УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР С ЦИФРОВЫМ ЧАСТОТОМЕРОМ

May 25, 2010 by admin Комментировать »

Д. Вундцеттель, В. Ким

Этот прибор состоит из трех основных частей: генераторов низкой и высокой частоты и частото­мера, имеющих общий источник питания. Ими можно пользоваться как совместно, так и порознь.

Технические данные прибора таковы.

Диапазон рабочих частот генератора низкой частоты составляет 10 Гц — 100 кГц (он разделен на четыре поддиапазона: 10 — 100, 100 — 1000 Гц, 1 — 10, 10 — 100 кГц). Его выходное напряжение можно изменять от 0,1 мВ до 10 В. Коэффициент нелинейных искажений (при уровнях выходного напряжения до 1 В) не превышает 1%. Выходное сопротивление генератора 500 Ом.

Генератор высокой частоты работает в диапа­зоне от 100 кГц до 30 МГц (поддиапазоны 0,1 — 0,3; 0,3 — 1; 1 — 3; 3 — 10, 10 — 20; 20 — 30 МГц). Выход­ное напряжение генератора можно регулировать от 1 мкВ до 0,1 В. Выходное сопротивление генератора 75 Ом. Высокочастотный сигнал можно модулиро­вать низкочастотным, частотой 400 или 1000 Гц. Глубина модуляции фиксированная 30 и 60%. Частотомер позволяет измерять частоту сигналов до 35 МГц, длительность импульсов до 100 с. Емкость счетчика 108.

Универсальный генератор с цифровым частото­мером потребляет мощность 30 Вт. Габариты прибора 375x250x120 мм.

Принципиальная схема генератора низкой частоты приведена на рис. 1. Задающий генератор собран на микросхеме Me1 и транзисторах T1 и Т2 по схеме с мостом Вина. Мост Вина в цепи обрат­ной связи образован переключаемыми конденсаторами С4СП и резисторами R6R11. Сдвоенны­ми резисторами R6 и R7 осуществляют перестройку генератора в пределах поддиапазонов, а сдвоенные резисторы R8 и R9 служат для точной настройки. Резисторами R10 и R11 устанавливается необходи­мое перекрытие диапазонов. В цепи отрицательной обратной связи для стабилизации амплитуды коле­баний применен терморезистор R2. Режим устойчи­вой генерации устанавливают резистором R1.

clip_image002

Рис. 1. Принципиальная схема генератора низкой частоты

С выхода повторителя на транзисторах T1 и Т2 сигнал поступает на разъем ШЗ (для подачи на вход частотомера) и на переменный резистор R12, которым плавно регулируют уровень выходного си­гнала. С движка резистора R12 сигнал через перек­лючатель ВЗ поступает на ступенчатый делитель и далее на выходное гнездо Гн2. Кроме этого, с движка переменного резистора R12 сигнал постоян­но поступает на вход усилителя, который собран на транзисторах ТЗТ5. Этот усилитель имеет коэф­фициент усиления, равный 10, и полосу пропускания от 10 Гц до 100 кГц. Он выполняет две функции. Во-первых, при нажатии переключателя ВЗ сигнал на вход делителя поступает усиленным на 20 дБ. Во-вторых, на вольтметр (измерительный прибор ИП1, резисторы R30, R31) постоянно поступает усиленный сигнал, благодаря чему повышается линейность шкалы измерителя выходного уровня.

Лампы Л1Л8 указывают рабочий поддиапа­зон на шкале блока. Разъем ШЗ служит для сое­динения блока генератора низкой частоты с блоком питания прибора и частотомером. Напряжения питания на элементы генератора подаются через контакты переключателя В1.

Принципиальная схема генератора высокой ча­стоты показана на рис. 2.

Задающий генератор собран на микросхеме Mel. Колебательные контуры генератора подключаются переключателем поддиапазонов к гетеродинной ча­сти микросхемы. В коллекторной цепи транзисто­ров балансного смесителя микросхемы включен нагрузочный резистор R4, сигнал с которого (около 200 мВ) подается на вход эмиттерного повторителя. Последний выполнен на транзисторе усилителя ВЧ микросхемы.

