Частотомер с использованием метода досчета.

Существует большое количество радиолюбительских конструкций для измерения частоты. При анализе большинства схем было выяснено, что максимальная измеряемая частота составляет примерно 30 – 40 Мгц, а большие частоты измеряются введением дополнительного высокочастотного счетчика, что не всегда приемлемо т.к. уменьшается точность измерения. Так при использовании дополнительного делителя на 10, максимальная измеряемая частота повышается в 10 раз, но и точность измерения ухудшается в 10 раз. Для компенсации последней обычно применяют увеличение времени счета, что не является самым элегантным решением. Автором была предпринята попытка, поднять верхний предел измеряемой частоты (без ухудшения точности измерения) до максимально возможного значения. При этом ставилась задача получить максимально простую и дешевую конструкцию с минимальным потреблением и простую для повторения.

При конструировании частотомеров и цифровых шкал для получения высокой входной частоты очень часто используется метод досчета. Суть этого метода состоит в том, что счетные импульсы поступают на счетные декады не непосредственно, а через досчетный счетчик, который делит входную частоту до значений приемлемых для сравнительно тихоходных счетных декад. Затем оставшееся в досчетном счетчике число считывается тем или иным образом и выводится в младшую декаду. Таким образом, на сравнительно медленной элементной базе удается получить высокие входные частоты. Особенно удобен этот метод для реализации частотомера на базе микроконтроллера. Микроконтроллер формирует временные интервалы и управляет работой входного коммутатора, он же пересчитывает полученное значение и выводит его в индикатор.

Рис.1. Блок – схема частотомера на базе микроконтроллера с использованием метода досчета.

Как видно из рисунка 1 наиболее ответственным узлом прибора является входной коммутатор. Он должен отключать входную измеряемую частоту и подключать к входу досчетного счетчика импульсы досчета. При этом входной коммутатор должен обладать быстродействием достаточным для прохождения через него измеряемой частоты в открытом состоянии и надежно запираться в закрытом состоянии (иначе невозможно точно сосчитать оставшееся в счетчике значение).

После большой серии экспериментов поставленная задача была решена с использованием в качестве досчетного счетчика микросхемы КФ1015ПЦ2 и в качестве входного коммутатора микросхема К500ЛМ102 (К1590ЛМ102).

При этом получены следующие результаты:

Применение досчетного счетчика выполненного на микросхеме КФ1015ПЦ4 (недавно появившейся), даст возможность увеличить максимальную частоту до 400 Мгц и более.

Схема узла входного коммутатора и досчетного счетчика приводится на рис.2

Рассмотрим работу этого узла.

Рис.2

Входной сигнал измеряемой частоты поступает на формирователь, выполненный на триггере Шмидта состоящего из элементов DD1.1, R1, R2, R3. Триггер прекрасно работает во всем диапазоне рабочих частот, начиная от единиц герц и кончая максимальной частотой. К недостаткам данного формирователя можно отнести сравнительно большой потребляемый ток, малое входное сопротивление и недостаточную чувствительность. Впрочем, указанные недостатки устраняются введением дополнительного широкополосного усилителя, рассмотрение которого выходит за рамки данной статьи.

Элемент DD1.3 предназначен для подключения внешнего высокочастотного делителя. Введение дополнительного делителя на 4 позволяет увеличить входную частоту до 1.2 ГГц при незначительном увеличении времени счета.

Сформированный по стандарту ЭСЛ сигнал поступает непосредственно на коммутатор, работой которого управляет микроконтроллер. Выход коммутатора непосредственно подключен к счетному входу досчетного счетчика. Изюминкой этой схемы является как раз это непосредственное включение. Согласно конструкторской документации на микросхему КФ1015ПЦ2 входной сигнал подается на нее через разделительную емкость и никак иначе, т.к. на входном выводе этой микросхемы присутствует уровень напряжения примерно равный половине напряжения питания. Даже небольшое смещение от этого значения приводит к тому, что делитель перестает работать. Однако, если применить разделительную емкость, то ток ее перезаряда при досчете, вызывает на входе небольшую помеху, портящую остаточное содержимое счетчика. В данном случае непосредственное подключение позволяет избежать этого неприятного эффекта, а для согласования по уровням между ЭСЛ микросхемой и счетчиком, применяется подпорка выполненная на диодах VD1, VD2 и зашунтированная по высокой частоте конденсатором С2. Диаграмма, поясняющая сказанное приводится на рис.3

Рис. 3. К вопросу о непосредственном подключении досчетного счетчика.

Поделенный на 256 входной сигнал приводится к обычному ТТЛ уровню цепочкой VD3, VT1, R8, R9, C3. Далее сигнал поступает непосредственно на счетный вход процессора, где обрабатывается и выводится на индикатор. Все временные не состыковки и набеги фазы учитываются программным способом и в данной статье не рассматриваются.

Микросхема КФ1015ПЦ2 представляет собой делитель частоты, в одном корпусе которого находятся три независимых делителя (на 4, на 8\9 или 16\17, 32\33 или 64\65). Эта микросхема характеризуется малым потреблением и высоким быстродействием. При питании 3 вольта она устойчиво работает вплоть до 350 Мгц. Единственным ее недостатком является то, что она не работает на низких частотах. Это объясняется тем, что динамические регистры, на которых построена эта микросхема, не могут сохранить заряд более 2 - 5 млСек. Таким образом, минимально возможно измеряемая частота составляет 10 – 50 Кгц в зависимости от экземпляра микросхемы. Однако, забегая немного вперед, заметим, что и этот недостаток удалось устранить. Кстати, именно это условие определило выбор управляющего микроконтроллера – АТ90S1200. Из дешевых – наиболее быстродействующего.

Еще одной неприятной особенностью счетчика является эффект “защелкивания” при сильных помехах по питанию. Для устранения этого явления предназначена цепочка R7,С1.

Данная публикация носит чисто теоретический, ознакомительный характер. На основе описанного принципа автором были разработаны конкретные приборы, которые будут опубликованы позднее:
Частотомер – цифровая шкала 10КГц –150МГц.

г. Тамбов
Савельев Юрий Александрович
RA3RUP E-mail: sawel@mailru.com 
Tel: (075-2) 35-27-86 18.00-22.00 msk