Входной усилитель-формирователь для цифровой шкалы-частотомера — Сайт инженера Задорожного С.М.
Такой функциональный узел, как входной усилитель-формирователь — это необходимая составляющая цифровой шкалы-частотомера для сигналов, уровень которых не превышает десятков милливольт. Подаваемый на вход такого усилителя сигнал усиливается до уровня, достаточного для стабильной работы микросхем цифровых счетчиков. Усилитель не должен оказывать шунтирующего влияния на цепь, к которой подключается шкала, и поэтому его входное сопротивление должно быть высоким, а входная емкость — малой. Кроме того, формируемый на выходе усилителя сигнал с цифровыми уровнями не должен содержать паразитных импульсов, способных внести ошибку в измерение частоты электронно-счетным способом.
Рис.1. Схема усилителя-формирователя.
После ряда экспериментов, в том числе неудачных, автор имеет честь предложить на суд читателей схему, изображенную на рис.1. Собственно счетные импульсы на выходе схемы формируются триггером Шмитта D1:1
Рис.2 Формирование счетных импульсов триггером Шмитта.
Синяя синусоида на рис.2 — это аналоговый сигнал на входе триггера Шмитта, красным цветом изображен цифровой сигнал прямоугольной формы на его выходе. Из состояния лог.»0″ на выходе триггер переключается в состояние лог.»1″ в момент, когда уровень входного сигнала опустится ниже порога, обозначенного на диаграмме зеленой горизонтальной линией — это нижний порог срабатывания триггера Шмитта. Следующее переключение триггера, но уже обратно — из состояния лог.»1″ в лог.»0″ — происходит лишь когда уровень сигнала на входе превысит верхний порог, обозначенный фиолетовой горизонтальной линией. Затем уровень входного сигнала должен снова пересечь нижний порог, и так далее. Поэтому для уверенного переключения триггера Шмитта размах переменной составляющей сигнала на его входе должен быть больше, чем отстоят друг от друга его верхний и нижний пороги срабатывания при условии, что уровень постоянной составляющей сигнала на входе триггера расположен между этими порогами посередине. При этом различные помехи с меньшим размахом не могут вызвать сбойное переключение триггера Шмитта и повлиять на результат измерения частоты.
Такую работу триггера Шмитта D1:1 обеспечивает усилитель входного сигнала на транзисторах VT1, VT2 и VT3. Постоянное напряжение на подсоединенном ко входу триггера коллекторе транзистора VT3 поддерживается в пределах между уровнями верхнего и нижнего порогов срабатывания триггера Шмитта при колебаниях в широких пределах температуры окружающего воздуха (см. диаграмму на
Рис.3 Зависимость постоянного напряжения на коллекторе транзистора VT3 от температуры окружающего воздуха (Vc = 9В, Vd = 5В).
Рис.4 Зависимость постоянного напряжения на коллекторе транзистора VT3 от напряжения питания +Vc (Tокр. = 20°С).
Для определения чувствительности собранного по схеме на рис.1
усилителя-формирователя на его вход с высокочастотного генератора Г4-158 подавался синусоидальный сигнал частотой 1 МГц, путем постепенного увеличения уровня которого определялся порог, где уже обеспечивалось надежное формирование счетных импульсов на выходе схемы. Частотная характеристика усилителя-формирователя была выявлена путем последовательного повторения этой операции с увеличением частоты входного сигнала: на частотах до 4 МГц чувствительность была не хуже 10 мВ, а на частоте 32 МГц она составила около 30 мВ. Уменьшение чувствительности усилителя-формирователя с ростом частоты входного сигнала характеризует диаграмма на рис.5. Хорошие частотные свойства усилителя обусловлены применением высокочастотных транзисторов и каскодным построением второго каскада усиления [1].Рис.5 АЧХ усилителя-формирователя: уменьшение усиления с ростом частоты входного сигнала.
Не менее важной является устойчивая работа усилителя-формирователя и при высоком уровне входного сигнала, когда усилитель работает уже как ограничитель, то есть за пределами относительно линейной области своей передаточной характеристики. Периодически повторяющиеся при этом переходные процессы могут породить на выходе усилителя — входе триггера Шмитта — лишние перепады напряжения и, как следствие, ложные импульсы на выходе схемы. На
Рис.6 «Мягкое» ограничение сигнала на коллекторе транзистора VT3 (Uвх. = 70 мВ).
Чтобы напряжение на входе триггера Шмитта D1:1 не выходило за пределы допустимого, верхний уровень ограничения напряжения на коллекторе транзистора VT3 следует установить несколько ниже напряжения питания микросхемы триггера. В схеме на рис.1 этот уровень устанавливается делителем из резисторов R7 и R6, напряжение с которого поступает на базу транзистора VT3. Резистор R7 делителя подключен к шине питания цифровых микросхем +Vd, в том числе микросхемы D1, и поэтому, как это видно на осциллограмме на рис.6, напряжение на коллекторе транзистора VT3 не покидает пределы диапазона от 0 В до +5 В для Vd = 5В. При другом значении Vd верхний уровень ограничения напряжения на коллекторе транзистора VT3 также будет иным.
Налаживание усилителя-формирователя сводится к установке резистором
Ток, потребляемый от источника питания +Vc правильно собранным и налаженным усилителем-формирователем, не превышает 5 мА.
Максимально допустимый уровень входного сигнала определяется напряжением отсечки полевого транзистора VT1. Для КП303И это не более 0,5 В. Следует отметить, что при большем уровне входного сигнала усилитель может и не понадобиться — при правильном подключении хватит и одного триггера Шмитта.
