webdonsk.ruЩуп для частотомера своими руками
Добавил пользователь Morpheus Обновлено: 10.09.2024
Все кто работает в области электроники хоть раз сталкивался с измерением с помощью осциллографа. Существует много разновидностей пробников, в основном они делятся на активные и пассивные. Активные пробники могут быть самого разного устройства и назначения, и в этой статье не рассматриваются. Мы обратим внимание на наверное самый распространенный вариант пассивного пробника с коэффициентом деления равным 10 (либо с переключателем режимов 1 или 10) и входным сопротивлением 10 МОм с учетом входного сопротивления осциллографа 1 МОм. В комплекте осциллографа как правило имеется два таких щупа.
Задача конденсатора Ccomp выровнять частотную характеристику тракта. Для того, чтобы коэффициент оставался 1/10 на всех частотах необходимо, чтобы конденсатор Ccomp равнялся 1/9 суммарной емкости кабеля и входа осц., и таким образом получаем значение
Рисунок 1 Рисунок 2
Рисунок 3 Рисунок 4
Посмотрим как влияет изменение ёмкости компенсационного конденсатора Сcomp на частотный отклик. На рисунке 5 показан результат моделирования при изменении емкости от 4 пФ до 24 пФ с шагом 2 пФ. Видно, что искажения начинаются уже с нескольких сотен герц. Правильно подобранная компенсация должна обеспечить ровную частотную характеристику.
Рисунок 5
Рисунок 6
Как правило объяснение работы пассивного пробника на этом заканчивается. Но мы попробуем пойти немного дальше. Основное отличие приведенной схемы от реальной ситуации заключается в том, что кабель аппроксимируется сосредоточенной емкостью только на низких частотах. Для полной картины необходимо изменить модель кабеля с емкости на линию передачи, как показано на рисунке 7. Типичная длинна кабеля щупа равна 1,2 м. Определим погонную емкость из соображения сохранения общей емкости 100 пф, таким образом погонная емкость будет равна 100 / 1,2 = 83,3 пФ/м. Погонную индуктивность найдем из формулы
где Zo – волновое сопротивление кабеля – 50 Ом. Таким образом L=2500*83,3 = 208,3 нГн. Вставим полученные значения в нашу модель и построим АЧХ.
Рисунок 7 Рисунок 8 Рисунок 9
Как видно результат оказался чудовищный. На рисунке 8 и 9 представлены частотные характеристики на входе и выходе щупа. Видно, что кроме того, что искажения частотного отклика приняли неприемлемый вид, но и в результате переотражений происходит влияние на измеряемую схему на частотах выше 40 МГц, чем вообще говоря можно повредить устройство. Так происходим из-за несогласованности нагрузки и сопротивления источника с кабелем. Для тех кто не очень знаком с основами передачи сигналов в линиях передачи можно начать ознакомление с этой статьи. А мы пойдем дальше. Так что же делают разработчики пробников осциллографов для решения этой проблемы?
Если вы измерите сопротивление щупа в режиме 1х то увидите, что сопротивление не будет равно нулю. Измеренное сопротивление будет в районе 150-300 Ом. Можно предположить, что в щуп вставлены какие-то последовательные резисторы. Может в этом весь секрет. Давайте вставим в нашу симуляцию пару резисторов. Добавим на входе кабеля резистор 150 Ом, а также на выходе в отсеке регулировки добавим резистор 50 Ом. Результат моделирования показан на рисунке 11.
Рисунок 10 Рисунок 11
Очевидно, что характеристика стала более плавной, хотя идеальной её по-прежнему трудно назвать. Полезная пропускная способность такой системы не превышает 40МГц. Настройка компенсационного конденсатора мало влияет на частотную характеристику или резонансные эффекты линии передачи. Таким образом, очевидно, что характеристики линии передачи зондирующего кабеля потенциально ответственны за некоторые серьезные ограничения полосы пропускания и частотной характеристики. Итак, в чем секрет дизайна высокочастотных щупов. Как производителям зондов удается добиться максимальной ширины полосы пропускания от зондов? Над этим вопросом думал молодой сотрудник компании Tektronix по имени John Kobbe в 50-е годы 20 века. Пытаясь подобрать размер и положение резисторов для получения гладкой характеристики, он в какой-то момент пришел к выводу, что требуется поставить резистор по середине кабеля. Впрочем, скоро ему пришла идея получше.
