Как улучшить технические характеристики частотомера по схеме А

Как улучшить технические характеристики
частотомера по схеме А.Денисова. Схемы. Платы.
Входной формирователь
Так как PIC контроллер считает до 30 мГц., то нет практической
необходимости использования каких-то специальных схем входных
формирователей.
Вполне подойдет "родная" схема входного формирователя частотомера
А.Денисова.
"Ленивые" могут в схеме формирователя ничего не менять и оставить все
как есть, но я бы посоветовал заменить транзистор VT1 (КТ315) на более
высокочастотный, например, на КТ368БМ или, еще лучше, на КТ399А, а
также увеличить емкость конденсатора С6 с 22н до 100 или до 150н.
Хуже от этого не станет.
Примечание: реально, PIC16F84A и PIC16F628 могут работать на частотах
и выше 30 мГц., так что величина верхней границы скорости счета в 30
мГц. достаточно условна.
Буферное устройство.
Входной формирователь имеет низкое входное сопротивление, что,
естественно, является большим его недостатком.
Для повышения входного сопротивления частотомера, между входом
частотомера и входом формирователя, необходимо включить некое
буферное устройство с высоким входным и низким выходным
сопротивлением.
Иногда такое устройство выполняется в виде выносного пробника.
Такой вариант может устроить тех, кто не хочет вносить изменений в
основную конструкцию.
Лично меня больше устраивает вариант расположения выносного
пробника на плате частотомера или на какой-то отдельной плате, но
внутри конструкции частотомера, что я и сделал в своем частотомере.
За основу взята схема буферного устройства ЧМ/ЦШ Н.П.Хлюпина.
Я ее несколько "трансформировал" и получилось вот что:
На транзисторах VT1 и VT2 собрано буферное устройство, а на транзисторе
VT3 - входной формирователь.
Входное сопротивление буферного устройства - около 500 ком.
Ниже Вы видите принципиальную схему базового модуля (собственно,
самого ЧМ/ЦШ).
Соедините правый по схеме вывод резистора R11 (выход входного
формирователя) с точкой соединения 2-го и 3-го выводов ПИКа (счетный
вход ПИКа), и Вы получите принципиальную схему ЧМ/ЦШ с входным
сопротивлением около 500 ком.
Оптимальная настройка буферного устройства и формирователя
Если все радиоэлементы исправны и не допущено ошибок при сборке,
буферное устройство начинает работать сразу.
Напряжение на коллекторе VT2 должно быть 2,5 - 2,6V (при измерении
соединить вход частотомера с корпусом коротким проводником).
Если это не так, то необходимо подобрать номинал резистора R2.
Далее работаем только с формирователем (транзистор VT3).
При настройке формирователя особое внимание нужно уделить
определению оптимального положения рабочей точки транзистора VT3.
От положения рабочей точки VT3 (регулируется резистором R7) зависит и
чувствительность частотомера, и его помехоустойчивость.
Причем, улучшение одного параметра достигается за счет ухудшения
другого, то есть существует потребность в компромиссе между этими
параметрами (в оптимизации).
Многие считают чувствительность частотомера более определяющим
показателем, чем его помехоустойчивость, добиваются высокой
чувствительности, а потом вынуждены наблюдать хаотические показания
прибора вместо нулевых (когда измерений частоты не производится).
При непосредственной связи выхода формирователя со счетным входом
PIC контроллера (что и имеет место быть), достигнуть достаточно высокой
чувствительности можно даже, используя всего один каскад усиления, но
злоупотреблять этим не стоит, так как, в противном случае, частотомер
будет "ловить все что попало" (например, радиоизлучения достаточно
мощных передатчиков) и точностные его характеристики ухудшатся за
счет погрешностей, вносимых помехами.
Так что все хорошо в меру и чувствительность порядка 0,2 - 0,25V, при
хорошей помехоустойчивости, в большинстве случаев, является
оптимальной.
В моей программе признак режима частотомера "F." устанавливается
только в том случае, если, при отсутствии сигнала на входе частотомера,
показания индикатора не превышают 9-ти (то есть, работает только самый
младший разряд индикатора, а остальные погашены ввиду наличия в них
нулей).
Если, из-за воздействия помех, показания индикатора будут больше 9-ти, то
признака работы частотомера "F." Вы не увидите.
