Цифровой счетчик-частотомер

Этот автономный прибор позволяет производить разнообразные временные и частотные измерения как цифровых, так и аналоговых сигналов. Его устройство наиболее сложное по сравнению с конструкциями всех рассмотренных ранее приборов, поэтому рекомендуем приступать к его изготовлению только после того, как вы уже сделаете два-три более простых прибора.
Описание схемы. Основу цифрового счетчика-частотомера составляет популярная микросхема 7216А, представляющая собой универсальный счетчик. В микросхему встроены высокочастотный генератор, декадный счетчик, 8-декадный счетчик данных и защелка, дешифратор для 7-сегментных индикаторов и восемь усилителей (драйверов) для управления светодиодными индикаторами. Максимальная входная частота прибора равна 10 МГц в режиме измерения частоты и числа импульсов и 2,5 МГц в остальных режимах.
Микросхема 7216А может работать как частотомер, измеритель периода, измеритель отношения частот, измеритель временных интервалов или как накапливающий счетчик. Для построения многофункционального прибора требуется минимум внешних схем (рис. П2.26).

Рис. П2.26. Принципиальная электрическая схема цифрового счетчика-частотомера.

Поскольку оба сигнальных входа микросхемы 7216А (вход А — контакт 28 и вход В — контакт 2) являются цифровыми, причем порог переключения при питании +5 В составляет 2 В, необходимы цепи формирования внешних входных сигналов. Они представлены двумя широкополосными усилителями на транзисторах TR1 и TR2 для входа A и на транзисторах TR3 и TR4 для входа В. Усилители абсолютно одинаковы и обеспечивают формирование прямоугольного выходного сигнала с амплитудой 5 В при подаче на вход синусоидального напряжения со средним значением 100 мВ (при этом входные селекторы S1 и S2 находятся в положении переменного тока).
С помощью S1 и S2 можно подавать также входные сигналы постоянного тока (что важно при использовании устройств низкой частоты и счета событий) и сигналы с большой амплитудой. Кнопки S3 и S4 предназначены для фиксации и сброса индикатора, а с помощью переключателей S5 и S6 выбирают диапазон и род работы.
Для уменьшения объема монтажных работ, в цифровом счетчике-частотомере используются два 4-разрядных мультиплексированных 7-сегментных индикатора D11 и D12. Разводка контактов индикаторов показана на рис. П2.27.

Рис. П2.27. Разводка контактов 7-сегментного индикатора.

Конденсаторы С6—С9 обеспечивают развязку по питанию, а диод D3 понижает напряжение питания при работе от сухих батарей, а не от аккумуляторов. В случае применения аккумуляторов диод D3 просто закорачивается перемычкой.
Когда прибор работает от никель-кадмиевых аккумуляторов, последние можно подзаряжать в нерабочее время, подключая SK3 и SK4 к источнику постоянного напряжения 12 В (например, к сетевому блоку питания или автомобильному аккумулятору). Диод D2 защищает прибор от неправильного подключения, а светодиод D1 сигнализирует о процессе заряда. Зарядный ток ограничивается на уровне примерно 250 мА с помощью резистора R20, который должен рассеивать мощность не менее 2,5 Вт. Продолжительность заряда при полностью разряженных аккумуляторах составляет примерно 12 ч.
Монтаж. Все компоненты прибора, за исключением находящихся на лицевой панели и держателя для батарей, монтируются на печатной плате с размерами 110×110 мм (40 полосок с 40 отверстиями). Монтажная схема платы представлена на рис. П2.28.

Рис. П2.28. Монтажная схема платы.

Всего необходимо сделать на плате 45 разрывов печатных проводников.
Рекомендуется следующая последовательность монтажа: гнезда для микросхем, пистоны, индикаторы, перемычки, резисторы, диоды и конденсаторы. После тщательной проверки платы можно вставить в гнездо микросхему. Монтажная схема компонентов на лицевой панели показана на рис. П2.29.

Рис. П2.29. Монтажная схема лицевой панели.

Отверстие с размерами 100×20 мм для индикатора следует тщательно разметить и аккуратно вырезать надфилем, а затем его края обработать тонкой шкуркой.
Сзади к лицевой панели эпоксидной смолой прикрепляется красный поляризованный фильтр. Постарайтесь, чтобы смола не выступала на видимую часть фильтра и весь индикатор имел аккуратный вид.
Закончив монтаж лицевой панели, прикрепите печатную плату с помощью четырех стоек длиной 28 мм к основанию корпуса. Затем соедините кусочком плоского кабеля лицевую панель с печатной платой. Желательно, чтобы соединения были прямыми и по возможности короткими. Несоблюдение этой рекомендации может привести к помехам, вызывающим хаотические показания индикаторов при работе от батарей с пониженным напряжением.
С помощью болтов М3 и гаек к основанию корпуса крепится футляр батарей, а на задней стороне корпуса монтируются зарядные гнезда SK3 и SK4. На рис. П2.30 показаны надписи, которые наносятся на лицевой панели прибора.

Рис. П2.30. Внешний вид лицевой панели.