Если вы разберете ваш пробник и удалите из него все последовательные резисторы, а потом измерите сопротивление кабеля, то оно про прежнему будет далеко от короткого замыкания. Это происходим от того, что сама центральная жила имеет высокое сопротивление. Именно так поступил John Kobbe. Купив в магазине высокоомную проволоку, он вытащил центральную жилу, заменив ее на проволоку. На рисунке 12 показан кабель щупа в разрезе, видно, что центральная жила гораздо тоньше чем для обычного коаксиального кабеля и смята, что придает в свою очередь больше гибкости пробнику.
Рисунок 12
Так, что же это нам даёт? Вернемся к нашей модели и заменим последовательные резисторы на сопротивление потерь в линии передачи (рисунок 13).
Рисунок 13 Рисунок 14
На рисунке 14 показан волшебный результат: плавный и монотонный отклик без неприятных отражений или аномалий– просто плавный, полезный отклик! Давайте посмотрим, чего мы еще сможем добиться используя этот подход. Рассмотрим как влияет изменение сопротивление центральной жилы на частотный отклик, будем изменять сопротивление от 100 до 200 Ом с шагом 10 Ом.
Рисунок 15 Рисунок 16
Отсюда подбираем оптимальное сопротивление – примерно 140 Ом и получаем пробник с полосой пропускания более 230 МГц (рисунок 17) , что уже можно назвать неплохим результатом.
Рисунок 17
Этим нехитрым изобретением производители пробников пользуются и по сей день. Историю Джона Коббе можно почитать здесь. Подробнее про основы пассивных пробников можно почитать в книжке "Oscilloscope Probe Circuits" JOE WEBER 1969 г. А мы двинемся дальше.
Попробуем ещё немного улучшить нашу модель. Практические конструкции компенсационных схем могут быть самые разные и зависят от производителя. Мы же рассмотрим еще один часто встречающийся приём, а именно последовательно с кондесатором Ccomp поставим дополнительный резистор и будем менять его от 50 до 250 Ом с шагом 10 Ом.
Рисунок 18 Рисунок 19
На рисунке 19 показан результат моделирования. Как видно можно подобрать оптимальное значение резистора для получения ровной характеристики. В нашем случае это значение получается равным 160 Ом (часто в примерах на этом месте встречается значение 68 Ом). Построим окончательный вариант схемы (рисунок 20).
Рисунок 20 Рисунок 21
Внедрение правильной схемы компенсации позволило увеличить полосу пропускания до значения 450 МГц! Почти удалось добиться результата моделирования идеальной схемы из рисунка 3. Теперь мы знаем секрет создания пробника. Но, как уже говорилось выше, в реальности все гораздо сложнее и приходится учитывать паразитные составляющие всех элементов схемы.
Далее давайте посмотрим некоторые характеристики нашего новоиспечённого щупа. Рассмотрим время нарастания фронта и задержку распространения. Будем для наглядности сравнивать со схемой из рисунка 10 и схемой из рисунка 16.
Рисунок 22
На рисунке 22 показан отклик на прямоугольный импульс 10 В для трех схем, и исходный импульс в уменьшенном масштабе (голубой). Задержка всех моделей оказалась равной примерно 5 нсек. Последний вариант схемы с полосой пропускания 450 МГц (зеленый) показал время нарастания фронта менее 1 нсек, тогда как схема с полосой 230 МГц (красный) показала результат 1,7 нсек. Модель же с последовательными резисторами (коричневый) по длительности фронта не уступает последнему варианту щупа, но создает значительные искажения формы. Наносекундные различия во времени нарастания несущественны, если вы наблюдаете прямоугольный отклик звуковых операционных усилителей с микросекундным временем нарастания, но они становятся жизненно важными, если вы исследуете проблемы в высокоскоростных цифровых схемах.
Полезно также рассмотреть частотную зависимость входного сопротивления (импеданса) пробника. Как говорилось выше для постоянного напряжения и низких частот пробник x10 имеет входное сопротивление 10 МОм. На следующем рисунке 23, показана зависимость входного сопротивления от частоты. По оси Y указано входное сопротивление в дБ (140 дБ соответствует 10МОм). Видно, что емкость начинает оказывать определяющее воздействие на входной импеданс на высоких частотах, и выше 150 МГц падает до значения менее 100 Ом (40 дБ на графике).
Рисунок 23
Рассмотрим также как влияет заземляющая клемма на частотную характеристику. Типичный провод заземления пробника с зажимом составляет около 150 мм в длину. Типичная индуктивность провода составляет около 1 нГн /мм, поэтому заземляющий провод соответствует индуктивности 150 нГн. Так как место крепления заземляющего провода находится на некотором расстоянии от наконечника добавим еще 50 нГн. Вставим эту индуктивность в нашу модель щупа и посмотрим, как это повлияет на частотную характеристику.