Из этого следует вывод:
при отсутствии сигнала на входе частотомера, наличие признака работы
частотомера "F.", а также определенные показания индикатора, являются
критерием оптимальной настройки входного формирователя (или
комплекса устройств, включенных между входным разъемом и счетным
входом PIC контроллера, как в данном случае).
Это означает, что, в идеале, необходимо добиться, чтобы признак
частотомера высвечивался, а частотомер показывал более 0 и не более 9-ти
импульсных помех на пределе измерения 10 сек..
Это и будет соответствовать оптимальному соотношению
чувствительности и помехоустойчивости.
Если использовать только один формирователь (без буферного устройства),
помехоустойчивость будет существенно выше, чем в случае с
использованием буферного устройства, из-за низкого входного
сопротивления формирователя.
Ничто хорошее не дается просто так: за высокое входное сопротивление
частотомера нужно "расплачиваться" ухудшением помехоустойчивости,
так что, в этом случае, оптимизация необходима.
Примечание:
по понятным причинам, на пределах измерения 1 и 0,1 сек. будет
фиксироваться меньшее количество импульсных помех, чем на пределе
измерения 10 сек..
Если оптимизацию на пределе измерения 10 сек. произвести не удается,
можно изменить критерий (расширить границы дозволенного), а, проще
говоря, проделать описанные выше манипуляции на пределе измерения 1
сек..
Естественно, то же самое можно проделать и на пределе измерения 0,1 сек..
Если необходимо произвести наиболее качественную оптимизацию, следует
коротким проводником соединить вход частотомера с корпусом и перейти
на предел измерения 10 сек..
Затем, вращая движок подстроечного резистора R7, необходимо добиться
появления признака работы частотомера "F." с нулевыми показаниями
индикатора, а затем, вращая движок подстроечного резистора R7 в
противоположную сторону (обратный ход), добиться, чтобы признак
работы частотомера "F." не пропадал, а в младшем разряде индикатора
(при погашенных остальных разрядах) наблюдалась смена цифр с
значением, не превышающем 9-ти.
Затем нужно отключить проводник, соединяющий вход частотомера с
корпусом.
Если после этого не наблюдается пропадания признака работы
частотомера "F." - все "OK".
Если признак работы частотомера пропал, то необходимо как следует
заэкранировать проводник, соединяющий входной разъем с входом
буферного устройства, а если это не приводит к положительному
результату, то можно повторить оптимизацию при отсутствии проводника,
соединяющего вход частотомера с корпусом, только необходимо учесть, что
оптимальная чувствительность, в этом случае, будет несколько хуже.
Сказанное выше, предназначено для людей, желающих получить от
частотомера "все, на что он способен", но какого-то большого
практического смысла в этом нет, так как речь идет о выигрыше
оптимальной чувствительности порядка одной сотой вольта.
По этой причине можно использовать упрощенный вариант настройки:
вход частотомера соединять с корпусом не нужно.
Повторить описанную выше процедуру оптимизации до момента обратного
хода движка переменного резистора.
Во время обратного хода необходимо запомнить положение движка, при
котором происходит оптимизация и медленно поворачивать движок
переменного резистора в сторону уменьшения значений показаний
индикатора.
Как только в младшем разряде индикатора зафиксируется 0 (лучше всего,
если 0 и 1 будут чередоваться), прекратить настройку, замерить суммарное
сопротивление регулировочной цепочки и установить вместо нее
постоянный резистор с замеренным значением сопротивления.
У меня получилось 51кОм (на это значение можно ориентироваться).
В этом случае помехоустойчивость немного улучшится за счет снижения
чувствительности, но это снижение не будет значительным.
Признак работы частотомера "F.", на пределе измерения 10 сек., после
такой настройки станет стабильным.
Таким способом вполне можно получить чувствительность порядка 0,2 0,25V при наличии высокой помехоустойчивости и высокого входного
сопротивления частотомера.
Некоторые разработчики частотомеров на PIC контроллерах включают
между выходом формирователя и счетным входом PIC контроллера
триггер Шмидта (см. принципиальную схему ЧМ/ЦШ Н.Хлюпина).
Я тоже попробовал, но, честно говоря, никакого существенного выигрыша
не ощутил, хотя, теоретически, он, казалось бы, должен быть.
