Цифровой частотомер с динамической индикацией

Рис. 7.8. Генераторы импульсов на микросхемах К176ИЕ5: а — секундной последовательности; 6 — минутной последовательности

А — на микросхемах К176ИЕ5, К176ИЕЗ, К176ИЕ4; б — на микросхеме К.176ИЕ12

А — с использованием кольца из нечетного числа логических инверторов; б, в — с RC-времязадающими цепями; г — с многофазными выходами

A, б — формирователи прямоугольных импульсов; в — формирователь ко­потких импульсов; г - формирователь длинных импульсов; д, е«-формиро­ватели с запуском от механических переключателей

Для радиолюбительской практики представляют интерес фор­мирователи с запуском от механических контактов, например кнопки. Особенностью управления от механического переключателя является появление в момент переключения дребезга контактов (многократного перехода в течение малого промежутка времени от замкнутого состояния к разомкнутому и обратно). Это может вызвать появление вместо необходимого одиночного импульса пачки импульсов, приводящих к сбою в работе устройства.

Простейший формирователь перепада потенциала, построенный на элементах И — НЕ показан на рис. 7.5Д Нулевой потенциал, прилагаемый с помощью переключателя к одному из входов триггера, опрокидывает его. Причем при каждом срабатывают переключателя триггер реагирует только, на первое замыкание со­ответствующей контактной пары и последующий дребезг уже не изменяет его состояния.

Для ликвидации дребезга может использоваться конденсатор, который при замыкании кнопки быстро заряжается и при по­следующем дребезге контактов практически не пропускает то^гс из-за большой постоянной времени. На рис. 7.5, е показана схема формирователя импульсов с использованием конденсатора.

Рис. 7.6. Генераторы импульсов:

Генераторы импульсов могут быть построены по схеме с обрат­ной связью (рис. 7.6, а), с использованием кольца из нечет­ного числа логических инверторов. При этом возникает режим автоколебаний с частотой, определяемой суммарной задержкой распространения сигнала в инверторах. Частоту на выходе этого устройства можно понизить, если использовать шунтирование вы­ходов микросхем конденсаторами. Для регулировки длительности импульсов можно также использовать шунтирование одного или нескольких микросхем конденсатором и резистором. Пример гене­ратора прямоугольных импульсов с времязадающей цепью RC по­казан на рис. 7.6,6. При использовании микросхем К511ЛА1, если С — 300 пФ R=25 кОм, длительность импульсов составляет 10 мс. На рис 7.б,б представлена схема генератора, в котором можно менять Длительность импульсов (с помощью R₂. С_1, С₂) и их скваж­ность (Ri). Если С,=1 мкФ, С₂=0,5 мкФ, R₁=15 кОм, R₂=45 кОм. длительность импульса будет 5 мкс.

Следует учитывать, что генераторы, подобные приведенным на рис. 7.6,а — в, не отличаются высокой стабильностью.

В ряде случаев для управления требуются генераторы с мно­гофазными выходами. Пример такого генератора показан на рис 76г Выходы регистра через элемент ИЛИ — НЕ соединяют с его последовательным входом. При наличии на одном из выходов регистра 1 в регистр будет записываться 0. После появления 1 на последнем выходе регистра на входе элемента ИЛИ — НЕ появят­ся 0, что приведет к записи в регистр 1. На выходе регистра вновь появится последовательность импульсов, при которой 1 будет каждый раз только на одном выходе. Устройство совпадения на выходах регистра используется для синхронизации с целью пред­отвращения наложения выходных импульсов.

В практике радиолюбителей при создании электронных часов широко применяют генераторы секундных и минутных импульсов.

