Входной усилитель-формирователь для цифровой шкалы-частотомера
Такой функциональный узел, как входной усилитель-формирователь — это необходимая составляющая цифровой шкалы-частотомера для сигналов, уровень которых не превышает десятков милливольт. Подаваемый на вход такого усилителя сигнал усиливается до уровня, достаточного для стабильной работы микросхем цифровых счетчиков. Усилитель не должен оказывать шунтирующего влияния на цепь, к которой подключается шкала, и поэтому его входное сопротивление должно быть высоким, а входная емкость — малой. Кроме того, формируемый на выходе усилителя сигнал с цифровыми уровнями не должен содержать паразитных импульсов, способных внести ошибку в измерение частоты электронно-счетным способом.
Рис.1. Схема усилителя-формирователя.
После ряда экспериментов, в том числе неудачных, автор имеет честь предложить на суд читателей схему, изображенную на рис.1. Собственно счетные импульсы на выходе схемы формируются триггером Шмитта D1:1. В этом качестве использовался один из шести элементов недорогой и популярной микросхемы SN74HC14N. При температуре окружающего воздуха +25°C и напряжении питания 5 В типовые уровни верхнего и нижнего порогов срабатывания такого триггера Шмитта составляют соответственно чуть более +2,5 В и чуть менее +1,6 В [2]. Процесс формирования счетных импульсов поясняет диаграмма на рис.2.
Рис.2 Формирование счетных импульсов триггером Шмитта.
Синяя синусоида на рис.2 — это аналоговый сигнал на входе триггера Шмитта, красным цветом изображен цифровой сигнал прямоугольной формы на его выходе. Из состояния лог.»0″ на выходе триггер переключается в состояние лог.»1″ в момент, когда уровень входного сигнала опустится ниже порога, обозначенного на диаграмме зеленой горизонтальной линией — это нижний порог срабатывания триггера Шмитта. Следующее переключение триггера, но уже обратно — из состояния лог.»1″ в лог.»0″ — происходит лишь когда уровень сигнала на входе превысит верхний порог, обозначенный фиолетовой горизонтальной линией. Затем уровень входного сигнала должен снова пересечь нижний порог, и так далее. Поэтому для уверенного переключения триггера Шмитта размах переменной составляющей сигнала на его входе должен быть больше, чем отстоят друг от друга его верхний и нижний пороги срабатывания при условии, что уровень постоянной составляющей сигнала на входе триггера расположен между этими порогами посередине. При этом различные помехи с меньшим размахом не могут вызвать сбойное переключение триггера Шмитта и повлиять на результат измерения частоты.
Такую работу триггера Шмитта D1:1 обеспечивает усилитель входного сигнала на транзисторах VT1, VT2 и VT3. Постоянное напряжение на подсоединенном ко входу триггера коллекторе транзистора VT3 поддерживается в пределах между уровнями верхнего и нижнего порогов срабатывания триггера Шмитта при колебаниях в широких пределах температуры окружающего воздуха (см. диаграмму на рис.3) и питающего напряжения +Vc (см. диаграмму на рис.4). Это стало возможным благодаря отрицательной обратной связи по постоянному току, которой охвачен усилитель путем подачи части постоянного напряжения с выхода схемы в токозадающую цепь источника стабильного тока, выполненного на полевом транзисторе VT1. Этот же транзистор работает как первый каскад усиления поступающего на вход переменного сигнала. На биполярных транзисторах VT2 и VT3, включенных по каскодной схеме, выполнен второй каскад усиления.
Рис.3 Зависимость постоянного напряжения на коллекторе транзистора VT3 от температуры окружающего воздуха (Vc = 9В, Vd = 5В).
Рис.4 Зависимость постоянного напряжения на коллекторе транзистора VT3 от напряжения питания +Vc (Tокр. = 20°С).
