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.
Первой конструкцией на цифровых ИС,
которую изготовляли радиолюбители в 80-90 годах, как правило, были
электронные часы или частотомер.
Такой частотомер и сегодня можно
применять при градировке приборов, или использовать в качестве
отсчетного устройства в генераторах и любительских передатчиках, при
налаживании различных радиоэлектронных устройств. Прибор может
заинтересовать тех, у кого без дела лежат микросхемы серии К155, либо
начинающих знакомиться с устройствами автоматики и вычислительной
техники.
Описываемый прибор позволяет измерять частоту электрических колебаний, период и длительность импульсов, а также может работать как счетчик импульсов. Рабочая частота от единиц Герц до нескольких десятков МГц при входном напряжении до 50 мВ. Предельная частота работы счетчиков на интегральных микросхемах К155ИЕ2 - около 15 МГц. Однако следует иметь в виду, что фактическое быстродействие триггеров и счетчиков превышает указанное значение 1,5... 2 раза, поэтому отдельные экземпляры TTL микросхем допускают работу на более высоких частотах.
Минимальная
цена
младшего разряда составляет 0,1 Гц при измерении частоты и 0,1 мкс при
измерении периода и длительности.
Принцип действия частотомера основан
на
измерении числа импульсов, поступающих на вход счетчика в течение
строго
определенного времени.
Принципиальная
схема показана на рис.1
Исследуемый
сигнал
через разъем X1 и конденсатор С1 поступает на вход формирователя
прямоугольных
импульсов.
Широкополосный усилитель-ограничитель собран на транзисторах V1, V2 и V3. Полевой транзистор V1 обеспечивает прибору высокое входное сопротивление. Диоды V1 и V2 предохраняют транзистор V1 от повреждения при случайном попадании на вход прибора высокого напряжения. Цепочкой C2-R2 осуществляют частотную коррекцию входа усилителя.
Транзистор
V4,
включенный как эмитерный повторитель, согласует выход
усилителя-ограничителя с
входом логического элемента D6,1 микросхемы D6, обеспечивающей
дальнейшее
формирование прямоугольных импульсов, которые через электронный ключ
поступают
на устройство управления на микросхеме D9, сюда же поступают и импульсы
образцовой частоты, открывающие ключ на определенное время. На выходе
этого ключа
появляется пачка импульсов. Число импульсов в пачке подсчитывает
двоично-десятичный счетчик, его состояние после закрывания ключа
отображает
блок цифровой индикации.
В режиме счета импульсов управляющее устройство блокирует источник образцовой частоты, двоично-десятичный счетчик ведет непрерывный счет поступающих на его вход импульсов, а блок цифровой индикации отображает результаты счета. Показания счетчика сбрасываются нажатием кнопки «Сброс».
Задающий тактовый генератор собран на микросхеме D1 (ЛА3) и кварцевом резонаторе Z1 на частоту 1024 кГц. Делитель частоты собран на микросхемах К155ИЕ8; К155ИЕ5 и четырех К155ИЕ1. В режиме измерения точность установки «МГц», «кГц» и «Гц» задается кнопочными переключателямиSA4 и SA5.
Блок питания частотомера (рис.3) состоит из трансформатора Т1, с обмотки II которого после выпрямителя VDS1, стабилизатора напряжения на микросхеме DА1 и фильтра на конденсаторах С4 – С11, напряжение +5V подается для питания микросхем.
Напряжение 170V с обмотки III трансформатора Тр1 через диод VD5 используется для питания газоразрядных цифровых индикаторов Н1..H6.
В формирователе импульсов полевой транзистор КП303Д (V3) можно заменить на КП303 или КП307 с любым буквенным индексом, транзистор КТ347 (V5) -на КТ326, а КТ368 (V6, V7) - на КТ306.
Дроссель L1 типа Д-0,1 или самодельный - 45 витков провода ПЭВ-2 0,17, намотанных на каркасе диаметром 8 мм. Все переключатели типа П2К.
Налаживание
прибора сводится к проверке правильности монтажа и измерении питающих
напряжений. Правильно собранный частотомер уверенно выполняет свои
функции,
«капризным» узлом является лишь входной формирователь, настройке
которого надо
уделить максимум старания. Заменив R3 и R4 переменными резисторами 2,2
кОм и
100 Ом, надо на резисторе R5 установить напряжение примерно 0,1...0,2V.
Подав
от генератора сигналов на вход формирователя синусоидальное напряжение
амплитудой около 0,5V, и заменив резистор R6 переменным резистором с
номиналом
2,2 кОм, надо его подстроить так, чтобы на выходе элемента D6.1
появились
прямоугольные импульсы. Постепенно понижая входной уровень и повышая
частоту,
надо подбором элементов R6 и СЗ добиться устойчивой работы
формирователя во
всем рабочем диапазоне. Возможно, при этом придется подобрать
сопротивление
резистора R9. В процессе налаживания все переменные резисторы должны
иметь
выводы длиной не более 1...2 см.
