Не все цифровые мультиметры могут измерять частоту, а те недорогие, в которых есть такая возможность, обычно имеют низкую чувствительность и ограниченный частотный диапазон.
Предлагаемое устройство представляет собой преобразователь частота-напряжение и, конечно, не заменяет цифровой многоразрядный частотомер, а дополняет его. Оно имеет лучшие параметры, чем опубликованные в [1, 2]. С его помощью можно измерять частоту сигнала произвольной формы в диапазоне 5 Гц...2,5 МГц. В интервале 5 Гц...5 кГц измерения можно проводить с дискретностью в 1 Гц, если это позволяет разрядность мультиметра (для мультиметров с дисплеем на 3,5 знака - 5 Гц...1999 Гц). Погрешность при измерении частот до 50 кГц не превышает 0,2%±1 ед. младшего разряда. На более высоких частотах погрешность немного увеличивается, но не более чем до 0,8%. Температурная нестабильность показаний в интервале комнатных температур - не более 0,04% на 1°С. Устройство потребляет ток не более 30 мА. Период измерения - 2...3 раза в секунду, что соответствует периоду измерения мультиметра. Предусмотрен индикатор перегрузки по частоте.
Измеряемый частотный диапазон разбит на 4 интервала. Для мультиметров с неполным четырехразрядным дисплеем (3999) это будут:
- первый диапазон - 5...3999 Гц,
- второй - 50...39990 Гц,
- третий - 500...399900 Гц,<>
- четвертый - 5 кГц...2,5 МГц.
При измерении частоты переключатель рода работ на мультиметре устанавливается в положение для измерения постоянных напряжений. Это позволяет использовать с приставкой любой мультиметр с входным сопротивлением не менее 1 МОм без необходимости перестройки приставки.
Рис.1. Принципиальная схема приставки-частотомера
Входной сигнал произвольной формы амплитудой 100 мВ...50 В через разделительно-защитную цепь (рис.1) поступает на затвор полевого транзистора VT2. Этот каскад обладает высоким входным сопротивлением и малой входной емкостью, поэтому практически не шунтирует сигнал амплитудой до 3 В в диапазоне звуковых частот. Усиленный входной сигнал со стока VT2 поступает на дифференциальный усилитель на транзисторах VT3, VT4. С коллектора VT4 снимается сигнал близкой к прямоугольной формы и поступает на триггер Шмитта DD1.1, DD1.2. Сигнал прямоугольной формы снимается с вывода 11 DD1.2 и подается для последующей обработки на микросхемы DD3...DD5, включенные как делители частоты на 10.
В зависимости от выбранного переключателем SA1 диапазона частот, на формирователь импульсов на DD1.3, DD1.4 подается сигнал с одного из счетчиков DD3...DD5 или с выхода инвертора DD1.2. Дифференцирующая цепь на C11-R16 задаёт постоянную длительность формируемых импульсов, скважность которых зависит от частоты исследуемого сигнала. Сформированные импульсы поступают на усилитель мощности на параллельно включенных инверторах DD2.2...DD2.4. С выхода усилителя стабильные по амплитуде и длительности импульсы поступают на термокомпенсированный генератор стабильного тока на VT5, VT6, R17, R18, VD9.
Когда напряжение на накопительном конденсаторе С9 превысит уровень 600 мВ (частота 6 кГц на выходе DD1.4), линейность преобразования частота-напряжение ухудшается. Чтобы не было ошибки, устройство оснащено индикатором перегрузки на транзисторе VT1, инверторе DD2.1 и мигающем светодиоде HL1.
Миниатюрная лампа накаливания EL1, включенная в разрядную цепь конденсатора С9, компенсирует небольшой отрицательный температурный дрейф напряжения на выходе приставки.
На микросхеме DA1 и светодиоде HL2 собран стабилизатор напряжения на 6...6,5 В, которое необходимо для обеспечения высокой точности работы приставки. ИМС КР142ЕН17А способна работать при малом падении напряжения между входом и выходом и как нельзя лучше подходит для устройств с батарейным питанием. При ее отсутствии стабилизатор можно собрать по схеме, приведенной на рис.2. Подробные сведения о микросхеме КР142ЕН17 можно почерпнуть в [3].
Рис.2. Стабилизатор напряжения на 6...6,5 В
Детали и конструкция. Постоянные резисторы можно использовать типа МТЛ-0,125, С1-4-0,125; подстроечные - СПЗ-38а, СПЗ-386, РП1-63М. Для облегчения настройки, R15 лучше взять многооборотный, типов СП5-2, СПЗ-39а, сопротивлением 470 Ом. Конденсатор С11 - пленочный, желательно, с минимальным ТКЕ, например, К31-10, К31-11. Оксидный конденсатор С9 - ниобиевый К53-4.
На его место можно поставить конденсатор другого типа с малой утечкой (К52, К53). Остальные оксидные конденсаторы - К50-24, К50-35 или их импортные аналоги. Неполярные блокировочные конденсаторы - КМ-5, КМ-6, К10-176. Диоды VD1...VD8, VD10 - КД503, КД510, КД522, 1N4148. Мигающий светодиод HL1 - любого типа, предпочтительнее красного свечения. Светодиод HL2 должен быть серии АЛ307 с индексами А, Б, К или Л. Диод VD9 - обязательно германиевый, например, Д20, Д9.