Если максимальная частота входного сигнала не превышает 20 МГц, то биполярные транзисторы VT2 и VT3 вполне можно заменить на КТ361Б.
В статье приведены действующие значения напряжений сигналов.
©Журнал «Радиоаматор» №3 за 2008г., г.Киев
©Задорожный Сергей Михайлович, 2008г.
Литература:
- Титце У., Шенк К., Полупроводниковая схемотехника: справочное руководство, пер. с нем.-М.: Мир, 1982;
- Описание микросхемы SN74HC14N:http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/sn74hc14.pdf
sezador.radioscanner.ru
Предварительный усилитель-формирователь для частотомера FC250
Измерительная техника
Главная Радиолюбителю Измерительная техника
Частотомер, изготовленный из набора FC250 [1], неплохо показал себя в работе. Но желание автора предлагаемой статьи получить обещанную в описании прибора максимальную измеряемую частоту 250 МГц заставило его искать схему нужного для этого предварительного усилителя-формирователя (ПУФ). Но схемы ПуФ, найденные в Интернете, или не годились для FC250, или были слишком сложными. В статье приведены описания двух разработанных автором вариантов ПУФ, а также выносного щупа для частотомера FC250.
В описываемых ПУФ применены КМОП-компараторы МАХ999ЕиКили ADCMP600BRJZ-R2 в корпусе SOT-23-5 с одним выходом сигнала уровня ТТЛ и ADCMP604BKSZ-R2 в корпусе SOT-323-6 с двумя противофазными выходами стандарта LVDS [2]. С такими ПУФ частотомер на базе набора FC250 способен измерять частоту сигналов от 50 Гц до 110…250 МГц при их минимальной амплитуде 0,25…0,65 В. От дополнительных усилителей на входе компараторов пришлось отказаться. Они приводили к самовозбуждению, меры борьбы с которым ещё больше снижали чувствительность.
При работе с частотомером FC250 было замечено, что он создаёт сильные импульсные помехи, распространяющиеся по общему проводу и цепи питания. Для устранения влияния этих помех на объект измерения входы ПУФ и выносного щупа выполнены по дифференциальной схеме.
На рис. 1 приведена схема наиболее простого варианта ПУФ, позволяющего измерять частоту от 50 Гц до 140 МГц при использовании компаратора ADCMP600BRJZ-R2 [3] или до 170 МГц с компаратором MAX999EUK [4]. Амплитуда измеряемого сигнала на частоте ниже 70 МГц должна быть не менее 0,3 В и не менее 0,65 В на предельной частоте.
Рис. 1. Схема наиболее простого варианта предварительного усилителя-формирователя
С входных щупов измеряемый сигнал по цепям R2C1 и R3C2 поступает на входы компаратора DA1. Диоды VD1 и VD2 не столько защищают эти входы от перегрузки по напряжению (в компараторах обоих упомянутых выше типов имеются внутренние защитные диоды), сколько уменьшают вероятность самовозбуждения компаратора, имеющего большой коэффициент усиления.
Напряжение питания +5 В на компаратор поступает от частотомера. Инвертирующий вход компаратора (вывод 4) через резистор R4 соединён с источником напряжения +5 В, при этом в отсутствие измеряемого сигнала на выходе компаратора (выводе 1), который должен быть соединён с выводом 2 микросхемы DD2 частотомера, напряжение имеет низкий логический уровень.
При таком включении рабочая точка компараторов MAX999 и ADCMP600 устанавливается автоматически, а характеристика переключения имеет петлю гистерезиса. Диоды VD1, VD2 и резистор R1 позволяют уменьшить ширину этой петли до значения, при котором не возникает самовозбуждения, а чувствительность достаточно велика. Этот вариант ПУФ хорошо работает и на низкой частоте, вплоть до 50 Гц.
Для рассмотренного ПУФ разработаны два варианта печатной платы. Обе они изготовлены из фольгированного с двух сторон стеклотекстолита толщиной 1…1,5 мм методом прорезания фольги и механического удаления её лишних участков. Одна из плат (рис. 2,а) рассчитана на установку выводных диодов и резисторов мощностью 0,0б2 Вт. Конденсаторы могут быть для поверхностного монтажа или дисковыми выводными. Расположение элементов на этой плате показано на рис. 3. Плата меньших размеров, изображённая на рис. 2,б, рассчитана на элементы для поверхностного монтажа, в том числе на диоды 1N4148W. Расположение элементов — на рис. 4.
Рис. 2. Варианта печатной платы для ПУФ
Рис. 3. Расположение элементов на плате
Рис. 4. Расположение элементов на плате
Переходные отверстия, соединяющие печатные проводники на противоположных сторонах плат, в обоих случаях показаны залитыми. Резисторы R1 и R2 — выводные мощностью 0,125 Вт. Их вставляют одним выводом в соответствующие отверстия плат и припаивают к фольге. К свободным выводам резисторов припаивают отрезки гибких изолированных проводов длиной 15 см со щупами.
Впаянные в отверстия плат отрезки жёсткого провода, предназначенные для соединения ПУФ с частотомером, служат одновременно стойками для крепления платы ПУФ на плате частотомера.
