Эксплуатация частотомера FC250 с выносным щупом (ВЩ), передающим сигнал на той же частоте, выявила нестабильность его показаний и перегрев микросхемы DD2 на плате частотомера FC250 [1] на частотах более 150 МГц. Эта частота является предельной для большинства микросхем, применённых в предварительных усилителях-формирователях (ПУ) и на входе FC250. Поэтому был изготовлен новый ВЩ, схема которого с ПУ приведена на рис. 1. ПУ собран по схеме рис. 1 из [1], изменены номиналы некоторых элементов. ВЩ собран на двух микросхемах: DA1 (ADCMP604KSZ-R2) - КМОП-компараторе, имеющем время задержки 1,6 нс, входное дифференциальное сопротивление до 70 кОм, и делителе частоты на 10 - DD1 (КС193ИЕ3) [2], имеющем рабочий диапазон частот от 100 кГц до 270 МГц.
Рис. 1. Схема выносного щупа с ПУ
Способ подачи напряжения смещения на входы компаратора DA1 с помощью резисторов R3-R7 позволяет подстроечным резистором R3 изменять напряжение гистерезиса и регулировать чувствительность ВЩ. Высоким входным сопротивлением компаратора ADCMP604, достигающим 70 кОм, объясняется большое сопротивление резисторов R4 и R5, выбранное так, чтобы наименее шунтировать входы компаратора. Выходы компаратора DA1 подключены к входам делителя DD1 без разделительных конденсаторов через согласующие резисторы R8-R10, которые нужны для того, чтобы исключить подачу на входы делителя противофазного напряжения более 2 В в статическом режиме.
В отличие от своего прототипа SP8690A, КС193ИЕ3 не является в полной мере микросхемой стандарта ЭСЛ, напряжение смещения на её входах (выводы 11 и 12) соответствует стандарту PECL, что даёт возможность соединять их напрямую с выходами компаратора ADCMP604 стандарта LVDS. При этом противофазный сигнал прямоугольной формы с ADCMP604 подаётся сразу на оба дифференциальных входа делителя, что позволяет работать ВЩ практически во всём диапазоне рабочих частот КС193ИЕ3.
В статическом режиме разность напряжений на входах микросхемы КС193ИЕ3 0,5 В предотвращает её самовозбуждение, а подача противофазного сигнала уровня LVDS (0,35 В) позволила с новым ВЩ получить диапазон измеряемых FC250 частот от 400 кГц до 270 МГц при малой входной ёмкости, большом входном сопротивлении и дискретности измерения в 100 Гц. На участке от 1 до 200 МГц чувствительность частотомера FC250 с ВЩ не хуже 0,35 В, в режиме "мягкого" управляемого самовозбуждения компаратора DA1 не хуже 0,2 В, а по краям диапазона измерений не хуже 0,65 В.
Не было цели добиваться нижней границы рабочей частоты делителя КС193ИЕ3 в 100 кГц. Но при увеличении ёмкости конденсаторов С1 и С2 до 43 пФ нижняя рабочая частота ВЩ становилась менее 300 кГц.
Напряжение питания +5 В подаётся на ВЩ от стабилизатора напряжения частотомера FC250, потребляемый ток - приблизительно 35 мА. Вывод 6 делителя КС193ИЕ3, выход ТТЛ с открытым коллектором, не задействован и оставлен неподключённым. С его выводов 2 и 4 противофазный сигнал стандарта ЭСЛ по шлейфу длиной 0,3-1 м подаётся на входы ПУ, который размещён на плате FC250 и формирует сигналы уровня ТТЛ, необходимые для работы частотомера [1, 3].
Резистор R12 установлен на конце шлейфа, в месте его соединения с ПУ. Оба дифференциальных входа ВЩ равноценны, они не соединены ни с общим проводом, ни с линией питания частотомера.