Полевой транзистор VT2 можно заменить на любой из серии КП305. При отсутствии полевых транзисторов с изолированным затвором и n-каналом, допустимо применить транзисторы с p-n-переходом, например, КП307, КПЗОЗ. VT1, VT3, VT4 - КТ3102, КТ3130, SS9018, 2SD734; VT5, VT6 - любые из серий КТ3107, SS9015.
Микросхемы DD1, DD2 заменимы аналогичными серий 564, КР1561. С изменением схемы включения счетчики DD3...DD5 можно заменить на К561ИЕ14, КР1561ИЕ14. На месте DD4, DD5 можно использовать и К176ИЕ4, К176ИЕ2, также включив их как делители частоты на 10.
Приставка смонтирована на плате размерами 110x60 мм (фото на обложке) навесным или печатным монтажом. Транзисторы VT5, VT6 и диод VD9 размещаются вплотную друг к другу. На них надвигается небольшой бумажный цилиндр, который потом заливается парафином. Блокировочные конденсаторы С6, С7 устанавливаются вблизи микросхем DD1, DD2. На рис.1 показано минимально необходимое число блокировочных конденсаторов. Если приставка будет эксплуатироваться только в стационарных условиях, то напряжение питания микросхем желательно увеличить до 9В.
Подав на устройство напряжение питания, в отсутствие сигнала на входе измеряют напряжение на стоке VT2, которое должно быть около 2,4 В. При необходимости оно устанавливается подбором R7. Далее VT5 и R18 временно отсоединяются от выходов DD2.2...DD2.4 и подключаются к выводу "+" конденсатора С8. Подбором R18 устанавливается ток коллектора VT6 в пределах 1,5...2 мА. Восстановив прежнее соединение, на вход устройства с генератора подается синусоидальный сигнал частотой 1000 Гц и амплитудой 250 мВ. Контролируя осциллографом сигнал на коллекторе VT4, вращением движка R11 добиваемся меандра. Если это не удается, следует подобрать R8. Первый этап настройки закончен.
Далее, к выходу приставки подключается мультиметр, включенный на режим измерения постоянных напряжений (пределы -1999,9 мВ, 400 мВ или 200 мВ). К выходу генератора сигналов подключается эталонный частотомер. На генераторе устанавливается частота 3800 Гц или 1800 Гц амплитудой 1 В. Подбором R19 и подстройкой R15 добиваются показаний на дисплее 380,0 мВ (180,0 мВ). Затем частота генератора уменьшается в 10 раз. Если показания на цифровом частотомере и мультиметре разошлись более чем на ±2 ед. младшего разряда, то следует проверить VT5, VT6, VD10, С9. Практически же, никакого расхождения в показаниях быть не должно! Переключая SA1, убеждаемся в работе делителей частоты DD3...DD5.
Термокомпенсацию всего устройства можно произвести, подключая последовательно с R19 терморезистор или лампу накаливания. Если показания на мульметре уменьшаются с ростом окружающей температуры, то следует подключить терморезистор с положительным ТКС или малогабаритную лампу накаливания на 24...60 В. Если показания мультиметра увеличиваются с ростом температуры (естественно, при неизменной частоте входного сигнала), то подключается терморезистор с отрицательным ТКС. Если получилась перекомпенсация, то термодатчик надо зашунтировать обычным резистором.
Примерное сопротивление подключаемого термодатчика при температуре 25°С - 30...300 Ом. Термокомпенсацию можно выполнить и подругому, например, подключением параллельно с С11 керамического конденсатора на несколько десятков пико-фарад с требуемым ТКЕ.
При монтаже транзистора VT2 и микросхем следует соблюдать обычные меры предосторожности при работе с МОП-приборами. Выводы и корпус полевого транзистора перед снятием замыкающей трубочки временно обматываются мягкой проволочной перемычкой.
Если приставкой потребуется измерять более высокие частоты, то микросхемы необходимо заменить функциональными аналогами из серии КР1554, например, КР1554ИЕ6, переделать входной усилитель и снизить напряжение питания ИМС до 5,5 В. Соответственно, потребуется увеличить и число делителей. Когда от приставки потребуется более высокая чувствительность, можно добавить еще один каскад на полевом транзисторе или построить дифференциальный усилитель (VT3, VT4) по схеме токового зеркала.
При возникновении трудностей с приобретением подходящего малогабаритного переключателя, можно построить его функциональный аналог на микросхеме К561ТМ2, включенной как двухразрядный двоичный счетчик, и мультиплексоре К561КТЗ. Переключение диапазонов в этом случае производится одной кнопкой (TD-06XEX SMD). Следует учитывать, что после многократной перегрузки требуется несколько секунд для восстановления высокой точности счета (из-за локального разогрева кристаллов VT5, VT6).
Источники
- Нечаев И. Комбинированный частотомер. - Радио, 1993, N9, С.22-24.
- Гриев Ю. Аналоговый частотомер с автоматическим выбором предела измерения. В помощь радиолюбителю. - Москва: Патриот, 1990, N108, С.40-51.
- Нефедов А. Микросхемы серии КР142ЕН17 -стабилизаторы напряжения. - Радио, 1998, N6, С.65.
Автор: А.БУТОВ, с.Курба, Ярославской обл.