До изготовления выносного щупа для частотомера FC250, позволяющего ему измерять частоту до 500 МГц, автор собрал несколько делителей частоты на микросхеме К193ИЕ2, описанных в Интернете. В них измеряемый сигнал подавался непосредственно на вход счётчика или на вход предварительного усилителя на транзисторе. У всех образцов была выявлена сильная зависимость частоты на выходе от амплитуды входного сигнала и низкая помехоустойчивость.

Согласно техническому описанию делителя частоты К193ИЕ2 , его нормальная работа возможна лишь при подаче на вход импульсов с достаточными амплитудой и крутизной перепадов. Поэтому на входе щупа, получившего название ВЩ-500, был установлен компаратор ADCMP606 и введена регулировка чувствительности. Этот щуп делит частоту входного сигнала на 10. Совместно с частотомером FC250 он позволяет измерять частоту от 2 до 500 МГц с дискретностью 100 Гц. Его чувствительность во всём интервале измеряемых частот не ниже 0,65 В. От источника напряжения питания 5 В щуп потребляет ток 80...85 мА. Входное дифференциальное сопротивление - около 70 кОм.

Схема щупа изображена на рис. 1. В нём применены микросхемы DA1 - ADCMP606BKSZ-R2 (компаратор стандарта CML с максимальной рабочей частотой 750 МГц) и DD1 - К193ИЕ2 (делитель частоты на 10 до 500 МГц). Согласно стандарту, CML на входы компаратора подают смещение, близкое к напряжению питания +3,3 В. Но микросхема ADCMP606 относится к категории Rail-to-Rail и поэтому может работать при напряжении на входах от 0 до плюса напряжения питания. В щупе ВЩ-500 на входы DA1 подано смещение, равное половине напряжения питания. С входных контактов щупа через цепочки R1C1 и R2C2 измеряемый сигнал поступает на входы (выводы 3 и 4) компаратора DA1. Цепь из резисторов R3-R7 позволяет переменным резистором R3 регулировать чувствительность щупа, изменяя постоянное напряжение между входами DA1 от 0 до 0,5 В. Противофазные выходы DA1 соединены с плюсом питания через резисторы R8 и R9. Благодаря их малому сопротивлению (56 Ом) сравнительно большое входное сопротивление делителя частоты DD1, подключённого к одному из выходов компаратора, не нарушает симметрии последнего.

Рис. 1. Схема щупа

На вход микросхемы делителя частоты DD1 поступают прямоугольные импульсы амплитудой 0,4 В с длительностью перепадов 160 пс. Резистор R10, понижая постоянное напряжение на входе делителя, предотвращает его самовозбуждение в отсутствие сигнала.

При подключении к частотомеру FC250, согласно описанию в напряжение питания щупа +5 В поступает с имеющегося в частотомере стабилизатора напряжения. С выходов делителя DD1 противофазный сигнал частотой до 50 МГц поступает на входы предварительного усилителя-формирователя частотомера FC250 . РазъёмХР1 размещён на отдельной плате, соединённой с основной жгутом из четырёх проводов длиной 600...800 мм. На этой же плате расположен резистор R12.

В отличие от описанного в выносного щупа, работоспособного до частоты 300 МГц, ВЩ-500 работает на частоте до 500 МГц. Оба щупа без использования внешнего делителя могут регистрировать колебания синусоидальной и прямоугольной формы с амплитудой до 5 В. Регулировка чувствительности переменным резистором R3 позволяет подавить помеху, если её амплитуда меньше амплитуды полезного сигнала.

На частотах 100...200 МГц ВЩ-500 может реагировать на гармоники сигналов неправильной формы амплитудой более 0,5 В, что приводит к удвоению частоты на выходе. Если регулировкой чувствительности не удаётся отстроиться от гармоник, можно понизить входное сопротивление ВЩ, припаяв на время параллельно его входным контактам резистор сопротивлением от 100 Ом до 1 кОм.

Чертёж печатной платы щупа показан на рис. 2, а расположение деталей на ней - на рис. 3. Технология изготовления платы подробно описана в . Все установленные на плате постоянные резисторы и конденсаторы - типоразмера 1206 для поверхностного монтажа. Переменный резистор R3 - R-0904n-A1K (РП1-74). Перед установкой на плату отогните его боковые крепёжные лепестки под прямым углом в разные стороны. Концы лепестков обрежьте по месту и припаяйте к фольге общего провода. Незадействованные выводы микросхемы К193ИЕ2 удалите.

Рис. 2. Чертёж печатной платы щупа

Рис. 3. Расположение деталей на плате

Разъём ХР1 (WF-4R) установлен на небольшой плате, аналогичной изображённой на рис. 13 в . Резистор R12 там обозначен как R1. Внешний вид собранного щупа ВЩ-500 показан на рис. 4.

Рис. 4. Внешний вид собранного щупа ВЩ-500

Собрав плату щупа ВЩ-500 без компаратора DA1 и резисторов R3 и R10, припаяйте к соответствующим контактным площадкам платы жгут проводов с разъёмом Хр 1 и подключите его к частотомеру, доработанному согласно . Обычно делитель частоты DD1 само-возбуждается. Устраните самовозбуждение подборкой резистора R10, после чего установите на плату компаратор и недостающие резисторы. Если самовозбуждение компаратора DA1 не удаётся остановить переменным резистором R3, вероятная причина этого - обрыв или плохая пайка одного из выходов DA1.

