Схема делителя напряжения для китайского частотомера. Как улучшить технические характеристики частотомера по схеме А

Одно из направлений развития радиолюбительской техники связи - освоение все более высокочастотных диапазонов. Препятствием на этом пути оказывается отсутствие или ограниченная номенклатура измерительной аппаратуры. Предлагаемый вниманию читателей делитель частоты может работать совместно с частотомером, имеющим диапазон рабочих частот до нескольких мегагерц или даже килогерц, обеспечивая измерение частоты сигналов в диапазоне 0,1…3,5 ГГц.

Схема делителя частоты показана на рис. 1. Его основой стала специализированная микросхема синтезатора частоты ADF4113 (DD1), работающего в полосе до 3,7…4 ГГц. В ее состав входят несколько функциональных узлов, но в этой приставке использована только часть из них: входной усилитель СВЧ, программируемые предварительный делитель (ПД), делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД), мультиплексор и устройство управления. Благодаря наличию входного усилителя СВЧ чувствительность микросхемы составляет -15 дБмВт (около 40 мВ на нагрузке 50 Ом). Используя ПД и ДПКД, можно получить коэффициент деления от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч.

Следует отметить, что при создании делителей частоты удобно использовать коэффициенты деления, кратные 10, что облегчит считывание показаний частотомера. Особенно удобны коэффициенты, равные 1000 и 1000000. В первом случае частоте 1 ГГц будет соответствовать значение 1 МГц, а во втором - всего 1 кГц. Кроме того, в последнем случае станет возможным использование компьютера с программой виртуального частотомера или частотомеров цифровых мультиметров (правда, точность при этом будет не слишком высокой).

Этот делитель удобно использовать совместно с частотомером, описанным в “Радио” (Шарыпов А. Экономичный многофункциональный частотомер. - Радио, 2002, № 10, с. 26, 27), так как в этом устройстве имеется режим умножения показаний на 1000 для случая использования внешнего делителя частоты.

Для управления режимами работы микросхемы DD1 служит микроконтроллер (DD2). На D-триггере микросхемы DD3.1 собран делитель частоты на 2. Он необходим, так как на выходе микросхемы DD1 могут возникать короткие импульсы, которые частотомер воспринимает не всегда правильно. На выходе D-триггера формируются импульсы со скважностью 2, что делает работу частотомера более устойчивой. Кроме того, при входном сигнале недостаточного уровня эта микросхема блокирует выходные импульсы. Дополнительный усилитель на микросхеме DA2 с коэффициентом усиления около 25 дБ на частоте 1 ГГц повышает чувствительность всего устройства. На входе приставки установлен ФВЧ C1L1C2, который подавляет сигналы с частотами менее 80…100 МГц, резистивный аттенюатор R3R4R5 согласовывает вход усилителя, что обеспечивает устойчивую работу микросхемы DA2. Диоды VD3, VD4 защищают микросхему от перегрузки по входу.

На диодах VD1, VD2 собран выпрямитель, на ОУ DA1.1 - усилитель постоянного тока, а на ОУ DA1.2 - компаратор напряжения. Эти элементы совместно с микросхемой DD3 обеспечивают защиту от ложных результатов измерения. Дело в том, что во входном усилителе микросхемы DD1 при слабых сигналах возможно самовозбуждение, поэтому на ее выходе может быть сигнал, никак не связанный с входным, и это приведет к неверным измерениям. Указанные элементы блокируют работу D-триггера микросхемы DD3, если напряжение (или мощность) сигнала на входе не достигло определенного значения.
Напряжение питания всех узлов задано интегральным стабилизатором напряжения на микросхеме DA3; диод VD5 защищает устройство от питающего напряжения обратной полярности при неправильном подключении. Светодиоды служат для индикации режимов работы: наличия питающего напряжения - HL1 (зеленый) и включения режима измерения - HL2 (красный).

