Простой частотомер, своими руками!
На этот раз поделюсь опытом сборки простого частотомера на базе старой проверенной логики, генератора, триггеров и счетчиков.
Идея пришла спонтанно, когда потребовалось в тестируемых целях замерить частоту, а прибора под рукой нет). Заразились коллективом что-то смастерить из имеющихся материалов. Собрали все в кучу на столе и накидали схему:
Такая схема позволяет измерять частоту синусоидальных и импульсных сигналов до 1 МГц. При незначительной доработке может работать в режиме счетчика импульсов.
Сигнал измеряемой частоты через конденсатор С3 и резистор R4 подается на вход инвертора DD1.1, который работает на крутом линейном участке своей переключательной характеристики как усилитель входного сигнала.
Рабочая точка усилителя обеспечивается обратной связью через резистор R4. Инверторы DD1.2 и DD1.3 совместно с резистором R5 и выходным сопротивлением усилителя образуют триггер Шмитта, формирующий выходные сигналы с крутыми фронтами. Через элемент DD2.3 сформированный сигнал входной частоты подается на счетчик.
Также на входе 1 элемента DD2.3 обеспечивается формирование отрицательного измерительного импульса длительностью 1 с — необходимое время счета, и интервала индикации в 2 с. Задающий генератор собран по стандартной схеме на микросхеме DD3 (К176ИЕ5) (pdf) и кварцевом резонаторе Z1 на частоту 32 768 Гц. Выходные импульсы с частотой 1 Гц с выхода 15 микросхемы DD3 через инвертор DD2.1 подаются на входы С триггеров DD4.1, DD4.2, обеспечивающих деление частоты импульсов на 3.
_
Временную диаграмму работы делителя можно увидеть на рисунке:
На выходе элемента DD2.2 образуются импульсы отрицательной полярности длительностью 1 секунда с периодом повторения 3 с. Передние фронты импульсов дифференцируются цепью C4R6, инвертируются элементом DD2.4 и в виде короткого импульса положительной полярности поступают на вход сброса счетчика.
Счетчик частотомера — шестиразрядный, может быть собран на микросхемах К176ИЕ4, К176ИЕ8, К561ИЕ8, К176ИЕ2, К561ИЕ14 с соответствующими индикаторами и при необходимости дешифраторами или преобразователями кодов.
В моем случае использовалась микросхема К176ИЕ4 – десятичный счетчик с выводами для подключения семисегментного индикатора. Микросхема считает импульсы, поступившие на вход «С» (4 вывод). По спаду этих импульсов происходит переключение счётчика. С выхода «Р» (2 вывод микросхемы) частота в 10 раз меньше тактовой на ней происходит спад логической единицы при переходе состояния счётчика из «9» в «0». Она используется для подключения следующего счётчика высшего разряда. Вход «R» служит для обнуления счётчиков, при появлении на нём логической единицы.
Семисегментные индикаторы лучше использовать с низким током свечения. При этом можно обойтись без транзисторов и токоограничивающих резисторов. На схеме показано вариант подключения индикатора с общим анодом. Если у вас попадется с общим катодом, то на 6-й вывод микросхемы К176ИЕ4 нужно подать не питающее напряжение, а «землю».
_
Подключения индикатора в основном стандартные, но лучше читать описание на каждый индивидуально. Соответствие выводов счетчика сегментам индикатора указана на схеме выше. Сегмент точки не используется.
В нашем случае индикаторы выпаяны из старых часов, на корпусе не одной надписи.
Теоретически должны подойти вот такие недорогие китайские красные индикаторы с напряжением падения всего 1,8 В. Кстати, если обычный мультиметр в режиме прозвонки диода зажигает достаточно ярко сегмент индикатора, значит его можно подключать напрямую к микросхеме.
Стандартное размещение сегментов выглядит следующим образом:
Самый нудный процесс – это, разумеется, спаивание ножек индикатора с выходами счетчика. Правильность соединения проверяем мультиметром.
Вместо подстроечного конденсатора С2 можно поиграть с фиксированными емкостями, если не требуется супер точность. Для настройки частотомера на его вход следует подать импульсы эталонной частоты 1 МГц и подстройкой конденсатора С2 добиться показаний 999999 или 000000.
При монтаже частотомера не следует забывать о необходимости установки блокировочных конденсаторов 0,1 мкФ по цепям питания как в блоке управления, так и в счетчике. Устанавливать нужно как можно ближе к выводу питания (14 вывод).
При внесении в схему небольших изменений, ее можно использовать как счетчик. См. рисунок ниже:
В этом случае на выходе элемента DD2.2 появляется логический «0» и входные импульсы проходят на счетчик.
Триггеры последних шести разрядов делителя микросхемы DD3 по входу S устанавливаются в 1, триггер DD4.1 — в 1, триггер DD4.2 — в 0. В результате счет импульсов виден на индикаторах счетчиков.
При кратковременном размыкании S1 на выходе 15 микросхемы DD3 практически сразу логическая 1 изменяется на логический 0, этот перепад инвертируется элементом DD2.1 и вызывает переключение триггеров DD4.1 и DD4.2. На выходе элемента DD2.4 появляется короткий импульс сброса счетчика. Замыкание S1 обеспечивает работу установленного в 0 счетчика импульсов в непрерывном режиме с индикацией счета.
Проблемы, с которыми пришлось столкнуться
После первого тестирования оказалось, что на 5-ом выводе микросхемы К176ИЕ5 нет так необходимой нам генерации с частотой 1 Гц. Зато вывод 4 (2 Гц) выдавал стабильные импульсы. Банальная неисправность выхода 215.
Чтобы не бежать в магазин за новой микросхемой, пришлось переделать схему:
_
Триггеры в микросхеме К176ТМ2(pdf) соединили последовательно. Теперь первая часть формирует импульсы 1 Гц, вторая односекундные импульсы. Дальше также, как и в первом случае. Только период повторения импульсов уменьшился на 1 секунду. Одну секунду счет, одну индикация.
Обновленная временная диаграмма приведена ниже:
Из-за воздействия шумов схему несколько сложновато настраивать. Длинные проводники создают дополнительные наводки. При использовании в качестве источника импульсного блока питания, на его выходе желательно установить небольшой дроссель, если использовать понижающий трансформатор – перед линейным стабилизатором ставим конденсаторы, один емкостью побольше, другой 0,33 мкФ. Суммарно индикаторы хорошо нагружают схему и пульсации блока питания будут увеличиваться. При недостаточной емкости фильтрующих конденсаторов будет идти подсчет 100 Гц от блока питания без подключенного измерительного щупа. Если использовать батарею, тогда о шумах блока питания просто забываем.
На вход можно установить двусторонний ограничитель, как показано на схеме (красным цветом), который ограничивает размах выходного сигнала и делает его равным падению напряжения на диоде. Диоды использовали высокочастотные IN4148. После ограничителя можно спокойно мерять частоту хоть в сети 220 вольт. Резистор на 100кОм, установленный на входе, для таких измерений должен иметь мощность как минимум 0,5Вт, лучше больше. Правда чувствительность прибора при этом понижается.
Кстати, о чувствительности. Чувствительность зависит от частоты. С ростом частоты уменьшается чувствительность. Без ограничителя амплитуда измеряемых сигналов колеблется от 10 мВ до 3 В (плавно с ростом частоты).
В целом схема хоть и имеет недостатки, но имеет право на жизнь. Погрешность прибора довольно сносная – порядка 1·10-5.
Ниже приведена фотография нашей экспериментальной сборки в полусобранном виде.