Хорошо отстроенный частотомер прекрасно работает и без него даже на
низких частотах (я проверял его на частотах до 10 Гц., меньше у меня
просто генератор не выдает), а раз нет ощущаемого выигрыша при
входном синусоидальном сигнале, значит и не стоит создавать себе лишние
проблемы.
Это объясняется тем, что ПИК по своему счетному входу (вывод
RA4/TOCKI) уже имеет в своем составе триггер Шмидта и применять еще
один внешний триггер Шмидта не имеет особого практического смысла.
Теперь о конденсаторе номиналом 18пф, которым шунтируется диод VD1
буферного устройства.
Это сделано для повышения помехоустойчивости.
Дело в том, что потребляемый частотомером ток не постоянен, а
изменяется скачкообразно и с довольно-таки низкой частотой.
Фронты и спады этих "скачков" крутые и диапазон изменений
потребляемого тока значителен, поэтому микросхема стабилизатора
напряжения "не успевает" их отслеживать.
По этой причине на затворе полевого транзистора буферного устройства
появляются короткие импульсы (результат дифференцирования), которые
считаются частотомером.
Если Ваш частотомер, при отсутствии измеряемого сигнала на входе, будет
показывать какую-то относительно стабильную частоту, то это как раз тот
случай.
Избавиться от этой неприятности при помощи подключения к шине +5V
электролитических конденсаторов можно, но их емкость должна быть
значительной, а это - габариты и стоимость.
Гораздо выгоднее "задавить" сами эти короткие импульсы. Для этого и
нужен блокировочный конденсатор емкостью 18пф.
Необходимо подобрать его номинал до прекращения этого "паразитного"
счета, с небольшим запасом, и не более того.
Емкость блокировочного конденсатора должна быть минимально
возможной и не превышать 100пф (у меня получилось 18пф).
Если срыв "паразитного" счета происходит при емкости более чем 100пф,
необходимо увеличить емкость электролитических конденсаторов в
сглаживающем фильтре блока питания.
Расширение границы рабочих частот до 300 мГц
Осуществляется введением в состав частотомера быстродействующего
делителя на 10.
Если есть возможность применить импортный делитель на 10, можно
применить его, я же использовал отечественный СВЧ делитель на
микросхеме К193ИЕ3.
Если имеется в наличии транзистор КТ372, то можно собрать делитель по
этой схеме, не внося в нее никаких изменений.
У меня его не было, и я использовал транзистор КТ399А.
Хотя он и не такой высокочастотный, как КТ372, но до 300 мГц. он буде
работать не многим хуже, чем КТ372.
СВЧ делитель работает и на частотах выше 300 мГц., но ограниченные
возможности PIC контроллера не позволят перейти эту границу.
Так же, как и другие СВЧ устройства, это устройство, при неправильной
сборке, склонно к самовозбуждению, поэтому нужно стремиться к тому,
чтобы электрические соединения были как можно короче, а конденсаторы
С7 и С8 располагались как можно ближе к микросхеме.
Все конденсаторы должны быть малогабаритными и с малыми утечками (я
применил КМ).
Желательно поставить еще один блокировочный конденсатор емкостью
10н, распаяв его непосредственно на микросхеме между 8 и 16 ножками.
Если проблемы все-таки возникнут, можно попытаться устранить
самовозбуждение подбором емкости дополнительного конденсатора,
включаемого между 4 ножкой микросхемы и корпусом.
Если срыв самовозбуждения происходит при емкости этого конденсатора
более чем 30пф, следует пересмотреть конструкцию печатной платы с
целью выполнения указанных выше условий (при емкости
дополнительного конденсатора более 30пф, он начинает "резать" верхнюю
границу рабочих частот).
Удобнее всего ввести СВЧ делитель в состав частотомера, а не делать его
выносным (я сделал именно так).
При этом вход СВЧ делителя проще и надежнее всего вывести на
отдельный разъем, а переключения между обычным режимом работы (до
30 мГц) и режимом деления на 10 (до 300 мГц) осуществлять
малогабаритным тумблером, установленным так, чтобы проводники,
подключаемые к нему, были минимальной длины.
Естественно, что под это требование необходимо "подогнать" печатную
плату.
