Делитель частоты для программного частотомера

СВЧ делители частоты

Большинство частотомеров, собранных на микросхемах дискретной логики или микроконтроллерах, не позволяют измерять частоты выше 40. 50 мГц. Для измерения частот выше этого значения необходимо использовать предварительный СВЧ делитель. Существует большое количество микросхем, на которых можно собрать такой предварительный делитель частоты, но, к сожалению, в магазинах их выбор довольно ограничен. Это объясняется тем, что в новых серийных разработках частотомеров и другой измерительной техники используются микросхемы все большей и большей степени интеграции – однокристальные синтезаторы, частотомеры и др. Отдельно микросхемы делителей частоты используются относительно редко, поэтому их стоимость высока и они довольно дефицитны. Но, к счастью для радиолюбителей, выбор пока еще есть.

Предлагаю несколько вариантов схем делителей для СВЧ измерений. Определяющий критерий при выборе элементной базы – простота схемы и доступность комплектующих. Конструктивно СВЧ делители частоты выполняются в виде выносного пробника, в качестве корпуса хорошо подходят металлические корпуса от внешних делителей напряжения, которые широко использовались в старых отечественных осциллографах.

Все схемы делителей частоты можно использовать совместно с частотомерами, описания которых есть на этом сайте. Сигнал с выхода делителя подается по кабелю длиной до 1 м на входной формирователь частотомера. Коэффициент деления учитывается в программе частотомера, поэтому на индикатор будет выводиться истинная частота измеряемого сигнала.

На этой страничке описано, как сделать СВЧ делитель частоты на микросхемах К193ИЕ2, К193ИЕ3, LB3500, SAB6456, TD6359, TD6380, TD6381, TD6382, TD7614.

Серия 193 была освоена отечественной промышленностью в девяностые годы прошлого века на основе разработок фирмы “Plessey Semiconductors”. Для предварительных делителей частоты можно использовать К193ИЕ2 и К193ИЕ3. Но эти отечественные микросхемы не полные аналоги импортных. Отличия в данном случае в расположении выводов и особенностях подачи напряжения питания.

Микросхема К193ИЕ2 является аналогом SP8685A, имеет диапазон рабочих частот от 40 до 500 мГц, коэффициент деления 10. Двойная амплитуда выходного напряжения около 0,8 В, чувствительность 100. 200 мВ. Потребляемый ток около 50 мА. Схема делителя показана на рисунке.

К193ЕИ3 функциональный аналог SP8690. Схема ее включения имеет незначительные отличия от К193ИЕ2. Диапазон рабочих частот этого делителя несколько уже – от 30 до 200 мГц, но у него есть выход с TTL уровнями, сигнал с которого можно непосредственно, без входного формирователя, подать на логику частотомера. И потребляемый ток меньше – около 20 мА. Коэффициент деления равен10, чувствительность 100. 200 мВ.

Хороший выбор для ВЧ делителя – микросхема LB3500 фирмы “Sanyo”. Согласно datasheet, диапазон рабочих частот 30. 150 мГц, но имеющийся у меня экземпляр устойчиво работает до 350 мГц. Коэффициент деления 8, чувствительность 100 мВ, двойная амплитуда выходного сигнала 0,9 В. Потребляемый ток около 20 мА. Простое и дешевое решение!

Особо следует отметить SAB6456 фирмы “Philips Semiconductors”. Это делитель с диапазоном рабочих частот от 70 до 1000 мГц. Потребляемый ток около 20 мА, а заявленная чувствительность 10мВ! Двойная амплитуда выходного сигнала 1 В. Коэффициент деления равен 64 или 256.

Как уже упоминалось, микросхемы делителей частоты малой степени интеграции постепенно снимаются с производства. Иногда проще и дешевле приобрести микросхему синтезатора частоты, чем микросхему делителя. К счастью для радиолюбителей, в некоторых типах синтезаторов разработчики предусмотрели тестовый режим, при котором на один из выводов микросхемы подается входной сигнал после делителя с фиксированным коэффициентом деления. Тестовый режим включается определенной комбинацией уровней напряжения на управляющих входах синтезатора.

Один из таких синтезаторов TD6359 фирмы “Toshiba”. Микросхема выпускается в корпусе DIP20. Схема делителя с ее использованием в тестовом режиме показана рисунке. Диапазон рабочих частот 80. 1000 мГц. Коэффициент деления 256, выход с открытым коллектором. Чувствительность около 100. 200 мВ, но потребляемый ток довольно значительный – 60. 80 мА.

Аналогичную схему включения и параметры имеют синтезаторы TD6380, TD6381 и TD6382, которые также можно использовать в схеме СВЧ делителей. Цоколевка для DIP корпусов TD6380P и TD6380N совпадает с TD6359.

