УНИВЕРСАЛЬНЫЙ СЧЕТЧИК

June 10, 2014 by admin Комментировать »

М. ШВЕСТКА, И. ЗУСКА (ЧССР)

Из всех известных методов измерений наиболее точным считают метод, основанный на измерении времени, частоты*или периода. Это объясняется тем, что гораздо легче получить весьма точные образцы (эталоны) частоты, чем образцы других величин, а также тем, что методика измерений оказывается очень простой, особенно при использовании современной электроники. Примером этому служит описываемый ниже прибор — универсальный счетчик,~ который моЖет найти широкое применение при различных измерениях электрических и неэлектрических величин. Его технические характеристики:

Прибор питается от сети переменного тока 220 В, 50 Гц н потребляет мощность около 20 Вт. Размеры прибора 390 х 280 X 70 мм.

Универсальный счетчик позволяет измерять частоту, период, отношение двух частот, временной интервал (двумя каналами), подсчитывать импульсы. Он может быть использован также как источник образцовых частот 1 МГц, 100′ кГц, 10 кГц, 1 кГц, 100 Гц, 10 Гц, 1 Гц,,0Д Гц при скважности 2 или как делитель частоты внешнего сигнала (коэффициенты деления 10, 100·, 1000, 10000, 100000, 1000000, 10000000) при скважности 2.

Конструкция прибора допускает последующее его у совершенствование с целью улучшения некоторых параметров.

Развитие электроники, в первую очередь расширение масштабов производства интегральных микросхем, привело к тому, что весьма высокая точность измерений, бывшая в прошлом привилегией профессиональных лабораторий, стала доступной и в радиолюбительской практике. В подавляющем большинстве случаев при таких измерениях используют универсальные счетчики — приборы, в которых частота (период, длительность импульса и т. д.) измеряемого сигнала сравнивается с образцовой частотой. Точность измерения зависит прежде всего от точности и стабильности образцовой частоты. В современных универсальных счетчиках применяют образцовые кварцевые генераторы с временной стабильностью примерно КГ6 и лучше. Кратковременная стабильность (в течение нескольких секунд или минут) бывает еще лучше в сто раз и более.

Измеряемый сигнал сначала преобразуют (структурная схема на рис. 1) в сигнал прямоугольной формы с уровнем, удобным для его дальнейшей обработки цифровым устройством. Для ТТЛ микросхем это будет’ соответствовать для логического 0:0-0,8 В

Рис. 1. Структурная схема измерителя частоты.

Рис. 2. Структурная , схема измерителя периода.

Рис. 3. Структурная схема измерителя временного интервала.

для входов и 0 — 0,4 В для выходов узлов; для логической 1:2—5 В для входов и 2,4—5 В для выходов.

Затем сигнал в течение строго определенного интервала времени поступает на вход, декадного счетчика, который считает в десятичном коде число импульсов. Если, время счета (измерительный интервал) равно 1 с, то число учтенных импульсов равно частоте, выраженной в герцах. Измерительный интервал задается периодом сигнала внутренней образцовой частоты.

Принцип измерения отношения частот сходен с принципом измерения частоты, а структурная схема аналогична показанной на рис. 1. Вместо образцовой частоты /обр на вход делителя Л подают внешний сигнал /у, с частотой которого сравнивают частоту сигнала fx.

При измерении периода сигнала, усиленный и сформированный сигнал (если необходимо, его частоту делят на т) подают на вход коммутатора (рис. 2). Коммутатор в течение всего времени t включения — это время кратно периоду Тх входного сигаала — пропустит к декадному счетчику сигнал с частотой /,бр/«.

При измерении временного интервала используются два входных’ канала (рис. 3) для сигналов, один из которых запускает измеритель, а другой останавливает. Можно подавать на оба входа один сигнал, а усилители-формирователи отрегулировать таким образом, что один будет включать коммутатор фронтом входного импульса, а другой выключать его спадом импульса. Таким образом можно измерить длительность одного импульса. Временной единицей является период Т = пТо6р = «//обр сигнала образцового генератора.

