индикатор, 2 - тумблер включения сети, 3 - силовой трансформатор, 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 мощность 5-7 Вт. Напряжение на обмотках: II - 0,85 В (ток 200 мА), III - 10 В (ток 200 мА), IV - 10 В (ток 15 мА). Диодные мосты VD6- VD9 и VD10-VD13 можно запитать от одной 10 В обмотки (ток не менее 220 мА). Транзистор 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 барабан. В окне табло, закрытом прозрачным оргстеклом с зеленым светофильтром, размещены цифровые индикаторы (рис. 3).

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

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

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

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

Необходимо обратить внимание на правильную установку цифровых индикаторов HG1 - HG4. Они 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. Вариант расположения узлов в частотомере (без ГНЧ) показан на рисунке 5.

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

Корпус 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.

Печатная плата 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) положение, а на вход частотомера (при помощи перемычки) подают с вывода 11 DD1.2 прямоугольные импульсы частотой 100 Гц. На табло высвечивается число 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 период. Для. этого следует ввести в частотомер дополнительный переключатель, схема которого показана на рисунке 7.

В. РАСТВОРОВ,

г. Таганрог, Ростовская обл.

«Моделист-Конструктор» 10 1990

OCR Pirat

Предлагаемый для самостоятельной сборки частотомер сравнительно низкочастотный, тем не менее позволяет измерять частоты до нескольких мегагерц. Разрядность измерителя частот зависит от количества установленных цифровых индикаторов. Чувствительность входа - не хуже 0,1V, максимальное входное напряжение, которое он может выдерживать без повреждения - порядка 100V. Время индикации и время измерения чередуются, длительность одного цикла — 1 сек. измерение и 1 сек. - индикация. Собран он по классической схеме, с генератором частоты 1 Гц на специализированных микросхемах-счётчиках, применяемых в частности в схемах цифровых часов:

На К176ИЕ5 собран «секундный» генератор по типовой схеме, с кварцевым «часовым» резонатором 16,384 Гц. Конденсатор С2 — подстроечный, позволяет в некоторых пределах подстраивать частоту с необходимой точностью. Резистор R1 подбирается при настройке по наиболее устойчивому запуску и генерации схемы. Цепь С3 VD1 R2 формирует короткий импульс «сброса» всей схемы в начале каждого секундного периода счёта.

Транзистор VT2 работает как ключ: когда на его коллектор поступает постоянное напряжение питания от схемы «счёта» (уровень логической «1») - он пропускает импульсы от входного формирователя, которые затем поступают на десятичные счетчики и цифровые светодиодные индикаторы. Когда же на его коллекторе появляется уровень логического «0» - коэффициент усиления транзистора резко снижается и счёт входных импульсов прекращается. Эти циклы повторяются каждую 1 сек.

Вместо К176ИЕ5 можно применить также аналогичную по функциям микросхему К176ИЕ12:

В обоих случаях используется часовой кварц на частоту 16 348 Гц (такие часто применяются, например, в «китайских» электронных часах разных размеров и видов). Но можно поставить и отечественный кварц на 32768 Гц, тогда необходимо понизить частоту в два раза. Для этого можно использовать типовую схему «делителя на 2» на триггере К561ТМ2 (имеет два триггера в корпусе). Например, как показано на рисунке выше (обведено пунктиром). Таким образом на выходе получим необходимую нам частоту (секундные импульсы).

К коллектору транзистора-ключа (КТ315 на первой схеме) подключается узел счёта и индикации на микросхемах — десятичных счётчиках-дешифраторах и цифровых светодиодных индикаторах:

Вместо индикаторов АЛС333Б1 можно без каких-то изменений в схеме использовать АЛС321Б1 или АЛС324Б1. Или любые другие подходящие индикаторы, но с соблюдением их цоколёвки. Цоколёвку можно определить по справочной литературе или же просто «прозвонить» индикатор «батарейкой» на 9V с последовательно включенным резистором 1 кОм (по засвечиванию). Количество микросхем-дешифраторов и индикаторов может быть любым, в зависимости от общей необходимой разрядности счётчика (количества цифр в показаниях).