На рис. 5 приведена схема ПУФ с выносным пробником, собранного на трёх компараторах, соединённых последовательно. В пробнике и на входе собственно ПУФ применены компараторы ADCMP604BKSZ-R2 [5]. При выходах компаратора DA2, соединённых
непосредственно с входами компаратора DA3, последний в статическом режиме находится в состоянии ограничения, что предотвращает его самовозбуждение. Увеличение напряжения «раскачки» входов компаратора DA3 повысило скорость его переключения, которая определяет максимальную частоту работы ПУФ. Напряжение смещения на инвертирующем входе компаратора DA2 и ширина петли гистерезиса в его характеристике переключения устанавливаются так же, как в предыдущем ПУФ.
Рис. 5. Схема ПУФ с выносным пробником, собранного на трёх компараторах, соединённых последовательно
После подключения ко второму варианту ПУФ выносного пробника (с помощью неэкранированного жгута гибких изолированных проводов длиной 50 см) предельная частота, измеряемая FC250, превысила 250 МГц. Это иллюстрирует фотоснимок на рис. 6. Микросхема ADCMP604BKSZ-R2 не склонна к самовозбуждению, поэтому для уменьшения входной ёмкости встречно-параллельные диоды на входе пробника отсутствуют. Высокое входное сопротивление и малая входная ёмкость пробника позволили измерять частоту гетеродина таких микросхем, какTDA7021T и её аналоги.
Рис. 6. Подключения ко второму варианту ПУФ выносного пробника
Этот ПУФ и его пробник собраны на печатных платах, изготовленных из того же материала и тем же методом, что и предыдущий. Чертёж печатных проводников основной платы ПУФ изображён на рис. 7, а расположение элементов на ней — на рис. 8. Печатная плата выносного пробника показана на рис. 9. Детали на ней расположены в соответствии с рис. 10. Конденсаторы C1 и C2 — керамические дисковые. Их располагают на разных сторонах платы.
Рис. 7. Чертёж печатных проводников основной платы ПУФ
Рис. 8. Расположение элементов на плате
Рис. 9. Печатная плата выносного пробника
Рис. 10. Расположение элементов на плате
Особенность платы пробника — два ряда переходных отверстий вдоль её длинных граней. Они «прошиты» тонким лужёным проводом, который затем припаян к фольге по всей длине платы с двух её сторон. Это позволяет брать пробник рукой, не оказывая влияния на его работоспособность. Длина измерительных щупов пробника — З…4 см. Провода 1-4 соединительного жгута припаивают к соответствующим контактным площадкам с разных сторон платы.
При проверке частотомера с описанными ПУФ в качестве источника сигнала использовался генератор, собранный по схеме, изображённой на рис. 11. Катушка L1 в нём сменная. Она бескаркасная с числом витков, подбираемым в зависимости от необходимого диапазона перестройки генератора.
Рис. 11. Схема генератора
Несмотря на полученные результаты, нормальная работа частотомера, собранного из набора FC250, на частотах более 180…190 МГц всё-таки невозможна. Максимальная рабочая частота применённых в нём микросхем серии К1554 (аналог 74AC) не превышает 130 МГц. На более высокой частоте они быстро перегреваются, и показания частотомера уже через пару минут уменьшаются на 2…5 МГц. Неточность и нестабильность показаний частотомера на этих частотах объясняется тем, что не все импульсы, следующие с частотой выше предельной, пришедшие на входы микросхемы К1554ЛА3 (74АС00) и D-триггера К1554ТМ2 (74АС74), вынужденных переключаться с недопустимой частотой, корректно доходят до их выходов. По этой причине не рекомендую применять частотомер на базе набора FC250 для измерения частоты, превышающей 110 МГц (с ПУФ по схеме рис. 1 на компараторе ADCMP600), 120 МГц (с таким же ПУФ на компараторе МАХ999) и 180 МГц (с ПУФ по схеме рис. 5 с выносным пробником).
Для работы с описанными ПУФ этот частотомер необходимо доработать. На его плате не устанавливают (или удаляют уже установленные) транзистор VT1 со всеми относящимися к нему деталями, конденсаторы С3 и С5. В оба отверстия для выводов конденсатора C5 и в отверстие для вывода конденсатора С3, соединявшегося с резистором R4, или R2 (см. рис. 5) монтируют переменный резистор номиналом 100.150 кОм. При включённом частотомере, не прикасаясь руками к входам ПУФ, сопротивление этого переменного резистора постепенно уменьшают, пока ПУФ не прекратит самовозбуждаться. Затем выпаивают переменный резистор, измеряют его сопротивление и припаивают вместо него постоянный резистор ближайшего большего номинала. Аналогично подбирают резистор R5 в выносном пробнике, уже подключённом к налаженной основной плате ПУФ.
Литература
1. Набор деталей FC250. Частотомер-конструктор до 250 МГц. — URL: http:// www.5v.ru/pdf/fc250.pdf (22.08.14).
2. Введение в LVDS. — URL: http://www. gaw. ru/html.cgi/txt/publ/_rtcs/lvds. htm (23.08.14).
3. Rail-to-Rail, Very Fast, 2.5 V to 5.5 V, Single-Supply TTL/CMOS Comparators ADCMP600/ADCMP601 /ADCMP602. — URL: http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADCMP600_601 _602.pdf (22.08.14).
4. MAX961-MAX964/MAX997/MAX999 Single/Dual/Quad, Ultra-High-Speed, +3V/+5V, Beyond-the-Rails Comparators. — URL: http:// datasheets.maximintegrated.com/en/ds/ MAX961-MAX999.pdf (22.08.14).
5. Rail-to-Rail, Very Fast, 2.5 V to 5.5 V, Single-Supply LVDS Comparators ADCMP604/ ADCMP605. — URL: http://www.analog.com/ static/imported-files/data_sheets/ ADCMP604_605.pdf (22.08.14).