Для определения чувствительности собранного по схеме на рис.1 усилителя-формирователя на его вход с высокочастотного генератора Г4-158 подавался синусоидальный сигнал частотой 1 МГц, путем постепенного увеличения уровня которого определялся порог, где уже обеспечивалось надежное формирование счетных импульсов на выходе схемы. Частотная характеристика усилителя-формирователя была выявлена путем последовательного повторения этой операции с увеличением частоты входного сигнала: на частотах до 4 МГц чувствительность была не хуже 10 мВ, а на частоте 32 МГц она составила около 30 мВ. Уменьшение чувствительности усилителя-формирователя с ростом частоты входного сигнала характеризует диаграмма на рис.5. Хорошие частотные свойства усилителя обусловлены применением высокочастотных транзисторов и каскодным построением второго каскада усиления [1].
Рис.5 АЧХ усилителя-формирователя: уменьшение усиления с ростом частоты входного сигнала.
Не менее важной является устойчивая работа усилителя-формирователя и при высоком уровне входного сигнала, когда усилитель работает уже как ограничитель, то есть за пределами относительно линейной области своей передаточной характеристики. Периодически повторяющиеся при этом переходные процессы могут породить на выходе усилителя — входе триггера Шмитта — лишние перепады напряжения и, как следствие, ложные импульсы на выходе схемы. На рис.6 приведена осциллограмма с формой напряжения на коллекторе транзистора VT3 при подаче на вход усилителя сигнала частотой 1 МГц с уровнем более 70 мВ. По скругленным углам «трапеций» хорошо видно, что усилитель на транзисторах VT1, VT2 и VT3 «мягко» входит в режим ограничения и так же «мягко», то есть без каких-либо признаков переходного процесса (всплесков, затухающих колебаний и пр.) выходит из него. Понятно, что при такой работе усилителя ни о каких ложных импульсах на выходе триггера Шмитта не может быть и речи.
Рис.6 «Мягкое» ограничение сигнала на коллекторе транзистора VT3 (Uвх. = 70 мВ).
Чтобы напряжение на входе триггера Шмитта D1:1 не выходило за пределы допустимого, верхний уровень ограничения напряжения на коллекторе транзистора VT3 следует установить несколько ниже напряжения питания микросхемы триггера. В схеме на рис.1 этот уровень устанавливается делителем из резисторов R7 и R6, напряжение с которого поступает на базу транзистора VT3. Резистор R7 делителя подключен к шине питания цифровых микросхем +Vd, в том числе микросхемы D1, и поэтому, как это видно на осциллограмме на рис.6, напряжение на коллекторе транзистора VT3 не покидает пределы диапазона от 0 В до +5 В для Vd = 5В. При другом значении Vd верхний уровень ограничения напряжения на коллекторе транзистора VT3 также будет иным.
Налаживание усилителя-формирователя сводится к установке резистором R3 напряжения на коллекторе транзистора VT3, с тем, чтобы его значение лежало примерно посередине между верхним и нижним порогами срабатывания триггера Шмитта D1:1. Для микросхемы SN74HC14N при напряжении питания Vd = 5 В это около 2,0…2,1 В. Еще один способ установки требуемого напряжения состоит в следующем. На вход усилителя-формирователя с высокочастотного генератора следует подать синусоидальный сигнал частотой в пределах 0,2…1 МГц и уровнем раза в полтора-два больше порога чувствительности, скажем 20 мВ, и резистором R3 установить на выходе триггера Шмитта форму прямоугольного цифрового сигнала близкую к «меандру», то есть с равной длительностью лог.»0″ и лог.»1″.
Ток, потребляемый от источника питания +Vc правильно собранным и налаженным усилителем-формирователем, не превышает 5 мА.
Максимально допустимый уровень входного сигнала определяется напряжением отсечки полевого транзистора VT1. Для КП303И это не более 0,5 В. Следует отметить, что при большем уровне входного сигнала усилитель может и не понадобиться — при правильном подключении хватит и одного триггера Шмитта.
Если максимальная частота входного сигнала не превышает 20 МГц, то биполярные транзисторы VT2 и VT3 вполне можно заменить на КТ361Б.
В статье приведены действующие значения напряжений сигналов.
©Журнал «Радиоаматор» №3 за 2008г., г.Киев
©Задорожный Сергей Михайлович, 2008г.