В данном случае были использованы три имеющихся в наличии малогабаритных знакосинтезирующих индикатора типа К490ИП1 - индикаторы управляемые цифровые, красного цвета свечения, предназначенные для применения в радиоэлектронной аппаратуре. Схема управления выполнена по КМОП технологии. Индикаторы имеют 7 сегментов и децимальную точку, позволяют воспроизвести любую цифру от 0 до 9 и децимальную точку. Высота знака 2,5 мм):

Данные индикаторы удобны тем, что имеют в своём составе не только сам индикатор, но и счётчик-дешифратор, что позволяет значительно упростить схему и сделать её очень малогабаритной. Ниже приведена схема счёта-индикации на таких микросхемах:

Как видно из схемы, эти МС требуют два отдельных питания - для самих светодиодных индикаторов и для схемы счётчиков-дешифраторов. Однако напряжения питания обоих «частей» МС одинаковы, поэтому и запитать их можно от одного источника. Но от напряжения питания «индикатора» (выводы 1) зависит яркость свечения «цифр», а величина напряжения питания схемы дешифраторов (выводы 5) оказывает некоторое влияние на чувствительность и стабильность работы этих МС в целом. Поэтому при настройке эти напряжения следует подбирать экспериментально (при питании от 9 вольт можно использовать дополнительные «гасящие» резисторы, чтобы несколько понизить напряжение). При этом следует обязательно зашунтировать все выводы питания микросхем конденсаторами ёмкостью 0,1-0,3 мкФ.

Для гашения «точек» на индикаторах следует отключить напряжение +5...9 V от выводов 9 индикаторов. Светодиод HL1 - это индикатор «переполнения» счётчика. Он загорается при достижении счёта цифры 1000 и в данном случае (при наличии трёх МС-индикаторов как на этой схеме) соответственно показывает количество единиц килогерц - в данном варианте счётчик в целом может посчитать и «показать» частоту 999 Гц. Для увеличения разрядности счётчика следует, соответственно увеличить количество микросхем дешифраторов-индикаторов. В данном случае подобных микросхем было в наличии только три, поэтому пришлось добавить дополнительный узел деления частоты на 3-х микросхемах К176ИЕ4 (или аналогичных микросхемах счётчиков-делителей на 10) и соответствующий переключатель. В целом схема получилась такая:

Переключатель также управляет включением/гашением «точек» на индикаторах для лучшего визуального восприятия отображаемого значения измеряемой частоты. Он ползунковый, сдвоенный, на четыре положение (такие применяются, например, в импортных магнитолах). Таким образом при разных положениях переключателя измерение и отображение частоты имеет следующие значения и вид:

«999 Гц» - «9.99 кГц» - «99.9 кГц» - «999. кГц». При превышении значения частоты 1 МГц загорится светодиод HL2, 2 МГц — загорится дважды и т. д.

Схема входной цепи

Большое значение при измерениях частоты имеет качество входного каскада — формирователя сигнала. Он должен иметь высокое входное сопротивление чтобы не оказывать влияния на измеряемую цепь и преобразовывать сигналы любой формы в последовательность прямоугольных импульсов. В данной конструкции применена схема согласующего каскада с полевым транзистором на входе:

Эта схема частотомера, конечно, не лучшая из возможных, но всё-таки обеспечивает более-менее приемлемые характеристики. Она была выбрана в основном исходя из общих габаритов конструкции, которая получилась очень компактная. Вся схема собрана в пластиковом корпусе-футляре от зубной щётки:

Микросхемы и прочие элементы запаяны на узкой полоске макетной платы и все соединения сделаны с помощью проводов типа МГТФ. При настройке входного каскада-формирователя сигнала следует подбором сопротивлений R3 и R4 добиться установления напряжения 0,1...0,2 вольт на истоке полевого транзистора. Транзисторы здесь можно заменить на аналогичные, достаточно высокочастотные.

Дополнения

Для питания частотомера можно использовать любой сетевой адаптер с выходным стабилизированным напряжением 9 вольт и током нагрузки не менее 300 мА. Либо установить в корпус частотомера стабилизатор на микросхеме типа КРЕН на 9 вольт и питать от адаптера с выходным напряжением 12 вольт, либо брать питание непосредственно от измеряемой схемы, если там напряжение питания не менее 9 вольт. Каждую микросхему необходимо зашунтировать по питанию конденсатором порядка 0,1 мкФ (можно подпаять конденсаторы прямо на ножки «+» и «-» питания). В качестве входного щупа можно использовать стальную иглу, припаянную к входной «площадке» платы, а «общий» провод снабдить зажимом типа «крокодил».

