К155Ие1 схема включения. Цифровой частотомер на микросхемах К155: схема, принцип работы, конструкция

ЦИФРОВОЙ ЧАСТОТОМЕР

С. БИРЮКОВ

Описываемый в статье прибор позволяет измерять частоту электрических колебаний до 180 МГц, период колебаний н длительность импульсов от 1 мкс до 10⁷ с, может работать как счетчик импульсов. Точность измерений — 3*10^-6 от измеряемой величины ±1 знак младшего разряда. Минимальная цена младшего разряда составляет 0,1 Гц при измерении частоты и 0,1 мкс при измерении периода и длительности. Частотомер можно использовать при градуировании приборов, в качестве отсчетного устройства в генераторах и любительских передатчиках, при налаживании различных радиоэлектронных устройств. Чувствительность при измерении частоты на частотах до 20 МГц — около 20 мВ, на частоте 180 МГц — 100 мВ.

Прибор собран в основном на микросхемах серии К155, и только высокочастотный делитель — с использованием микросхем К500. Основными узлами частотомера являются блок управления, схема которого приведена на рис 1,

счетчик и кварцевый генератор с делителем частоты (рис. 2)

и блок питания, выполненный по схеме транзисторного преобразователя выпрямленного сетевого напряжения в напряжение ультразвуковой частоты с понижающим трансформатором на ферритовом кольце, низковольтным выпрямителем и линейным стабилизатором.

Схема соединения блока управления (НУ) со счетчиком, кварцевым генератором и делителем частоты (КГ) и высокочастотным делителем (СТ10) приведена на рис. 3.

Принцип действия частотомера основан ни измерении числа импульсов, поступающих на вход счетчика в течение строго определенного времени (в данном приборе 10 с, 1 с. 0.1 с или 0,01 с). Необходимый временной интервал формируется в блоке управления.

Кварцевый генератор частотомера собран на одном логическом элементе D6.1 (рис. 2) Подбором емкости конденсаторов С14 и С15 устанавливают номинальную частоту генерации 10 МГц. Эта частота делится цепочкой микросхем D7 — D14 последовательно до 0,1 Гц, Элементы D6.3 н D6.4 — буферные. Чтобы сократить до 0,1 с промежуток времени между окончанием импульса сброса и началам эталонного интервала на низкочастотных диапазонах частотомера, в последних разрядах делителя использованы микросхемы К155ИЕ2, устанавливаемые в «9».

В режиме измерении частоты эталонная частота, выбранная переключателем S4.1 («Диапазон»), через инвертор 04 н переключатель S1.3 («Режим») поступает на вход T БУ, а на вход F — сигнал, частоту которого необходимо измерить. Этот сигнал усиливается и ограничивается дифференциальный каскадом на транзисторах V2, V3 н поступает на инвертор на транзисторе V6. Диоды V4 и V5 исключают насыщение транзистора V6, за счет чего верхняя чистота формирователя составляет 40 МГц. Положительная обратная связь (через резистор R8) придает усилителю триггерные характеристики. Выходной сигнал формирователя через элементы D1.1 и D1.2 поступает ни вход счетчика. Второй вход элемента D1.1 подключен к выходу формирователя эталонного ннтервала времени, выполненного на двух триггерах микросхемы D6. Прикипи действия этого формирователя удобно рассматривать с момента генерации импульса установки нуля. Этот импульс вырабатывает мультивибратор, собранный на элементах D3.1 и D3.2. В момент генерации импульса (он может быть вызван, например, кратковременным замыканием контактов кнопки «Пуск») триггеры D5, все декады счетчика и делители, за исключением D13 и D14, устанавливаются в нуль. На входе 1 элемента D1.1 будет уровень логического 0, и импульсы измеряемой частоты на вход счетчика не проходят.