Схема коммутации очень простая;
вход формирователя подключается либо к выходу буферного устройства,
либо к выходу СВЧ делителя.
Если использовать тумблер на 2 группы контактов, то дополнительно
можно произвести и коммутацию питания (именно так я и сделал), что
очень удобно, в первую очередь, для частотомеров с батарейным питанием.
Получается что-то типа "дешево и сердито" и выглядит это так:
Следует также обратить внимание на то, что частотомер, работающий с
СВЧ делителем, чувствителен к электромагнитным полям, поэтому
необходимо уделить должное внимание его экранировке.
Если он не является выносным , а располагается внутри конструкции
частотомера, то корпус частотомера должен быть металлическим.
СВЧ делитель должен быть смонтирован как можно ближе к своему
входному разъему.
Снизить энергопотребление можно, увеличив номиналы резисторов,
соединяющих выводы порта В с индикатором.
В моем частотомере они имеют номинал 1 ком, и яркость свечения
индикаторов меня устраивает (это, конечно, мое субъективное мнение, у
кого-то оно может быть другим).
Что касается индикатора, то указанный в схеме А.Денисова индикатор
АЛС318 применять вряд ли стоит: размер цифр маленький и вообще ему
место в музее.
Себе я поставил 9-разрядный светодиодный индикатор от телефонного
аппарата с АОН с общим катодом и красным цветом свечения, что и
другим советую.
В моем частотомере, кроме питания от сети, имеется также и батарейное
питание (аккумуляторы НМГ емкостью 1А/ч), а также отдельный разъем
для подключения антенны от переносной р/станции "Гранит" для
беспроводных замеров частот на пределе измерения "300 мГц" (ее длина 21 см.), что очень удобно для контроля частоты передатчиков и
предварительной (грубой) оценки уровней радиоизлучений (в том числе и
комплексных) в местах расположения частотомера.
Дополнительно
Многие интересуются: "Какова максимальная амплитуда сигнала,
подаваемого на вход частотомера?"
Давайте разберемся:
На входе буферного устройства стоит двухсторонний диодный
ограничитель на диодах VD1 и VD2.
Это кремниевые диоды, следовательно уровень ограничения составляет
плюс/минус 0,7v.
Проще говоря, до уровня амплитуд входного сигнала плюс/минус 0,7v
буферное устройство имеет входное сопротивление около 500 ком. и, при
превышении этого порога, его входное сопротивление резко уменьшится,
так как диоды начнут проводить ток.
Чем большим будет это превышение, тем больший ток будет протекать
через диоды.
Предельно допустимый ток для КД522Б составляет 100 ма., а в импульсном
режиме еще больше.
При измерении низких частот (реактивные сопротивления конденсаторов
C2 и С8 можно не учитывать), предположив, что реактивное
сопротивление конденсатора C1 мало, образуется симметричный делитель
R1VD1 для положительной полуволны и R1VD2 для отрицательной
полуволны.
Для того чтобы через него протекал ток 100 ма., теоретически, необходимо
приложить к входу такого делителя переменное напряжение
приблизительно 20000 ом. х 0,1 а = 2000v. или что-то около этого, что, как
Вы сами понимаете, не совсем реально.
Следовательно, на низких частотах, максимальная амплитуда входного
сигнала определяется предельной рассеиваемой мощностью резистора R1.
Если она составляет 0,125 вт., то это соответствует амплитуде напряжения
50 в. (U=квадратному корню из PxR), если 0,25 вт., то примерно 71 в., а если
0,5 вт., то 100 в. и т.д.
На высоких частотах емкость С2 шунтирует резистор R1, что, с одной
стороны, приводит к увеличению тока через диоды, но, с другой стороны,
"облегчает" тепловой режим работы резистора R1.
Учитывая то, что по току, протекающему через диоды, имеется большой
"запас", то необходимости в снижении максимального уровня сигнала,
частоту которого необходимо измерить, нет.
А теперь, с целью облегчения теплового режима работы резистора R1 и для
обеспечения "ефрейторского зазора", делим расчитанные предельные
входные уровни амплитуд на 2 и получаем:
- для резистора R1 мощностью 0,125 вт.: 25 в.
- для резистора R1 мощностью 0,25 вт.: 35 в.