Устройство управления универсальным счетчиком, обеспечивающее правильное чередование отдельных этапов цикла измерения (собственно измерение, отображение результатов и подготовка к последующему измерению) состоит из нескольких узлов (рис. 4). Если прибором измеряется, например, частота, то преобразованный во входных цепях сигнал fx поступает на вход элемента совпадения Л/С. (временного селектора). В течение времени измерения, когда ко второму входу этого элемента приложено напряжение логической 1, входные импульсы fx проходят на декадный счетчик. Время измерения, т. е. отрезок

времени, в течение которого открыт элемент МС4§, определяется; периодом сигнала на входе С D-трштера МСjg.

Работу -устройства проследим от начала фазы собственно измерения. На прямом выходе триггера МС\§ уровень 0. Поэтому и на верхнем по схеме входе элемента совпадения. МС4& также будет низкий уровень, а на входе D-триггера МС — уровень 1., На вход С триггера подают импульсы, которые определяют начало и конец временного интервала, в котором измеряется частота. Конец фазы собственно измерения совпадает с положительным; пе·*

репадом напряжения на входе С триггера. При этом триггер МС^ переключится и элемент МС зароется, а на входе ждущего мультивибратора ЖМ уровень 0 сменится на 1.

Это приведет к срабатыванию ждущего мультивибратора и появлению на его выходе (на входе элемента МС36) низкого уровня. Через некоторое время, зависящее от. постоянной RC мультивибратора, он вернется в исходное состояние. Длительность импульса мультивибратора определяет продолжительность промежутка между .двумя фазами измерения. После каждой фазы измерения на дисплее отображается новая информация. Длительность импульса можно установить в пределах от долей секунды до нескольких десятков секунд.

.^S’-триггер, образованный * элементами МС, МСзб, в течение измерительного интервала находится в состоянии, когда на выходе элемента МС уровень 1, На выходе элемента МСзб — уровень 0. Поэтому D-триггеры МС и МС блокированы в нулевом состоянии (на прямых выходах — уровень 0} и трехвходовый элемент МСзакрыт.

Срабатывание ждущего мультивибратора вызовет переключение JRS’-триггера, появление на среднем входе элемента МС уровня 1 и снятие блокирования с D-триггеров. Элемент МС остается забытым.

Обратное переключение ждущего мультивибратора приведет к появлению на нижнем входе. элемента МС уровня 1. Управляемый ‘автоколебательный мультивибратор AM запускается, и его импульсы проходят через элемент МС на вход триггера МС. Первый же положительный перепад на входе С этого триггера переключит его, и на инверсном выходе появится уровень 0. Следующий импульс переключит триггер МС6& снова в нулевое состояние, одновременно с этим триггер МС перейдет в состояние 1. На его инверсном выходе уровень 1 сменится на 0, что вызовет переключение jRS-триггера, закрывание элемента МС и блокирование мультивибратора AM (по верхнему входу элемента МС). Одновременно элемент МС сформирует сигнал с уровнем 1, обнуляющий декадный счетчик, а сигнал с уровнем 0 с выхода инвертора МС установит триггер MCi6 в единичное состояние, подготавливая его к следующей фазе измерения.

Выходной сигнал ждущего мультивибратора управляет также запоминающим устройством, которое сохраняет состояние счетчика (отсчитанное значение) от предыдущего измерения.

Верхний вход элемента МС через резистор RI6 постоянно подключен к плюсовому выводу источника питания. Нажатием на кнопку Кп4 уровень на этом входе можно уменьшить до 0, приостанавливая •этим процесс измерения. Одновременно обнуляются декады счетчика, а после обратного переключения ждущего мультивибратора все устройство будет готово к очередному циклу измерения. Устройство составлено таким образом, чтобы им можно было управлять только кнопками. При нажатии на кнопки Кн3 или Ки2 независимо от состояния элементов устройства управления триггер МС^ переключится в нулевое или единичное состояние соответственно, и откроется (или, наоборот, закроется) элемент совпадения МС. Управление этими кнопками производят в режиме работы устройства в качестве счетчика, при ручной установке измерительного временного интервала.

Выходным сигналом инвертора МС управляется также и индикатор переполнения счетчика. Чтобы при нажатии на кнопку Кн2 не перегружался выход инвертора и не происходило обратного управления индикатором переполнения, введен развязывающий диод Ду (германиевый диод с возможно меньшим прямым падением напряжения) для того, чтобы напряжение на S’-входе триггера МС при уровне. 0 было не более 0,8 В. Пока контакты выключателя В3 замкнуты, циклы измерения и индикации периодически повторяются.

