цифровий частотомір

В тематичний план гуртка 3-го року занять треба включити вивчення і конструювання пристроїв цифрової техніки підвищеної складності, наприклад цифрового частотоміра.

Прикладом такого вимірювального приладу може стати описуваний тут пятіразрядний частотомер з цифровою індикацією результатів вимірювання, розроблений в радіогуртку станції юних техніків м Березовський Свердловської області під керівництвом В. Іванова. Прилад дозволяє вимірювати частоту електричних коливань в межах 100. 99999 Гц і може бути використаний для настройки різних генераторів, електронного годинника, пристроїв автоматики. Амплітуда вхідного сигналу - 1. 30 В.

Мал. 130. Структурна схема цифрового частотоміра

Структурна схема частотоміра показана на малюнку 130. Його основні елементи: формувач імпульсного напруги сигналу FХ вимірюваної частоти, генератор зразкової (еталонної) частоти, електронний ключ, лічильник імпульсів з блоком цифрової індикації і керуючий пристрій, що організує роботу приладу. Принцип його дії заснований на вимірюванні числа імпульсів, що надходять на вхід лічильника протягом певного періоду часу, рівного в даному приладі 1 с. Цей необхідний вимірювальний інтервал часу формується в блоці управління.

Сигнал FХ, частоту якого треба виміряти, подають на вхід формувача імпульсного напруги. Тут він перетворюється в імпульси прямокутної форми, частота проходження яких відповідає частоті вхідного сигналу. Далі перетворений сигнал надходить на один з входів електронного ключа, А на другий вхід ключа подається сигнал вимірювального інтервалу часу, що утримує його у відкритому стані протягом 1с.

В результаті на виході електронного ключа, а значить, і на вході лічильника з'являється пачка імпульсів. Логічне стан лічильника, в якому він виявляється після закривання ключа, відображає блок цифрової індикації протягом інтервалу часу, що встановлюється пристроєм управління.

Принципова схема частотоміра показана на малюнку 131. Крім транзисторів, в частотоміри використовують вісім цифрових мікросхем серії К176 і п'ять (за кількістю розрядів) семисегментних люмінесцентних індикаторів типу ІВ-6. В мікросхему К176ІЕ12 (D1), що призначений спеціально для електронного годинника, входить генератор (умовний символ G), розрахований на спільну роботу з зовнішнім кварцовим резонатором Z1 на частоту 32 768 Гц. Подільники частоти мікросхеми ділять частоту генератора до 1 Гц. Ця частота, яка формується на з'єднаних разом висновках 4 і 7 мікросхеми, і є в частотоміри зразковою.

У мікросхемі К176ЛЕ5 (D2) чотири логічних елемента 2ИЛИ-НЕ, а в мікросхемі К176ТМ1 (D3) -два D-тригера. Один з елементів 2ИЛИ-НЕ виконує функцію електронного ключа (D2.4), а три інших і обидва D-тригера працюють в пристрої управління.

Кожна з мікросхем К176ІЕ4 (D4-D8) містить декадний лічильник імпульсів, т. Е. Лічильник до 10, і перетворювач (дешифратор) її логічного стану в сигнали управління семи-сегментним індикатором. На виходах а-д цих мікросхем формуються сигнали, що забезпечують індикаторами Н1 - Н5 світіння цифр, значення яких відповідає логічному станом лічильників. Мікросхема D4 і індикатор H1 утворюють молодший рахунковий розряд, а мікросхема D8 і індикатор Н5 - старший рахунковий розряд частотоміра.

У конструкції приладу індикатор Н5 д6лжен бути крайнім зліва, а H1 - крайнім справа.

Для живлення мікросхем, транзисторів і керуючих електродів індикаторів можна використовувати дві з'єднані послідовно батареї 3336Л (GB1), а для харчування ниток напруження індикаторів - один елемент 343 або 373 (G1).

Пристрій для формування імпульсного напруги утворюють транзистори V2-V5. Сигнал fx, поданий на його вхід через гніздо X1, перемикач S1, конденсатор С1 і резистор R1, посилюється і обмежується по амплітуді диференціальним каскадом на транзисторах V2 і УЗ. З навантажувального резистора R5 сигнал надходить на базу транзистора V4 другого каскаду, що працює як інвертор. Резистор R8, що створює між цими каскадами позитивний зворотний зв'язок, забезпечує їм тріггерниі характер роботи. При цьому на колекторі транзистора V4 формуються імпульси з крутими фронтами і спадами, частота проходження яких відповідає частоті досліджуваного сигналу. Каскад на транзисторі V5 обмежує напруга імпульсів до рівня, що забезпечує мікросхем необхідний режим роботи Далі перетворений сигнал надходить на вхідний висновок 12 електронного ключа D2.4. Другий вхідний висновок ключа підключений до виходу формувача вимірювального інтервалу часу, рівного 1 с. Тому число імпульсів, що пройшли за цей час через електронний ключ до лічильника, висвічується індикаторами в одиницях Герц.

Мал. 132. Тимчасові діаграми, що ілюструють роботу керуючого пристрою частотоміра

Роботу керуючого пристрою ілюструють часові діаграми (рис. 132).