- для резистора R1 мощностью 0,5 вт.: 50 в.
Это, конечно, моя субъективная оценка, можно, например, кратковременно
измерять частоту сигнала и с большей амплитудой, это на любителя,
следите только за тем, чтобы резистор R1 не перегрелся.
Настройка буферного устройства.
С учетом сказанного выше, должно быть понятно, что для входных
сигналов с амплитудой менее 0,7v. входное сопротивление буферного
устройства велико.
Каково его значение?
В этом случае, на низких частотах, Rвх. определяется значениями
резисторов R1, R3, R2, R5, сопротивлениями диодов, входным
сопротивлением полевого транзистора (затвор/исток) и внутренним
сопротивлением источника питания +5v.
Если предположить, что прямые сопротивления диодов для уровней
амплитуд менее 0,7v. и входное сопротивление полевого транзистора имеют
значения по 10 Мом. (приблизительно такие значения и имеют место быть
на практике), с учетом того, что внутреннее сопротивление источника
питания мало (что и имеет место быть), то эти три сопротивления
соединяются параллельно и результат такого соединения будет равен
10:3=3,333...Мом.
Назовем его Rп и округлим до 3,3 Мом. (Rп=3,3 Мом.).
Значением резистора R5 можно принебречь, так как оно относительно
мало. По этой же причине можно принебречь и внутренним
сопротивлением источника питания +5v.
По переменному току, резисторы R3, R2 и Rп соединены параллельно и их
результирующее сопротивление Rрез составляет примерно 615 Ком.
Таким образом, эквивалентная схема входной цепи буферного устройства
представляет собой простейший делитель напряжения из двух резисторов:
R1 и Rрез, следовательно, на низких частотах, при значениях входных
амплитуд менее 0,7v, входное сопротивление буферного устройства (при
номиналах, указанных в схеме) Rвх. составляет приблизительно
615+20=635 Ком.
На высоких частотах (при значениях входных амплитуд менее 0,7v), Rвх.
несколько уменьшится за счет шунтирующего действия реактивностей
диодов, полевого транзистора, конденсатора С2 и С8, но оно будет не менее
500 Ком.
При превышениях значений входных амплитуд уровня плюс/минус 0,7v.,
происходит резкое уменьшение Rвх. за счет шунтирующего действия
диодов VD1 и VD2, которые, в этом случае, открываются и имеют малое
сопротивление.
Таким образом, "напрашивается" простой вывод: входное сопротивление
буферного устройства можно корректировать, изменяя номиналы
резисторов R1, R2, R3.
Номинал R1 слишком сильно увеличивать или уменьшать не стоит, так
как, в первом случае, ухудшается чувствительность ЧМ/ЦШ, а, во втором,
увеличивается нагрузка на диоды.
А вот с номиналами R2 и R3 можно поманипулировать.
При этом нужно учитывать, что, по переменному току, они соединены
параллельно и, при стремлении изменить Rвх, необходимо обеспечить не
слишком большую разницу между их номиналами.
И в самом деле, например, при R2=2,7 Мом. и R3=100 Ком., Rвх будет
порядка 90 Ком., а при R2=1,5 Мом. и R3=1,5 Мом. - порядка 700 Ком.
Кроме того, что резисторы R2 и R3 определяют Rвх, они также задают
режим работы по постоянному току не только транзистора VT1, но и
транзистора VT2.
Это объясняется наличием между ними непосредственной связи, что, с
учетом большого разброса параметров отечественных транзисторов,
несколько усложняет настройку буферного устройства по постоянному
току.
Собирая свое буферное устройство, я стремился перевести его в режим
усиления класса А, что предполагает установку на коллекторе транзистора
VT2 (в режиме покоя) половинного напряжения источника питания, то
есть, 2,5v.
У меня это получилось при тех номиналах радиодеталей, которые указаны
в схеме, что вовсе не означает, что радиолюбители, точно
"скопировавшие" данное буферное устройство, получат на коллекторе VT2
значение напряжения 2,5 - 2,6v.
Объяснение этому простое: разброс параметров транзисторов VT1 и VT2,
которые, к тому же, работают в паре.