Данная конструкция была «создана» в 1992 году и успешно работает до сих пор. Андрей Барышев.

Обсудить статью ЦИФРОВОЙ ЧАСТОТОМЕР СВОИМИ РУКАМИ

Сегодня рассмотрим пошагово создание частотомера своими руками. Первым делом поговорим о характеристиках и особенностях прибора на pic16f628a, рассмотрим схему и особенности монтажа. Вторая схема частотомера - цифровой шкалы. Уделим внимание подбору необходимых комплектующих и остановимся детальнее на сборке. Третья схема представляет простой частотомер на микросхемах. Но обо всём по порядку.

• Смотрите также 3 рабочие схемы для сборки

Частотомер на PIC16F628 своими руками

Первым делом рассмотрим простую и дешевую схему частотомера. Он может измерять сигналы от 16 до 100Гц с максимальной амплитудой 15В. Чувствительность высокая, разрешение - 0,01 Гц. Входной сигнал может быть синусоидальной, прямоугольной или треугольной волной.

Частотомер может использоваться во многих приложениях. Например, для наблюдения за точностью генератора, для измерения частоты сети или нахождения оборотов двигателя, соединенного с датчиком.

Схема частотомера и необходимые детали для монтажа

Файл печатной платы представлен в формате PDF, архив можно скачать ниже. Вы можете сделать плату используя метод ЛУТ.

CCP (Capture(Захват)/Compare(Сравнение)/PWM(ШИМ)) модуль PIC-микроконтроллера считывает входной сигнал. Используется только функция захвата.

Необходимые детали для сборки частотомера:

• МК PIC 8-бит - PIC16F628A (PIC16F628-04/P).
• 4 биполярных транзистора - BC547.
• 2 керамических конденсатора - 22 пФ.
• 12 резисторов - 1х4.7 кОм, 4х1 кОм, 7х330 Ом.
• Кварц - 4 МГц.
• 4 семисегментных индикатора (общий катод).

Радиоэлементы для изоляции:

• Биполярный транзистор - BC547.
• Выпрямительный диод - 1N4148
• Оптопара - 4N25M.
• 4 резистора - 2х1 кОм, 1х10 кОм, 1х470 Ом.

Необходимые комплектующие для сборки питания:

• Линейный регулятор - LM7805.
• 2 электролитических конденсатора - 100 мкФ, 16В.
• 2 полиэфирных конденсатора - 220 нФ.

Дисплеи - красные, 7-сегментные светодиодные, 14,2 мм с общим катодом.

Перед измерением частоты входного сигнала, он должен быть преобразован в прямоугольный. Для этой цели используется схема оптической развязки с оптроном 4N25. Таким образом, входной сигнал надежно изолирован от микроконтроллера и превращается в меандр. Амплитуда сигнала не должна превышать 15В. Если это произойдет, резистор 1кОм может сгореть. Если вы хотите измерить частоту сети, вы должны использовать 220В/9В трансформатор.

Видео о сборке частотомера на PIC16F628A:

Частотомер - цифровая шкала. Схема и инструкция по монтажу

Рассматриваемое устройство выполняет функции:

• частотомера с выводом измеренного значения частоты в герцах (до 8 разрядов);
• цифровой шкалы с АПЧ генератора плавного диапазона (ГПД) для радиолюбительского трансивера;
• электронных часов.

Основу устройства составляет программируемый контроллер PIC16F84 фирмы Microchip. Быстродействие и широкие функциональные возможности этого контроллера позволяют подавать сигнал частотой до 50 МГц прямо на его счетный вход, то есть можно обойтись без предварительного делителя, обычно применяемого в устройствах подобного типа.

Основные характеристики цифрового частотомера

1. Диапазон измеряемых частот - 0–50 МГц.
2. Диапазон программируемых значений ПЧ - 0–16 МГц.
3. Минимальный уровень входного сигнала - 200 мВ.
4. Время измерения частоты - 1 с.
5. Погрешность измерения - ±1 Гц.
6. Напряжение питания - 5±0,5 В.
7. Ток потребления устройства - не более 30 мА.

Наличие электрически перепрограммируемой памяти данных внутри PIC16F84 позволило без специального оборудования перепрограммировать значение промежуточной частоты (ПЧ). Это дает возможность оперативно встраивать цифровую шкалу в трансивер с любым (0–16 МГц) значением промежуточной частоты.

