ЦИФРОВОЙ ЧАСТОТОМЕР

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.

Суммарная относительная погрешность измерения частоты определяется соотношением:

δf=±δэт±1/N,

где δэт — 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 ±2Х10^-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 fх 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 fх. 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 резистивным 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 селектора. 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. 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.

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-3А 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 М3 и гайки прикреплены к транзистору с двух сторон.

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, Ø 0,3 мм из телефонного кабеля). Цепи переменного тока — многожильным проводом Ø 0,7—1,5 мм.

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 светодиод VD6 расположены на передней панели прибора. Вариант расположения узлов в частотомере (без ГНЧ) показан на рисунке 5.

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 12Х12 мм, наклепанных на нижнюю половину корпуса, в которых просверлены отверстия и нарезана резьба М3.

Печатная плата крепится к днищу частотомера при помощи винтов М3 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), ЧЗ-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 время 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.

ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦИФРОВОГО ЧАСТОТОМЕРА:

диапазон измеряемых частот, Гц 10—999,9Х10³
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.

В. РАСТВОРОВ, г. Таганрог, Ростовская обл.