Индикатор представляет собой простое устройство на двух инверторах МС, MC-jq и светодиоде

Собственно ждущий мультивибратор состоит из четырех элементов MC2d — МС и узла на транзисторе Т\. При проявлении уровня О на входе элемента МС на выходе элемента МС будет также низкий уровень. Открытый транзистор Τι закроется, и напряжение на его коллекторе увеличится до уровня 1. Конденсатор С2 будет медленно разряжаться через резисторы Я5 и R6. Длительность разрядки зависит в основном от сопротивления переменного резистора Я$ и находится в пределах 0,3 — 6 с. В конце этого интервала напряжение на коллекторе транзистора Τι постепенно уменьшается до момента срабатывания триггера Шмитта, собранного на элементах МС> МС. Этот триггер необходим для того, чтобы выходной импульс ждущего мультивибратора имел крутые фронт и спад.

Переменный резистор R5 должен быть группы А (с выключателем Я{). Он включен таким образом, что в положении, когда контакты выключателя разомкнуты, введенное сопротивление минимально. Длительность импульса ждущего мультивибратора в этом случае весьма мала (десятые доли секунды). Если разомкнуть контакты выключателя Вь устройство управления останется в состоянии, соответствующем последнему столбцу таблицы. При последующем кратковременном нажатии на кнопку Ки3 устройство перейдет в режим, указанный в таблице в столбце «После второго импульса», и может снова начать фазу собственно измерения. Таким образом, можно вручную управлять отдельными фазами измерения.

Для того чтобы обеспечить достаточное время между обратным переключением ждущего мультивибратора и окончанием подготовки к следующему измерению (блокировкой триггеров микросхемы МС$), перед ждущим мультивибратором включен D-триггер MCia, который в процессе собственно измерения находится в единичном состоянии. Окончание фазы собственно измерения вызывает изменение уровня на его входе с 0 на 1, а на выходе — с 1 на б. Как только откроется элемент МС2п, Первый же прошедший через него импульс снова переключит триггер МС\а и конденсатор С2 сможет зарядиться.

Для повышения помехоустойчивости ждущего мультивибратора к входу триггера МСja подключена цепь C\RXR2, обеспечивающая напряжение 2,5 В на входе S при уровне 1. В начале каждой фазы собственно измерения, когда уровень на входе С триггера изменяется с 1 на 0, на вход S проходит отрицательный импульс, «подстраховывающий» установку триггера в случае сбоя в работе устройства (диод Дх препятствует прохождению этого импульса на вход триггера МС<5а).

Длительность периода автоколебательного мультивибратора AM выбрана равной сотым долям секунды, это обеспечивает достаточное время для подготовки ждущего мультивибратора. Автоколебательный мультивибратор должен начать работать сразу после обратного переключения ждущего мультивибратора, а после прохождения через элемент МС второго импульса (т. е. после переключения триггера МС6С>) должен выключиться. В противном случае при ручном включении измерения, когда разомкнуты контакты Въ триггеры МС и МС(& беспрерывно бы переключались. При разомкнутых контактах выключателя В2 в процессе собственно измерения на выходе элемента МСл,ъ будет постоянно уровень 0, а при замкнутых — 1.

Схема устройства памяти, декадного счетчика и шестизначного дисплея показана на рис. 5. Шесть четырехбитовых преобразователей

Рис. 5. Схема блока декадного счетчика, запоминающего устройства, дисплея с дешифратором и индикатором переполнения счетчика.

Μ€η — МСп управляются выходными сигналами двух четырехвходовых элементов совпадения МСШ, MCi95. После срабатывания ждущего мультивибратора в устройстве управления на входе 4 (рис. 5) появится уровень 0, а значит, на всех входах С преобразователей — уровень 1; На выходах преобразователей будут уровни, соответствующие уровням на 2)-входах. После обратного переключения ждущего мультивибратора выходные уровни уже не «копируют» входные, но запоминают состояния С-входов, бывшие перед сменой уровня с 1 на 0. Таким образом сохраняется состояние декадных счетчиков МС\ — МС6 и после их блокировки, или во время последующего собственно измерения. Дешифраторы МСп — MCi8~ это Заложенное в память состояние, выраженное в коде BCD 8421, преобразуют в десятичный код и управляют работой цифровых индикаторов Лу — Лв.