Большинство самодельных цифровых частотомеров имеют низкое входное сопротивление, большую входную ёмкость и низкую чувствительность.
Указанные выше факторы могут негативно сказаться на точности измерений частоты. Чтобы избежать этого, можно изготовить активный широкополосной входной щуп для цифрового частотомера.
Принципиальная схема такого щупа показана на рис.1. Устройство представляет собой высокочувствительный входной щуп с формирователем прямоугольных импульсов, имеет высокое входное сопротивление и малую входную ёмкость. Диапазон входных частот, при которых устройство сохраняет работоспособность, лежит от 2 Гц до 38 МГц. Это значительно превышает диапазон рабочих частот других аналогичных устройств, в которых верхняя граничная частота формирователя прямоугольных импульсов обычно не превышает 1. 10 МГц.
На частотах выше 1 МГц обычно нет необходимости использовать формирователь прямоугольных импульсов для корректной работы цифрового частотомера, но применение более широкополосного активного щупа повышает удобство работы с частотомером, поскольку уменьшается количество ручных переключений частотомера из «низкочастотного» режима работы в «высокочастотный» и наоборот. Применение активного широкополосного входного щупа также позволяет уменьшить вероятность неточного измерения сигналов низкой частоты, когда частотомер работает в «высокочастотном» режиме.
Высокая чувствительность и большое входное сопротивление позволяют измерять частоту маломощного генератора, просто расположив наконечник щупа рядом с кварцевым резонатором или контуром. Также для измерения рабочей частоты кварцевого резонатора обычно достаточно прикоснуться щупом к его металлическому корпусу. Для измерения частоты работающего передатчика домашней, автомобильной радиостанции достаточно соединить накоротко «крокодил» общего провода с наконечником выносного блока и поднести образовавшуюся петлю к «П» контуру или антенне на расстояние 1. 10 см. Такой бесконтактный способ измерения удобен тем, что практически не влияет на параметры измеряемой цепи.
Работа устройства
Входной периодический сигнал произвольной формы через защитную цепь из элементов С1, R1, С2, R2, СЗ, R3 поступает на затвор п-канального высокочастотного полевого транзистора с изолированным затвором VT1. Входное сопротивление щупа в режиме работы с сигналом амплитудой до 1,5 В около 1 МОм. Входная ёмкость около 4 пФ. Диоды VD1-VD6 ограничивают амплитуду входного сигнала и защищают VT1 от перегрузки по входу. Усилительный каскад на VT1 получает питание через RC-фильтр R7, С4, С5. Далее сигнал со стока VT1 через разделительный конденсатор С7 поступает на двухкаскадный усилитель на полевых транзисторах VT2 и VT3, включенных по схеме с общим истоком.
Каскад на транзисторах VT4 и VT5 придает усиленному до ТТЛ уровней сигналу форму, близкую к прямоугольной, и сигнал через резистор R16 подаётся на один из входов DD1.1. Триггер Шмитта на логических элементах D1.1 и D 1.2 и выходной буфер на D1.3 и D1.4 увеличивает крутизну фронтов, формирует прямоугольный сигнал, уже пригодный для подачи на вход счетчиков/делителей ТТЛШ- или КМОП-микросхем.
При подаче на вход устройства низкочастотного синусоидального сигнала амплитудой 10. 20 мВ на стоке VT3, благодаря общему высокому коэффициенту усиления, форма сигнала уже приближается к прямоугольной, благодаря чему формирователь может безошибочно работать в области низких частот. Светодиод HL1 информирует о наличии напряжения питания +5 В. Конденсаторы С9-С11 блокировочные по цепям питания.
Конструкция и детали
Все детали устройства, кроме светодиода, можно смонтировать на печатной плате размерами 122×22 мм (рис.2). Входной щуп собран в корпусе размерами 175x20x20 мм от генератора сетчатого поля для телевизоров УЛПЦТИ (см. фото).
