Elektronika 
 
Częstościomierz w.cz.
Część 1
Hefajstos
Przy doświadczeniach z wysokimi częstotliwościami, oprócz opisywanego GDO, bardzo przydatny będzie częstościomierz, pozwalający na określanie częstotliwości sygnału. Przyrząd taki będzie także konieczny do wyskalowania falomierza – generatora. Proponowany układ został przygotowany w taki sposób, by mógł być wykorzystany w czasie lekcji lub wyglądów.

Projektując częstościomierz, postawiłem sobie kilka zadań: Po pierwsze, potrzebowałem częstościomierza który mógłbym użyć na wykładzie na temat emitowania i odbierania fal radiowych. Musiał więc to być przyrząd który dałoby się obserwować z całej długości klasy. Musiał mieć dość dobrą dokładność – przynajmniej taką jak skale częstotliwości w profesjonalnych radiostacjach no i musiał być prosty w konstruowaniu, tak by można było się pokusić o jego budowę nie tracąc na to więcej niż dwa wieczory. No i najważniejsze: powinien mieć w miarę sensowny zakres mierzonych częstotliwości. Nie musi to być daleki UHF, ale 100MHz mogłoby się przydać.

Mierznie częstotliwości, to po prostu licznie impulsów przez zadany czas. Im dłużej liczymy – tym dokładniej możemy określić częstotliwość. Z drugiej strony – lepiej jak wynik jest w miarę aktualny. Dlatego rezygnując z dokładności do 1 Hz, możemy dokonywać pomiaru – kilka razy na sekundę. Ponadto, jeśli chcemy mierzyć częstotliwości rzędu kilkudziesięciu megaherców, to potrzebujemy liczniki które potrafią liczyć tak szybko. Liczniki procesora Atmega – niestety się z tym nie wyrobią, bo maksymalna częstotliwość z jaką można zliczać – to połowa częstotliwości zegara taktującego procesor, dlatego jeśli liczymy na prostotę i chcemy skorzystać z tego układu, wejściową częstotliwość musimy wstępnie podzielić.

W prezentowanym tu układzie zdecydowano się na:

  • Zakres pomiarowy – 100MHz
  • Częstotliwość wejściowa jest wstępnie dzielona :16 – co daje maksymalną częstotliwość na wejściu procesora równą 6,25MHz, a więc odpowiednią dla procesowa taktowanego zegarem 16 MHz
  • Zastosowanie zegara taktującego procesor – jako podstawy pomiaru czasu. Stabilizacja częstotliwości rezonatorem kwarcowym powinna być wystarczająca
  • Dokładność pomiaru – 6 cyfr znaczących, a w zasadzie – 6 cyfr pokazujących częstotliwość z dokładnością do 100 Hz – do zastosowań radiowych – to w zupełności wystarczy.
  • Zastosowanie wyświetlaczy siedmiosegmentowych wysokości 1 cala. Będą czytelne nawet pewnej odległości i zmieszczą się na płytce uniwersalnej o wymiarach 15 x 9 cm. Mniejsze są nieczytelne z pewnej odległości a większe – wymusiłyby większe rozmiary przyrządu.
  • Montaż na płytce uniwersalnej, ze względu na pewien margines „prób i błędów” założony podczas konstruowania.
Co jest potrzebne
Do uruchomienia urządzenia będziemy potrzebowali generatora – na przykład opisywanego tu GDO. Do uruchomienia stopnia wejściowego niezbędny będzie także dostępu do oscyloskopu o paśmie co najmniej 20 MHz.
Stabilizator napięcia
Wszystkie człony częstościomierza zasilane są napięciem 5V. Wyższe – może spowodować uszkodzenie procesowa, niższe – jego nieprawidłową pracę a także problemy z działaniem wzmacniacza wejściowego i preskalera. Dlatego napięcie wejściowe – czy to z zasilacza, czy z akumulatorów – musimy ustabilizować.

Częstościomierz nie pobiera dużego prądu, wiec wystarczy nam stabilizator liniowy – na przykład układ scalony 7805. Ze względu na możliwość pobierania prądu przekraczającego 100mA, nie należy używać wersji 78L05 tego układu. Warto też wyposażyć go w niewielki radiator.

 

Wzmaczniacz wejściowy
Układy cyfrowe – takie jak procesor pracują z sygnałami cyfrowymi, rozpoznając tylko dwa stany napięcia wejściowego – wysoki – bliski napięciu zasilania, oraz niski – bliski 0V. Tymczasem w układach wysokich częstotliwości mamy do czynienia z przebiegami sinusoidalnymi o różnych amplitudach, i aby taki sygnał doprowadzić do układy cyfrowego – należy go co najmniej wzmocnić. Dlatego na wejściu częstościomierza umieścimy wzmacniacz zbudowany na trzech tranzystorach przystosowanych do pracy przy częstotliwościach radiowych.

 

Wzmacniacz składa się z trzech stopni wzmocnienia. Pierwszy, zbudowany na tranzystorze JFET, ma za zadanie wzmocnienie prądu wejściowego. Tranzystory tego typu są sterowane napięciowo i praktycznie nie pobierają prądu z wejścia. Dzięki temu miernik będzie w bardzo małym stopniu zaburzał działanie badanego układu. Zastosowano tu tranzystor BF256C, ale z powodzeniem będzie pracował także BF245B, czy inny tranzystor tego typu. Aby uchronić tranzystor przed spaleniem zbyt wysokimi napięciami, na wejściu umieszczono ogranicznik napięcia zbudowany na dwóch diodach małej mocy i oporniku.

