Prosty miernik częstotliwości

Tym konstruktorom, którzy mają w szufladach zapasy starych układów scalonych TTL, proponujemy wykononanie prostego i taniego ale bardzo przydatnego miernika częstotliwości. Górna granica częstotliwości opisywanego układu wynosi około 50MHz zaś po dodaniu presklera - co najmniej 200MHz. Płytka drukowana miernika oraz układy scalone są dostępne w sprzedaży wysyłkowej AVT.

Sygnał pomiarowy (przełącznik W zamknięty - pomiar do 50MHz) jest doprowadzany do zlinearyzowanej bramki 1 układu US2 - 74S00. Dzięki rezystorowi R6 włączonemu pomiędzy wyjście a wejście bramki, pracuje ona jako wzmacniacz i można doprowadzać do niej sygnały odbiegające kształtem od prostokątnych oraz o amplitudzie kilkuset miliwoltów (100...500mV).

Im wyższa częstotliwość, tym wyższy powinien być poziom doprowadzonego sygnału. Drugie wejście tej bramki znajduje się na potencjale wysokim (przełącznik W - otwarty) i z tego względu odłączone jest zasilanie układu scalonego US1. Wzmocnione i częściowo ukształtowane sygnały z wyjścia bramki 1 podawane są kolejno na bramki 2 i 3 wchodzące w skład tego samego układu scalonego, gdzie zostają już dokładnie uformowane w przebiegi TTL. Czwarta, ostatnia bramka układu scalonego US2, to bramka główna, na którą podawane są również impulsy wzorcowe, otwierające bramkę. Częstotliwość doprowadzonych impulsów może dochodzić do około 50MHz. W przypadku większej częstotliwości pomiarowej niż 50MHz należy zamknąć wyłącznik W. Na wyjściu bramki 4 pojawi się wysoki stan logiczny - zgaśnie punkt świetlny w wyświetlaczu WS3, a zapali się w wyświetlaczu WS2. Punkty te sygnalizują miejsca ustawienia przecinka (po wartości MHz). W momencie pojawienia się zera logicznego na wejściu bramki 4 również bramka 1 zostaje zablokowana (na jej wyjściu wystąpi wysoki poziom logiczny) i zostaje załączony dzielnik częstotliwości przez 10, zrealizowany na układzie US1 - SP8660 (angielskiej firmy Plessey). Jest to układ wykonany w technice ECL, a jego częstotliwość wejściowa może wynosić 150...200MHz przy czułości około 100mV. Warto pamiętać, że minimalna częstotliwość pracy tego układu gwarantowana przez producenta wynosi około 10MHz. Praktycznie, w zależności od poziomu sygnału wejściowego, pracuje jeszcze przy 5MHz, ale nie zawsze jest dokładny (raz na jakiś czas pojawiają się błędne wyniki, najczęściej dotyczące setek kHz). Drugą właściwością tego układu jest występowanie na wyjściu przypadkowej częstotliwości - mimo braku sygnału wejściowego. Oczywiście nie jest to zasadą: autor spotkał wiele układów "spokojnych", w których - bez doprowadzonego sygnału na wyjściu - nie występował żaden sygnał.
W tej chwili układ SP8660 jest trudno osiągalny i nie jest już dostępny w sklepie AVT, ale można go zastąpić np. uniwersalnym preskalerem częstotliwości MC12080, który zapewni pomiar częstotliwości do około 500MHz, oczywiście po odpowiednim włączeniu do układu.
W każdym razie z wyjścia preskalera (nóżka 4) sygnał TTL podawany jest na wyjście bramki 2 i dalej jako sygnał o dziesięciokrotnie mniejszej częstotliwości kierowany jest na wejście bramki 4. Na drugie wejście bramki 4 podawane są wzorcowe impulsy o częstotliwości 50Hz. Częstotliwość wzorcową wytwarza układ scalony US5 - CD4060. Zawiera on wewnętrzny generator sterowany rezonatorem kwarcowym 3,2768MHz. Na wyprowadzeniu 3 tego układu otrzymuje się impulsy prostokątne o częstotliwości 200Hz. Dokładność tych impulsów zależy od zastosowanego rezonatora kwarcowego. Niewielką korektę częstotliwości wejściowej można przeprowadzić poprzez zmianę wartości jednego z kondensatorów (C8 lub C9). Układ US4 to podwójny dzielnik przez 2, zrealizowany na podwójnym przerzutniku D wchodzącym w skład układu 74LS74. Impulsy o częstotliwości 100Hz po pierwszym dzielniku przez 2 łącznie z impulsami wyjściowymi 50Hz kierowane są na wejście bramki 1 układu US3 74LS00. Na drugie wejście tej bramki oraz na wejście bramki 3 przychodzą impulsy 50Hz z drugiego wyjścia przerzutnika. Na wyjściu bramki 2 otrzymuje