Литература

1. Нефёдов А. В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги. Справочник, т. 3 - М.: ИП РадиоСофт, 2000.

2 Rail-to-Rail, Very Fast, 2.5 V to 5.5 V, Single-Supply CML Comparators ADCMP606/ ADCMP607. - URL: http://www.analog.com/ media/en/technical-documentation/data-sheets/ADCMP606_607. pdf (19.04.16).

3. Паньшин А. Доработка частотомера FC250. - Радио, 2016, № 3, с. 23, 24.

4. Паньшин А. Предварительный усилитель-формирователь для частотомера FC250. - Радио, 2015, № 2, с. 18.

5. Паньшин А. Выносной щуп - делитель частоты на 10 для частотомера FC250. - Радио, 2015, № 4, с. 26, 27.

Дата публикации: 14.08.2016

Мнения читателей

• Андрей / 15.08.2016 - 13:31
  Емкость конденсатора С6 4,7мк.

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.

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.

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.

Цифровые микросхемы и их применение

Представленный делитель является приставкой к цифровому измерителю частоты. Благодаря его использованию возможно измерение частоты до 1,2 ГГц измерителем частоты с максимальным диапазоном измерений 10 МГц. Во входном каскаде делителя работает монолитный цифровой делитель ECL, который входную частоту делит в соотношении 1: 64.

Вход микросхемы предохранен от повреждения сигналами со слишком большой амплитудой диодами Шотки. Устройство хорошо работает при частотах от 30 МГц до 1,2 ГГц. Чувствительность делителя равна ~20 мВ при входном сопротивлении 50 Ом.

Схема приставки- делителя частоты

Входная частота, деленная на 64, поступает на следующие делители с соотношением 5/4. Транзистор Т1 доводит уровень ECL к стандарту TTL. Роль делителей 5/4 выполняет микросхема 74LS390, имеющая в своей структуре 2 бинарных десятичных счетчика.

Каждый из них имеет делитель на 2 и на 5. Разделение 5/4 состоит в том, что из каждых пяти входных импульсов пропускаются только 4. Если на вход делителя поступает 1600 импульсов, то после деления на 64 их будет 25. После прохождения через первый делитель их будет 20, а после прохождения через второй - 16. Таким образом реализуется деление на 100.

Следует помнить об умножении показаний измерителя частоты, работающего с делителем на 100.

Устройство можно встроить в имеющийся измеритель частоты или использовать в качестве щупа. Выводы элементов, использованных для делителя, должны быть как можно короче. Интегральные микросхемы следует впаять непосредственно в плату. После монтажа всю приставку следует заэкранировать.

Делитель требует напряжения питания 5 В. Прототипная схема потребляла ~70 мА.

Перечень элементов

Внимание! После монтажа схемы следует соединить между собой выводы интегральной микросхемы US3 (74LS132).

Сразу оговорюсь, что схемотехника построения делителей частоты на ТТЛ и КМОП практически ничем не отличается (единственным отличием может быть существование того или иного счетчика в каждой из серий). Таким образом схемы, приведенные в статье, могут быть использованы для построения делителей как на КМОП, так и на ТТЛ логике.

Проще и нагляднее всего реализовать делитель частоты с помощью счетных триггеров (D-триггеров). Именно такие триггеры являются основой для построения счетчиков. Они работают в широком диапазоне частот (от 0 до граничной частоты переключения элементов серии), достаточно помехоустойчивы, не требуют дополнительных навесных элементов и просты в повторении. Еще один вариант – использование в качестве делителя JK-триггер. Поскольку такой триггер поистине универсальный, его несложно включить в счетном режиме. Ниже представлено две схемы-делителя на 2. Один из них собран на счетном триггере (1 элемент микросхемы ТМ2), второй на JK-триггере (рис.1).

Рис.1. Делитель на D и JK триггере

Соединив несколько делителей на 2 можно получить линейку с выходными частотами f/2, f/4, f/8, f/16 (выходы Q1, Q2, Q3, Q4 соответственно (рис.2).

Рис.2

Поскольку в одном корпусе ТМ2 находится 2 D-триггера, то на одной микросхеме несложно собрать делитель частоты на 3 (рис.3).

Рис.3

Для построения делителя на 5 на JK-триггерах в схему придется добавить логический элемент 2И-НЕ (рис.4).

Рис.4

Еще один корпус ТМ2 понадобится чтобы построить делитель частоты на 10 (рис.5).

Рис.5

Для большего коэффициента деления удобнее использовать микросхемы счетчиков:

Делитель на 60

Делитель на 1000

Особый интерес представляет микросхема серии ТТЛ – К155ИЕ2. Состоит она из двух блоков — делителя на 2 (вход С1) и делителя на 5 (C2). При соединении выхода первого делителя (вывод 12) с входом второго, легко получить делитель на 10 (рис.6 а). Еще один полезный узел микросхемы — 2 входа сброса, соединенных по «И» (выводы 2,3). Благодаря этому узлу и выводам выхода с каждого триггера счетчика (выводы 12,9,8,11) несложно собрать делитель с числом от 2 до 10 без использования дополнительных элементов. Для примера на рисунке 6 б изображен делитель на 6, а на рис. 6 в – делитель на 8.