Автор: А. Паньшин, г. Москва
Дата публикации: 27.08.2015
Рекомендуем к данному материалу …
Мнения читателей
Нет комментариев. Ваш комментарий будет первый.
Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному вышематериалу:
www.radioradar.net
Активный широкополосной входной щуп для частотомера
Большинство самодельных цифровых частотомеров имеют низкое входное сопротивление, большую входную ёмкость и низкую чувствительность.
Принципиальная схема такого щупа показана на рис.1. Устройство представляет собой высокочувствительный входной щуп с формирователем прямоугольных импульсов, имеет высокое входное сопротивление и малую входную ёмкость. Диапазон входных частот, при которых устройство сохраняет работоспособность, лежит от 2 Гц до 38 МГц. Это значительно превышает диапазон рабочих частот других аналогичных устройств, в которых верхняя граничная частота формирователя прямоугольных импульсов обычно не превышает 1…10 МГц.
На частотах выше 1 МГц обычно нет необходимости использовать формирователь прямоугольных импульсов для корректной работы цифрового частотомера, но применение более широкополосного активного щупа повышает удобство работы с частотомером, поскольку уменьшается количество ручных переключений частотомера из «низкочастотного» режима работы в «высокочастотный» и наоборот. Применение активного широкополосного входного щупа также позволяет уменьшить вероятность неточного измерения сигналов низкой частоты, когда частотомер работает в «высокочастотном» режиме. Высокая чувствительность и большое входное сопротивление позволяют измерять частоту маломощного генератора, просто расположив наконечник щупа рядом с кварцевым резонатором или контуром. Также для измерения рабочей частоты кварцевого резонатора обычно достаточно прикоснуться щупом к его металлическому корпусу. Для измерения частоты работающего передатчика домашней, автомобильной радиостанции достаточно соединить накоротко «крокодил» общего провода с наконечником выносного блока и поднести образовавшуюся петлю к «П» контуру или антенне на расстояние 1… 10 см. Такой бесконтактный способ измерения удобен тем, что практически не влияет на параметры измеряемой цепи.
Работа устройства
Входной периодический сигнал произвольной формы через защитную цепь из элементов С1, R1, С2, R2, СЗ, R3 поступает на затвор п-канального высокочастотного полевого транзистора с изолированным затвором VT1. Входное сопротивление щупа в режиме работы с сигналом амплитудой до 1,5 В около 1 МОм. Входная ёмкость около 4 пФ. Диоды VD1-VD6 ограничивают амплитуду входного сигнала и защищают VT1 от перегрузки по входу. Усилительный каскад на VT1 получает питание через RC-фильтр R7, С4, С5. Далее сигнал со стока VT1 через разделительный конденсатор С7 поступает на двухкаскадный усилитель на полевых транзисторах VT2 и VT3, включенных по схеме с общим истоком.
Каскад на транзисторах VT4 и VT5 придает усиленному до ТТЛ уровней сигналу форму, близкую к прямоугольной, и сигнал через резистор R16 подаётся на один из входов DD1.1. Триггер Шмитта на логических элементах D1.1 и D 1.2 и выходной буфер на D1.3 и D1.4 увеличивает крутизну фронтов, формирует прямоугольный сигнал, уже пригодный для подачи на вход счетчиков/делителей ТТЛШ- или КМОП-микросхем.
При подаче на вход устройства низкочастотного синусоидального сигнала амплитудой 10… 20 мВ на стоке VT3, благодаря общему высокому коэффициенту усиления, форма сигнала уже приближается к прямоугольной, благодаря чему формирователь может безошибочно работать в области низких частот. Светодиод HL1 информирует о наличии напряжения питания +5 В. Конденсаторы С9-С11 блокировочные по цепям питания.
Конструкция и детали
Все детали устройства, кроме светодиода, можно смонтировать на печатной плате размерами 122×22 мм (рис.2). Входной щуп собран в корпусе размерами 175x20x20 мм от генератора сетчатого поля для телевизоров УЛПЦТИ (см. фото).
В конструкции можно применить резисторы типа С1-4, С1-14, МЛТ или аналогичные импортные. Резисторы устанавливают вертикально. Подстроечный резистор РП1-63М или аналогичный. Конденсаторы применены керамические К10-17, К10-50 или импортные. Конденсатор С1 малогабаритный плёночный на рабочее напряжение постоянного тока 250 В. С таким конденсатором на вход щупа можно подавать низкочастотный сигнал (менее 100 кГц) амплитудой до 160 В. Оксидные электролитические конденсаторы импортные малогабаритные низкопрофильные, предпочтительнее танталовые на рабочее напряжение от 6 В.
Диоды 1N4148 можно заменить КД503, КД510, КД521, КД522. Светодиод АЛ307КМ можно заменить любым другим. Вместо транзистора КП305Д подойдёт любой из серий 2П305, КП305.
На время монтажа этого транзистора все его выводы обматывают проволочной перемычкой, этот транзистор должен продаваться с соединёнными вместе выводами с помощью тонкой трубки. Транзистор КП307Е можно заменить любым из серии КП307, 2П307, предпочтительнее 2П307А. Транзисторы КТ645Д можно заменить КТ645, КТ6111, ВС550. Цоколёвка некоторых транзисторов показана на рис.2, вид со стороны выводов. ИМС К1533ЛАЗ можно заменить К531ЛАЗ или высокоскоростной К1554ЛАЗ.