Еще один синтезатор, который может работать в тестовом режиме как СВЧ делитель – это TD7614F “Toshiba”. Он выпускается в корпусе SOP20. Частотный диапазон 80. 1300 мГц, чувствительность 100. 200 мВ, потребляемый ток до 75 мА, двойная амплитуда выходного сигнала около 0,8 В. Коэффициент деления 128.

На практике я использую схемы на К193ИЕ3, LB3500 и TD7614. Планирую приобрести и испытать SAB6456.

Делитель частоты для программного частотомера

При использовании программного частотомера и осциллографа измерение частот сигналов ограничено, как правило, границами частотного диапазона звуковой карты компьютера. Чтобы иметь возможность измерить частоты выше 20 кГц, а также посмотреть их форму и спектр на осциллографе, можно применить простейший делитель частоты. Проще всего его можно реализовать с помощью цифровых микросхем – десятичных счетчиков. Каждый такой счетчик выдает на соответствующем выходе сигнал, меньший входного по частоте в 10 раз. На рис.1 представлена схема такого делителя частоты. При использовании двух микросхем-счетчиков входной сигнал можно разделить на 10 два раза, то есть получить на выходе сигнал, частота которого будет меньше входного в 10 и 100 раз. Коммутация кратности деления частоты производится при помощи простого переключателя S1 на два положения.

В качестве счетчиков можно применить любые МС (десятичные счетчики), желательно КМОП-технологии, так как такие микросхемы некритичны к питающему напряжению и хорошо работают с разными уровнями сигналов, как цифровых, так и аналоговых. В приведенной схеме применены микросхемы К164ИЕ2, можно использовать и другие, функционально аналогичные, например К561ИЕ4, К 176ИЕ4……… Неиспользуемые входные и управляющие выводы микросхем следует соединить с общим проводом, как показано на схеме ( выводы 1,4,5,6,7,9), чтобы исключить возможность появления на них наведенного напряжения помех.

Конструкция делителя показана на фото ниже (прошу извинить за низкое разрешение картинки, в данный момент нет лучшего фото!). Схема собрана на печатной плате, на которой протравлены только контактные площадки под ножки микросхем. Все соединения сделаны одножильным проводом в изоляции, поскольку схема простая и соединений минимум.

Щуп делителя сделан из отрезка провода в экране. В качестве наконечника щупа можно использовать, например, тонкий гвоздь длиной 4 – 5 см. Провод паяется к гвоздю любым обычным припоем на таблетке аспирина (простого «советского»). Аспирин хорошо заменяет паяльную кислоту при пайке железа. Затем провод с наконечником-гвоздем можно вставить, например, в корпус пустой шариковой ручки.

Экран входного провода нужно соединить с общим проводником делителя ( минус питания). Питание на делитель можно подавать с устройства, частоту которого мы измеряем. Для этого концы проводов питания можно снабдить небольшими зажимами типа «крокодил». Выходной шнур с разъемом для входа звуковой карты компьютера также экранированный. Схема распайки разъема показана на рисунке.

Если брать питание с измеряемой схемы, то соединение с общим проводом обеспечится через минусовой питающий провод. Если же питание делителя отдельное, например от батареи типа «Крона», то следует соединить общий провод делителя с общим проводом измеряемой схемы отдельным проводником.

Для лучшего согласования входа делителя с измеряемой схемой и для уменьшения взаимного влияния можно на входе данного делителя добавить какой-либо простой согласующий каскад с как можно более высоким входным сопротивлением. Например такой:

Подстроечным резистором VR1 выставляют режим работы транзистора, чтобы не было ограничения («срезки») входного сигнала по амплитуде снизу и сверху (можно контролировать форму сигнала с помощью программного осциллографа на выходе делителя частоты). Транзистор – любой маломощный, например КТ315, КТ342, КТ3102….

Для наглядной демонстрации работы делителя ниже приводится скриншот, где измеряется ВЧ сигнал с частотой порядка 900 кГц (переключатель S1 в положении «1/100»). Показания частотомера в этом случае, естественно, нужно умножить на 100:

Предделитель частоты 10 ГГц для 100-мегагерцового частотомера

Analog Devices HMC361 HMC438

Описанный здесь предварительный делитель подключается к входу 100-мегагерцового частотомера для расширения его диапазона измерений до 10 ГГц. Изготовление такой схемы для измерения частот свыше 100 МГц обойдется намного дешевле, чем покупка частотомера с верхним пределом 1 ГГц или 10 ГГц. При создании дешевого предварительного делителя пришлось пойти на некоторые компромиссы и нарушить некоторые правила (о которых подробнее будет сказано ниже).

Читайте также:  Как рассчитать защиту электродвигателя?