Если контакты переключателя В2 Память (см. рис. 4) замкнуты, то на дисплее отображается конечное состояние декадных счетчиков вплоть до окончания последующего измерения. При размыкании контактов преобразователи воспринимают состояние счетчика не только при переключениях ждущего мультивибратора, но и в Течение всего временного интервала. Таким образом, в процессе собственно измерения .можно наблюдать, как изменяется состояние декадного счетчика со скоростью, пропорциональной мгновенной частоте импульсов, поступающих на его вход. Такой режим удобен, например, при измерении временного интервала.

Цепь С3Я15 (см. рис. 4) и конденсатор Су (см. рис. 5) включены для того, чтобы после включения прибора на соответствующих входах элементов в течение некоторого отрезка времени, пока заряжаются конденсаторы до напряжения 1,5 В, был уровень 0. Этим фиксируется Состояние декад счетчика, а преобразователи запоминают уровни 0, и на дисплее появятся нули. Выходной сигнал счетчика несимметричен и имеет скважность 4.

Схема и принцип действия декадного счетчика с памятью, дешифратором и дисплеем уже многократно были освещены в литературе, поэтому здесь их описание сокращено.              **

Счетчик дополнен индикатором переполнения, т. е. такого состояния, когда декады шестизначного счетчика перешли хоть один раз через показание 999 999 в 000 000 и продолжают считать дальше. Если замкнуты контакты переключателя В2> индикатор — светодиод Ду (см. рис. 5) — зажжется в момент, когда цифры на дисплее изменятся с 9 на 0, и будет гореть до начала очередной фазы измерения. Если контакты В2 разомкнуты^ светодиод зажжется в момент появления новых данных (разумеется, в случае, когда в процессе собственно измерения декадный счетчик заполнен).

При изменении состояния декадного счетчика с 999 999 на 000 000 на его выходе уровень 1 сменится на 0, что вызовет переключение ^-триггера МС20 и появление на его прямом выходе уровня 1. Если теперь уровень 1 будет и на объединенном выходе элементов, JWCi9a, МСт, уровень входа Dy триггера МС2\ появится на его прямом выходе, на инверсном же выходе будет низкий уровень и светодиод зажжется. При остановке декадных счетчиков уровни на выходах триггера МС2у не изменяются.

Приведенное выше описание работы счетчика касалось только измерения частоты. Чтобы использовать его для измерения и других величин, устройство необходимо дополнить коммутатором видов

Измерений, схема которого изображена на рис. б. Вид измерения выбирают переключателем В и который коммутирует входные сигналы’ (измеряемый сигнал, внутренний и внешний сравниваемые сигналы), подводимые к выходам. На том же рисунке изображена структурная схема соединения входных узлов прибора. При измерении частоты сигнал с выхода делителя I является сигналом· fx. С выхода делителя II снимается сигнал образцовой частоты, период которого определяет длительность измерительного интервала.

Рис. б. Схема входных узлов и коммутаторидов измерений.

При измерении периода входного сигнала, снимаемого ‘с выхода делителя I, в течение этого периода идет счет импульсов образцовой частоты, поступающих с выхода делителя II.

В положении Время переключателя Βχ измеряют временной интервала Сигнал образцовой частоты, как обычно, снимают с выхода делителя II, На выход Измерительный интервал теперь приходят сигналы попеременно с выходов усилителей-формирователей I и II. Сигнал с выхода усилителя-формирователя I начнет измерительный, интервал, а сигнал с выхода усилителя-формирователя II его закончит.

При’ работе прибора в качестве счетчика начало временного интервала, в течение которого идет счет импульсов входного сигнала, определяется нажатием на кнопку Старт, а его конец — нажатием: на кнопку Стоп. В этом режиме сигнал с выхода делителя I проходит* на выход fx. Выход счетчика II заблокирован. На. втором выходе Измерительный интервал будет постоянно уровень 1.·

При всех однокаиальных измерениях для обработки измеряемого! сигнала всегда используется первый канал. Выход усилителя-формирователя II подключен к входному переключателю, который подводит X входу, делителя II либо сигнал с усилителя-формирователя //, либо сигнал источника образцовой, частоты (кварцевого генератора, работающего на частоте 1 МГц).