Делитель частоты работает следующим образом. После подачи питающего напряжения контроллер посылает управляющие команды на микросхему DD1, при этом в ПД и ДПКД устанавливаются требуемые коэффициенты деления, а мультиплексор подключает выход ДПКД к выходу микросхемы DD1. После этого микросхема DD1 переходит в экономичный режим “Sleep”. Входной сигнал через ФНЧ и аттенюатор поступает на вход усилителя на микросхеме DA1 (INA-03184). Выбор этой микросхемы обусловлен следующим. Она имеет широкий частотный диапазон при большом коэффициенте усиления: в диапазоне 0,1 …2,7 ГГц - 25 дБ, в диапазоне 2,7…5 ГГц коэффициент усиления плавно уменьшается до 15 дБ. Коэффициент шума усилителя очень мал - 2,2 дБ до 1 ГГц и не более 4 дБ до 3 ГГц. Предельная выходная мощность составляет несколько милливатт, что не создает перегрузки входного усилителя микросхемы DD1.

Усиленный сигнал поступает на вход микросхемы DD1 и на выпрямитель. После выпрямителя постоянное напряжение еще усиливается ОУ DA1.1 и поступает на компаратор. Если напряжение входного сигнала превысит определенное значение, то компаратор переключится, на его выходе появится напряжение высокого логического уровня, который разрешит работу делителя частоты на микросхеме DD3 и на его выходе появится импульсное напряжение с частотой, вдвое меньшей, чем на выходе микросхемы DD1. Одновременно светодиод HL2 начнет сигнализировать о том, что включен режим измерения.

В устройстве можно реализовать коэффициент деления от 100 до 1000000. При этом коэффициент деления в микросхеме DD1 надо установить вдвое меньше - от 50 до 500000. Частотный диапазон устройства ограничен снизу по причине того, что ПД микросхемы DD1 устойчиво работает при большой скорости изменения входного напряжения, на высоких частотах. По мере уменьшения частоты скорость изменения напряжения падает, что приводит к снижению чувствительности ПД. График зависимости чувствительности всего устройства в рабочей полосе частот показан на рис. 2.

Все детали размещают на печатной плате из двусторонне фольгированного стеклотекстолита, эскиз которой в масштабе 2:1 показан на рис. 3 (см. также фото на рис. 4). Вторая сторона оставлена металлизированной и соединена с общим проводом первой стороны через отверстия. Плату устанавливают в металлическом корпусе, на стенках которого установлены входное и выходное гнезда и размещены отверстия для светодиодов.
Плата рассчитана для установки микросхем в корпусах для поверхностного монтажа, кроме DA3 (стабилизатор напряжения) и DD2 (микроконтроллер), которую устанавливают в панельке. Микросхему DD1 можно заменить на ADF4112 с верхней рабочей частотой 3 ГГц или на ADF4111с частотой 1,2 ГГц.

В качестве усилителя DA2 можно применить микросхемы INA-54063, MSA-0204, MSA-0286. Детекторные диоды VD1, VD2 можно заменить на 2А201А, 2А202А; светодиоды - любые малогабаритные в пластмассовом корпусе диаметром 3…5 мм с рабочим током 5…10 мА. Полярные конденсаторы - танталовые или алюминиевые для поверхностного монтажа, неполярные - бескорпусные К10-17в или аналогичные импортные. Постоянные резисторы Р1-12 и аналогичные импортные, подстроечный - СПЗ-19. В табл. 1,2 приведены распечатки НЕХ-файлов для “прошивки” микроконтроллера (файл 5105.HEX и табл. 1 - для коэффициента деления 500000; файл 500.НЕХ и табл. 2 - для коэффициента деления 500).

Функциональные возможности устройства можно расширить, если усложнить управляющую программу и принципиальную схему. Так как микросхема DD2 имеет неиспользуемые выводы, то их можно запрограммировать как входы и подавать на них сигналы, по которым будут изменяться команды, поступающие на микросхему DD1. В этом случае можно изменять коэффициент деления, а также использовать второй ДПКД с максимальным коэффициентом деления 16383, который предназначен для деления частоты образцового генератора и работает в диапазоне 5…104 МГц.