Рис. 7.7. Генераторы се­кундной и минутной по­следовательности им­пульсов:

Для создания таких генераторов целесообразно использовать микросхемы К176ИЕ5 или К176ИЕ12. Принципиальные схемы приведены на рис. 7.7. Микросхема К176ЙЕ5 (рис. 7.7,а) состоит чз инвертора и трех делителей частоты, обеспечивающих деление в 512; 32 и 2 раза. Общий коэффициент деления 32768. Это по­зволяет получить импульсы частотой следования 1 Гц при исполь­зовании часовых кварцевых резонаторов с частотой 16384 или 32768 Гц. Для получения минутной последовательности импульсов производят деление секундной последовательности на 6 и на 10 с помощью микросхем К176ИЕЗ и 176ИЕ4. Инвертор используют как активный элемент задающего кварцевого генератора. Резона­тор, резисторы и конденсаторы — навесные, их подключают между выводами 9 и 10. Установку 0 всех делителей частоты осущест­вляют подачей положительного перепада на установочные входы 3 (К176ИЕ5) или 5 (К176ИЕЗ, К176ИЕ4). Для работы делителей необходимо эти выводы соединить с общим проводом.

Микросхема К176ИЕ12 имеет в своем составе четвертый де­литель на 60, позволяющий получать минутную последовательность импульсов (рис. 7.7,6).

Рассмотренные устройства требуют применения специальных кварцевых резонаторов.

Для радиолюбителей представляют интерес варианты исполь­зования кварцевых резонаторов и на другие частоты. Максималь­ная рабочая частота микросхем К176ИЕ5 и К176ИЕ12 1 МГц, сле­довательно, частота задающего генератора, определяемая используемым резонатором, должна быть не более 1 МГц. Если частота резонатора кратна 10, то можно получить частоту 1 Гц, используя микросхему К176ИЕ4. При частоте резонатора 100 кГц делитель реализуется на пяти микросхемах. Основные делители микросхем К176ИЕ5 или К176ИЕ12 при этом использовать нельзя. Если не­обходимо получить еще и минутную последовательность импульсов, то при микросхеме задающего генератора К176ИЕ5 придется вве­сти еще делитель на 60, как показано на рис. 7.7,а. Если задаю­щий генератор выполнен на микросхеме К176ИЕ12, то целесообраз­но использовать делитель на 60 этой микросхемы (вход 7, выход 10). В целом генератор на резонаторе 100 кГц реализуется на шести — восьми микросхемах.

Если имеющийся у радиолюбителя кварцевый резонатор не герметизирован, то в цепях сокращения числа микросхем изменить его частоту можно подточкой кварцевой пластины. Так как дели­тели микросхем работают в двоичном коде, то наименьшее число разрядов делителя для получения секундной последовательности импульсов будет в том случае, когда частота кварцевого генерато­ра будет равна 2ⁿ, где n— число разрядов делителя. При частоте резонатора 32768 Гц необходимо 15 разрядов, при частоте 65536 Гц — 16, при частоте 131072 Гц — 17 разрядов делителя.

Для получения минутной последовательности импульсов при одном и том же числе разрядов делителя частоту кварца нужно взять в 60 раз меньше. При 21 разряде счетчика частота резона­тора должна быть 34952 Гц, при 22 — 69905 Гц, при 23 — 139810 Гц и т. д. Если резонатор имеет частоту от 70 до 130 кГц, то под­точка должна производиться до частоты 131072 Гц (для секундной последовательности или до частоты 139810 Гц (для минутной по­следовательности). В этом случае делители должны иметь 17 или 23 разряда соответственно.

Схема генератора секундной последовательности импульсов на кварцевом резонаторе с частотой 131072 Гц, изготовленном из фильтрового резонатора на частоту 127 кГц, приведена на рис. 7.8,а. Генератор выполнен на микросхемах К176ИЕ5 и К176ТМ1, реали­зующих задающий генератор и делитель частоты с 17 разрядами. Вместо микросхемы К1761М1 можно применить микросхемы К176ТМ2, К176ТВ1, но схемы их включения другие.

Схема генератора минутной последовательности импульсов при использовании резонатора на частоту 139810 Гц и двух микросхем К176ИЕ5 приведена на рис. 7.8,6. Минутная последовательность импульсов снимается с выхода 4 второй микросхемы и подается на счетчик минут. Последовательности импульсов с частотами сле­дования 139810,9 и 4,5 Гц могут быть использованы для установки времени в различных вариантах часов, с частотой 273 Гц — для сигнального устройства будильника или для стробирования сиг­налов, подаваемых на жидкокристаллические индикаторы, с часто­той 0,53 Гц — в качестве тактовых импульсов в коммутаторе ча­сов с индикацией на одной лампе.

Различные варианты формирователей и генераторов приведены в [2, 35].