Когда
налаживание
будет завершено, следует их выпаивать по одному и заменять постоянными
резисторами подходящего номинала, каждый раз проверяя работу
формирователя. 
В
конструкции
вместо индикаторов ИН-17 можно применить газоразрядные индикаторы
ИН-8-2, ИН-12
и т. п.
В формирователе импульсов транзисторы КТ368 можно заменить на КТ316 или ГТ311, вместо КТ347 можно использовать КТ363, ГТ313 или ГТ328. Диоды V1, V2 и V4 можно заменить на КД521, КД522.
Схема и плата в формате sPlan7 и Sprint Layout - schema.zip
*
* Данная схема была собрана мной в далеком 1988 году в одном корпусе со звуковым генератором и использовалась как цифровая шкала.
Как самостоятельный прибор оформлен недавно, поэтому возможно, где-то в схему и рисунок печатной платы могла закрасться ошибка..
Список Литературы:
В помощь радиолюбителю №084, 1983 г.
Цифровые Устройства на Интегральных Микросхемах - © Издательство «Радио и связь», 1984.
Журнал «Радио»: 1977, № 5, № 9, № 10; 1978, № 5; 1980, № 1; 1981, № 10; 1982, № 1, № 11; № 12.
Радиолюбительские цифровые устройства. - М.: Радио и связь, 1982.
ЗОНД НА ПОЛЕВОМ МОП ТРАНЗИСТОРЕ ДЛЯ ЧАСТОТОМЕРА
Рис. 24.1
Зонд может работать на частоте до 100 МГц с усилением, по меньшей мере равным 1. Транзистор BF981 используется благодаря своей малой входной емкости (2,1 пФ). Защита полевого транзистора T1 обеспечивается большими сопротивлениями резисторов в его входной цепи. При необходимости следует подобрать сопротивление резистора в цепи истока таким образом, чтобы получить напряжение 7-8 В на стоке транзистора Т1.
ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ 40 МГЦ ДЛЯ ЧАСТОТОМЕРА
В этом устройстве за двумя каскадами усиления установлен триггер. С помощью переменного резистора сопротивлением 470 Ом удается оптимизировать смещение в режиме холостого хода.
M. Perner, Funkamateur, Berlin, No. 4/98, p. 417 Рис. 24.2
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НА МИКРОСХЕМЕ NE952
Funkamateur, Berlin, No. 10/98, p. 1152 Рис. 24.3
Предварительный усилитель, соответствующий приведенной схеме, имеет полосу пропускания 50 МГц, коэффициент усиления примерно 40 и может быть использован в милливольтметре или в качестве входного каскада частотомера. Резистор сопротивлением 10 Ом, подключенный между выводами 4 и 11 микросхемы, позволяет получить коэффициент усиления 100 при немного уменьшенной ширине полосы пропускания. Устраняя связь между выводами 3 и 12, а также с резистором сопротивлением 100 Ом, включенным между выводами 4 и 11, можно достичь коэффициента усиления, равного 10. Выходной импеданс составляет примерно 20 Ом.
ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ 64/1000 ДЛЯ ЧАСТОТОМЕРА
F. Sichla, Funkamateur, Berlin, No. 1 /96, p. 44, 45 Рис. 24.4
Предварительный делитель U813 может применяться для работы на частотах в диапазоне от 80 до 1000 МГц. Он делит частоту входного сигнала на 64, если вывод 5 никуда не подключен, на 128, если последний соединен с положительным выводом источника питания, и на 256, если вывод связан с общей шйной. Также можно использовать предварительный делитель U664B, устаревший по сравнению с U813 и предназначенный только для деления на 64. Три декады 74LS90 соединены таким образом, чтобы каждая обеспечивала деление на 2,5. На частотах 100 МГц – 1 ГГц чувствительность составляет 10 мВ.
ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ 140-1000 МГЦ НА МИКРОСХЕМЕ РМВ2312
Documentation Siemens Рис. 24.5
Ток потребления устройства не превышает 6 мА при напряжении питания 5 В или 0,3 мА в дежурном режиме. Вывод 8 можно использовать как симметричный вход совместно с выводом 1. Микросхема РМВ 2312 применяется также в цифровой радиотелефонии.
ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ДЕЛИТЕЛИ НА 256 НА МИКРОСХЕМАХ U816 И U847
Область входных частот соответствует 70 МГц – 1,1 ГГц и 70 МГц – 1,3 ГГц для микросхем U816 и U847.