Если в схему ввести переключатель и изменить “прошивку” микроконтроллера, то коэффициент деления можно будет изменять этим переключателем. Его контактную пару включают между выводом 4 микросхемы DD2 и общим проводом. В табл. 3 приведена распечатка НЕХ-файла для “прошивки” микроконтроллера для этого случая (файл 500-5105.HEX). В одном из положений переключателя коэффициент деления микросхемы DD1 будет 500000 (общий 1000000), а в другом - 500 (общий 1000).

И. НЕЧАЕВ, г. Курск
“Радио” №9 2005г.

Большинство частотомеров, собранных на микросхемах дискретной логики или микроконтроллерах, не позволяют измерять частоты выше 40...50 мГц. Для измерения частот выше этого значения необходимо использовать предварительный СВЧ делитель. Существует большое количество микросхем, на которых можно собрать такой предварительный делитель частоты, но, к сожалению, в магазинах их выбор довольно ограничен. Это объясняется тем, что в новых серийных разработках частотомеров и другой измерительной техники используются микросхемы все большей и большей степени интеграции - однокристальные синтезаторы, частотомеры и др. Отдельно микросхемы делителей частоты используются относительно редко, поэтому их стоимость высока и они довольно дефицитны. Но, к счастью для радиолюбителей, выбор пока еще есть.

Предлагаю несколько вариантов схем делителей для СВЧ измерений. Определяющий критерий при выборе элементной базы - простота схемы и доступность комплектующих. Конструктивно СВЧ делители частоты выполняются в виде выносного пробника, в качестве корпуса хорошо подходят металлические корпуса от внешних делителей напряжения, которые широко использовались в старых отечественных осциллографах.

Все схемы делителей частоты можно использовать совместно с частотомерами, описания которых есть на этом сайте. Сигнал с выхода делителя подается по кабелю длиной до 1 м на входной формирователь частотомера. Коэффициент деления учитывается в программе частотомера, поэтому на индикатор будет выводиться истинная частота измеряемого сигнала.

На этой страничке описано, как сделать СВЧ делитель частоты на микросхемах К193ИЕ2, К193ИЕ3, LB3500, SAB6456, TD6359, TD6380, TD6381, TD6382, TD7614 .

Серия 193 была освоена отечественной промышленностью в девяностые годы прошлого века на основе разработок фирмы "Plessey Semiconductors". Для предварительных делителей частоты можно использовать К193ИЕ2 и К193ИЕ3. Но эти отечественные микросхемы не полные аналоги импортных. Отличия в данном случае в расположении выводов и особенностях подачи напряжения питания.

Микросхема К193ИЕ2 является аналогом SP8685A, имеет диапазон рабочих частот от 40 до 500 мГц, коэффициент деления 10. Двойная амплитуда выходного напряжения около 0,8 В, чувствительность 100...200 мВ. Потребляемый ток около 50 мА. Схема делителя показана на рисунке.

К193ЕИ3 функциональный аналог SP8690. Схема ее включения имеет незначительные отличия от К193ИЕ2. Диапазон рабочих частот этого делителя несколько уже - от 30 до 200 мГц, но у него есть выход с TTL уровнями, сигнал с которого можно непосредственно, без входного формирователя, подать на логику частотомера. И потребляемый ток меньше - около 20 мА. Коэффициент деления равен10, чувствительность 100...200 мВ.

Хороший выбор для ВЧ делителя - микросхема LB3500 фирмы "Sanyo". Согласно datasheet, диапазон рабочих частот 30...150 мГц, но имеющийся у меня экземпляр устойчиво работает до 350 мГц. Коэффициент деления 8, чувствительность 100 мВ, двойная амплитуда выходного сигнала 0,9 В. Потребляемый ток около 20 мА. Простое и дешевое решение!

Особо следует отметить SAB6456 фирмы "Philips Semiconductors". Это делитель с диапазоном рабочих частот от 70 до 1000 мГц. Потребляемый ток около 20 мА, а заявленная чувствительность 10мВ! Двойная амплитуда выходного сигнала 1 В. Коэффициент деления равен 64 или 256.