При использовании этого или любого аналогичного предделителя будут потеряны две младших значащих цифры. Ели измеряемая частота равна 9,123,456,789 Гц, то на дисплее будет отображаться 9,123,456,7xx Гц. Учитывая значения измеряемых частот, отсутствие индикации двух младших цифр не будет проблемой.

Вторым источником ошибок является сам частотомер. Его точность должна быть проверена. Для этого можно подключить к частотомеру выход 100-мегагерцового генератора, выбрав время измерения одна или 10 секунд. Задающий генератор частотомера следует также откалибровать, используя сигналы службы точного времени WWV или аналогичные источники.

Частота входного сигнала последовательно понижается (Рисунок 1) 10-гигагерцовым статическим делителем на 2 (IC1), 7-гигагерцовым делителем на 5 (IC2) и делителем на 10 (IC3, верхняя частота 1 ГГц). Все элементы устройства размещены в литом алюминиевом корпусе размером 190 мм × 120 мм × 50 мм (глубина). Электронные компоненты смонтированы на двухсторонней печатной плате толщиной 1.57 мм с размерами 175 мм × 50 мм. Размеры корпуса и платы некритичны.

Рисунок 1.Ценой нескольких приемлемых компромиссов эта недорогая схема предделителя позволяет
100-мегагерцовому частотомеру измерять частоты сигналов до 10 ГГц. Схема источника
питания показана отдельно в нижней части рисунка.

Входной разъем J1 был припаян к обеим сторонам печатной платы. Это обеспечивает надежность механического крепления входного конденсатора и микросхемы IC1. С этой же целью диаметр отверстия в корпусе прибора для разъема J1 был сделан лишь слегка бóльшим, чем диаметр самого разъема. Под гайку разъема SMA вокруг отверстия было выфрезеровано углубление. Защитные диоды к разъему J1 не подключались ввиду их влияния на чувствительность схемы. Теплоотводящая площадка на нижней стороне IC1 не заземлялась, хотя этого требовала инструкция по монтажу.

Ввиду малого шага выводов IC2 (0.65 мм), для ее монтажа у изготовителя микросхемы была приобретена оценочная плата. Весь набор микросхем стоил $26, а оценочная плата – $164. Для предделителя. который не предполагается использовать на частотах свыше 1.3 ГГц, можно рассмотреть вариант с единственной микросхемой IC3. Хотя, согласно справочным данным, верхняя рабочая частота IC3 равна 1 ГГц, она хорошо работает и на частоте 1.3 ГГц.

Ток, потребляемый предделителем от источника питания, составляет примерно 170 мА. Перед тем, как подключать электронику схемы, убедитесь, что напряжение на входе микросхемы 7805 находится в диапазоне от 8 до 15 В, а выходное напряжение равно +5 В. Все конденсаторы с емкостью от 0.1 мкФ и ниже имеют корпуса для поверхностного монтажа.

Предделитель имеет ряд ограничений. Нижняя частота входного сигнала равна 200 МГц. В отсутствие сигнала на входе микросхема IC3 самовоозбуждается. Динамический диапазон устройства несколько ограничен (см. Таблицу 1). Последнее, вероятно, связано с внутренней конструкцией самой микросхемы.

Таблица 1.Чувствительность предварительного делителя
Частота (МГц)Чувствительность
(дБм)
2000 … +10
400–5 … +10
800–9 … +10
1000–10 … +10
2000–10 … +10
3000–10 … +9
4000–10 … +5
5000–10 … +7
6000–10 … +10
7000–10 … +10
8000–10 … +10
9000–10 … +10
10,000–10 … +10
*)Входной уровень никогда не должен
превышать +10 дБм

Предделитель работает уже более года, помогая решать множество задач.

Материалы по теме

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Схема. Делитель частоты диапазона 0,1.-.3,5 ГГц

Автор: Radioelectronika-Ru · Опубликовано 02.05.2017 · Обновлено 20.03.2018

Одно из направлений развития радиолюбительской техники связи — освоение все более высокочастотных диапазонов. Препятствием на этом пути оказывается отсутствие или ограниченная номенклатура измерительной аппаратуры. Предлагаемый вниманию читателей делитель частоты может работать совместно с частотомером, имеющим диапазон рабочих частот до нескольких мегагерц или даже килогерц, обеспечивая измерение частоты сигналов в диапазоне 0,1…3,5 ГГц.

Схема делителя частоты показана на рис. 1. Его основой стала специализированная микросхема синтезатора частоты ADF4113 (DD1), работающего в полосе до 3,7…4 ГГц. В ее состав входят несколько функциональных узлов, но в этой приставке использована только часть из них: входной усилитель СВЧ, программируемые предварительный делитель (ПД), делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД), мультиплексор и устройство управления. Благодаря наличию входного усилителя СВЧ чувствительность микросхемы составляет -15 дБмВт (около 40 мВ на нагрузке 50 Ом). Используя ПД и ДПКД, можно получить коэффициент деления от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч.