При работе оба контакта ВЩ подключают к измеряемому объекту. Для удобства один из контактов ВЩ можно подключать к общему проводу измеряемого устройства отрезком провода длиной до 10 см с зажимом "крокодил" на конце. Применение ВЩ позволяет измерять частоту сигналов уровней ТТЛ и ЭСЛ, частоту гетеродинов различных типов радиоприёмников в диапазонах от ДВ до УКВ-2 при небольшом влиянии ёмкости ВЩ на их частоту. На диапазонах с большим перекрытием по частоте, в частности УКВ-2, из-за снижения напряжения гетеродина на низкочастотном участке частоту удаётся измерить только в режиме управляемого самовозбуждения ВЩ, тогда как подключение других щупов, с меньшим входным сопротивлением, приводило к срыву генерации. В случае недостаточного уровня измеряемого сигнала, при уста-новке малого уровня чувствительности ВЩ и в случае плохого контакта щупа с измеряемым устройством происходит занижение или срыв показаний частотомера. При подаче на ВЩ сигнала частотой 100-200 МГц и напряжением более 0,5 В, имеющего неправильную форму, компаратор DA1 может удваивать частоту. В этом случае для уменьшения напряжения сигнала ВЩ подключают к источнику сигнала через аттенюатор, детали которого можно припаять прямо к контактам ВЩ. Частотомер FC250 по-прежнему может измерять сигналы частотой от 50 Гц до 100 МГц с дискретностью 10 Гц. Для этого вместо шлейфа с ВЩ к конденсаторам С6 и С7 на входе ПУ [1] подключают провода длиной до 20 см с ограничительными резисторами сопротивлением до 1 кОм.
ВЩ собран на плате из фольгированого с двух сторон стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Плата изготовлена методом прорезания фольги после высверливания на ней отверстий. Чертёж платы показан на рис. 2. ПУ можно собрать на плате по рис. 2 в [1].
Рис. 2. Чертёж платы выносного щупа
В устройстве применены конденсаторы и резисторы, за исключением R3 и R12, для поверхностного монтажа типоразмера 1206 или 0805. Переменный резистор R3 - 3310Y или любой другой, подходящий по размерам и расположению выводов. Резистор R12 - выводной, мощностью 0,125 Вт, расположен на конце шлейфа, соединённом с ПУ Компаратор DA1 - для поверхностного монтажа в корпусе SOT 323-6, делитель КС193ИЕ3 (в корпусе DIP-16) установлен в панель, из которой вынуты незадействованные контакты. При установке микросхемы КС193ИЕ3 непосредственно на плату у её неподключённых выводов удаляют концы, вставляемые в отверстия.
Расположение деталей показано на рис. 3. Перемычки на контактных площадках для проводов шлейфа, предотвращающие отслоение фольги при их распайке, и контакты ВЩ изготовлены из лужёного провода диаметром 0,75 мм. Остальные перемычки и "прошивка" краёв платы выполнены лужёным проводом диаметром 0,5 мм. Фотография нижней стороны печатной платы приведена на рис. 4. Правильно собранный ВЩ налаживания не требует. Если самовозбуждение ВЩ не устраняется резистором R3, то основная причина этого - обрыв (плохая пайка) одного из выходов компаратора DA1. Щуп помещён в пластмассовый корпус. Крепёжные отверстия сверлят "по месту" на облу-женных краях платы ВЩ. Можно просто обмотать щуп липкой лентой, оставив снаружи контакты и шлиц подстроечного резистора R3.
Рис. 3. Расположение деталей на плате ВЩ
Рис. 4. Фотография нижней стороны печатной платы
На рис. 5 приведён пример измерения максимальной частоты 300 МГц.
Рис. 5. Пример измерения максимальной частоты 300 МГц
Литература
1. Паньшин А. Предварительный усилитель-формирователь для частотомера FC250. - Радио, 2015, № 2, с. 18-20.
2. Хлюпин Н. СВЧ-делители частоты. - URL: http://ra4nal.qrz.ru/prescaler.shtml (19.02.15).
3. Нечаев И. Щуп-компаратор для частотомера. - Радио, 2014, № 7, с. 20.
Автор: А. Паньшин, г. Москва