Как уже упоминалось, микросхемы делителей частоты малой степени интеграции постепенно снимаются с производства. Иногда проще и дешевле приобрести микросхему синтезатора частоты, чем микросхему делителя. К счастью для радиолюбителей, в некоторых типах синтезаторов разработчики предусмотрели тестовый режим, при котором на один из выводов микросхемы подается входной сигнал после делителя с фиксированным коэффициентом деления. Тестовый режим включается определенной комбинацией уровней напряжения на управляющих входах синтезатора.

Один из таких синтезаторов TD6359 фирмы "Toshiba". Микросхема выпускается в корпусе DIP20. Схема делителя с ее использованием в тестовом режиме показана рисунке. Диапазон рабочих частот 80...1000 мГц. Коэффициент деления 256, выход с открытым коллектором. Чувствительность около 100...200 мВ, но потребляемый ток довольно значительный - 60...80 мА.

Аналогичную схему включения и параметры имеют синтезаторы TD6380, TD6381 и TD6382, которые также можно использовать в схеме СВЧ делителей. Цоколевка для DIP корпусов TD6380P и TD6380N совпадает с TD6359.

Еще один синтезатор, который может работать в тестовом режиме как СВЧ делитель - это TD7614F "Toshiba". Он выпускается в корпусе SOP20. Частотный диапазон 80...1300 мГц, чувствительность 100...200 мВ, потребляемый ток до 75 мА, двойная амплитуда выходного сигнала около 0,8 В. Коэффициент деления 128.

На практике я использую схемы на К193ИЕ3, LB3500 и TD7614. Планирую приобрести и испытать SAB6456.

Он достаточно совершенен, а писать прошивку самому лень.

Как правило частотомеры на PIC16F628А имеют верхний порог в 50-60Мгц. Хлюпин же утверждает, что его частотомер может измерять до 95 МГц, и это правда.

Дело оказывается не в контроллере, а в неудачных входных формирователях применённых в большинстве конструкций.
У Хлюпина для увеличения крутизны полевого транзистора к нему подключён биполярный, что позволило в несколько раз снизить выходное сопротивление каскада, и уменьшить падение напряжения под нагрузкой V3 Триггер шмидта выступает как дополнительный усилитель. Но параметры частотомера можно и улучшить.

Делитель частоты td6358 потребляет около 80мА, поэтому питание прибора от кроны безсмысленно. При питании от сети целесообразно питать входной формирователь повышенным напряжением, а значит можно подобрать оптимальные режимы по постоянному току и получить максимально возможный Ку.

Параметры входа до 100Мгц.
Чувствительность на частоте
10Мгц - 20мВ.
70МГц - 100мВ.
105МГц - 500мВ.
макс. входное напряжение на частотах
до 100кГц - 200В
до 1Мгц - 50В
до 100МГц - 7В
Схема прибора

Напряжение питания составляет 10В(так как напряжение больше 13-14В взять негде), что даёт возможность измерять частоты до 100 - 105Мгц. Если не предполагается работа в качестве шкалы его можно питать нестабилизированным напряжением. При питании 13,5В частотомер работает на частотах до ~110Мгц.

На частотах до 80 МГц удобней пользоваться НЧ входом, так как td6358 шунтирует гетеродины низким входным сопротивлением, вызывает срыв колебаний. Выше 80 начинает выигрывать td6358 из-за более высокой чувствительности на этих частотах, при гораздо меньшей точности, естественно.

Через частотнозависимый ограничитель на r6c4vd1vd2 сигнал поступает на повторитель с выходным сопротивлением менее 100 Ом. Здесь требуется транзистор с максимально возможной крутизной ВАХ. Применение повторителя ограничивает чувствительность на уровне 20мв, зато на вч он выигрывает у усилителей напряжения, которые из за высокого выходного сопротивления имеют ещё меньший К передачи, ведь входное сопротивление следующего каскада не более пары десятков Ом. Таким образом чувствительность такого формирователя более линейна во всём диапазоне частот.
Усилитель напряжения сделан на кт399 имеющем более высокий модуль К передачи на ВЧ чем кт368, чувствительность на вч заметно выше, а вот на НЧ несколько ниже чем с 368. Для получения максимального усиления ток покоя каскада выбран около 10мА, ВЧ дроссель l1 увеличивает коллекторное сопротивление в два раза на 100МГц, что так же даёт некоторый выигрыш. Резистивный делитель задаёт необходимое смещение, хотя триггер шмидта может работать и без него.