Смотрите также видео, как собрать частотомер своими руками:

Простой частотомер на микросхеме своими руками - характеристики и схема

Параметры предлагаемого частотомера приведены в следующей таблице:

Режим работы	Частотомер	Частотомер	Цифровая шкала
Диапазон измерений	1 Гц…20 МГц	1–200 МГц	1–200 МГц
Дискретность	1 Гц	10 Гц	100 Гц
Чувствительность	40 мВ	100 мВ	100 мВ

Данный частотомер 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 используемом 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 окончанию 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.

Принципиальная схема частотомера и необходимые детали

Список необходимых радиоэлементов:

• 6 микросхем - DD1 (К555ЛА3); DD2 (К193ИЕ3); DD4 (КР1816ВЕ31); DD5, DD7 (2хК555ИР22); DD6 (К555ИД7); DD8 (К573РФ2).
• Логическая ИС (DD3) - К555ИЕ19.
• 17 биполярных транзисторов (VT1, VT2–VT17) - КТ368А и 16хКТ361В
• Стабилитрон (VD1) - КС113А.
• 7 конденсаторов - С1 (0.01 мкФ); С2, С8 (2х0.1 мкФ); С3 (56 пФ); С4 (1000 пФ); С5 (22 пФ); С6 (12 пФ).
• Подстроечный конденсатор (С7) - 5-20 пФ.
• Электролитический конденсатор (С9) - 3.3 мкФ.
• 41 резистор - R1 (51 Ом); R2, R25–R40 (17х68 кОм, R2 по ошибке в схеме указана как R3); R3 (10 кОм); R4, R6 (2х560 Ом); R5 (33 Ом); R6, R7 (2х1 кОм, в схеме по ошибке два резистора R6); R8–R23 (16х20 кОм); R24 (2 кОм).
• Кварцевый резонатор (ZQ1) - 8.86 МГц.
• Вакуумно люминисцентный индикатор (HL1) - ИВ-18.
• Переключатель (S1)
• Блок переключателей (S2)

Данный прибор может работать 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.

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

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

При использовании частотомера 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 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 используется блок питания с напряжением от -20 В до -30 В и напряжением 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 2,0–3,0 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. 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, поскольку 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 К500ИЕ137, включив ее по типовой схеме.

Видео, как собрать частотомер на одной микросхеме:

Первой конструкцией на цифровых ИС, которую изготовляли радиолюбители в 80-90 годах, как правило, были электронные часы или частотомер.
Такой частотомер и сегодня можно применять при градировке приборов, или использовать в качестве отсчетного устройства в генераторах и любительских передатчиках, при налаживании различных радиоэлектронных устройств. Прибор может заинтересовать тех, у кого без дела лежат микросхемы серии К155, либо начинающих знакомиться с устройствами автоматики и вычислительной техники.

Описываемый прибор позволяет измерять частоту электрических колебаний, период и длительность импульсов, а также может работать как счетчик импульсов. Рабочая частота от единиц Герц до нескольких десятков МГц при входном напряжении до 50 мВ. Предельная частота работы счетчиков на интегральных микросхемах К155ИЕ2 - около 15 МГц. Однако следует иметь в виду, что фактическое быстродействие триггеров и счетчиков превышает указанное значение 1,5... 2 раза, поэтому отдельные экземпляры TTL микросхем допускают работу на более высоких частотах.

Минимальная цена младшего разряда составляет 0,1 Гц при измерении частоты и 0,1 мкс при измерении периода и длительности.
Принцип действия частотомера основан на измерении числа импульсов, поступающих на вход счетчика в течение строго определенного времени.

Принципиальная схема показана на рис.1

Исследуемый сигнал через разъем X1 и конденсатор С1 поступает на вход формирователя прямоугольных импульсов.

Широкополосный усилитель-ограничитель собран на транзисторах V1, V2 и V3. Полевой транзистор V1 обеспечивает прибору высокое входное сопротивление. Диоды V1 и V2 предохраняют транзистор V1 от повреждения при случайном попадании на вход прибора высокого напряжения. Цепочкой C2-R2 осуществляют частотную коррекцию входа усилителя.