Параллельно конденсатору переменной емкости С5, которым перестраивают задающий генератор, через конденсатор С6 небольшой емкости подклю­чен варикап Д1. С его помощью производится точ­ная настройка генератора.

С нагрузочного резистора R5 эмиттерного повто­рителя сигнал поступает на вход микросхемы Мс2, выполняющей функции резонансного усилителя ВЧ. Колебательные контуры на элементах LllL16, С17С22 перестраиваются конденсатором перемен­ной емкости С25, находящимся на одной оси с С5. С катушек связи L17L22 сигнал поступает на вход микросхемы МсЗ, на которой собран модулятор. Транзистор микросхемы играет роль апериодиче­ского усилителя ВЧ, коэффициент усиления которо­го зависит от степени шунтирования по высокой частоте эмиттера транзистора. Шунтирование осу­ществляется с помощью полевого транзистора Т1. Напряжение модуляции на его затвор подается с генератора звуковой частоты (400 или 1000 Гц) на микросхеме Мс5, С подстроечного резистора R26 на затвор транзистора Т1 подается отрицательное смещение, которое определяет линейность модуля­ции.

С выхода модулятора сигнал подается на широ­кополосный повторитель на транзисторах Т2Т4, а затем детектируется диодами Д5 и Дб. С нагрузки детектора (резистор R29) постоянное напряжение (пропорциональное среднему уровню сигнала) по­ступает на один из входов операционного усилителя (микросхема Мс4). На другой его вход поступает постоянное стабилизированное (опорное) напряже­ние с подстроечного резистора R35. Напряжение разбаланса с выхода операционного усилителя по­дается на вывод 2 микросхемы Мс2 и регулирует коэффициент усиления высокочастотного усилителя.

Таким образом, среднее значение ВЧ напряже­ния на нагрузке повторителя — резисторе R28 (точнее, на нагрузке детектора — резисторе R29) поддерживается постоянным, около 250 мВ.

С выхода повторителя сигнал через конденсатор С34 поступает на разъем Ш1 (для подачи на вход частотомера) и на переменный резистор R30, служа­щий для плавной регулировки уровня сигнала. С движка резистора R30 сигнал подается на ступен­чатый аттенюатор, состоящий из пяти идентичных П-образных звеньев, каждое из которых ослабляет сигнал на 20 дБ.

clip_image004

clip_image006

Рис. 2. Принципиальная схема генератора высокой частоты

Чтобы упростить конструкцию переключателя звеньев, последние коммутируются контактами электромагнитных реле, находящимися в тех же от­секах аттенюатора, что и сами звенья. Реле комму­тируются переключателем В2 через шифратор на диодах Д11Д14.

Низкочастотный генератор, служащий для моду­ляции ВЧ сигнала, собран на микросхеме Мс5 и транзисторе Т7 по обычной схеме с мостом Вина в цепи обратной связи. Амплитуда колебаний генера­тора стабилизирована терморезистором R68. В зави­симости от положения контактов реле Р6 генератор выдает колебания с частотой 400 пли 1000 Гц. Через контакты реле Р7 на вход транзистора Т1 с генера­тора подается НЧ напряжение с уровнями, обеспечи­вающими 30- или 60-процентную модуляцию высо­кочастотного сигнала. Контактами реле Рб вход мо­дуляторного транзистора Т1 может быть подключен к гнезду внешней модуляции Гн2.

Для повышения линейности шкалы измерителя выходного уровня ИП1 последний подключен к движку регулятора уровня выходного сигнала че­рез широкополосный усилитель на транзисторах Т5 и Т6. Однако эксплуатация прибора показала, что без особого ущерба для качества измерений можно обойтись обычным детектором с удвоением напря­жения.

Все питающие напряжения подаются к узлам блока через LC-фильтры (на элементах L23L3L С54С66). Разъем Ш1 служит для соединения вы­сокочастотного генератора с блоком питания при­бора и частотомером. Напряжения питания подают­ся через контакты переключателя Вб.