Следует отметить, что при создании делителей частоты удобно использовать коэффициенты деления, кратные 10, что облегчит считывание показаний частотомера. Особенно удобны коэффициенты, равные 1000 и 1000000. В первом случае частоте 1 ГГц будет соответствовать значение 1 МГц, а во втором — всего 1 кГц. Кроме того, в последнем случае станет возможным использование компьютера с программой виртуального частотомера или частотомеров цифровых мультиметров (правда, точность при этом будет не слишком высокой).

Этот делитель удобно использовать совместно с частотомером, описанным в «Радио» (Шарыпов А. Экономичный многофункциональный частотомер. — Радио, 2002, № 10, с. 26, 27), так как в этом устройстве имеется режим умножения показаний на 1000 для случая использования внешнего делителя частоты.

Для управления режимами работы микросхемы DD1 служит микроконтроллер (DD2). На D-триггере микросхемы DD3.1 собран делитель частоты на 2. Он необходим, так как на выходе микросхемы DD1 могут возникать короткие импульсы, которые частотомер воспринимает не всегда правильно. На выходе D-триггера формируются импульсы со скважностью 2, что делает работу частотомера более устойчивой. Кроме того, при входном сигнале недостаточного уровня эта микросхема блокирует выходные импульсы. Дополнительный усилитель на микросхеме DA2 с коэффициентом усиления около 25 дБ на частоте 1 ГГц повышает чувствительность всего устройства. На входе приставки установлен ФВЧ C1L1C2, который подавляет сигналы с частотами менее 80…100 МГц, резистивный аттенюатор R3R4R5 согласовывает вход усилителя, что обеспечивает устойчивую работу микросхемы DA2. Диоды VD3, VD4 защищают микросхему от перегрузки по входу.

На диодах VD1, VD2 собран выпрямитель, на ОУ DA1.1 — усилитель постоянного тока, а на ОУ DA1.2 — компаратор напряжения. Эти элементы совместно с микросхемой DD3 обеспечивают защиту от ложных результатов измерения. Дело в том, что во входном усилителе микросхемы DD1 при слабых сигналах возможно самовозбуждение, поэтому на ее выходе может быть сигнал, никак не связанный с входным, и это приведет к неверным измерениям. Указанные элементы блокируют работу D-триггера микросхемы DD3, если напряжение (или мощность) сигнала на входе не достигло определенного значения.
Напряжение питания всех узлов задано интегральным стабилизатором напряжения на микросхеме DA3; диод VD5 защищает устройство от питающего напряжения обратной полярности при неправильном подключении. Светодиоды служат для индикации режимов работы: наличия питающего напряжения — HL1 (зеленый) и включения режима измерения — HL2 (красный).

Делитель частоты работает следующим образом. После подачи питающего напряжения контроллер посылает управляющие команды на микросхему DD1, при этом в ПД и ДПКД устанавливаются требуемые коэффициенты деления, а мультиплексор подключает выход ДПКД к выходу микросхемы DD1. После этого микросхема DD1 переходит в экономичный режим «Sleep». Входной сигнал через ФНЧ и аттенюатор поступает на вход усилителя на микросхеме DA1 (INA-03184). Выбор этой микросхемы обусловлен следующим. Она имеет широкий частотный диапазон при большом коэффициенте усиления: в диапазоне 0,1 …2,7 ГГц — 25 дБ, в диапазоне 2,7…5 ГГц коэффициент усиления плавно уменьшается до 15 дБ. Коэффициент шума усилителя очень мал — 2,2 дБ до 1 ГГц и не более 4 дБ до 3 ГГц. Предельная выходная мощность составляет несколько милливатт, что не создает перегрузки входного усилителя микросхемы DD1.

Усиленный сигнал поступает на вход микросхемы DD1 и на выпрямитель. После выпрямителя постоянное напряжение еще усиливается ОУ DA1.1 и поступает на компаратор. Если напряжение входного сигнала превысит определенное значение, то компаратор переключится, на его выходе появится напряжение высокого логического уровня, который разрешит работу делителя частоты на микросхеме DD3 и на его выходе появится импульсное напряжение с частотой, вдвое меньшей, чем на выходе микросхемы DD1. Одновременно светодиод HL2 начнет сигнализировать о том, что включен режим измерения.

В устройстве можно реализовать коэффициент деления от 100 до 1000000. При этом коэффициент деления в микросхеме DD1 надо установить вдвое меньше — от 50 до 500000. Частотный диапазон устройства ограничен снизу по причине того, что ПД микросхемы DD1 устойчиво работает при большой скорости изменения входного напряжения, на высоких частотах. По мере уменьшения частоты скорость изменения напряжения падает, что приводит к снижению чувствительности ПД. График зависимости чувствительности всего устройства в рабочей полосе частот показан на рис. 2.