Дроссель L1 малогабаритный промышленного изготовления индуктивностью 22… 100 мкГн с сопротивлением обмотки не более 0.2 Ом.
Настройка устройства
Вход щупа с помощью «крокодила» временно закорачивают с общим проводом. Подбором резисторов R5 и R10 нужно установить напряжения на стоках VT1 и VT2 2…3 В. Подбором R8 установить напряжение 1,5…2 В на стоке VT3. Далее на вход формирователя подают синусоидальный сигнал частотой 50… 100 Гц и амплитудой 1…50 мВ. Подстройкой положения подвижного контакта R15 добиваются прямоугольной формы сигнала на выводе коллектора VT5. При отсутствии осциллографа R15 подстраивают по максимальной чувствительности.
Подключив устройство к входу цифрового частотомера, подбором R18 добиваются устойчивого переключения микросхемы DD1 на низких частотах при наименьшей амплитуде входного сигнала. При необходимости, повысить чувствительность устройства можно, подключив к выводу базы VT5 конденсатор ёмкостью 2,2… 15 мкФ, вывод минуса которого соединён с общим проводом.
Для питания активного щупа подойдёт источник напряжения +4,9…5,3 В с током нагрузки 0,2 А. При наличии в частотомере напряжения +5 В, можно его использовать, если этот источник питания имеет запас по мощности.
После настройки устройства печатную плату оборачивают несколькими слоями липкой ленты, поверх которой наматывают экранирующий слой липкой алюминиевой фольги. Экран из алюминиевой фольги соединяют с общим проводом устройства. После этого плату можно вставить в корпус. Такой активный щуп в течение длительного времени эксплуатируется совместно с частотомером-конструктором модели F51.12, собранном на микроконтроллере 80С31 (1830ВЕ31).
Андрей Бутов, с. Курба, Ярославской обл.
Источник: Журнал Радиоаматор №2 (февраль) 2016 стр.34
Измерительные приборы частотомер
radiohata.ru
Входные делители — формирователи для Частотомера
Рассказать в:Входные делители — формирователи для Частотомера — цифровой шкалы
Буферное устройство
Входной формирователь имеет низкое входное сопротивление, что является его большим недостатком.
Для повышения входного сопротивления частотомера, между входом частотомера и входом формирователя, необходимо включить некое буферное устройство с высоким входным и низким выходным сопротивлением.
Иногда такое устройство выполняется в виде выносного пробника.
Такой вариант может устроить тех, кто не хочет вносить изменений в основную конструкцию.
Лично меня больше устраивает вариант расположения выносного пробника на плате частотомера или на какой-то отдельной плате, но внутри конструкции частотомера.
На транзисторах VT1 и VT2 собрано буферное устройство, а на транзисторе VT3 — входной формирователь.
Входное сопротивление буферного устройства — около 500 ком.
Схема буферного устройства приведена на рисунке:
Соедините правый по схеме вывод резистора R11 с точкой соединения 2-го и 3-го выводов ПИКа, и Вы получите ЧМ/ЦШ с
входным сопротивлением около 500 ком.
Оптимальная настройка буферного устройства и
формирователя частотомера — цифровой шкалы
Если все радиоэлементы исправны и не допущено ошибок при сборке, буферное устройство начинает работать сразу.
Напряжение на коллекторе VT2 должно быть примерно 2,5 — 2,6V (при измерении соединить вход частотомера с корпусом
коротким проводником).
Если это не так, то необходимо подобрать номинал резистора R2.
Далее работаем только с формирователем (транзистор VT3).
При настройке формирователя, особое внимание нужно уделить определению оптимального положения рабочей точки транзистора VT3.
От положения рабочей точки VT3 (регулируется резистором R7) зависит и чувствительность частотомера, и его помехоустойчивость.
Причем, улучшение одного параметра достигается за счет ухудшения другого, то есть существует потребность в компромиссе между этими параметрами (в оптимизации).
Многие считают чувствительность частотомера более определяющим показателем, чем его помехоустойчивость, добиваются высокой чувствительности, а потом вынуждены наблюдать хаотические показания прибора вместо нулевых (когда измерений частоты не производится).
При непосредственной связи выхода формирователя со счетным входом PIC контроллера (что и имеет место быть), достигнуть достаточно высокой чувствительности можно даже используя всего один каскад усиления.
Чувствительность порядка 0,2 — 0,25V, в большинстве случаев, является оптимальной.
В моей программе, признак режима частотомера «F.» устанавливается только в том случае, если, при отсутствии сигнала на
входе частотомера, показания индикатора не превышают
9-ти (то есть, работает только самый младший разряд индикатора, а остальные погашены ввиду наличия в них незначащих нулей).
Если, из-за воздействия помех, показания индикатора будут больше 9-ти, то признака работы частотомера «F.» Вы не
увидите.
Из этого следует вывод:
при отсутствии сигнала на входе частотомера, наличие признака работы частотомера «F.», а также определенные показания индикатора, являются критерием оптимальной настройки входного формирователя (или комплекса устройств, включенных между входным разъемом и счетным входом PIC контроллера).
Это означает то, что необходимо добиться, чтобы на пределе измерения 10 сек., признак частотомера не «пропадал».
Если использовать только один формирователь (без буферного устройства), то из-за низкого входного сопротивления
формирователя, помехоустойчивость будет существенно выше, чем в случае использования буферного устройства.
Ничто хорошее не дается просто так: за высокое входное сопротивление частотомера нужно «расплачиваться» ухудшением помехоустойчивости, так что, в этом случае, оптимизация необходима.