Dwa kolejne stopnie – to wzmacniacze napięciowe zbudowane na dowolnych tranzystorach NPN wysokiej częstotliwości. Ich wzmocnienie zapewnia uzyskanie na wyjściu sygnału którym można już bez problemów sterować układy cyfrowe.

Przy częstotliwościach przekraczających kilka megaherców – istotny jest sposób montażu. Sygnał powinien być prowadzony prostymi i jak najkrótszymi ścieżkami (przy naprawdę wysokich częstotliwościach stosuje się nawet montaż przestrzenny). Tu każdy odcinek przewodu zaczyna zachowywać się jak indukcyjność, a dwa przewodniki biegnące obok siebie – zachowują się tak, jakby między nimi był kondensator. Prowadzi to do „wzbudzania się” układu który jest niepoprawnie rozplanowany – dodatkowe pojemności i indukcyjności potrafią zamienić wzmacniacz w generator. Szczególną uwagę należy zwrócić na sposób prowadzenia masy oraz zasilania. Masą najlepiej zrealizować jako większe pole otaczające ścieżki prowadzące sygnał, a linię zasilającą, co kawałek odsprzęgać (zwierać dla sygnałów wysokiej częstotliwości) kondensatorami z masą.

 

To samo dotyczy przewodu doprowadzającego sygnał do częstościomierza – powinien być on specjalnie przystosowany do przewodzenia sygnałów wysokiej częstotliwości. W praktyce stosuje się zazwyczaj przewód koncentryczny zakończony specjalnymi wtykami. Dla małych mocy – zazwyczaj stosuje się złącza BNC i przewód koncentryczny o impedancji falowej 50 omów.

 

Montaz
Montaż rozpoczynamy od rozplanowania położenia elementów na płytce drukowanej zaczynając od elementów zajmujących najwięcej miejsca – wyświetlaczy oraz gniazd – wejściowego o zasilającego.

 

Wyświetlacze montujemy w podstawkach pod układy scalone. Pozwoli to na ich prostą wymianę jeśli któryś się uszkodzi i umieści je na odpowiedniej wysokości nad płytką.

 

Wzmacniacz wejściowy montujemy tuż przy gnieździe BNC. Obok wzmacniacza powinniśmy umieścić preskalera. Przewody którymi biegnie sygnał w.cz. muszą być jak najkrótsze. W części cyfrowej – nie jest to już specjalnie istotne.

Lista elementów
  • Płytka uniwersalna 15x9cm. Pola lutownicze nie połączone
  • Podstawki DIL14 (17 sztuk)
  • Gniazdo BNC do druku
  • Gniazdo zasilające 5,5/2.1 (lun inne, jeśli mamy zasilacz z inna wtyczka)
  • Gniazdo IDC 2x5 – do podłączenia programatora
  • Wyświetlacze siedmiosegmentowe, (6 sztuk), wysokość cyfry 25 mm, wspólna anoda1
  • Niewielki radiator do stabilizatora 7805
  • Układ scalony 7805
  • Procesor Atmega8
  • Układ scalony 4081 lub inny zawierający dwuwejściową bramkę AND
  • Układ scalony 74S74
  • Rezonator kwarcowy 16 MHz
  • Dioda prostownicza 1N4001
  • Diody 1N4148 (2 sztuki)
  • Tranzystor BF245, BF256 lub podobny tranzystor J-FET z kanałem typu N, przystosowany do pracy z wysokimi częstotliwościami
  • Tranzystor BF199 lub podobny tranzystor NPN wysokiej częstotliwości (2 sztuki)
  • Tranzystor BC557 lub podobny tranzystor PNP małej mocy (6 sztuk)
  • Kondensator ceramiczny 22pF (2 sztuki)
  • Kondensator ceramiczny 100pF
  • Kondensator ceramiczny 10nF (2 sztuki)
  • Kondensator ceramiczny lub monolityczny 100nF (10 sztuk)
  • Kondensator elektrolityczny 1-10 µF (7 sztuk)
  • Kondensator elektrolityczny 100-470 µF
  • Opornik 47 Ω (7 sztuk)
  • Opornik 150 Ω
  • Opornik 1 kΩ (3 sztuki)
  • Opornik 22 kΩ (3 sztuki)
  • Opornik 4,7 kΩ (7 sztuk) Opornik 1 MΩ
  • Drobne elementy montażowe (drut, śruby, nakrętki M3)
  • Cyna i kalafonia do lutowania

1
 przy wspólnej katodzie trzeba zmienić tranzystory startujące na NPN, i zmodyfikować program
 
Opinie
 
Facebook
 
  
2160 wyświetleń

numer 8/2017
2017-08-03

Od redakcji
Dydaktyka
Felieton
Film
Informatyka
Matematyka
Polityka
Rozmaitości
Sztuka życia

nowyOlimp.net na Twitterze

nowy Olimp - internetowe czasopismo naukowe dla młodzieży.
Kolegium redakcyjne: gaja@nowyolimp.net; hefajstos@nowyolimp.net