Транзистор V4, включенный как эмитерный повторитель, согласует выход усилителя-ограничителя с входом логического элемента D6,1 микросхемы D6, обеспечивающей дальнейшее формирование прямоугольных импульсов, которые через электронный ключ поступают на устройство управления на микросхеме D9, сюда же поступают и импульсы образцовой частоты, открывающие ключ на определенное время. На выходе этого ключа появляется пачка импульсов. Число импульсов в пачке подсчитывает двоично-десятичный счетчик, его состояние после закрывания ключа отображает блок цифровой индикации.

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. Показания счетчика сбрасываются нажатием кнопки «Сброс».

Задающий тактовый генератор собран на микросхеме D1 (ЛА3) и кварцевом резонаторе Z1 на частоту 1024 кГц. Делитель частоты собран на микросхемах К155ИЕ8; К155ИЕ5 и четырех К155ИЕ1. В режиме измерения точность установки «МГц», «кГц» и «Гц» задается кнопочными переключателямиSA4 и SA5.

Блок питания частотомера (рис.3) состоит из трансформатора Т1, с обмотки II которого после выпрямителя VDS1, стабилизатора напряжения на микросхеме DА1 и фильтра на конденсаторах С4 – С11, напряжение +5V подается для питания микросхем.

Напряжение 170V с обмотки III трансформатора Тр1 через диод VD5 используется для питания газоразрядных цифровых индикаторов Н1..H6.

В формирователе импульсов полевой транзистор КП303Д (V3) можно заменить на КП303 или КП307 с любым буквенным индексом, транзистор КТ347 (V5) -на КТ326, а КТ368 (V6, V7) - на КТ306.

Дроссель L1 типа Д-0,1 или самодельный - 45 витков провода ПЭВ-2 0,17, намотанных на каркасе диаметром 8 мм. Все переключатели типа П2К.

Налаживание прибора сводится к проверке правильности монтажа и измерении питающих напряжений. Правильно собранный частотомер уверенно выполняет свои функции, «капризным» узлом является лишь входной формирователь, настройке которого надо уделить максимум старания. Заменив R3 и R4 переменными резисторами 2,2 кОм и 100 Ом, надо на резисторе R5 установить напряжение примерно 0,1...0,2V. Подав от генератора сигналов на вход формирователя синусоидальное напряжение амплитудой около 0,5V, и заменив резистор R6 переменным резистором с номиналом 2,2 кОм, надо его подстроить так, чтобы на выходе элемента D6.1 появились прямоугольные импульсы. Постепенно понижая входной уровень и повышая частоту, надо подбором элементов R6 и СЗ добиться устойчивой работы формирователя во всем рабочем диапазоне. Возможно, при этом придется подобрать сопротивление резистора R9. В процессе налаживания все переменные резисторы должны иметь выводы длиной не более 1...2 см.

Когда налаживание будет завершено, следует их выпаивать по одному и заменять постоянными резисторами подходящего номинала, каждый раз проверяя работу формирователя.

В конструкции вместо индикаторов ИН-17 можно применить газоразрядные индикаторы ИН-8-2, ИН-12 и т. п.

В формирователе импульсов транзисторы КТ368 можно заменить на КТ316 или ГТ311, вместо КТ347 можно использовать КТ363, ГТ313 или ГТ328. Диоды V1, V2 и V4 можно заменить на КД521, КД522.

Схема и плата в формате sPlan7 и Sprint Layout - schema.zip *

* Данная схема была собрана мной в далеком 1988 году в одном корпусе со звуковым генератором и использовалась как цифровая шкала.

Как самостоятельный прибор оформлен недавно, поэтому возможно, где-то в схему и рисунок печатной платы могла закрасться ошибка..

Список Литературы:

В помощь радиолюбителю №084, 1983 г.

Цифровые Устройства на Интегральных Микросхемах - © Издательство «Радио и связь», 1984.

Журнал «Радио»: 1977, № 5, № 9, № 10; 1978, № 5; 1980, № 1; 1981, № 10; 1982, № 1, № 11; № 12.

Радиолюбительские цифровые устройства. - М.: Радио и связь, 1982.