Если необходимо произвести наиболее качественную оптимизацию, следует коротким проводником соединить вход частотомера с корпусом и перейти на предел измерения 10 сек..
Затем, вращая движок подстроечного резистора R7, необходимо добиться появления признака работы частотомера «F.» с
нулевыми показаниями индикатора, а затем, вращая движок подстроечного резистора R7 в противоположную сторону (обратный ход), добиться, чтобы признак работы частотомера «F.» не пропадал, а в младшем разряде индикатора (при погашенных остальных разрядах) наблюдалась смена цифр со значением, не превышающем 9-ти.
Затем нужно отключить проводник, соединяющий вход частотомера с корпусом.
Если после этого не наблюдается пропадания признака работы частотомера «F.», то все «OK».
Если признак работы частотомера пропал, то необходимо как следует заэкранировать проводник, соединяющий входной разъем с входом буферного устройства, а если это не приводит к положительному результату, то можно повторить оптимизацию при отсутствии проводника, соединяющего вход частотомера с корпусом.
Сказанное выше, предназначено для людей, желающих получить от частотомера «все, на что он способен», но какого-то
большого практического смысла в этом нет, так как речь идет о выигрыше оптимальной чувствительности порядка одной сотой вольта.
По этой причине можно использовать упрощенный вариант настройки :
Вход частотомера соединять с корпусом не нужно.
Повторить описанную выше процедуру оптимизации до момента обратного хода движка переменного резистора.
Во время обратного хода необходимо запомнить положение движка, при котором происходит оптимизация и медленно
поворачивать движок переменного резистора в сторону уменьшения значений показаний индикатора.
Как только в младшем разряде индикатора зафиксируется 0 (лучше всего, если 0 и 1 будут чередоваться), прекратить
настройку, замерить суммарное сопротивление регулировочной цепочки и установить вместо нее постоянный резистор с
замеренным значением сопротивления.
У меня получилось 51кОм (на это значение можно ориентироваться), но оно может быть и другим.
В этом случае помехоустойчивость немного улучшится за счет снижения чувствительности, но это снижение не будет
значительным.
Признак работы частотомера «F.», на пределе измерения 10 сек., после такой настройки станет стабильным.
Таким способом вполне можно получить чувствительность порядка 0,2 — 0,25V при наличии приемлемой помехоустойчивости и высокого входного сопротивления частотомера.
Некоторые разработчики частотомеров на PIC контроллерах включают между выходом формирователя и счетным входом PIC контроллера триггер Шмидта.
Я тоже попробовал, но честно говоря, никакого существенного выигрыша не ощутил, хотя, теоретически, он, казалось бы,
должен быть.
Хорошо отстроенный частотомер прекрасно работает и без него даже на низких частотах (я проверял его на частотах до 10 Гц., меньше у меня просто генератор не выдает), а раз нет ощущаемого выигрыша при входном синусоидальном сигнале, значит и не стоит создавать себе лишние проблемы.
Это объясняется тем, что ПИК по своему счетному входу (вывод RA4/TOCKI) уже имеет в своем составе триггер Шмидта и
применять еще один, внешний триггер Шмидта не имеет особого практического смысла.
Теперь о конденсаторе номиналом 18пф, которым шунтируется диод VD1 буферного устройства.
Это сделано для повышения помехоустойчивости.
Дело в том, что потребляемый частотомером ток не постоянен, а изменяется скачкообразно и с довольно-таки низкой
частотой.
Фронты и спады этих «скачков» крутые и диапазон изменений потребляемого тока значителен, поэтому микросхема
стабилизатора напряжения «не успевает» их отслеживать.
По этой причине на затворе полевого транзистора буферного устройства появляются короткие импульсы (результат
дифференцирования), которые считаются частотомером.
Если Ваш частотомер, при отсутствии измеряемого сигнала на входе, будет показывать какую-то относительно стабильную частоту, то это как раз тот случай.
Избавиться от этой неприятности, при помощи подключения конденсаторов к шине +5V можно, но их емкость должна быть значительной.
Гораздо выгоднее «задавить» сами эти короткие импульсы. Для этого и нужен блокировочный конденсатор емкостью 18пф.
Необходимо подобрать его номинал до прекращения этого «паразитного» счета, с небольшим запасом, и не более того.
Емкость блокировочного конденсатора должна быть минимально возможной и не превышать 100пф (у меня получилось 18пф).
Расширение границы рабочих частот
частотомера — цифровой шкалы до 300 мГц
Осуществляется повышение предельной частоты измерерния введением в состав частотомера быстродействующего делителя на 10.
Если есть возможность применить импортный делитель на 10, можно применить его, я же использовал отечественный СВЧ
делитель на микросхеме К193ИЕ3.
Если имеется в наличии транзистор КТ372, то можно собрать делитель по этой схеме, не внося в нее никаких изменений.
У меня его не было, и я использовал транзистор КТ399А.
Хотя он и не такой высокочастотный, как КТ372, но до 300 мГц. он будет работать не многим хуже, чем КТ372.
СВЧ делитель работает и на частотах выше 300 мГц.
Схема СВЧ делителя приведена на рисунке:
Так же, как и другие СВЧ устройства, это устройство, при неправильной сборке, склонно к самовозбуждению, поэтому нужно стремиться к тому, чтобы электрические соединения были как можно короче, а конденсаторы С7 и С8 располагались как можно ближе к микросхеме.
Все конденсаторы должны быть малогабаритными и с малыми утечками (я применил КМ).