Принципиальная схема частотомера приведена на рис. 3.

Измеряемый сигнал с внутренних генераторов ВЧ, НЧ или внешнего генератора через соответст­вующие переключатели В1 — ВЗ подается на истоковый повторитель. Применение в первом каскаде по­левого транзистора позволило получить относитель­но высокое входное сопротивление прибора (более 100 кОм) при малых потерях во входных цепях. Пе­реключателем В4 чувствительность прибора можно уменьшить в 10 раз. Переключателем В5 выбирает­ся вход частотомера: открытый или закрытый. В ре­жиме F — измерения частоты вход прибора всегда закрытый. При открытом входе уровень запуска ре­гулируют переменным резистором R3. Им же можно компенсировать постоянную составляющую входно­го сигнала,если такая имеется.

clip_image008

clip_image010

Рис. 3. Принци­пиальная схема частотомера

С истокового повторителя сигнал поступает на широкополосный усилитель на транзисторах Т2, ТЗ с коэффициентом усиления 7 — 10 в диапазоне частот до 35 МГц, затем на входы формирователей.

Некоторым отличием данного прибора является наличие двух формирователей (на элементах Т4Т6 и 77, Мс28), Первый уверенно работает на ча­стотах от 10 Гц до 35 МГц, второй — от медленно изменяющегося напряжения до нескольких мега­герц. В режиме измерения частоты работают оба формирователя. Со второго формирователя сигнал поступает иа первые две декады счетного блока АС1, а с первого через делитель частоты с коэффи­циентом деления 100 — на остальные шесть декад. При этом связь между второй и третьей декадой отсутствует. Первая часть делителя собрана на на­весных элементах. Отсутствие нагрузки на индика­цию позволило увеличить частоту счета до 40 МГц без дополнительных схемных усложнений.

В режиме измерения частоты — режиме F счет­ный блок заполняется за 0,1; 1 или 10 с, задавае­мых соответственно через переключатели В11 В13. При частоте менее 10 Гц заполняются первые две декады (Гизм=10 с). Как только частота входного сигнала превысит 10 Гц, начинают заполняться остальные декады. При частоте выше нескольких мегагерц второй формирователь начинает работать неустойчиво, однако показаниями первых двух де­кад можно пренебречь (погрешность измерения не превысит 0,1%, в худшем случае, если Гизм = 0,1 с). Таким образом, используя два формирователя, уда­лось достичь широкого диапазона измерения частот без специального деления на поддиапазоны и в то же время собрать счетный блок на микросхемах, имеющих тактовую частоту менее 10 МГц.

В режиме Т — измерение периода — все декады счетного блока соединяются последовательно. Рабо­тает только второй формирователь. Делитель часто­ты первого формирователя отключается сигналом логического «0», поступающим на элемент Мс31а, поскольку счетный блок заполняется импульсами с длительностью 1 мкс (входная частота не может быть больше 1 МГц, поэтому надобность в делителе частоты отпадает).

В режиме N — счет — счетный блок заполняет­ся импульсами, частота которых определяется вход­ным сигналом (условия те же, что и в режиме изме­рения периода).

clip_image012

Рис. 4. Принципиальная схема счетных декад

В режимах Т и N возможен запуск прибора как от положительного, так и от отрицательного фронта входного сигнала (определяется переключателем В10). В режиме F прибор запускается только от по­ложительного фронта. Все оговоренные условия вы­полняются автоматически при нажатии на соответствующую кнопку. Например, в режиме F положе­ние переключателей В5 и В10 безразлично, а в режиме N — перестают действовать переключатели В9, BU — B13 и т.д.

На микросхеме Mel собран кварцевый генера­тор, вырабатывающий импульсы с периодом повто­рения 1 мкс. Эти импульсы поступают на делитель частоты Мс2 Мс5. На триггере Мс7а выделяется сигнал частотой 5 кГц, который используется в ос­тальных узлах прибора в качестве синхронизирую­щего.