Схема декадного делителя I частоты изображена на рис. 7. Делитель собран на трех декадных счетчиках МС\ — МС3, работающих в коде BCD 8421. Все три счетчика вначале, устанавливаются в состояние,· соответствующее числу 9, импульсом низкого уровня, подаваемым: на делитель с устройства управления. Эта автоматическая установка удобна, например, при измерении величин, кратных периоду входного сигнала, когда временной измерительный интервал относительно велик (десятки и более секунд). Без такой установки нужно было бы ждать* начала последующей фазы собственно измерения в течение отрезка времени, равного длительности собственно измерения.

Лучше всего это показать на следующем примере. При измерении,; например, * длительности периода частоты’ сети· с -максимально* возможной точностью нужно считать импульсы внутреннего или внешнего генератора образцовой частоты за время тысячи периодов частоты сети, т. е. около 20 с. Если при этом ждущий мультивибратор установлен так, что последующее собственно измерение может начаться, например, i спустя 1 с после окончания предыдущего измерения [через 1 с разблокируется триггер МС]б, (см. на рис. 4), а светодиод индикации фазы измерительного цикла слабо засветится], собственно измерений начнется лишь через последующие 19 с. При автоматической же Установке делителя по окончании подготовки. собственно измерения уже первый импульс Со входа может перевести его в состояние. 000.

Необходимый коэффициент деления частоты выбирают переключателем В\. Переключатель вводит в действие тот или иной элемент, совпадения микросхемы МС4 с открытым коллектором; эти элементы собственно и коммутируют сигнал. Такая схема переключателя Допускает -большое удаление самого переключателя Βχ от элементов делителя.

На рис. 8 показана схема делителя II частоты, кварцевого образцевого генератора и входного переключателя. Делитель II составлен: из семи декадных счетчиков, включенных как симметричные неуправляемые делители на десять. С выхода делителя снимается сигнал симметричной формы. Требуемый коэффициент деления устанавливают переключателем Βχ. Входной коммутатор собран на элементах МСт,1 МС\ia. От положения переключателя В2 зависит, какой сигнал поступит

на вход делителя: внутренний — с кварцевого генератора или внешний — ’ с выхода усилителя-формирователя II. Когда контакты В2 разомкнуты, на верхнем по схеме входе элемента МС11а будет уровень 1, и через элемент пройдут импульсы с кварцевого генератора (при этом на третьем сверху входе будет уровень 0, поэтому внешний сигнал через элемент не пройдет). Когда же контакты В2 замкнуты, режим работы входного коммутатора будет зависеть от’выбора вида измерения.

В положении 3 Время переключателя В\ (см. рис. 6) независимо от положения контактов переключателя В2 (рис. 8) к входу делителя всегда подключен выход кварцевого генератора. В остальных положениях переключателя выбора вида измерения с помощью переключателя В2 можно подводить к входу делителя либо сигнал от внутреннего образцового’ генератора, либо внешний сигнал.

К выходу делителя II через разделительный инвертор МСюв подключен разъем f0QP, расположенный на передней панели прибора. С этого разъема можно снимать сигнал основной образцовой частоты, ее долей или долей частоты с другого канала.

Образцовый генератор прибора собран на микросборке транзисторов МС\2 и кварцевом резонаторе Κβγ на частоту 1 МГц. Генератор по схеме Клаппа· собран на транзисторе Τγ микросхемы. Остальные два транзистора и элемент МСю& только формируют прямоугольный сигнал. „Стабильность частоты генератора зависит прежде всего от качества кварца. Следует выбирать кварц с малым температурным коэффициентом и хорошей долговременной стабильностью частоты. Собственная частота кварца должна быть несколько’ ниже номинальной, чтобы можно было точно установить частоту генератора подстроечными элементами. (С2 — грубо и Ci — точно). Подборкой конденсаторов С3 и С* устанавливают оптимальную положительную обратную связь с тем, чтобы устранить искажения генерируемого сигнала. Если в генераторе будет использован кварцевый резонатор на 100 кГц, емкость конденсаторов С3 и С4 должна быть больше примерно в 10 раз. Генератор нужно питать хорошо отфильтрованным напряжением.

Для обеспечения универсальности прибора необходимо, чтобы он был способен обработать сигналы самых различных уровней при разных выходных сопротивлениях источников. Эти функции возложены на ‘ входные усилители-формирователи. Оба они совершенно одинаковы (см. схему на рис. 9).

Ряс. 8. Схема кварцевого генератора входного переключателе и делителя II частоты.                     –

Основным элементом усилителя является дифференциальный компаратор МСЪ на входе которого включены две переходные ступени на нолевых транзисторах 7i и Т2. Их задача — сохранить высокое сопротивление всего прибора в целом, поскольку использованный компаратор, имеет низкоомные входы. Частью сопротивления нагрузки входных транзисторов служит подстроечный резистор R8, которым выравнивают токи транзисторов. Затвор транзистора Т* (его истоковый переход защищен от пробоя диодом Д{) подключен через защитный токоограничительный резистор R6 к частотно-компенсированному входному делителю, имеющему два положения переключателя В2. В верхнем по схеме положении его контактов сигнал проходит от входного разъема Гщ к усилителю практически без ослабления, а в нижнем сигнал ослабляется примерно д 100 раз. Это необходимо при работе с сигналами, имеющими амплитуду, большую 1 В. Конденсатор С1 коммутируется выключателем В\. При замыкании его контактов прибор может обрабатывать сигналы постоянного напряжения.

К затвору транзистора Т2 с движка переменного резистора R3 подводится регулируемое постоянное напряжение. Таким образом можно изменять пусковой уровень входного сигнала в интервале ± 0,5 В, что в некоторых случаях способствует ослаблению влияния помех на правильность показаний счетчика.

С выхода компаратора сигнал поступает на вход устройства, позволяющего выбрать начальную полярность импульса сигнала. Это особенно удобно при двухканальных измерениях временных интервалов.

Устройство образовано двумя двухвходовыми элементами совпадения Л/С и AfC36 с открытым коллектором, имеющими общий нагрузочный резистор R13. Переключателем В3 можно ввести в действие любой из этих элементов (подать на их управляющий вход уровень 1). Другие входы подключены к выходу компаратора, но один из них — через инвертор МС.

Питание всех цепей универсального счетчика обеспечивается одним блоком питания, схема которого изображена на рис. 10. Блок состоит из четырех источников, объединенных общим проводом. Три из них — стабилизированные. Экспериментально установлено, что степень стабилизации напряжения питания входных усилителей может быть такой же, как и для питания цифровых микросхем, т. е. нестабильность должна быть не хуже ± 5 %. Все три стабилизированных источника защищены от перегрузок электронными предохранителями. Эти источники аналогичны по схемному решению и отличаются только номиналами деталей· и выходными напряжениями.

Учитывая большой ток, потребляемый от пятивольтового источника, переменное напряжение с обмотки III необходимо выпрямлять двухполупериодным выпрямителем. Принцип работы стабилизатора подробно описан в .литературе, поэтому следует напомнить только о необходимости точной подгонки резисторов в эмиттерных цепях транзисторов Tj, и Т5 таким образом, чтобы ограничение тока нагрузки наступало при значениях на треть больших, чем номинальные.. Сопротивления резисторов, указанные на схеме, соответствуют коэффициенту передачи тока регулирующих транзисторов, примерно равному 75.

08Описанный универсальный счетчик размещают в кожухе размерами 390 х 280 х 70 мм. В нем остается достаточно места для монтажа различных устройств, расширяющих возможности счетчика. Очень важно тщательное «заземление» как отдельных узлов, так и всего прибора. Цепи питания цифровых микросхем следует прокладывать проводом достаточно большого сечения. Кроме того, необходимо установить достаточное число блокировочных конденсаторов (емкостью от 0,01 до ОД мкФ, они на схемах не указаны).

Источник: Конструкций советских и чехословацких радиолюбителей: Сб. статей.—Кн. 2.—М.: Энергоиздат, 1981,— 1.92 с., ил. — (Массовая радиобиблиотека; Вып. 1032).

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