Желательно поставить еще один блокировочный конденсатор емкостью 10н, распаяв его непосредственно на микросхеме между 8 и 16 ножками.
Если проблемы все-таки возникнут, то можно попытаться устранить самовозбуждение подбором емкости дополнительного
конденсатора, включаемого между 4 ножкой микросхемы и корпусом.
Более чем 30пф., номинал емкости этого конденсатора делать не стоит, так как в этом случае, он начинает «подрезать»
верхнюю границу рабочих частот.
Удобнее всего ввести СВЧ делитель в состав частотомера, а не делать его выносным (я сделал именно так).
При этом вход СВЧ делителя проще и надежнее всего вывести на отдельный разъем, а переключения между обычным режимом работы (до 30 мГц) и режимом деления на 10 (до 300 мГц) осуществлять малогабаритным тумблером, установленным так, чтобы проводники, подключаемые к нему, были минимальной длины.
Естественно, что под это требование необходимо «подогнать» печатную плату.
Схема коммутации очень простая;
вход формирователя подключается либо к выходу буферного устройства, либо к выходу СВЧ делителя.
Если использовать тумблер на 2 группы контактов, то дополнительно можно произвести и коммутацию питания (именно так я и сделал), что очень удобно, в первую очередь, для частотомеров с батарейным питанием.
Получается что-то типа «дешево и сердито»
Схема коммутатора входов частотомера — цифровой шкалы приведена на рисунке:
Следует также обратить внимание на то, что частотомер, работающий с СВЧ делителем, чувствителен к электромагнитным
полям, поэтому необходимо уделить должное внимание его экранированию.
Если он не является выносным , а располагается внутри конструкции частотомера, то корпус частотомера должен быть
металлическим.
СВЧ делитель должен быть смонтирован как можно ближе к своему входному разъему.
Печатные платы
от Дмитрия Караулова
Для частотомера с буферным устройством
Все слои с расположением деталей
Расположение радиодеталей
Печатная плата 58х80 мм
То же самое, только в зеркальном отображении
Автор конструкции: Корабельников Евгений Александрович
город Липецк
Связаться с автором можно по email (указан на схеме)
Сайт автора: http://ikarab.narod.ru
Раздел: [Измерительная техника]
Сохрани статью в:
Оставь свой комментарий или вопрос:
www.cavr.ru
Входной усилитель-формирователь частотомера — RadioRadar
Измерительная техника
Главная Радиолюбителю Измерительная техника
Широкое распространение микроконтроллеров позволяет создавать на их основе измерители частоты. Однако, как правило, такие конструкции имеют существенный недостаток, так как они рассчитаны на обработку сигналов с логическими уровнями. Их возможности расширяет описываемое устройство
Удобство работы с универсальным частотомером, способным измерять частоту и длительность временных интервалов, во многом зависит от наличия в его составе входного усилителя-формирователя, а также от качества и возможностей этого усилителя. Требования к этому узлу, используемому в частотомере и измерителе временных интервалов, различны, а по отдельным параметрам и вовсе совершенно противоречивы.
Наиболее удобные для обработки частотомером прямоугольные импульсы имеют конечное значение длительности фронта и спада. Для измерителя временных интервалов внесение входным усилителем дополнительной временной задержки недопустимо. Наоборот, он должен формировать как можно более крутой фронт и спад импульсов на заданном уровне порога компарации. Это требование особенно важно для сигналов с формой, отличной от прямоугольной. Для частотомера более пригоден усилитель-формирователь с гистерезисом.
Реальные сигналы имеют выбросы, и не исключены помехи. Применение обычных фильтров целесообразно для низкочастотных частотомеров. Для высокочастотных частотомеров и измерителей временных интервалов предлагается простая и практически воспроизводимая схема усилителя-формирователя, способного выполнять следующие операции:
- обрабатывать входные сигналы по ложительной и отрицательной по лярности напряжением от 0,3 до 20 В;
- плавно регулировать уровень порога компарации входного сигнала в пределах 0,3. ..7,5 В;
- надежно работать при частоте входных импульсов от 0 до 2,5 МГц, сохраняя работоспособность практически до значений частоты в 5 МГц
- измерять длительность импульсов более 0,3 мкс (при подборе порога компарации перед сменой предела измерения этот порог может быть снижен до 0,1 мкс).
представлена на рис. 1. Усилитель состоит из электронного переключателя-формирователя, собранного на логических элементах микросхемы D1, и двух параллельно включенных и идентичных по построению каналов, каждый из которых представляет собой компаратор напряжения на двухканаль-ном быстродействующем операционном усилителе А1, А2. Верхний по схеме канал предназначен для обработки входных сигналов положительной полярности, нижний — отрицательной полярности. Входной сигнал через ограничительный резистор R1 и конденсатор С1 поступает на вход 3 операционного усилителя А1. В момент превышения входным напряжением порога компарации, определяемого напряжением на входе 2 ОУ А1, напряжение на выходе 6 ОУ скачкообразно увеличивается, а при уменьшении ниже порога компарации скачкообразно уменьшается.