Читайте также:  Тип светодиодов в лампах 220 вольт

Все детали размещают на печатной плате из двусторонне фольгированного стеклотекстолита, эскиз которой в масштабе 2:1 показан на рис. 3 (см. также фото на рис. 4). Вторая сторона оставлена металлизированной и соединена с общим проводом первой стороны через отверстия. Плату устанавливают в металлическом корпусе, на стенках которого установлены входное и выходное гнезда и размещены отверстия для светодиодов.
Плата рассчитана для установки микросхем в корпусах для поверхностного монтажа, кроме DA3 (стабилизатор напряжения) и DD2 (микроконтроллер), которую устанавливают в панельке. Микросхему DD1 можно заменить на ADF4112 с верхней рабочей частотой 3 ГГц или на ADF4111с частотой 1,2 ГГц.

В качестве усилителя DA2 можно применить микросхемы INA-54063, MSA-0204, MSA-0286. Детекторные диоды VD1, VD2 можно заменить на 2А201А, 2А202А; светодиоды — любые малогабаритные в пластмассовом корпусе диаметром 3…5 мм с рабочим током 5…10 мА. Полярные конденсаторы — танталовые или алюминиевые для поверхностного монтажа, неполярные — бескорпусные К10-17в или аналогичные импортные. Постоянные резисторы Р1-12 и аналогичные импортные, подстроечный — СПЗ-19. В табл. 1,2 приведены распечатки НЕХ-файлов для «прошивки» микроконтроллера (файл 5105.HEX и табл. 1 — для коэффициента деления 500000; файл 500.НЕХ и табл. 2 — для коэффициента деления 500).

Функциональные возможности устройства можно расширить, если усложнить управляющую программу и принципиальную схему. Так как микросхема DD2 имеет неиспользуемые выводы, то их можно запрограммировать как входы и подавать на них сигналы, по которым будут изменяться команды, поступающие на микросхему DD1. В этом случае можно изменять коэффициент деления, а также использовать второй ДПКД с максимальным коэффициентом деления 16383, который предназначен для деления частоты образцового генератора и работает в диапазоне 5…104 МГц.

Если в схему ввести переключатель и изменить «прошивку» микроконтроллера, то коэффициент деления можно будет изменять этим переключателем. Его контактную пару включают между выводом 4 микросхемы DD2 и общим проводом. В табл. 3 приведена распечатка НЕХ-файла для «прошивки» микроконтроллера для этого случая (файл 500-5105.HEX). В одном из положений переключателя коэффициент деления микросхемы DD1 будет 500000 (общий 1000000), а в другом — 500 (общий 1000).

И. НЕЧАЕВ, г. Курск
«Радио» №9 2005г.

Делитель частоты для программного частотомера

На основе аппаратного таймера микроконтроллера ATmega можно довольно просто сделать программируемый делитель частоты. В этой статье описан пример реализации такого делителя частоты на основе 16-битного таймера/счетчика 1, который может делить частоту на коэффициент от 2 до 65535.

Выходной сигнал делителя генерируется на выходе OC1A. Тактовая частота подается на вход T1 (это настраивается битами CS12..CS10 регистра TCCR1B, см. таблицу 19-6 из статьи [1]).

[Нечетный коэффициент деления]

Для нечетных коэффициентов деления используется режим Fast PWM 14 (биты WGM13..WGM10 регистра TCCR1A установлены в значение 1110, см. таблицу 19-5 из статьи [1]). Для этого режима верхний предел счета задается значением регистра ICR1, а значение сравнения задается в регистре OCR1A. Биты COM1A1 и COM1A0 установлены в значение 10, что задает очистку уровня OC1A при Compare Match и установку OC1A на BOTTOM (не инверсный режим).

Принцип работы делителя с нечетным коэффициентом деления следующий. В регистр ICR1 записан предел счета TOP [1], а в регистр OCR1A половина значения регистра ICR1. Счетчик начинает счет от нуля (TCNT1==0), при этом на выходе OC1A уровень лог. 1. Когда счетчик TCNT1 достигает достигает значения в регистре OCR1A, уровень на выходе OC1A переходит в лог. 0, и счетчик продолжает счет. Когда счетчик TCNT1 достигает значения регистра ICR1, то он сбрасывается в 0, и уровень на OC1A переходит обратно в лог. 1. Счетчик продолжает счет от нуля, и цикл продолжается. В результате частота на выходе OC1A получается в (ICR1+1) раз меньше, чем частота, поступающая на вход T1. Ниже приведен кусок кода, настраивающий таймер/счетчик 1 на нечетный коэффициент деления (коэффициент деления определяется переменной coeff):