Далее сигнал поступает на коммутатор вч/нч входов на сдвоенном тумблере МТ-1, второй контакт переключает контроллер в режим умножения на 256, который выставляется в меню прибора. Далее на триггер шмидта. На НЧ он не нужен, на на вч очень кстати, оригинальный частотомер Хлюпина диапазоном частот обязан именно ему.

Делитель и формирователь на отдельных платах. Платы крепятся прямо на входных разъёмах. Контроллер и триггер шмидта на макетке закреплена поверх индикатора, источник питания навесным монтажом. Переключатель соединяется с платами витой парой МГТФ.
Для удобства нч вход выполнен на клеммах. При измерении вч, провода нужно свивать в витую пару.
Вид на монтаж:

Для входа в меню нужно нажать нажать все три кнопки. Кноками 0.1 и 1 выполняется перебор, 10- подтверждение с переходом в следующий пункт.
Структура меню:
1-Время измерения по умолчанию
2-номер делителя(вкл. соединением выводов 8/9 на землю) и К деления(должен быть включен)
3-знак и номер ПЧ(6/7 на землю)
4-номинал выбранной пч(после подтверждения надпись «---- SETUP -----»)
через 3 секунды бездействия выход из меню.
Для калибровки нажать кнопку 10 на 3 сек. далее кнопками вводится истинная частота кварца. Гораздо удобней настроиться конденсатором.

До изготовления выносного щупа для частотомера FC250, позволяющего ему измерять частоту до 500 МГц, автор собрал несколько делителей частоты на микросхеме К193ИЕ2, описанных в Интернете. В них измеряемый сигнал подавался непосредственно на вход счётчика или на вход предварительного усилителя на транзисторе. У всех образцов была выявлена сильная зависимость частоты на выходе от амплитуды входного сигнала и низкая помехоустойчивость.

Согласно техническому описанию делителя частоты К193ИЕ2 , его нормальная работа возможна лишь при подаче на вход импульсов с достаточными амплитудой и крутизной перепадов. Поэтому на входе щупа, получившего название ВЩ-500, был установлен компаратор ADCMP606 и введена регулировка чувствительности. Этот щуп делит частоту входного сигнала на 10. Совместно с частотомером FC250 он позволяет измерять частоту от 2 до 500 МГц с дискретностью 100 Гц. Его чувствительность во всём интервале измеряемых частот не ниже 0,65 В. От источника напряжения питания 5 В щуп потребляет ток 80...85 мА. Входное дифференциальное сопротивление - около 70 кОм.

Схема щупа изображена на рис. 1. В нём применены микросхемы DA1 - ADCMP606BKSZ-R2 (компаратор стандарта CML с максимальной рабочей частотой 750 МГц) и DD1 - К193ИЕ2 (делитель частоты на 10 до 500 МГц). Согласно стандарту, CML на входы компаратора подают смещение, близкое к напряжению питания +3,3 В. Но микросхема ADCMP606 относится к категории Rail-to-Rail и поэтому может работать при напряжении на входах от 0 до плюса напряжения питания. В щупе ВЩ-500 на входы DA1 подано смещение, равное половине напряжения питания. С входных контактов щупа через цепочки R1C1 и R2C2 измеряемый сигнал поступает на входы (выводы 3 и 4) компаратора DA1. Цепь из резисторов R3-R7 позволяет переменным резистором R3 регулировать чувствительность щупа, изменяя постоянное напряжение между входами DA1 от 0 до 0,5 В. Противофазные выходы DA1 соединены с плюсом питания через резисторы R8 и R9. Благодаря их малому сопротивлению (56 Ом) сравнительно большое входное сопротивление делителя частоты DD1, подключённого к одному из выходов компаратора, не нарушает симметрии последнего.