На вхід С (висновок 11) тригера D3.2 безперервно надходять імпульси генератора зразкової частоти (рис. 132, а), а на такий же вхід тригера D3.1 - імпульси генератора запуску, зібраного на логічних елементах D2.1 і D2.2 (рис. 132, б). За вихідний приймемо випадок, коли обидва тригера знаходяться в нульовому стані. В цей час напруга високого рівня, що діє на інверсному виході тригера D3.2, надходить на вхідний висновок 13 електронного ключа D2.4 і закриває його. З цього моменту через ключ припиняється проходження імпульсів сигналу вимірюваної частоти на вхід лічильника. З появою на вході З тригера D3.1 імпульсу генератора запуску цей тригер приймає одиничний стан і напругою високого рівня на прямому виході готує тригер D3.2 до подальшої роботи. Одночасно на виводі 9 елемента D2.3, з'єднаному з інверсним виходом тригера D3.1, з'являється напруга низького рівня. Черговий імпульс генератора зразкової частоти перемикає тригер D3.2 в одиничний стан. Тепер на його інверсному виході і на виведення 13 елемента D2.4 буде напруга низького рівня, яке відкриває електронний ключ і тим самим дозволяє проходження через нього імпульсів сигналу вимірюваної частоти.

Прямий вихід тригера D3.2 (висновок 13) з'єднаний з R-входом (висновок 4) тригера D3.1. Отже, коли тригер D3.2 виявляється в одиничному стані, він, впливаючи напругою високого рівня на прямому виході перемикає тригер D3.1 в нульовий стан. Цей тригер знаходиться в нульовому, стані до тих пір, поки зберігається інтервал вимірювального часу. Черговий імпульс генератора зразкової частоти на вході З тригера D3.2 перемикає його в нульовий стан і напругою високого рівня на інверсному виході закриває електронний ключ. В результаті припиняється проходження імпульсів сигналу вимірюваної частоти до лічильника і починається цифрова індикація результатів вимірювання (рас 132, (5, ж).

Кожному інтервалу вимірювального часу передує поява на висновках 5 R-входів мікросхем D4-D8 короткочасного імпульсу позитивної полярності (рис. 132, г), що скидає тригери лічильника в нульовий стан. З цього моменту і починається цикл рахунок - індикація роботи частотоміра. Формування імпульсів скидання відбувається на виході логічного елемента D2.3 в моменти збігу на його входах напруг низького рівня. Тайм-аут відображення можна плавно змінювати в межах 2. 5 з резистором R17 генератора імпульсів запуску.

Світлодіод V7 в колекторної ланцюга транзистора V6, що працює в режимі ключа, служить для візуального спостереження, за тривалістю часу індикації.

У частотоміри передбачена можливість контролю його працездатності. Для цього перемикач S1 переводять в положення «Контроль», при якому вхідні ланцюг приладу виявляється з'єднаної з висновком 14 мікросхеми D1 генератора зразкової частоти. При справній роботі частотоміра індикатори повинні висвічувати частоту 32 769 Гц.

Мал. 133. Зовнішній вигляд частотоміра

Зовнішній вигляд описаного частотоміра показаний на малюнку 133. Через подовжене прямокутний отвір в лицьовій стінці корпусу, прикрите платівкою зеленого органічного скла, хо-
рошо видно що світяться цифри індикаторів. Зліва від отвору розташований «око» світлодіодного індикатора V7. Під ним знаходиться змінний резистор R17 установки тривалості індикації результату вимірювання і вхідне гніздо X1. Зліва від них -вимикачі харчування S2 ( «Я») і двосекційний перемикач S1 «Вимірювання-контроль». При натисканні на кнопку «K» (контроль) вхід формувача імпульсного напруги підключається до генератора зразкової частоти, а при натисканні на кнопку «І» (вимір) - до вхідного гнізда X1.

Інші деталі частотоміра змонтовані на двох друкованих платах розмірами 115X60 мм, виконаних з фольгованого склотекстоліти товщиною 1 мм. На одній з них (рис. 134, а) знаходяться деталі формувача імпульсного напруги, генератора зразкової частоти і пристрою управління, на інший (рис 134, б) -мікросхеми D4-D8 і цифрові індикатори H1- Н5. Всі постійні резистори типу МЛТ. Підлаштування резистор R3 - СПЗ-16, змінний R17 може бути будь-якого типу. Оксидні конденсатори СЗ і С5 К50-6 або К53-1А, неполярні С1 і С8 - К53-7 (можна замінити наборами конденсаторів типу К73-17). Конденсатори С2, С4 можуть бути типу КЛС або К73-17, С6 - керамічний КТ-1, КМ, підлаштування конденсатор С7 КПК-МП. Перемикач S1 «Вимірювання-контроль» утворюють два кнопкових перемикача П2К з залежною фіксацією в натиснутому положенні; вимикач харчування S2 - теж П2К, але без фіксації, т. е. з поверненням у вихідне положення при повторному натисканні на кнопку.

Мікросхему К176ІЕ12 можна замінити на подібну до неї мікросхему К176ІЕ5, скорегувавши відповідно друковані провідники монтажної плати. Цифрові індикатори можуть бути типу ІВ-3А (замість ІВ-6), але тоді в ланцюг харчування їх ниток напруження треба буде включити резистор опором 2 Ом на потужність розсіювання 0,5 Вт.

Налагодження безпомилково змонтованого частотоміра зводиться в основному до установки найкращої чутливості формувача імпульсного напруги і, якщо треба, до підстроювання генератора зразкової частоти. При установці необхідної чутливості на вхід частотоміра подають від генератора 34 сигнал з амплітудою 1 В, до виходу електронного ключа D2.4 підключають осцилограф і підлаштування резистором R3 домагаються появи на екрані осцилографа пачок імпульсів. Підстроювання зразкової частоти генератора виробляють: грубо - підбором конденсатора С6, точно - підлаштування конденсатором С7. Точність настройки контролюють по зразковому частотоміри, підключеному до висновку 14 мікросхеми D1.