Рис. 1 Принципиальная схема входного усилителя
Порог компарации устанавливается переменным резистором R10. Нижний предел порога компарации определяется падением напряжения на диоде D3 и составляет примерно 0,3 В, а верхний — параметрами элементов делителя напряжения R9R10D3 и равен, соответственно, 7,5 В. Напряжение на выходе делителя R3R4 определяет порог ограничения входного сигнала, при превышении которого открывается диод D1. Избыток напряжения падает на резисторе R1, предотвращая перегрузку иу по входу. Точно так же работает второй канал устройства, собранный на ОУ А2. С выходов ОУ А1 и А2 импульсы через диоды D5 и D6, исключающие прохождение сигналов отрицательной полярности, поступают на электронный коммутатор-формирователь. Этот узел разрешает прохождение сигналов с канала «положительной» или «отрицательной» полярности в соответствии с сигналом управления, который поступает с переключателя SA1. Переключателем SA1 пользователь вручную устанавливает режим усилителя (выбор канала) в соответствии с полярностью измеряемого сигнала. Можно отказаться от коммутации каналов, соединив катоды диодов D6 и D5 и обеспечив тем самым автоматический выбор полярности входного сигнала. Однако при работе с двухполяр-ным сигналом, например синусоидальным, частотомер покажет удвоенное значение частоты.
Усилитель разработан для частотомера, собранного на КМОП микросхемах.
При использовании его в приборах с микросхемами ТТЛ на выходе необходимо предусмотреть преобразователь уровня, собранный, например, на микросхеме К561ПУ4.
Напряжение питания усилителя можно увеличивать до ±15 В. При этом улучшается его частотная характеристика, и расширяются пределы величины допустимого входного напряжения.
В устройстве можно использовать любые маломощные кремниевые диоды серий КД521, КД503,1 N3207 с обратным напряжением не менее 30 В; маломощные германиевые диоды серий Д9, Д311, 1N3206, 1N3203. Операционные усилители КР544УД2Б могут быть заменены на К544УД2 без изменений в монтаже платы. Допускается применение ОУтипа К574УД1. При замене микросхемы К561ЛА7 на К561ЛЕ5 функция переключателя SA1 изменится на противоположную. Использование микросхем К176ЛА7 или К176ЛЕ5 несколько ухудшит частотные характеристики. При настройке усилителя необходимо выставить напряжение в пределах 7,3…7,5 В на верхнем по схеме выводе резисторов R10, R 12, R4, R6. При необходимости следует подобрать резисторы R9, R3, R11, R5.
Автор: Владимир Епинин
Дата публикации: 20.02.2007
Рекомендуем к данному материалу …
Мнения читателей
- Auth / 29.09.2012 — 15:24
Your posting ralely straightened me out. Thanks! - / 07.04.2011 — 18:43
- Tema / 06.11.2007 — 06:25
Нужна принципиальная электрическая схема измерителя временных интервалов.
Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному вышематериалу:
www.radioradar.net
Широкополосный формирователь для частотомера
Простая схема широкополосного формирователя прямоугольных импульсов для частотомера с очень высокой чувствительностью
Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Приветствую вас на сайте “Радиолюбитель“
В этой статье мы рассмотрим важный узел любой радиолюбительской конструкции частотомера —формирователь прямоугольных импульсов.
Очень часто, конструируя частотомеры, радиолюбителя не уделяют должное внимание такому важному узлу как входной формирователь прямоугольных импульсов. В результате прибор имеет низкую чувствительность и входное сопротивление. Представленный формирователь уверенно работает на частотах 2…35 МГц. Высокие чувствительность и входное сопротивление позволяют измерять частоту маломощного генератора просто положив рядом щуп. Для измерения частоты работающего передатчика достаточно соединить “крокодил” общего провода с наконечником выносного блока и поднести образовавшуюся петлю к “П” контуру или антенне на расстояние 1-10 см, что практически не влияет на параметры измеряемой цепи.
Детали. Резисторы типа МЛТ или ВС, постоянные конденсаторы – любые керамические, лучше импортные. Электролитические К50-35 или аналоги на напряжение не ниже 6,3 вольт. Диоды VD1-VD4 можно заменить на КД521, КД522. транзистор VT1 – любой из серии КП305, VT2 серий КТ368, КТ339, КТ306. Транзисторы VT3-VT4 – КП303Д,Е,Ж, КП307А,Б. Транзисторы VT5 и VT6 – любые из серий КТ3102, КТ645. Микросхему К1533ЛА3 можно заменить на К531ЛА3, К55ЛА3.
Выносной блок можно собрать в пластмассовом корпусе неисправного маркера или клея-карандаша. Выводы транзистора VT1 перед пайкой обязательно закорачиваются проволочкой которая снимается только после пайки. Так как транзистор КП305Д допускает максимальное напряжение затвор-сток, затвор-исток до ±15 вольт, то число защитных диодов VD1-VD4 можно увеличить до 6…12 штук, что благоприятно с точки увеличения входного сопротивления. Выносной блок соединяется с выносным при помощи кабеля РК-75 или РК-50 длиной до 100 см. и одним монтажным проводом для подачи питания. Согласование входа и выхода не требуется.
Налаживание. Подбором R5 и R11 установить напряжение на стоках VT1 и VT3 в пределах 2..3 вольта. Подбором R8 установить напряжение 1,5-2 вольта на стоке VT4. Далее подать на вход сигнал частотой 50…100 Гц и амплитудой 1…50 мВ. Подстройкой R14 нужно прямоугольной формы колебаний на коллекторе VT6. При отсутствии осциллографа R14 подстраивают по максимальной чувствительности. Подключив данное устройство к схеме частотомера, подбором R18 добиваются устойчивого переключения микросхемы D1 на низких частотах. При необходимости повысить чувствительность устройства можно зашунтировав базу VT6 конденсатором на 1…10 мкФ. Максимальная частота которую удалось измерить с этим устройством 57 МГц.
radio-stv.ru