Проверка. При работе прибора от сухих батарей убедитесь, что перемычка отсутствует (см. рис. П2.28), а затем вставьте четыре батареи типа С напряжением 1,5 В каждая в футляр. Если прибор будет работать от аккумуляторов, необходимо проверить наличие перемычки и вставить в футляр четыре заряженных никель-кадмиевых аккумуляторов типа С. Затем поставьте S5 во включенное положение и измерьте постоянное напряжение питания на конденсаторе С7. Оно должно находиться в диапазоне от 4,5 до 5,5 В, в противном случае проверьте монтаж S7.
Теперь поставьте переключатель в положение Контроль, а переключатель диапазона — в положение «0,1 с/1 Гц». Исправный прибор должен индицировать число 10000.0, что соответствует частоте внутренней синхронизации 10 000 кГц. Если на индикаторе такого показания нет, проверьте монтаж IC1, D11, D12, S5 и S6. Когда индикатор вообще ничего не показывает, т. е. ни один из сегментов не светится, следует сначала проверить напряжение питания на контакте 18 микросхемы IC1, а затем монтаж кварца XI, R15, ТС1 и С3. Получив на индикаторе показание 10000.0, при прежних положениях переключателей функции и диапазона нажмите кнопку S4. При нажатой кнопке S4 на индикаторе должен высвечиваться 0.
Отметим, что старшие нули, т. е. нули слева от десятичной точки, не индицируются. Затем отпустите кнопку S4 и нажмите кнопку фиксации S3. Показания индикатора 10000.0 при нажатой кнопке S3 не должны изменяться. После этого отпустите кнопку S3 и проверьте показания прибора на различных диапазонах измерения согласно данным табл. П2.4.

Отметим, что в последнем случае старшая цифра (1) переполняет индикатор слева и для смены показаний индикатора требуется 10 с.
Теперь вернитесь на диапазон «0,01 с/1 Гц» и поочередно при различных положениях переключателя функции убедитесь в том, что показания прибора полностью соответствуют данным, приведенным в табл. П2.5.

Если прибор ничего не индицирует, нужно тщательно проверить правильность монтажа переключателей S5 и S6.
Наконец, цифровой счетчик-частотомер следует проверить от реального источника TTЛ-сигналов, например от генератора импульсов, описанного в табл. П2.5. Подайте на вход прибора прямоугольный сигнал частотой 500 Гц с коэффициентом заполнения 0,5. Затем установите переключатели функции в положении Частота и диапазон «1 с/100 Гц». Проверьте, высвечивается ли на индикаторе число 500 при каждом положении переключателя S1, а затем верните его в положение ТТЛ. После этого убедитесь в том, что прибор индицирует в зависимости от положения переключателя функции показания согласно данным табл. П2.6.

На этом проверка прибора заканчивается, и он считается готовым к работе. Батарей хватает примерно на 8—12 ч работы. Прибор сохраняет работоспособность при снижении напряжения питания примерно до 4,5 В. Если напряжение будет еще снижаться, то будет ухудшаться свечение индикатора и прибор начнет индицировать хаотические показания.
Компоненты. Резисторы (угольные, 0,25 Вт, 5 %): R1 = R3 = R9 = R14 = 1 кОм; R2 = R4 = R17 = R18 = 10 кОм; R5 = R10 = R8 = R13 = 47 кОм; R6 = R11 = 100 Ом; R7 = R12= 220 Ом; R15 (0,5 Вт) = 10 МОм; R16 = 22 кОм; R19 = 270 Ом; R20 (2,5 Вт) = 27 Ом; конденсаторы: С1 = С2 = 0,47 мкФ (полистироловый, 100 В); 7 пкФ (полистироловый); С4 = С5 = 68 пкФ (керамический); С6 = 100 мкФ (электролитический, 16 В); С7 = 10 мкФ (электролитический, 25 В); С8 = С9 = 0,1 мкФ (полистироловый); VC1 = 5,5÷65 пкФ (миниатюрный триммер); полупроводниковые приборы: IC1 — 7216А; D1 — красный светодиод (с линзой); D2, D3 —1 N4001; D11, D12 — 4-разрядный индикатор с общим анодом; TR1—TR4 — ВС548.
Дополнительные детали: S1, S2 — миниатюрный однополюсный тумблер со средним положением; S3, S4 — миниатюрная кнопка, нормально разомкнутая; S5 — поворотный однополюсный переключатель на 12 положений (упор зафиксирован на четыре положения); S6 — поворотный однополюсный переключатель на 12 положений (упор зафиксирован на шесть положений); S7 — миниатюрный двухполюсный тумблер на два положения; 28-контактное гнездо для микросхемы; корпус типа Verobox с размерами 205x140x75 мм (номер детали 202-21035F), необязательная подставка для фиксации наклонного положения прибора; односторонние пистоны диаметром 1 мм (23 шт.); кусок платы типа Veroboard; болты, гайки, стойки (по 4 шт.); гнездо типа BNC с креплением на шасси (2 шт.); гнездо диаметром 2 мм с креплением на шасси (2 шт.); ручка (2 шт.); футляр для четырех батарей типа С; кварц (X1) 10 МГц, типа HC18/U; красный поляризованный фильтр для индикатора с размерами 100X35X0,76 мм.