CD-ROM TEMIC Рис. 24.6 CD-ROM TEMIC Рис. 24.7
ПРОГРАММИРУЕМЫЙ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ 70 МГЦ – 1,3 ГГЦ НА МИКРОСХЕМЕ U833BS
CD-ROM TEMIC Рис. 24.8 CD-ROM TEMIC Рис. 24.9
Микросхема U833BS представляет собой вариант с корпусом DIL. На схеме (рис. 24.8) виден симметричный выход (выводы 6 и 7), в версии SIP (рис. 24.9) выход один (вывод 3). В обоих случаях уровень сигнала на выходах составляет 0,8 В (размах) под нагрузкой сопротивлением 500 Ом.
ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ 3-6 ГГЦ
Микросхемы U6024 и U6028, используемые в устройстве такого рода, делят частоту входного сигнала соответственно на 4 и 8. Второй каскад
CD-ROM TEMIC Рис. 24.10
на микросхеме U893 может использоваться на частотах до 1,3 ГГц. Его делительное отношение программируется через вывод 5. Если он остается неподключенным, делительное отношение – 1 /64, если вывод 5 соединен с положительным выводом питания, отношение становится 1/128 и, если он подключен к общей шине, – 1/256. При отключении резистора от вывода 3 первой микросхемы входной каскад первого делителя становится автоколеблющимся. Это увеличивает чувствительность, особенно на частотах между 5 и 6 ГГц.
УДВОИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ НА КМОП СХЕМАХ
Рис. 24.11
Цифровое измерение частоты может идти в два раза быстрее, если вдвое увеличить частоту входного сигнала. В синусоидальном и треугольном режимах переменные резисторы позволяют получить на выходах формирования циклические отношения 1/4 и 4/1. Третий элемент «ИЛИ» микросхемы выдает двойную входную частоту, которая может достигать по меньшей мере 25 МГц. Постоянная составляющая на выходе зависит от входной амплитуды, следовательно, ее можно использовать для управления усилением предыдущего усилителя.
Большинство самодельных радиолюбительских частотомеров строятся на микросхемах серий К155 или К555 ТТЛ логики, которые не в состоянии уверенно работать на частотах более 15-20 МГц. Отсюда и верхняя частота измерения таких приборов редко превосходит 10 МГц, хотя, следует заметить, что некоторые экземпляры микросхем К555 и К133 могут работать и на частотах до 30 МГц. Чтобы расширить диапазон измерения таких приборов до 100-300 МГц (в зависимости от верхнего предела частотомера 10-30 МГц) необходимо на их входе включить высокочастотный делитель на десять.
Схема одного из вариантов такого делителя показана на рисунке в тексте. Входное сопротивление приставки 75 Ом, чувствительность по входу 0,5 В. Диоды VD1 и VD2 совместно с R1 представляют собой ограничитель входного напряжения, который предохраняет вход приставки от выхода из строя от перенапряжения. Затем следует высокочастотный диференциальный усилитель, построенный на одном из элементов микросхемы D1 (D1.1). Этот усилитель поднимает уровень входного напряжения до логического уровня и ограничивает его. Далее следует триггер Шмитта на втором элементе D1 - D1.2. Триггер Шмидта формирует из входного сигнала произвольной формы импульсы логического уровня.
Декадный делитель собран на четырех D-триггерах, входящих в состав двух микросхем D2 и D3.
Особенность микросхем серии К500 состоит в том, что все их выходы выполнены по открытой схеме и для их функционирования необходимы нагрузочные резисторы, на которых и будут формироваться логические уровни. По этому, на выходах всех этих микросхем включены нагрузочные резисторы сопротивлением по 510 Ом. Без этих резисторов схема функционировать не будет.
Питается приставка от источника напряжением 5В, потребляя ток при работе на частотах до 100 МГц примерно 100 mА, а на частотах до 300 МГц потребление может доходить до 200-500 mА. В связи с этим не рекомендуется длительное время работать на такой высокой частоте, поскольку это вызывает перегрев микросхем. Заявленная чувствительность 0,5 В тоже действительна только на частотах до 100-150 МГц, на максимальных частотах (до 300 МГц) чувствительность падает до 1-2 В.
Приставка монтируется полуобъемным способом в коробчатом корпусе спаянным из пластин фольгированного стеклотекстолита. На одном торце располагается коаксиальный высокочастотный входной разъем, а с противоположного торца выводится коаксиальный кабель с штеккером, предназначенным для включения во входной разъем частотомера, а также отдельный проводник по которому подается + питания 5В (минус поступает по оплетке выходного кабеля).
Роль согласующего устройства выполняет входной усилитель-формирователь исходного 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 .
Загрузка...