się impulsy sterujące zespołem liczników US6...US11 (6x74LS90), zaś na wyjściu bramki 3 impulsy do sterowania zespołem wyświetlaczy. Pierwszy licznik jest sterowany impulsami przychodzącymi z bramki 4 US2. Licznik ten decyduje o maksymalnej częstotliwości pracy miernika (głównie przy pomiarze bezpośrednim z pominięciem preskalera). Jak wykazały pomiary, układ 74LS90 pracuje dobrze do około 50MHz. Zamianę stanów BCD na wyjściu zespołów liczników realizują dekodery US12...US17 (6x74LS47). W rozwiązaniu modelowym zastosowano dekodery typu 74LS247, które mają analogiczne wyprowadzenia, a różnica polega na sposobie wyświetlania cyfr 6 i 9. Po zakończeniu zliczania przez liczniki informacja jest wyświetlana na podwójnych wyświetlaczach siedmiosegmentowych ze wspólną anodą. Można tutaj stosować wyświetlacze typu MAN7610 lub ich odpowiedniki o identycznych wyprowadzeniach. Do czasu zmiany zawartości liczników wskaźniki są wygaszane poprzez odłączenie zasilania za pośrednictwem dodatkowego tranzystora T1 BC313. Zasilanie wskaźników sygnałem przemiennym zmniejsza również pobór prądu z zasilacza. W prezentowanym układzie zrezygnowano ze stosowania zespołu pamięci (6x7475), co praktycznie (przy stabilnym sygnale) jest niezauważalne, ponieważ przy szybkości 50 odczytów/sekundę oko już nie reaguje na miganie cyfr.
W przedstawionym mierniku wykorzystano układy wygaszania zer. Przy braku sygnału wejściowego świecą się tylko dwie ostatnie najmniej znaczące cyfry. Z chwilą pojawienia się sygnału pomiarowego będzie wyświetlana właściwa wartość poprzez uaktywnienie odpowiednich dekoderów. Przy częstotliwości poniżej 1MHz będą świecić 3 cyfry, a powyżej 10MHz 4 cyfry itd. Dzieje się tak dlatego, ponieważ cztery kolejne dekodery US14...US17 mają połączone ze sobą wejścia wygaszania zera. Jest to bardzo pożądana właściwość (często zapominana i niestosowana we wszystkich miernikach), a szkoda, bo oprócz większego komfortu w odczycie częstotliwości zmniejsza się również pobór prądu z zasilacza.
Układ cyfrowej skali zmontowano na dwustronnej płytce drukowanej o wymiarach 110x90mm - AVT 283M.
Na płytce drukowanej można spotkać błędnie poprowadzoną jedną ścieżkę. Należy przeciąć ścieżkę poprowadzoną z nóżki 2 US3 i poprowadzić ją poprzez dolutowanie odcinka drutu do nóżki 5US4 zgodnie ze schematem ideowym. Rozmieszczenie elementów na płytce przedstawiono na rysunku 2. Trzy podwójne wskaźniki siedmiosegmentowe należy zmontować na małej płytce jednostronnej o wymiarach 90x20mm, którą należy wcześniej odłamać od płytki głównej.
Od strony wyprowadzeń należy przylutować tranzystor BC313 zasilający anody wskaźników. Płytki mają celowo niewytrawione warstwy miedzi, aby można je było zlutować pod kątem prostym.
Dodatkowe połączenia pomiędzy wskaźnikami a rezystorami ograniczającymi prąd segmentów wykonano za pośrednictwem odcinków przewodów w izolacji igelitowej zgodnie z rysunkiem 3.
Przy zastosowaniu innego typu wyświetlacza należy sprawdzić i ewentualnie zmienić miejsca połączenia odpowiednich segmentów. Układ zmontowany ze sprawnych elementów i bez pomyłek przy montażu jest gotowy do pracy. Należy podłączyć napięcie zasilania 5V i prąd co najmniej 200mA (przy zastosowaniu zwykłych układów typu TTL pobór prądu będzie dużo większy).
Przy wykorzystywaniu cyfrowej skali do pomiarów zewnętrznych sygnałów w.cz. wskazane jest zastosowanie bezpośrednio na końcu kabla pomiarowego specjalnej zewnętrznej sondy lub w ostateczności dobranego rezystora o wartości około 100W.
Jak łatwo zauważyć na zdjęciach, jako obudowy do miernika użyto szufladkowego pudełka plastikowego na podzespoły elektroniczne (także dostępne w sklepie AVT).
W kolejnych numerach zostaną opisane inne bardzo proste przyrządy pomiarowe przydatne w pracowni radioamatora wmontowane również w identyczne obudowy.
Za miesiąc zostanie zamieszczony opis prostego zasilacza stabilizowanego +12V/+5V służącego do zasilania m.in. opisywanego miernika częstotliwości.

Andrzej Janeczek     

Pełny tekst artykułu na stronach magazynu