По окончании импульса установки нуля на выходах делителя кварцевого генератора появляются импульсы соответствующей частоты. Фронт первого импульса эталонной частоты, пройдя со входа Т БУ через формирователь на транзисторе V8 н триггере Шмитта (D 1,3. D1.4), поступает на счетные входы триггеров микросхемы D5. Он устанавливает их в состояние 1, так как ив вход D триггера D5.1 поступает сигнал 1 с инверсного выхода D5.2, а на вход D D5.2 — с резистора R29. Так, на вход 1 элемента D1.1 приходит сигнал 1 и на счетчик начинают поступать импульсы измеряемой частоты. Тем временем на вход D триггера D5.1 с инверсного

выхода триггера DS.2 поступает сигнал логического 0, поэтому фронт второго импульса эталонной частоты устанавливает триггер D5.1 в 0 и на вход счетчика импульсы измеряемой частоты перестают поступить. Фронт импульса с инверсного выхода триггера D5.1, формируемый в момент прихода второго импульса эталонной частоты, продифференцированный цепью C9R21, поступает на вход элемента D2.1. Этот элемент совместно с транзистором V9 образует ждущий мультивибратор, определяющий время индикации измеренной частоты. При поступлении импульса запуска на входы 9 и 10 элемента D2.1 он включается, а спад с его выхода через конденсатор С11 попадает на базу транзистора V9 и закрывает его. Конденсатор С8 перезаряжается через резистор R17 и одни из резисторов R37—R40, выбранный переключателем S2 (Tинд). В момент, когда напряжение на левой обкладке конденсатора С8 достигает порога открывания V9, он включается, а элемент D2.1 выключается. Его выходной сигнал, инвертированный элементом D2.2 и продифференцированный цепью C10R23R24. запускает ждущий мультивибратор D3.1, D3.2, и процесс измерения повторяется.

Если переключатель S2 находится в положении “оо”(бесконечность) транзистор V3 постоянно закрыт, поэтому для каждого измерения необходимо нажать кнопку «Пуск”, а время индикации ограничено лишь временем включения прибора.

В зависимости от положения переключателя S4 зажигается одна из десятичных точек индикаторов счетчика (управляются секцией S4.2). В самом нижнем по схеме положении 54 (частота эталонных импульсов 0,1 Гц, время счета 10 с) зажигается вторая справа точка, индицируется частота в герцах с точностью до 0,1 Гц. В трех других положениях 54, используемых для измерения частоты, положение десятичной точки соответствует измерении в килогерцах (точность0,001 кГц, 0,01 кГц. 0,1 кГц).

Предельная частота работы счетчика на микросхемах К155ИЕ2 — около 20 МГц, поэтому для измерения более высоких частот использован высокочастотный делитель CT1O ив микросхемах серии К500* (рис. 4).

(*Полная схема делителя опубликована в Радио, 1980, № 10, с. 61. На рис. 4 показана только часть схемы, подвергшейся изменению. Нумерация элементов делителя на схеме к печатной плате приведена в соответствии с у нам н кой статьей.)

Для повышения устойчивости работы делители из его формирователя исключен один каскад усиления. Для зашиты входного каскада на цементе D1.1 от перегрузок в схему формирователя введен ограничитель R7, V1, V2. а для сохранения достаточно высокой чувствительности наминал резистора R10 увеличен в 10 раз. В связи с тем, что у неиспользуемых дифференциальных каскадов микросхемы К500ЛП116 входы не должны оставаться свободными, входы элемента D1.2 соединены с его выходами.

В положении «ВЧ» переключателя S1 сигнал со входа частотомера поступает на вход высокочастотного делителя, а с его выхода — на вход F БУ. Положение запятой в этом режиме определяется секцией S4.3 переключателя «Режим», частота индицируется в мегагерцах.

В положении «К» (контроль) переключателя S1 вход высокочастотного делителя через цепочку C22R6 подключается к выходу 10 МГц кварцевого генератора. Положение запятой определяется секцией S4.2, поэтому не индикаторах индицируется частота 1000 кГц.