На базе только одной микросхемы К155ЛАЗ, используя все ее логические элементы 2И-НЕ, можно построить сравнительно простой прибор, способный измерять частоту переменного напряжения примерно от 20 Гц до 20 кГц. Входным элементом такого измерительного прибора колебаний звуковой частоты служит триггер Шмитта - устройство, преобразующее подаваемое на его вход переменное напряжение синусоидальной формы в электрические импульсы такой же частоты. Без такого преобразования аналогового сигнала логические элементы работать не будут, причем триггер Шмитта "срабатывает" при определенной амплитуде входного сигнала. Если она меньше порогового значения, импульсного сигнала на выходе триггера не будет.

Начнем с опыта.

Триггер Шмитта. Пользуясь схемой, показанной на рис. 23, а, смонтируйте на макетной панели микросхему К155ЛАЗ, включив в работу только два ее логических элемента. Здесь же, на панели, разместите батареи GB1 и GB2, составленные из четырех гальванических элементов 332 или 316, и переменный резистор R1 сопротивлением 1,5 или 2,2 кОм (желательно с функциональной характеристикой А - линейной). Выводы батарей подключайте к резистору только на время опытов.

Включите питание микросхемы и по вольтметру постоянного тока установите движок переменного резистора в такое положение, при котором на левом, по схеме, выводе резистора R2, являющемся входом триггера Шмитта, будет нулевое напряжение. При этом элемент DD1.1 окажется в единичном состоянии - на его выходном выводе 3 будет напряжение высокого уровня, а элемент DD1.2 - в нулевом. Таково исходное состояние элементов этого триггера.

Рис. 23. Опытный триггер Шмитта и графики, иллюстрирующие его работу

Теперь вольтметр постоянного тока подключите к выходу элемента DD1.2 и, внимательно наблюдая за его стрелкой, начинайте плавно перемещать движок переменного резистора в сторону верхнего, по схеме, вывода, а затем, не останавливаясь, в обратную сторону - до нижнего вывода, далее - до верхнего и т. д. Что при этом фиксирует вольтметр? Периодическое переключение элемента DD1.2 из нулевого состояния в единичное, т. е., иначе говоря, появление на выходе триггера импульсов положительной полярности.

Взгляните на графики б и в на том же рис. 23, которые иллюстрируют работу триггера. Перемещением движка переменного резистора из одного крайнего положения в другое вы имитировали подачу на вход опытного устройства переменного напряжения синусоидальной формы (рис. 23.б) амплитудой до 3 В. Пока напряжение положительной полуволны этого сигнала было меньше порогового (U пор.1), устройство сохраняло исходное состояние. При достижении же порогового напряжения, равного примерно 1,7 В (в момент t 1), оба элемента переключились в противоположные состояния и на выходе триггера (вывод 6 элемента DD1.2) появилось напряжение высокого уровня. Дальнейшее повышение положительного напряжения на входе не изменило этого состояния элементов триггера. А вот при перемещении движка в обратную сторону, когда напряжение на входе триггера снизилось примерно до 0,5 В (момент t 2), оба элемента переключились в первоначальное состояние. На выходе триггера вновь появился высокий уровень напряжения.

Отрицательная полуволна не изменила этого состояния элементов, образующих триггер Шмитта, поскольку оказалась замкнутой на общий проводник источника питания через внутренние диоды входной цепи элемента DD1.1.

При следующей положительной полуволне входного переменного напряжения на выходе триггера сформируется второй импульс положительной полярности (моменты t 3 и t 4). Повторите этот опыт несколько раз и по показаниям вольтметров, подключенных ко входу и выходу триггера, постройте графики, характеризующие его работу. Они должны получиться такими же, как и те, что на графиках рис. 23. Два разных по уровню порога срабатывания элементов - наиболее характерная особенность триггера Шмитта.

Принципиальная схема предлагаемого для повторения частотомера приведена на рис. 24. Логические, элементы DD1.1, DD1.2 и резисторы R1-R3 образуют триггер Шмитта, а два других элемента той же микросхемы - формирователь его выходных импульсов, от частоты следования которых зависят показания микроамперметра РА1. Без формирователя прибор не даст достоверных результатов измерения, потому что длительность импульсов на выходе триггера зависит от частоты входного измеряемого переменного напряжения.

Конденсатор С1 - разделительный. Пропуская широкую полосу колебаний звуковой частоты, он преграждает путь постоянной составляющей источника сигнала. Диод VD2 замыкает на общий провод цепи питания отрицательные полуволны напряжения (в принципе этого диода может и не быть, поскольку его функцию способны выполнять внутренние диоды на входе элемента DD1.1), диод VD1 ограничивает амплитуду положительных полуволн, поступивших на входы первого элемента, на уровне напряжения источника питания.