С выхода делителя импульсы с периодом повто­рения 0,01 с поступают на делитель Мс9 МсП с переменным коэффициентом деления, на котором, в зависимости от положения переключателей В11 В13, можно выделять импульсы с периодом следо­вания 0,1; 1 или 10 с соответственно.

В режиме измерения частоты заполнение счетно­го блока будет происходить в течение заданного времени, с промежутком между измерениями 0,01 с, в течение которого информация из счетного блока будет переписываться в «память» прибора, происхо­дить гашение и подготовка к новому циклу измере­ния. В режиме измерения периода счетчик будет за­полняться импульсами, поступающими с кварцевого генератора в течение периода входного сигнала, за­даваемое переключателями Bit В13. После этого все будет происходить так же, как и в режиме изме­рения частоты. В режиме счета импульсов информа­ция из счетного блока постоянно переписывается в «память» прибора.

Счетный блок прибора состоит из восьми декад (рис. 4). Триггеры Мсб Мс9 (рис. 5) каждой декады организуют счет до десяти, а триггер Мс10 пе­реносит информацию из одной декады в другую. Ло гнческие элементы Mel Mc5 служат для передачи информации в блок «памяти» прибора. Сведения о состоянии триггеров счетного блока передаются в блок «памяти» последовательно во времени, начиная с младшей декады, и параллельно по двоичным раз­рядам.

clip_image014

Рис. 5. Принципиальная схема декады

Основой блока памяти являются четыре восьми­разрядных последовательных регистра. Каждый ре­гистр хранит информацию своего двоичного разряда. Триггер Мс27а управляет режимами работы реги­стров. В единичном состоянии триггера Мс27и обеспечивается хранение информации. Последняя циркулирует по кольцу с частотой синхронизации .(5 кГц). В нулевом состоянии триггера Мс27а коль­цо размыкается, и регистры переходят в режим записи.

Запись происходит за 8 тактов (за время прохож­дения 8 импульсов синхронизации), после чего ре­гистры вновь переходят в режим хранения инфор­мации. Нажав на кнопку В14 «Запоминание», мож­но вообще исключить режим записи, установив триггер Мс27а в единичное состояние. При этом на табло останется результат предыдущего измерения.

Одновременно сигнал синхронизации подается на вход двоичного счетчика Мс7б — Мс8 с коэффи­циентом счета 8.

Каждое состояние счетчика дешифруется эле­ментами Мс18 — Мс20. Сигнал с них открывает один из разрядов восьмиразрядного сегментного вакуум­ного индикатора Л8. С выхода регистров памяти двоичный код преобразуется элементами МсоО Мс53, МсбОг в код сегментов и через электронные ключи на микросхемах МсбЗ, Мс64 поступает на со­ответствующие сегменты индикатора. При изменении состояния счетчика Мс7б Мс8 одновременно ме­няется информация на выходах регистров памяти. За 8 тактов последовательно высвечиваются все раз­ряды индикатора. Мелькания практически незамет­ны для глаза, поскольку тактовая частота достаточно высока. Таким образом реализован ре­жим динамической индикации, значительно упро­щающий узел индикации.

Индикация и перемещение информации в реги­страх памяти идет от младшего десятичного разряда к старшему. В момент индикации восьмого разряда в узел управления записью подается сигнал подго­товки и, если запись необходима, она начинается синхронно с появлением начала индикации первого разряда и заканчивается с концом индикации вось­мого.

Из других особенностей частотомера следует от­метить преобразователь кода на микросхемах Мс50 Мс53, МсбОг, который значительно упрощен за счет применения невесового кода счета.

Особенностью прибора является и наличие в нем автомата определения порядка измеряемой частоты. Такой режим работы устанавливается переключа­телем В9 «Автомат» и возможен только при измере­нии частоты. В этом режиме прибор работает сле­дующим образом.

Начальное состояние счетчика Мс35 МсЗба после дешифрации элементами Мс41 Мс43 и ин­вертирования элементами Мс44, Мс45 разрешает опрос состояния первой младшей декады счетного блока. При этом выход триггера переноса этой дека­ды подключается к счетному входу счетчика Мс35 МсЗба. Подключение и установка счетчика в началь­ное состояние происходит в промежутках между измерениями, в момент подачи сигнала сброса триг­гером Мсба. Появившийся во время измерения сиг­нал переноса с первой декады устанавливает счет­чик во второе состояние, при этом разрешается опрос второй декады. Если придет сигнал переноса со второй декады, будет разрешен опрос третьей и т. д.