Рис. 1. Схема щупа

На вход микросхемы делителя частоты DD1 поступают прямоугольные импульсы амплитудой 0,4 В с длительностью перепадов 160 пс. Резистор R10, понижая постоянное напряжение на входе делителя, предотвращает его самовозбуждение в отсутствие сигнала.

При подключении к частотомеру FC250, согласно описанию в напряжение питания щупа +5 В поступает с имеющегося в частотомере стабилизатора напряжения. С выходов делителя DD1 противофазный сигнал частотой до 50 МГц поступает на входы предварительного усилителя-формирователя частотомера FC250 . РазъёмХР1 размещён на отдельной плате, соединённой с основной жгутом из четырёх проводов длиной 600...800 мм. На этой же плате расположен резистор R12.

В отличие от описанного в выносного щупа, работоспособного до частоты 300 МГц, ВЩ-500 работает на частоте до 500 МГц. Оба щупа без использования внешнего делителя могут регистрировать колебания синусоидальной и прямоугольной формы с амплитудой до 5 В. Регулировка чувствительности переменным резистором R3 позволяет подавить помеху, если её амплитуда меньше амплитуды полезного сигнала.

На частотах 100...200 МГц ВЩ-500 может реагировать на гармоники сигналов неправильной формы амплитудой более 0,5 В, что приводит к удвоению частоты на выходе. Если регулировкой чувствительности не удаётся отстроиться от гармоник, можно понизить входное сопротивление ВЩ, припаяв на время параллельно его входным контактам резистор сопротивлением от 100 Ом до 1 кОм.

Чертёж печатной платы щупа показан на рис. 2, а расположение деталей на ней - на рис. 3. Технология изготовления платы подробно описана в . Все установленные на плате постоянные резисторы и конденсаторы - типоразмера 1206 для поверхностного монтажа. Переменный резистор R3 - R-0904n-A1K (РП1-74). Перед установкой на плату отогните его боковые крепёжные лепестки под прямым углом в разные стороны. Концы лепестков обрежьте по месту и припаяйте к фольге общего провода. Незадействованные выводы микросхемы К193ИЕ2 удалите.

Рис. 2. Чертёж печатной платы щупа

Рис. 3. Расположение деталей на плате

Разъём ХР1 (WF-4R) установлен на небольшой плате, аналогичной изображённой на рис. 13 в . Резистор R12 там обозначен как R1. Внешний вид собранного щупа ВЩ-500 показан на рис. 4.

Рис. 4. Внешний вид собранного щупа ВЩ-500

Собрав плату щупа ВЩ-500 без компаратора DA1 и резисторов R3 и R10, припаяйте к соответствующим контактным площадкам платы жгут проводов с разъёмом Хр 1 и подключите его к частотомеру, доработанному согласно . Обычно делитель частоты DD1 само-возбуждается. Устраните самовозбуждение подборкой резистора R10, после чего установите на плату компаратор и недостающие резисторы. Если самовозбуждение компаратора DA1 не удаётся остановить переменным резистором R3, вероятная причина этого - обрыв или плохая пайка одного из выходов DA1.

Литература

1. Нефёдов А. В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги. Справочник, т. 3 - М.: ИП РадиоСофт, 2000.

2 Rail-to-Rail, Very Fast, 2.5 V to 5.5 V, Single-Supply CML Comparators ADCMP606/ ADCMP607. - URL: http://www.analog.com/ media/en/technical-documentation/data-sheets/ADCMP606_607. pdf (19.04.16).

3. Паньшин А. Доработка частотомера FC250. - Радио, 2016, № 3, с. 23, 24.

4. Паньшин А. Предварительный усилитель-формирователь для частотомера FC250. - Радио, 2015, № 2, с. 18.

5. Паньшин А. Выносной щуп - делитель частоты на 10 для частотомера FC250. - Радио, 2015, № 4, с. 26, 27.

Дата публикации: 14.08.2016

Мнения читателей

• Андрей / 15.08.2016 - 13:31
  Емкость конденсатора С6 4,7мк.