[Четный коэффициент деления]

Здесь используется другой режим Fast PWM 15 (биты WGM13..WGM10 регистра TCCR1A установлены в значение 1111, см. таблицу 19-5 из статьи [1]). Для этого режима верхний предел счета задается значением регистра OCR1A. Биты COM1A1 и COM1A0 установлены в значение 01, что задает очистку переключение уровня OC1A при Compare Match. Т. е. при достижении счетчиком значения OC1A счетчик не только сбрасывается, но и еще уровень на OC1A переключается на противоположный. В результате получается деление частоты на входе T1 на значение (2*OCR1A)+1. Ниже приведен кусок кода, настраивающий таймер/счетчик 1 на четный коэффициент деления (коэффициент деления также определяется переменной coeff):

Таймер запрещается перед настройкой отключением его от тактовой частоты, что делается записью в биты CS12..CS10 значения 000. Это сделано для того, чтобы можно было запустить цикл счета от нуля сбросом счетчика TCNT1. Если этого не сделать, то на высоких частотах, подаваемых на вход T1, возможны ситуации, когда значение непрерывно работающего счетчика окажется больше новых записанных значений регистров, определяющих предельные значения счета. В результате счетчик продолжит считать до значения 65535, прежде чем произойдет его переход в 0 и начнется правильная работа счетчика в качестве делителя частоты.

[Практический пример применения]

Проект использовался как программируемый делитель эталонной частоты с выхода приемника 66.6(6) кГц [3]. Ниже показана схема делителя. Зелеными линиями показаны сигналы на входе делителя (PB1/T1) и на его выходе (PD5/OC1A).

Компаратор LMV331 нужен для преобразования сигнала с выхода приемника в логические уровни, которые можно подать на вход делителя частоты T1 (ножка порта PB1 ATmega32A). Коммутатор на HC4066 нужен для передачи на выход либо сигнала с компаратора, либо с выхода делителя OC1A (ножка порта PD5 ATmega32A). Ключи HC4066 управляются сигналами ножек портов микроконтроллера (PC6 и PC7 ATmega32A). Через порт UART (PD0 ATmega32A) подается команда на переключение коэффициента деления частоты в диапазоне от 1 до 65535.

Makefile-проект ATmega-freq-divider с исходным кодом для микроконтроллера ATmega32 (проект компилируется и для ATmega16) можно скачать по ссылке [2]. С минимальными изменениями проект можно использовать на любом микроконтроллере ATmega/AVR, где на борту присутствует таймер/счетчик с внешним входом для подачи тактов Tx (T0, T1, и т. д. в зависимости от используемого таймера).

Делитель частоты для программного частотомера

Буферное устройство
Входной формирователь имеет низкое входное сопротивление, что является его большим недостатком.
Для повышения входного сопротивления частотомера, между входом частотомера и входом формирователя, необходимо включить некое буферное устройство с высоким входным и низким выходным сопротивлением.
Иногда такое устройство выполняется в виде выносного пробника.
Такой вариант может устроить тех, кто не хочет вносить изменений в основную конструкцию.
Лично меня больше устраивает вариант расположения выносного пробника на плате частотомера или на какой-то отдельной плате, но внутри конструкции частотомера.

На транзисторах VT1 и VT2 собрано буферное устройство, а на транзисторе VT3 – входной формирователь.
Входное сопротивление буферного устройства – около 500 ком.
Схема буферного устройства приведена на рисунке:

Соедините правый по схеме вывод резистора R11 с точкой соединения 2-го и 3-го выводов ПИКа, и Вы получите ЧМ/ЦШ с
входным сопротивлением около 500 ком.
Оптимальная настройка буферного устройства и
формирователя частотомера – цифровой шкалы
Если все радиоэлементы исправны и не допущено ошибок при сборке, буферное устройство начинает работать сразу.
Напряжение на коллекторе VT2 должно быть примерно 2,5 – 2,6V (при измерении соединить вход частотомера с корпусом
коротким проводником).
Если это не так, то необходимо подобрать номинал резистора R2.