В положении «Т» (период} измеряемая и эталонная частоты меняются местами — эталонная частота в пределах 10 МГц… 0,1 Гц поступает на вход F БУ и далее на счетчик, а сигнал, период которого нужно измерить, — через формирователь V8, D1.3, D1.4 — на вход формирователя интервала D5.I. D5.2. Формирователь V8, Dl.5, D1.4 имеет, в отличие от формирователя на транзисторах V2, V3, V6, открытый вход, что позволяет измерять длительность практически любых импульсов. Порог его включения — около 0,75 В, выключения — около 0,7 В, поэтому частотомер можно непосредственно применять для измерения периода и длительности импульсов на выходах ТТЛ-микросхем. В положении “т” (длительность) фронт входного импульса, как и при измерении периода, устанавливает триггер D5.1 в 1, а спад импульса, продифференцированный цепью C13R27R28, переключает этот триггер в 0, в результате чего время прохождения эталонной частоты через элементы D1.1, D1.2 соответствует длительности измеряемых импульсов.

В положении “N” (счетчик импульсов) входной сигнал поступает на вход T БУ, с выхода T — на вход N (открытый вход формирователя V2, V3, V6), что позволяет считать положительные импульсы практически любой длительности (начиная приблизительно от 100 нс) по их фронтам. Прохождение импульсов через элементы D1.1, D1.2 обеспечивается установкой триггеров микросхемы D5 в 1 переключателем S1.4.

Конструктивно частотомер собран на трех печатных платах толщиной 1,5 мм. На первой плате размером 60X 155 мм расположены все детали кварцевого генератора, делителя и счетчика, включая газоразрядные индикаторы. Расположение про водников печатной платы приведен на рис. 5 (а — сторона установки микросхем, индикаторов и других деталей, б — противоположная сторона

Арабскими цифрами обозначены точки, к которым подпаивают выводы соответствующих цифр газоразрядных индикаторов; к точке, обозначенной буквой А,— анод, буквой 3 — электрод запятой.

На второй плате (см. 3-ю с, вкладки) размерами 80X155 мм установлены все детали блока управления (рис. 1), высокочастотный делитель и линейный стабилизатор напряжения, схема которого приведена на рис. 6.

Плата изготовлена из фольгированного с двух сторон стеклотекстолита, на ней показаны проводники, расположенные со стороны, противоположной установке элементов. Со стороны установки элементов фольга сохранена целиком и выполняет роль общего провода, а вокруг отверстий фольга раззенкована. Черной точкой с крестом показаны места пайки деталей к фольге на стороне установки микросхем. Если такая площадка обведена еще и красным кружком, то в этих точках выводы деталей паяют и к фольге н к печатным проводникам,

Транзистор V11 блока питания установлен на ребристом алюминиевом радиаторе с размерами 25×40 и высотой 30 мм. Радиатор установлен со стороны, противоположной стороне установки других элементов платы.

Микросхема D1 высокочастотного делителя вместе со всеми элементами, расположенными между ней и входными контактами делителя, прикрыта экраном из латуни толщиной 0,1 мм, припаянным непосредственно к фольге общего провода.

На третьей плате такого же размера, что и вторая, смонтированы все элементы преобразователя напряжения сети 220 В в постоянное 9 В 0,7 А, поступающего на линейный стабилизатор и 200 В 10 мА для питания индикаторов h2—H6.

На передней панели частотомера из сплава Д16 размерами 90X 156 и толщиной 2 мм установлены сетевой выключатель, предохранитель, переключатели S1, S2, S4, входной разъем н кнопка S3, Элементы R36~R40, С22 распаяны непосредственно на контактах переключателей. Окно в панели закрыто изнутри пластиной цветного прозрачного органического стекла толщиной 3 мм. Передняя панель, печатные платы, задняя панель из сплава Д16 размерами 82x156x2 мм соединены между собой латунными шпильками диаметром 5 им. имеющими резьбовые концы или отверстия М2. Расстояние между передней панелью и первой платой 33 мм, между первой и второй платой — 15 мм, второй и третьей — 33 ми, третьей платой и задней панелью — 5 мм. Полученная “этажерка” уложена на П-образное шасси и прикрыта сверху П-образным кожухом. Шасси и верхняя сторона кожуха имеют отверстия для вентиляции. Охлаждающий воздух входит в зазор высотой в мм между низом задней панели н поверхностью, на которой стоит частотомер.