Таким образом, к концу измерения состояние счетчика будет соответствовать количеству запол­ненных разрядов счетного блока. Если эту информа­цию сравнить со временем, в течение которого про­водилось измерение, то можно будет судить о вели­чине измеренной частоты. Например, количество за­полненных разрядов равно пяти, а время измерения 1 с, тогда значение частоты будет составлять десят­ки килогерц. На табло при этом после двух знача­щих цифр загорится точка, отделяющая целую часть значения частоты, и засветится лампа Лб «кГц», указывающая, что целая часть значения частоты выражена в килогерцах. Поскольку новое значение появляется в момент появления сигнала переноса с декады в декаду, то частотами, определяющими ра­боту автомата, будут 1, 10, 100 Гц, 1, 10, 100 кГц, 1, 10 МГц. Сравнение производят элементы Мс46 Мс49, и одно из трех местоположений точки (в целой части не может быть больше трех и меньше одной значащих цифр) запоминается триггерами Мс50. Состояние триггеров дешифруется элементами Мс55 и передается в узел индикации. Сравнение для вы­явления значения целой части проходит иа элемен­тах Мс56 Мс58 и запоминается триггерами Мс57. Дешифратор МсбО обеспечивает свечение одной из ламп Л5 «Гц», Лб «кГц» или Л7 «МГц». Запись ин­формации в триггеры Мс50 и Мс59 происходит сразу после окончания измерения, но до начала записи данных в блок памяти.

При перезаписи данных из счетного блока в блок памяти счетный вход счетчика Мс35 МсЗба от­ключается от триггеров переноса и подключается к цепи синхронизации во время действия сигнала под­готовки записи. Первый импульс синхронизации, разрешающий запись в первый младший разряд ре­гистров памяти, переключит счетчик Мс35 МсЗба в следующее состояние, при котором будет разреше­на передача данных из следующей старшей после значащей цифры декады. После цикла записи ока­жется, что в старший разряд регистров памяти за­пишется первая старшая значащая цифра счетного блока, а все незаполненные декады перед ней пере­пишутся в младшие разряды регистров памяти, т. е. произойдет сдвиг информации влево до первой зна­чащей цифры. На табло впереди значащих цифр нулей не будет, что создает дополнительные удоб­ства при оценке показаний прибора.

Для устранения отказа автомата при измере­ниях высоких частот и нестабильной работы первых двух декад счетного блока счетчик Мс35МсЗ6а по асинхронному входу устанавливается в положе­ние «4» сигналом переноса с третьей декады.

clip_image016

Рис. 6. Принципиальная схема блока питания

Для устранения эффекта «скакания» цифр по ин­дикатору в случае измерения нестабильных частот вблизи частот, являющихся определяющими для ра­боты автомата, последний можно отключить пере­ключателем В9. В этом случае, а также в режимах Т и N точка не светится, а горят лампы Л5 «Гц», ЛЗ «Х1/T» (режим F), Л1 «мкс» (режим T) или Л2 «счет» (режим N). Счетчик Мс35Мс36а коррек­тируется по счетчику Мс7б Мс8, и запись из счет­ного блока производится в строго соответствующие разряды регистров памяти.

Принципиальная схема блока питания приведе­на на рис. 6. Блок выполнен на одном трансформа­торе Tpl и включается кнопкой, расположенной на лицевой панели частотомера.

Стабилизатор напряжения +5 В для питания цепей частотомера собран на транзисторах Т1 — ТЗ по обычной схеме. Для повышения коэффициента стабилизации усилительный каскад на транзисторе ТЗ питается от отдельного источника (обмотка V7).

Два стабилизатора напряжений +12 и — 12 В собраны по одинаковым схемам, одна из которыхприведена на рисунке. В качестве усилителя в цени обратной связи использован операционный усили­тель.