В конструкции можно применить резисторы типа С1-4, С1-14, МЛТ или аналогичные импортные. Резисторы устанавливают вертикально. Подстроечный резистор РП1-63М или аналогичный. Конденсаторы применены керамические К10-17, К10-50 или импортные. Конденсатор С1 малогабаритный плёночный на рабочее напряжение постоянного тока 250 В. С таким конденсатором на вход щупа можно подавать низкочастотный сигнал (менее 100 кГц) амплитудой до 160 В. Оксидные электролитические конденсаторы импортные малогабаритные низкопрофильные, предпочтительнее танталовые на рабочее напряжение от 6 В.
Диоды 1N4148 можно заменить КД503, КД510, КД521, КД522. Светодиод АЛ307КМ можно заменить любым другим. Вместо транзистора КП305Д подойдёт любой из серий 2П305, КП305.
На время монтажа этого транзистора все его выводы обматывают проволочной перемычкой, этот транзистор должен продаваться с соединёнными вместе выводами с помощью тонкой трубки. Транзистор КП307Е можно заменить любым из серии КП307, 2П307, предпочтительнее 2П307А. Транзисторы КТ645Д можно заменить КТ645, КТ6111, ВС550. Цоколёвка некоторых транзисторов показана на рис.2, вид со стороны выводов. ИМС К1533ЛАЗ можно заменить К531ЛАЗ или высокоскоростной К1554ЛАЗ.
Дроссель L1 малогабаритный промышленного изготовления индуктивностью 22. 100 мкГн с сопротивлением обмотки не более 0.2 Ом.
Настройка устройства
Вход щупа с помощью «крокодила» временно закорачивают с общим проводом. Подбором резисторов R5 и R10 нужно установить напряжения на стоках VT1 и VT2 2. 3 В. Подбором R8 установить напряжение 1,5. 2 В на стоке VT3. Далее на вход формирователя подают синусоидальный сигнал частотой 50. 100 Гц и амплитудой 1. 50 мВ. Подстройкой положения подвижного контакта R15 добиваются прямоугольной формы сигнала на выводе коллектора VT5. При отсутствии осциллографа R15 подстраивают по максимальной чувствительности.
Подключив устройство к входу цифрового частотомера, подбором R18 добиваются устойчивого переключения микросхемы DD1 на низких частотах при наименьшей амплитуде входного сигнала. При необходимости, повысить чувствительность устройства можно, подключив к выводу базы VT5 конденсатор ёмкостью 2,2. 15 мкФ, вывод минуса которого соединён с общим проводом.
Для питания активного щупа подойдёт источник напряжения +4,9. 5,3 В с током нагрузки 0,2 А. При наличии в частотомере напряжения +5 В, можно его использовать, если этот источник питания имеет запас по мощности.
После настройки устройства печатную плату оборачивают несколькими слоями липкой ленты, поверх которой наматывают экранирующий слой липкой алюминиевой фольги. Экран из алюминиевой фольги соединяют с общим проводом устройства. После этого плату можно вставить в корпус. Такой активный щуп в течение длительного времени эксплуатируется совместно с частотомером-конструктором модели F51.12, собранном на микроконтроллере 80С31 (1830ВЕ31).
Широкое распространение микроконтроллеров позволяет создавать на их основе измерители частоты. Однако, как правило, такие конструкции имеют существенный недостаток, так как они рассчитаны на обработку сигналов с логическими уровнями. Их возможности расширяет описываемое устройство
Удобство работы с универсальным частотомером, способным измерять частоту и длительность временных интервалов, во многом зависит от наличия в его составе входного усилителя-формирователя, а также от качества и возможностей этого усилителя. Требования к этому узлу, используемому в частотомере и измерителе временных интервалов, различны, а по отдельным параметрам и вовсе совершенно противоречивы.
Наиболее удобные для обработки частотомером прямоугольные импульсы имеют конечное значение длительности фронта и спада. Для измерителя временных интервалов внесение входным усилителем дополнительной временной задержки недопустимо. Наоборот, он должен формировать как можно более крутой фронт и спад импульсов на заданном уровне порога компарации. Это требование особенно важно для сигналов с формой, отличной от прямоугольной. Для частотомера более пригоден усилитель-формирователь с гистерезисом.
