Активный широкополосной входной щуп для частотомера

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.

Рис. 1

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, С3, R3 поступает на затвор n-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 VТ1 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 D1.2 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.

Рис. 2

В конструкции можно применить резисторы ти­па С1-4, С1-14, МЛТ или аналогичные импортные. Резисторы устанавливают вертикально. Подстроен­ный 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 К1533ЛА3 можно заменить К531ЛА3 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).

Автор: Андрей Бутов, с. Курба, Ярославской обл.