Далее работаем только с формирователем (транзистор VT3).
При настройке формирователя, особое внимание нужно уделить определению оптимального положения рабочей точки транзистора VT3.
От положения рабочей точки VT3 (регулируется резистором R7) зависит и чувствительность частотомера, и его помехоустойчивость.
Причем, улучшение одного параметра достигается за счет ухудшения другого, то есть существует потребность в компромиссе между этими параметрами (в оптимизации).
Многие считают чувствительность частотомера более определяющим показателем, чем его помехоустойчивость, добиваются высокой чувствительности, а потом вынуждены наблюдать хаотические показания прибора вместо нулевых (когда измерений частоты не производится).
При непосредственной связи выхода формирователя со счетным входом PIC контроллера (что и имеет место быть), достигнуть достаточно высокой чувствительности можно даже используя всего один каскад усиления.
Чувствительность порядка 0,2 – 0,25V, в большинстве случаев, является оптимальной.
В моей программе, признак режима частотомера “F.” устанавливается только в том случае, если, при отсутствии сигнала на
входе частотомера, показания индикатора не превышают
9-ти (то есть, работает только самый младший разряд индикатора, а остальные погашены ввиду наличия в них незначащих нулей).
Если, из-за воздействия помех, показания индикатора будут больше 9-ти, то признака работы частотомера “F.” Вы не
увидите.
Из этого следует вывод:
при отсутствии сигнала на входе частотомера, наличие признака работы частотомера “F.”, а также определенные показания индикатора, являются критерием оптимальной настройки входного формирователя (или комплекса устройств, включенных между входным разъемом и счетным входом PIC контроллера).
Это означает то, что необходимо добиться, чтобы на пределе измерения 10 сек., признак частотомера не “пропадал”.
Если использовать только один формирователь (без буферного устройства), то из-за низкого входного сопротивления
формирователя, помехоустойчивость будет существенно выше, чем в случае использования буферного устройства.
Ничто хорошее не дается просто так: за высокое входное сопротивление частотомера нужно “расплачиваться” ухудшением помехоустойчивости, так что, в этом случае, оптимизация необходима.
Если необходимо произвести наиболее качественную оптимизацию, следует коротким проводником соединить вход частотомера с корпусом и перейти на предел измерения 10 сек..
Затем, вращая движок подстроечного резистора R7, необходимо добиться появления признака работы частотомера “F.” с
нулевыми показаниями индикатора, а затем, вращая движок подстроечного резистора R7 в противоположную сторону (обратный ход), добиться, чтобы признак работы частотомера “F.” не пропадал, а в младшем разряде индикатора (при погашенных остальных разрядах) наблюдалась смена цифр со значением, не превышающем 9-ти.
Затем нужно отключить проводник, соединяющий вход частотомера с корпусом.
Если после этого не наблюдается пропадания признака работы частотомера “F.”, то все “OK”.
Если признак работы частотомера пропал, то необходимо как следует заэкранировать проводник, соединяющий входной разъем с входом буферного устройства, а если это не приводит к положительному результату, то можно повторить оптимизацию при отсутствии проводника, соединяющего вход частотомера с корпусом.
Сказанное выше, предназначено для людей, желающих получить от частотомера “все, на что он способен”, но какого-то
большого практического смысла в этом нет, так как речь идет о выигрыше оптимальной чувствительности порядка одной сотой вольта.
По этой причине можно использовать упрощенный вариант настройки :
Вход частотомера соединять с корпусом не нужно.
Повторить описанную выше процедуру оптимизации до момента обратного хода движка переменного резистора.
Во время обратного хода необходимо запомнить положение движка, при котором происходит оптимизация и медленно
поворачивать движок переменного резистора в сторону уменьшения значений показаний индикатора.
Как только в младшем разряде индикатора зафиксируется 0 (лучше всего, если 0 и 1 будут чередоваться), прекратить
настройку, замерить суммарное сопротивление регулировочной цепочки и установить вместо нее постоянный резистор с
замеренным значением сопротивления.
У меня получилось 51кОм (на это значение можно ориентироваться), но оно может быть и другим.
В этом случае помехоустойчивость немного улучшится за счет снижения чувствительности, но это снижение не будет
значительным.
Признак работы частотомера “F.”, на пределе измерения 10 сек., после такой настройки станет стабильным.
Таким способом вполне можно получить чувствительность порядка 0,2 – 0,25V при наличии приемлемой помехоустойчивости и высокого входного сопротивления частотомера.
Некоторые разработчики частотомеров на PIC контроллерах включают между выходом формирователя и счетным входом PIC контроллера триггер Шмидта.
Я тоже попробовал, но честно говоря, никакого существенного выигрыша не ощутил, хотя, теоретически, он, казалось бы,
должен быть.
Хорошо отстроенный частотомер прекрасно работает и без него даже на низких частотах (я проверял его на частотах до 10 Гц., меньше у меня просто генератор не выдает), а раз нет ощущаемого выигрыша при входном синусоидальном сигнале, значит и не стоит создавать себе лишние проблемы.
Это объясняется тем, что ПИК по своему счетному входу (вывод RA4/TOCKI) уже имеет в своем составе триггер Шмидта и
применять еще один, внешний триггер Шмидта не имеет особого практического смысла.
Теперь о конденсаторе номиналом 18пф, которым шунтируется диод VD1 буферного устройства.