Рис. 24. Принципиальная схема простейшего частотомера

С выхода триггера (вывод 6 элемента DD1.2) импульсы положительной полярности поступают на вход формирователя. Работает формирователь так. Элемент DD1.3 включен инвертором, а DD1.4 используется по своему прямому назначению-как логический элемент 2И-НЕ. Как только на входе формирователя (выводы 9, 10 элемента DD1.3) появляется напряжение низкого уровня, элемент DD1.3 переключается в единичное состояние и через него и резистор R4 заряжается один из конденсаторов С2-С4. По мере зарядки конденсатора положительное напряжение на выводе 13 элемента DD1.4 повышается до высокого уровня. Но этот элемент остается в единичном состоянии, так как на втором его входном выводе 12, как и на выходе триггера Шмитта, низкий уровень напряжения. В таком режиме через микроамперметр протекает незначительный ток. Как только на выходе триггера Шмитта появляется напряжение высокого уровня, элемент DD1.4 переключается в нулевое состояние и через микроампер-метр начинает протекать значительный ток. Одновременно элемент DD1.3 переключается в нулевое состояние, и конденсатор формирователя начинает разряжаться. Когда напряжение на нем снизится до порогового, элемент DD1.4 вновь переключится в единичное состояние. Таким образом, на выходе формирователя появляется импульс отрицательной полярности (см. рис. 23,г), в течение которого через микроамперметр протекает ток, значительно больший, чем начальный. Угол отклонения стрелки, микроамперметра пропорционален частоте следования импульсов: чем она больше, тем на больший угол отклоняется стрелка.

Длительность импульсов на выходе формирователя определяется продолжительностью разрядки включенного времязадающего конденсатора (С2, СЗ или С4) до напряжения срабатывания элемента DD1.4. Чем меньше его емкость, тем короче импульс, тем большую частоту входного сигнала можно измерить. Так, с времязадающнм конденсатором С2 емкостью 0,2 мкФ прибор способен измерять частоту колебаний ориентировочно от 20 до 200 Гц, с конденсатором СЗ емкостью 0,02 мкФ - от 200 до 2000 Гц, с конденсатором С4 емкостью 2000 пФ - от 2 до 20 кГц. Подстроечными резисторами R5 - R7 стрелку микроамперметра устанавливают на конечную отметку шкалы, соответствующую наибольшей измеряемой частоте соответствующего поддиапазона. Минимальный уровень переменного напряжения, частоту которого можно измерить, около 1,5В.

Еще раз проанализируйте графики на рис. 23, чтобы закрепить в памяти принцип работы частотомера, а затем дополните опытный триггер Шмитта деталями входной цепи и формирователя и испытайте устройство в действии на макетной панели. На это время переключатель поддиапазонов не нужен, времязадающий конденсатор, например С2, можно подключить непосредственно к выводу 13 элемента DD1.4, а в цепь микроамперметра включить один из подстроечных резисторов или постоянный резистор сопротивлением 2,2...3,3 кОм. Микроамперметр РА1 на ток полного отклонения стрелки 100 мкА такой же, как в сетевом блоке питания.

Налаживание. Закончив монтаж, включите источник питания и подайте на входные выводы 1, 2 первого элемента триггера Шмитта импульсы положительной полярности. Их источником может быть описанный выше генератор испытательных импульсов или другой аналогичный генератор. Частоту следования импульсов установите минимальную. При этом стрелка микроамперметра должна резко отклоняться на некоторый угол и возвращаться к нулевой отметке шкалы, что будет свидетельствовать о работоспособности частотомера. Если же микроамперметр не реагирует на входные импульсы, придется подобрать точнее резистор R2: его сопротивление может быть от 1,8 до 5,1 кОм.

Далее подайте на вход прибора (через конденсатор С1) переменное напряжение 3...5 В с понижающего сетевого трансформатора. Теперь стрелка микроамперметра должна отклониться на некоторый угол, соответствующий частоте 50 Гц. Подключите параллельно времязадающему конденсатору еще один такой же или большей емкости. Угол отклонения стрелки увеличится.

Точно так же можно испытать устройство на втором и третьем поддиапазонах измерения, но при входных сигналах соответствующих частот.