Конструктивно прибор разделен на четыре части. Блоки генератора НЧ генератора ВЧ и частотомера вставлены в общий корпус и жестко соединены разъемами с блоком питания, находящимся в зад­ней части кожуха. Расположение блоков показано на рис. 7. Внешний вид прибора изображен на рис. 8.

На, передней панели расположены индикаторные лампы, цифровое табло и переключатели. Переклю­чатели B1, В2, ВЗ«Вход» сгруппированы и име­ют зависимую фиксацию. Аналогично выполнены переключатели В6 В8 «Род работы» и B11 — В13 «Время измерения». Сгруппированы, но име­ют независимую фиксацию переключатели В4, В5, В10 «Сигнал» и В9, В14 «Режим». На передней панели установлены также гнезда для внешних под­ключений и ручка регулятора уровня запуска.

Несмотря на наличие в составе прибора цифрово­го частотомера, низкочастотный генератор снабжен обычной шкалой, облегчающей перестройку прибо­ра. Кроме того, по краям четырех шкал расположе­ны лампы, указывающие положение переключателя диапазонов. В качестве измерителя выходного уров­ня использован стрелочный индикатор М371 с са­модельной шкалой.

clip_image018

Рис. 7. Расположение блоков прибора

clip_image020

Рис. 8. Внешний вид прибора

Резисторы делителя R21 R28 сделаны из МЛТ-0,5 меньшего (чем требуется в каждом кон­кретном случае) номинала с последующей подгонкой (используя мелкую наждачную бумагу) с по­мощью точного омметра.

Конденсатор С15 должен иметь минимальную утечку (можно, например, применить ЭТО-2).

Блок высокочастотного генератора также снаб­жен шкалой и таким же, как и в низкочастотном ге­нераторе, измерителем выходного уровня. Все узлы блока расположены в экранированных отсеках.

Катушки задающего генератора намотаны на ферритовых кольцах.

Количество витков катушек связи L5 L8 со­ставляет примерно 30% от числа витков соответст­вующих контурных катушек.

Контурные катушки усилителя ВЧ L11 L13 аналогичны катушкам LI L3 и подстраиваются изменением числа витков. Катушки L14 L16 намо­таны на полистироловых каркасах диаметром 6 мм и подстраиваются сердечниками из карбонильного железа. Индуктивность катушек примерно такая же, как у L4, L9 и L10 соответственно. Число витков ка­тушек связи L17L22 составляет примерно 20 — 25% от числа витков соответствующих контурных катушек. Блок конденсаторов переменной емкости С5 и С25 — от радиоприемника «ВЭФ». Дроссели L23L31 намотаны проводом ПЭЛШО 0,2 на фер­ритовых кольцах. Все они имеют одинаковую ин­дуктивность порядка 250 мкГ. Резисторы R38R52 делителя изготовлены по описанному выше способу.

Частотомер конструктивно выполнен в виде отдельного вставного блока. Его детали размещены на шести печатных платах с индивидуальными разъемами. Подключение частотомера к другим уз­лам прибора осуществляется с помощью разъема, расположенного на задней стенки блока.

Трансформатор блока питания собран на ленточ­ном тороидальном магнитопроводе МТ-30 размера­ми 70x42x30 мм. Данные обмоток приведены в таблице.

Номер

обмотки

Напряжение, В

Число витков

Провод

I

220

1670

ПЭТВ 0,27

II

7

55

ПЭТВ 1,0

III

12,5

95

ПЭЛШО 0,31

IV

12,5

95

ПЭЛШО 0,31

V

40

310

ПЭЛШО 0,15

VI

10

75

ПЭЛШО 0,15

VII

12

90

ПЭЛШО 0,44

VIII

2,2×2

18×2

ПЭЛШО 0,44

Управляемые транзисторы стабилизаторов на­пряжения установлены на задней стенке прибора, выполняющей роль теплоотвода, но изолированы от нее слюдяными прокладками.

Налаживают прибор поблочно по методике, при­нятой для подобных приборов.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты