Схема широкополосного делителя частоты, приставка к мультиметру (5Гц-20МГц)

Принципиальная схема самодельной приставки к мультиметру для измерения частоты в пределах 5Гц-20МГц.

В некоторых цифровых мультиметрах, например, MY64, MY68, М320, M266F имеется встроенная функция измерения частоты, благодаря чему мультиметр может использоваться как цифровой частотомер. К сожалению, недорогие мультиметры обычно могут измерять частоту не выше 2 кГц...1 МГц, кроме того, имеют низкую чувствительность.

Чтобы расширить диапазон измеряемых частот и повысить чувствительность прибора в режиме работы частотомером, можно изготовить несложное устройство на современных КМОП микросхемах.

Схема приставки

На рис. 1 представлена принципиальная схема активного входного щупа-делителя частоты, способного корректно работать в диапазоне входных частот 5 Гц...20 МГц. При построении таких узлов приходится сталкиваться с двумя противоречиями.

Для измерения низких частот устройство должно содержать формирователь сигналов прямоугольной формы из сигналов произвольной формы (компаратор), за которым следует триггер Шмитта.

Иначе частотомер может работать некорректно, из-за затянутых фронтов сигналов могут возникнуть ложные переключения логических элементов, счётчиков - частотомер будет показывать завышенные значения измеряемых частот.

Но формирователь сигналов прямоугольной формы и триггер Шмитта обычно плохо работают на частотах выше единиц...десятков МГц, поэтому в режиме измерения сигналов высоких частот входной сигнал подают на делитель частоты с выхода усилителя-ограничителя.

На вход устройства, о котором пойдёт речь, можно подавать сигнал амплитудой до 300 В при частоте до 30 кГц и амплитудой до 30 В при частоте сигнала 20 МГц (кратковременно) или амплитудой до 15 В, частота 20 МГц, непрерывно. В случае необходимости измерять частоту сигнала большей амплитуды, на вход активного щупа можно подключить дополнительный резистор.

Диоды VD1 - VD8 ограничивают амплитуду входных сигналов до 2 В, защищая VТ1 от пробоя изолятора затвора высоким входным напряжением или статическим электричеством. Таким образом, при измерении частоты сигналов амплитудой до 2 Вольт, щуп имеет входное сопротивление, примерно равное сопротивлению резистора R5 - 1,2 МОм.

Полевой транзистор с изолированным затвором VТ1 усиливает амплитуду входного сигнала примерно в 4 раза. Входная ёмкость щупа определяется ёмкостью монтажа и ёмкостью затвора VТ1, около 7 пФ. Конденсатор СЗ разделительный.

Усилительный каскад на VТ1 получает питание через LC фильтр L1C4.

Принципиальная схема приставки-делителя к мультиметру для измерения частоты в пределах 5Гц-20МГц

Рис. 1. Принципиальная схема приставки-делителя к мультиметру для измерения частоты в пределах 5Гц-20МГц.

На высокочастотных транзисторах VТ2 -VТ4 собран предварительный формирователь сигналов прямоугольной формы. Минимальная амплитуда входного сигнала, при которой начинает работать формирователь, около 0,2 В. Для сравнения, мультиметр М320 начинает измерять частоту при амплитуде более 1,1 В. Режим работы формирователя устанавливают подстроечным резистором R16.

Конденсатор С10 повышает усиление каскада на VТЗ, VТ4. Узел на транзисторах VТ2 - VТ4 получает питание через LC фильтр L2C8C11.

С вывода коллектора VТ4 сигнал, формой близкой к прямоугольной, поступает на триггер Шмитта, реализованный на двух логических элементах 2И-НЕ DD1.1, DD1.2 и резисторах R6, R4. Корректирующая цепочка R3, С1 предотвращает ложные срабатывания триггера. Через буферный элемент DD1.3 сигнал прямоугольной формы поступает на вход «+1» двоично-десятичного счётчика DD2.

Счётчик DD2 в этой схеме работает как делитель частоты на 10. Сигнал частотой в 10 раз меньшей снимается не с выходов переноса, выводы 12 или 13, а с выхода «Q4» - вывод 6. Такое решение связано с тем, что сигнал на выводах 12, 13 очень короткий, что может негативно сказаться на работе подключенного к выходу щупа частотомера.

На выходе «Q4» форма сигнала близка к меандру. Резистор R10 и диоды VD9, VD10 защитные.

На логическом элементе DD1.4, ограничительном резисторе R12, диодах VD11, VD12, конденсаторах С9, С16 и красном кристалле светодиода HL1 собран индикатор наличия входного сигнала амплитудой более 0,2 В. При включении питания, HL1 светит зелёным цветом, при подаче на вход устройства входного сигнала цвет свечения HL1 меняется на жёлтый.

Диод VD13 защищает конструкцию от переполюсовки напряжения питания. При напряжении питания 5 В устройство потребляет ток около 12 мА при отсутствии сигнала на входе и около 35 мА при частоте входного сигнала 15 МГц. Для сравнения, аналогичный щуп-делитель частоты на двух ТТЛ микросхемах К155ЛАЗ, К155ИЕ9, собранный четверть века назад, потреблял ток 240 мА.

При напряжении питания 3,3 В верхняя граница измеряемых частот снижается до 4 МГц.

Детали и монтаж

Большинство деталей устройства установлены на монтажной плате размером 124x22 мм, монтаж двусторонний навесной. Общий минусовый провод идёт по бокам с обеих сторон платы по всей ёё длине, через каждые 15...20 мм между продольными шинами общего провода установлены проволочные перемычки, таким образом, топология общего провода напоминает «лесенку».

КМОП микросхемы серии ***74АС*** при напряжении питания 5 В работоспособны на частотах до 120 МГц. В этом устройстве вместо микросхемы IN74AC00N можно применить КР1554ЛАЗ или любую из серий ***74АС00*, ***74НС00*, ***74НСТ00*. Вместо микросхемы IN74AC192 подойдёт КР1554ИЕ6 или любая из серий ***74АС192*, ***74НС192*, ***74НСТ192*.

Для удобства монтажа предпочтительнее устанавливать микросхемы в корпусах DIP. Вместо полевого транзистора КП305Д подойдёт любой из серий КП305, 2П305. На время монтажа обязательно закорачивайте выводы этого транзистора проволочной перемычкой, иначе транзистор будет повреждён.

Резистором R8 устанавливают режим работы этого транзистора, при напряжении питания 5 В на выводе стока нужно установить напряжение 2...3 В относительно общего провода. Чтобы не повредить этот транзистор во время подбора R8 на его место можно установить резистор сопротивлением 1 кОм, к которому потом будет параллельно установлен добавочный резистор. Транзистор КП303И можно заменить на 2П303И, 2П303Д, КП303Д.

При выборе транзистора на место VТ2 учитывайте, что транзисторы серий 2П303, КП303 с буквенными индексами А, Б, В относятся к низкочастотным. Подбором сопротивления резистора R10 устанавливают режим работы этого транзистора. Вход щупа на время подбора сопротивлений резисторов R8, R10 должен быть закорочен.

Транзисторы 2SC9018 можно заменить на любые из SS9018, SS9016, КТ6113. Вместо диодов 1 N914 подойдут любые из 1 N4148, 1SS176, 1SS244, КД503, КД509, КД510, КД521, КД522. Диод 1N5393 можно заменить любым из 1 N5391 - 1 N5399, FR151 - FR157, КД258, КД257, КД226. Двукристальный светодиод L-59SURKNGKW можно заменить любым аналогичным красно-зелёным из серий L-59, L-119, L-239.

Конденсатор С14 любой алюминиевый оксидный или тантало-вый на напряжение не ниже 6 В. Конденсатор С2 высоковольтный керамический. Остальные конденсаторы керамические для навесного и поверхностного монтажа, не экономьте на блокировочных конденсаторах. Резисторы любые малогабаритные соответствующей мощности, в том числе SMD для поверхностного монтажа.

Дроссели готовые малогабаритные промышленного изготовления, намотанные на FI-образных ферритовых сердечниках. Чем больше индуктивность и чем меньше сопротивление обмоток этих дросселей, тем лучше.

Для конструкции использован корпус размерами 180x27x20 мм от генератора сетчатого поля для телевизоров УЛПЦТИ. Корпус частично экранирован самоклеящейся алюминиевой фольгой, электрически соединённой с общим проводом, точка подключения к общему проводу - резистор R5.

Если вам потребуется, чтобы этот щуп-делитель частоты работал на более высоких частотах, то в него необходимо установить дополнительный переключатель, который бы отключал входы DD1.3 от выхода DD1.2 и подключал их к выводу стока VT2. Также может потребоваться установка на место VT2 транзистора с большим начальным током стока.

Установка на место VT2 более высокочастотного транзистора из серий КП307, 2П307 может потребовать установки резистора R10 значительно меньшего сопротивления, что увеличит ток потребления, но также увеличит чувствительность щупа на высоких частотах. При наличии на монтажной плате свободного места, вместо восьми диодов VD1 - VD8, включенных параллельно-последовательно, можно установить 16 таких же диодов, что до 4 В увеличит напряжение, при котором источник сигналов не шунтируется защитными диодами. Выводы этих диодов должны быть как можно короче, чтобы уменьшить индуктивность защитной цепи.

Бутов А.Л.

Литература:

  1. Бутов А.Л. Широкополосной формирователь для частотомера. - РК-2001-5.
  2. Бутов А.Л. Формирователь импульсов прямоугольной формы. - РК-2002-9.
  3. Петропавловский И.И., Прибыльский А.В., Троян А.А., Чувелев В.С. Логические ИС КР1533, КР1554.
0 234 Частотомеры
делитель частоты частотомер
кэшбек