Частотомер разработан инж. Земцовым О. Б. и отмечен дипломом на Всесоюзной выставке научно-технического творчества молодежи в 1980 г.

В частотомере использован метод измерения частоты путем подсчета импульсов контролируемой частоты за фиксированный интервал времени. Он предназначен для измерения частоты коле­баний синусоидальной и прямоугольной формы. Частотомер (без устройства питания) собран на 27 микросхемах (в основном серии 155), восьми транзисторах и газоразрядной индикаторной сегмент­ной панели ГИП-11. Схема частотомера приведена на рис. 7.9.

Прибор работает следующим образом. Необходимый фиксиро­ванный интервал времени формируется с помощью кварцевого ге­нератора (1000 кГц) и делителя частоты, построенных на логиче­ских элементах (микросхема D1 и счетчики D2 — D7). В зависимо­сти от положения переключателя Sa, на вход счетного триггера 010,1 поступает сигнал с выхода одного из счетчиков D4 — D7. При этом фиксированный интервал времени счета будет составлять со­ответственно 1, 10, 100 или 1000 мс.

Сигнал измеряемой частоты через усилитель-ограничитель D8.I и формирователь DILI подается на один из входов элемента И — НЕ (D8.2). На второй его вход поступает разрешающий сиг­нал с триггера D10.1.

Управление триггером D10.1 осуществляется тактовым гене­ратором построенным на логических элементах D9.1, D9.2, кон­денсаторе С₂ и резисторах Я₄ — Яэ- Сигнал тактового генератора дифференцируется цепью Rz, C₃ и подается на вход R триггера DW 2 При этом триггер D10.1 подготавливается к срабатыванию от первого импульса, поступающего с делителя частоты через пе­реключатель S₂. При прохождении этого импульса триггер D10.2 срабатывает и обеспечивает подачу импульсов контролируемой ча­стоты через D8.2 на вход двоично-десятичных четырехразрядных счетчиков D12 — D19. С приходом второго импульса с делителя ча-. стоты триггер D10.1 возвращается в исходное состояние и блоки­руется до поступления следующего разрешающего сигнала с так­тового генератора. В частотомере предусмотрены периоды выдачи этих сигналов (через 2, 4, 16, 30 с), выбор которых осуществляет­ся переключателем S₁.

С выходов счетчиков сигналы подаются на входы коммутато­ров восьми каналов на один со стробированием (D20 — D23), ко­торые управляются тактирующим кодом со счетчика D4. При по­даче на входы Хю, Хп, Х₁₂ коммутаторов тактирующего кода 1—2 — 4 к выходу каждого из них подключается сигнал одного из восьми входов, номер которого соответствует десятичному экви­валенту тактирующего кода. Сигналы с одноименных входов всех коммутаторов подаются на преобразователь D25 двоичного кода з код необходимый для управления сегментами индикатора. В ча­стотомере использована динамическая индикация, поэтому инфор­мация о состоянии одного из счетчиков D12 — D19 с выходов пре­образователя через согласующие транзисторы (D26 — D27) подается параллельно на соответствующие катоды индикаторов всех разря­дов Управление зажиганием нужного разряда осуществляется с помощью дешифратора D24. Его выходы соединены с базами ключей T₁ — T₈ нагруженных на аноды индикаторов. При поступ­лении тактирующего кода 1 — 2 — 4 на входы дешифратора на од­ном из его выходов в каждый момент времени присутствует ло­гическая 1 которая закрывает соответствующий ключ. На коллек­торе закрытого транзисторного ключа появляется напряженке, почти равное напряжению источника питания, что создает условия для зажигания нужного разряда индикатора.

ч ппибоое можно использовать любой источник питания, обеспечивающий напряжение 4-5 В±10 % при токе 0,75 А и-f 200 В (схемы источников питания на рис. 7.9 не показаны).

Частотомер измеряет частоту до 10 МГц. Погрешность изме­рения зависит от стабильности резонатора и погрешности дискрет­ности Относительная погрешность дискретности при максимальной частоте — 10-⁷. Число разрядов индикатора восемь. Использование динамической индикации позволило значительно снизить количест­во соединительных проводов, идущих от дешифраторов к индика­торам.