Близкое расположение входного разъема, переключателя S1 н входных контактов высокочастотного делителя позволило обойтись при монтаже частотомера без кабелей и экранированных проводников. Этому же способствует низкое сопротивление н малая индуктивность общего провода, а также соединение передней панели со слоем сплошной металлизации второй печатной платы через шпильки. «Земляной» лепесток входного разъема соединен со слоем сплошной металлизации второй платы (а районе входа высокочастотного делителя) отрезкам оплетки экранированного провода минимальной длины. На случай возникновения высокочастотных наводок к монтажа с использованием кабелей на печатных платах у входов и выходов формирователей и высокочастотного делителя предусмотрены точки для подключении экранов.

В частотомере применены резисторы МТ-0,125 к МТ-0.25, конденсаторы КМ-5а и КМ-6. К52-1 (С28). К53-4 (С8), К53-7 (С1, неполярный), переключатели ПГ2-4-вП4Н (S1), ПГ2-8-12П4Н (S4), кнопка КМ 1-1 (S3), разъем СР-50-73Ф, дроссель ДМ-0,1 (L1).

Коммутационные элементы, конденсаторы к резисторы можно заменить на детали других типов, обеспечивающие необходимые параметры, транзистор КТ816А — любым транзистором этой серии или серии КТ814, остальные транзисторы — на высокочастотные кремниевые соответствующего типа проводимости (КТ312, КТ306, KT3I6 — V6, V9, КТ326, KT3I07 — V2, V3, V8), Вместо диодов К Д 503 А можно установить КД503Б, КД509А, КД522А, КД512А и другие кремниевые высокочастотные диоды.

Микросхемы К155ИЕ1 можно заменить на К155ИЕ2, все микросхемы серии К155 — на аналогичные микросхемы серии К133, К500 — на К100. При переработке рисунка печатной платы высокочастотного делителя следует сохранить сплошной слой металлизации на стороне установки микросхем и ширину шины питания не менее 7,5 мм.

Настройка частотомера заключается в установке резистором R42 напряжения на выходе линейного стабилизатора в пределах 5,0…5,1 В, подборке резистора R3 для получения максимальной чувствительности формирователя на частоте 20 МГц и установке номинальной частоты кварцевого генератора подборкой конденсаторов C14 и C15.

При отсутствии микросхем серий К500 или К100 можно сохранять предельную рабочую частоту в пределах 35…40 МГц установкой в частотомер одной микросхемы К131ТМ2 (K130TM2) Один из триггеров этой микросхемы включается в положении “ВЧ” переключателя S1 между выходом элемента D1.1 и входом счетчика, другой — между выходом D4 и входом T БУ (рис. 7).

В этом случае переключатель S1 необходимо заменить на ПГ2-12-6П8Н. Вместо микросхемы К131ТМ2 можно использовать K131TB1 или К130ТВ1 (D27. 1) и KI55TB1 (D27.2). Входы С этих триггеров необходимо соединить с выходом D1.2 н с подвижным контактом переключателя S4.1 соответственно. Все неиспользуемые входы триггеров следует соединить с источником + 6 В через резистор R44.

Еще большее увеличение быстродействия (до 70…80 МГц) можно получить, использовав вместо D27.1 два последовательно включенных триггера серии K530 или К531, а вместо D27.2 — два триггера серим К155. В этом случае, возможно, потребуется применение более высокочастотных транзисторов в формирователе: КТЗ63 (V2, V3) и КТ316, КТ325, КТ355 (V6),

Исключить мерцание цифр а процессе счета можно введением между счетчиком и дешифратором регистра памяти на микросхемах К155ТМ5 или К155ТМ7. Импульс переписи на тактовые входы микросхем можно снять с выхода 6 элемента D2 (рис. 8).

В этом случае переключатель S2 целесообразно заменить на тумблер, в одном положении которого («Авт») вход Тинд БУ подключается к источнику + 5 В через резистор 7,5 кОм, в другом — к общему проводу («Pучной пуск”),

г.