В принципе, особой беды не будет, если напряжение на коллекторе VT2
будет несколько отличаться от указанного значения, так как, при уровнях
входных амплитуд более 0,7v (что, в большинстве случаев, и имеет место
быть), сигнал, за счет двухстороннего ограничения, переводится в более
"неприхотливую" импульсную форму, но если Вы собрали буферное
устройство и напряжение на коллекторе VT2 Вас не устраивает, то
придется либо поподбирать пары транзисторов VT1, VT2 (по Uотсечки и
коэффициенту усиления по току), либо изменить номинал резистора R2,
руководствуясь при этом изложенной выше информацией.
Если номинал R2 будет выше указанного в схеме, то Rвх возрастет, что
вовсе не есть плохо, а если ниже, то Rвх уменьшится, что уже не есть
хорошо.
Если при настройке номинал R2 "опускается" ниже 800 Ком., то следует
зафиксировать номинал R2 в пределах 1 - 1,8 Мом и поманипулировать с
номиналами резисторов R4 или R6 до получения устраивающего Вас
результата.
Все это, конечно, довольно-таки хлопотно, но аналоговая техника есть
аналоговая техника, с нулями и единицами как-то все определеннее и
проще.
Примечание: высокое Rвх ЧМ/ЦШ имеет при уровнях входных амплитуд
менее плюс/минус 0,7v.
При уровнях входных амплитуд более плюс/минус 0,7v, Rвх буферного
устройства составляет приблизительно 20 Ком, то есть, в этом случае, его
Rвх определяет номинал резистора R1.
20 Ком, конечно, не 500 Ком, но, все-таки, это гораздо больше, чем Rвх
входного формирователя.
Желающие могут, за счет снижения чувствительности, увеличить номинал
R1 (при этом Rвх ЧМ/ЦШ увеличится).
Это можно сделать, если ЧМ/ЦШ будет использоваться для измерения
частот сигналов с амплитудой, гарантированно превышающей плюс/минус
0,7v.
О помехоустойчивости.
При изготовлении ЧМ/ЦШ А.Денисова (без буферного устройства),
проблем с помехоустойчивостью практически не возникает: низкое входное
сопротивление входного формирователя "режет" амплитуду помех и "не
дает" ей достигнуть уровня срабатывания счетного входа ПИКа.
Но как только в состав ЧМ/ЦШ вводится буферное устройство - возникают
проблемы с помехоустойчивостью.
И в самом деле, в идеале, например, наводка фиксированной мощности на
Rвх=500Ком., при прочих равных условиях, будет иметь амлитуду в 500 раз
большую, чем на Rвх=1Ком.
Примерно о таком различии и идет речь при введении в состав ЧМ/ЦШ
буферного устройства.
После этого ЧМ/ЦШ может "реагировать" на помехи (наводки) в виде
радиосигналов близко расположенных источников радиоизлучений,
которых сейчас "расплодилось" великое множество (особенно в городах).
Если после проведения оптимальной настройки (см. выше) с закороченным
входом все ОК, а после снятия короткого замыкания ЧМ/ЦШ "ловит"
наводку, значит уровень радиоизлучений в месте расположения ЧМ/ЦШ
высок и нужно либо смириться с этим фактом, либо произвести
оптимальную настройку без соединения его входа с корпусом за счет
снижения чувствительности ЧМ/ЦШ.
Как это делается - описано выше.
Если Ваш ЧМ/ЦШ, до подключения источника сигнала, частоту которого
необходимо измерить, все-таки "ловит" наводку, то опасаться того, что она
повлияет на точность измерений, в большинстве случаев (за исключением
совсем уж мощных наводок), не стоит, так как выходные сопротивления
подавляющего большинства источников сигналов, частоты которых Вы
будете измерять, гораздо меньше 500Ком., что, при подключении выхода
источника сигнала к входу ЧМ/ЦШ (к входу буферного устройства)
эквивалентно значительному снижению Rвх и, следовательно,
значительному повышению помехоустойчивости.
Мне, например, удалось добиться установки признака частотомера на
пределе измерения "30Мгц", но на пределе измерения "300Мгц" (с СВЧделителем на 10) мне этого сделать не удалось, так как в Липецке, в
диапазоне от 30 до 300Мгц., работает очень большое количество
разнообразных передатчиков, "бороться" с излучениями которых можно
только сильно понизив чувствительность ЧМ/ЦШ на этом пределе
измерения.