Читайте также:  Механические приборы для измерения давления жидкости

Это сделано для повышения помехоустойчивости.
Дело в том, что потребляемый частотомером ток не постоянен, а изменяется скачкообразно и с довольно-таки низкой
частотой.
Фронты и спады этих “скачков” крутые и диапазон изменений потребляемого тока значителен, поэтому микросхема
стабилизатора напряжения “не успевает” их отслеживать.
По этой причине на затворе полевого транзистора буферного устройства появляются короткие импульсы (результат
дифференцирования), которые считаются частотомером.
Если Ваш частотомер, при отсутствии измеряемого сигнала на входе, будет показывать какую-то относительно стабильную частоту, то это как раз тот случай.
Избавиться от этой неприятности, при помощи подключения конденсаторов к шине +5V можно, но их емкость должна быть значительной.
Гораздо выгоднее “задавить” сами эти короткие импульсы. Для этого и нужен блокировочный конденсатор емкостью 18пф.
Необходимо подобрать его номинал до прекращения этого “паразитного” счета, с небольшим запасом, и не более того.
Емкость блокировочного конденсатора должна быть минимально возможной и не превышать 100пф (у меня получилось 18пф).
Расширение границы рабочих частот
частотомера – цифровой шкалы до 300 мГц
Осуществляется повышение предельной частоты измерерния введением в состав частотомера быстродействующего делителя на 10.
Если есть возможность применить импортный делитель на 10, можно применить его, я же использовал отечественный СВЧ
делитель на микросхеме К193ИЕ3.
Если имеется в наличии транзистор КТ372, то можно собрать делитель по этой схеме, не внося в нее никаких изменений.
У меня его не было, и я использовал транзистор КТ399А.
Хотя он и не такой высокочастотный, как КТ372, но до 300 мГц. он будет работать не многим хуже, чем КТ372.
СВЧ делитель работает и на частотах выше 300 мГц.
Схема СВЧ делителя приведена на рисунке:

Так же, как и другие СВЧ устройства, это устройство, при неправильной сборке, склонно к самовозбуждению, поэтому нужно стремиться к тому, чтобы электрические соединения были как можно короче, а конденсаторы С7 и С8 располагались как можно ближе к микросхеме.
Все конденсаторы должны быть малогабаритными и с малыми утечками (я применил КМ).
Желательно поставить еще один блокировочный конденсатор емкостью 10н, распаяв его непосредственно на микросхеме между 8 и 16 ножками.
Если проблемы все-таки возникнут, то можно попытаться устранить самовозбуждение подбором емкости дополнительного
конденсатора, включаемого между 4 ножкой микросхемы и корпусом.
Более чем 30пф., номинал емкости этого конденсатора делать не стоит, так как в этом случае, он начинает “подрезать”
верхнюю границу рабочих частот.
Удобнее всего ввести СВЧ делитель в состав частотомера, а не делать его выносным (я сделал именно так).
При этом вход СВЧ делителя проще и надежнее всего вывести на отдельный разъем, а переключения между обычным режимом работы (до 30 мГц) и режимом деления на 10 (до 300 мГц) осуществлять малогабаритным тумблером, установленным так, чтобы проводники, подключаемые к нему, были минимальной длины.
Естественно, что под это требование необходимо “подогнать” печатную плату.
Схема коммутации очень простая;
вход формирователя подключается либо к выходу буферного устройства, либо к выходу СВЧ делителя.
Если использовать тумблер на 2 группы контактов, то дополнительно можно произвести и коммутацию питания (именно так я и сделал), что очень удобно, в первую очередь, для частотомеров с батарейным питанием.
Получается что-то типа “дешево и сердито”
Схема коммутатора входов частотомера – цифровой шкалы приведена на рисунке:

Следует также обратить внимание на то, что частотомер, работающий с СВЧ делителем, чувствителен к электромагнитным
полям, поэтому необходимо уделить должное внимание его экранированию.
Если он не является выносным , а располагается внутри конструкции частотомера, то корпус частотомера должен быть
металлическим.
СВЧ делитель должен быть смонтирован как можно ближе к своему входному разъему.
Печатные платы
от Дмитрия Караулова
Для частотомера с буферным устройством

Все слои с расположением деталей

Расположение радиодеталей

Печатная плата 58х80 мм

То же самое, только в зеркальном отображении

Автор конструкции: Корабельников Евгений Александрович
город Липецк

Связаться с автором можно по email (указан на схеме)
Сайт автора: http://ikarab.narod.ru Самоучитель по программированию PIC микроконтроллеров для начинающих

Задать автору вопросы по конструкции так-же возможно в форуме http://pic.borda.ru в разделе “Наши разработки”

Оставлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Загрузка ...
Adblock
detector