Реальные сигналы имеют выбросы, и не исключены помехи. Применение обычных фильтров целесообразно для низкочастотных частотомеров. Для высокочастотных частотомеров и измерителей временных интервалов предлагается простая и практически воспроизводимая схема усилителя-формирователя, способного выполнять следующие операции:
- обрабатывать входные сигналы по ложительной и отрицательной по лярности напряжением от 0,3 до 20 В;
- плавно регулировать уровень порога компарации входного сигнала в пределах 0,3. ..7,5 В;
- надежно работать при частоте входных импульсов от 0 до 2,5 МГц, сохраняя работоспособность практически до значений частоты в 5 МГц
- измерять длительность импульсов более 0,3 мкс (при подборе порога компарации перед сменой предела измерения этот порог может быть снижен до 0,1 мкс).
представлена на рис. 1. Усилитель состоит из электронного переключателя-формирователя, собранного на логических элементах микросхемы D1, и двух параллельно включенных и идентичных по построению каналов, каждый из которых представляет собой компаратор напряжения на двухканаль-ном быстродействующем операционном усилителе А1, А2. Верхний по схеме канал предназначен для обработки входных сигналов положительной полярности, нижний — отрицательной полярности. Входной сигнал через ограничительный резистор R1 и конденсатор С1 поступает на вход 3 операционного усилителя А1. В момент превышения входным напряжением порога компарации, определяемого напряжением на входе 2 ОУ А1, напряжение на выходе 6 ОУ скачкообразно увеличивается, а при уменьшении ниже порога компарации скачкообразно уменьшается.
Рис. 1 Принципиальная схема входного усилителя
Порог компарации устанавливается переменным резистором R10. Нижний предел порога компарации определяется падением напряжения на диоде D3 и составляет примерно 0,3 В, а верхний — параметрами элементов делителя напряжения R9R10D3 и равен, соответственно, 7,5 В. Напряжение на выходе делителя R3R4 определяет порог ограничения входного сигнала, при превышении которого открывается диод D1. Избыток напряжения падает на резисторе R1, предотвращая перегрузку иу по входу. Точно так же работает второй канал устройства, собранный на ОУ А2. С выходов ОУ А1 и А2 импульсы через диоды D5 и D6, исключающие прохождение сигналов отрицательной полярности, поступают на электронный коммутатор-формирователь. Этот узел разрешает прохождение сигналов с канала "положительной" или "отрицательной" полярности в соответствии с сигналом управления, который поступает с переключателя SA1. Переключателем SA1 пользователь вручную устанавливает режим усилителя (выбор канала) в соответствии с полярностью измеряемого сигнала. Можно отказаться от коммутации каналов, соединив катоды диодов D6 и D5 и обеспечив тем самым автоматический выбор полярности входного сигнала. Однако при работе с двухполяр-ным сигналом, например синусоидальным, частотомер покажет удвоенное значение частоты.
Усилитель разработан для частотомера, собранного на КМОП микросхемах.
При использовании его в приборах с микросхемами ТТЛ на выходе необходимо предусмотреть преобразователь уровня, собранный, например, на микросхеме К561ПУ4.
Напряжение питания усилителя можно увеличивать до ±15 В. При этом улучшается его частотная характеристика, и расширяются пределы величины допустимого входного напряжения.
В устройстве можно использовать любые маломощные кремниевые диоды серий КД521, КД503,1 N3207 с обратным напряжением не менее 30 В; маломощные германиевые диоды серий Д9, Д311, 1N3206, 1N3203. Операционные усилители КР544УД2Б могут быть заменены на К544УД2 без изменений в монтаже платы. Допускается применение ОУтипа К574УД1. При замене микросхемы К561ЛА7 на К561ЛЕ5 функция переключателя SA1 изменится на противоположную. Использование микросхем К176ЛА7 или К176ЛЕ5 несколько ухудшит частотные характеристики. При настройке усилителя необходимо выставить напряжение в пределах 7,3. 7,5 В на верхнем по схеме выводе резисторов R10, R 12, R4, R6. При необходимости следует подобрать резисторы R9, R3, R11, R5.