После этого детали частотомера можно перенести с макетной панели на монтажную плату и укрепить на ней подстроечные резисторы R5-R7 (рис. 25), а плату укрепить в корпусе, конструкция которого может быть произвольная. Конденсаторы С2 и СЗ составлены из двух конденсаторов каждый, а С4 из трех. На лицевой стенке корпуса разместите микроамперметр, переключатель поддиапазонов (например, галетный ЗПЗН или другой с двумя секциями на три положения), входные гнезда (XS1, XS2) или зажимы.

Впрочем, возможно и другое конструктивное решение: плату частотомера можно встроить в корпус блока питания и его же микроамперметр использовать при измерении частоты электрических колебаний. Шкала частотомера - общая для всех поддиапазонов измерения и практически равномерная. Поэтому надо только определить начальную и конечную границы шкалы, применительно к одному из них - к поддиапазону "20...200 Гц", после чего подогнать под нее границы частот двух других поддиапазонов измерения. В дальнейшем, при переключении прибора на поддиапазон "200...2000 Гц" результат измерений, считанный по шкале, будете умножать на 10, а при измерении в поддиапазоне "2...20 кГц" - на 100. Техника градуировки такова. Переключатель SA1 установите в положение измерения в поддиапазоне "20...200 Гц", движок подстроечного резистора R5 - в положение наибольшего сопротивления и подайте на вход частотомера от звукового генератора, например ГЗ-33, сигнал частотой 20 Гц напряжением 1,5...2 В.

Сделайте на шкале отметку, соответствующую углу отклонения стрелки микроамперметра. Затем звуковой генератор перестройте на частоту 200 Гц и подстроечным резистором R5 установите стрелку прибора на конечную отметку шкалы. После этого по сигналам звукового генератора сделайте на шкале отметки, соответствующие частотам 30, 40, 50 и т. д. до 190 Гц. Позже эти участки шкалы разделите еще на несколько частей, каждая из которых будет соответствовать численному значению частоты измеряемого сигнала.

Затем частотомер переключите на второй поддиапазон измерений, подайте на его вход сигнал частотой 2000 Гц и подстроечным резистором R6 установите стрелку микроамперметра на конечную отметку шкалы. После этого на вход прибора подайте от генератора сигнал частотой 200 Гц. При этом стрелка микроамперметра должна установиться против начальной отметки шкалы, соответствующей частоте 20 Гц первого поддиапазона. Точнее установить ее на эту исходную отметку шкалы можно заменой конденсатора СЗ или подключением параллельно ему второго конденсатора, несколько увеличивающего их общую емкость.

Аналогично подгоняйте под шкалу микроамперметра границы третьего поддиапазона измеряемых частот 2...20 кГц. Возможно, пределы измерения частоты на поддиапазонах получатся иные, или вы захотите изменить их. Делайте это подбором времязадающих конденсаторов С2-С4.

Улучшение чувствительности. А может быть вы пожелаете повысить чувствительность частотомера? В таком случае простейший частотомер придется дополнить усилителем входного сигнала, используя для этого, например, аналоговую микросхему К118УП1Г (рис.26). Эта микросхема представляет собой трехкаскадный усилитель для видеоканалов телевизионных приемников, обладающий большим коэффициентом усиления. Ее корпус с 14 выводами такой же, как у микросхемы К155ЛA3, но положительное напряжение источника питания подают на вывод 7, а отрицательное - на вывод 14. С таким усилителем чувствительность частотомера увеличится до 30...50 мВ.

Рис. 26. Усилитель, повышающий чувствительность простейшего частотомера

Колебания измеряемой частоты могут быть синусоидальными, прямоугольными, пилообразными - любыми. Через конденсатор С1 они поступают на вход (вывод 3) микросхемы DA1, усиливаются и далее через выходной вывод 10 (соединенный с выводом 9) и конденсатор СЗ подаются на вход триггера Шмитта частотомера. Конденсатор С2 устраняет внутреннюю отрицательную обратную связь, ослабляющую усилительные свойства микросхемы.

Диоды VD1, VD2 и резистор R1 (рис. 24) теперь можно удалить, а на их месте смонтировать, микросхему и дополнительные электролитические конденсаторы. Микросхему К118УП1Г можно заменить на К118УП1В или К118УП1А. Но в этом случае чувствительность частотомера несколько ухудшится.