Рисунок 24 Рисунок 25 Рисунок 26
На рисунке 25 и 26 частотная характеристика и фронт отклика во временной области щупа с индуктивностью (зеленый) показана в сравнении с предыдущим вариантом без индуктивности (красный). Характеристика значительно испортилась и стала демонстрировать немонотонность.
Рисунок 27
Для измерения сигналов выше десятков МГц в комплекте щупа всегда идут специальные насадки (рисунок 27) для заземления пробника максимально близко к наконечнику щупа во избежание возникновения индуктивных искажений.
Напоследок рассмотрим реально существующий вариант щупа фирмы Agilent (нынешний Keysight) 10073C, который пришел в негодность у меня на работе и был разобран. На рисунке 28 представлено основание щупа.
Рисунок 28
На рисунке 29 воссозданная схема в LTSpice. Сопротивление кабеля отличается от рассмотренных выше и равняется 2,2 МОм. Значения потенциометров, расположенных по бокам могут принимать значения до 500 Ом (R7-R10). Полоса пропускания по спецификации 500 МГц. Значения регулируемых емкостей неизвестно. Параметры используемого кабеля и емкости Сdiv также неизвестно. Со значениями используемыми в этой статье получилось только 426 МГц (рисунок 30).
Рисунок 29 Рисунок 30
Пробники с высокой пропускной способностью спроектированы с использованием тщательно подобранного кабеля линии передачи и с минимизации воздействия сквозных отражений линии передачи.
Использование правильной схемы компенсации позволяет в разы увеличить полосу пропускания.
Пробник 10х имеет входное сопротивление 10 MОм только на низких частотах. На более высоких частотах в основном определяется входной ёмкостью.
Индуктивность заземляющего провода может разрушить точность формы сигнала и пропускную способность. Используйте комплект насадок из комплекта пробника, чтобы обеспечить низкую индуктивность.
Самый простой частотомер своими руками может с легкостью получиться из дешевого китайского приемника. Цены подобных китайских девайсов колеблются в пределах пары долларов, а времени для переделки понадобится с полчаса.
Частотомер из китайского приемника
Для экспериментов был выбран старый и хорошо потрепанный жизнью кассетный плеер Atlanfa. Он имеет на борту желанный ЖК дисплей частотомера.
(Для переделки подходит не каждый китайский приемник или плеер у которых есть ЖК дисплей и частотомер, если кроме кнопок SCAN и RESET нет больше никаких элементов управления FM приемником, то скорей всего данный аппарат подойдет для переделки)
Первым делом разбираем приемник и добираемся к проводам от ЖК панели.
Прозваниваем провод и находим + и – (провода питания). У нас это: розовый и серый – плюс, а белый — минус.
Дальше необходимо найти провод, через который поступает сигнал на частотомер от гетеродина приемника. Его легко можно вычислить, для этого включаем приемник и поочередно касаемся каждого провода, если частота поплывет – скорей всего это нужный провод. Отпаиваем провод от платы и включаем приемник. Частота на табло будет 00.0 МГц или 00.1 МГц, приемник при этом должен работать как ни в чем небывало.
Дальнейшим этапом станет снятие платы частотомера, которую можно после тестов установить уже в самодельный корпус.
Устанавливаем перемычку между розовым и серым проводом.
Подключаем питание к частотомеру (сигнальный провод подключать к антенне передатчика лучше через конденсатор емкостью 1-3 пФ). Тесты будем проводить с помощью FM передатчика на варикапе.
Как видим все работает четко и слаженно, показания частотомера четко совпадают с частотой, на которой ловится передатчик. Как небольшая полезность останутся: переключатель для отображения времени и кнопки настройки часов.
Частотомер из приемника станет очень полезным прибором для новичков при настройке самодельных простых передатчиков, жучков или приемников. Большинство китайских приемников, которые можно переделать под частотомер своими руками, построены на микросхеме частотомера SC3610. Подключение и распиновку микросхемы смотрим на схеме.
И наглядный тест работы самодельного частотомера. Вносим щуп мультиметра в катушку передатчика, естественно, что его частота меняется, что и отображается на частотомере.
— измерить частоту генерации в пределах от 10 кГц до 70 МГц
— измерить резонансную частоту любого контура в диапазоне от 10 кГц до 70 МГц, оценить пределы её перестройки штатными регулировками, а также индуктивность и ёмкость этого контура
— измерить индуктивность катушки от долей мкГн до десятков мГн, как отдельно взятую, так и смонтированную в конструкции
— оценить конструктивную (межвитковую) ёмкость и собственный резонанс любой отдельно взятой многовитковой катушки, дросселя или широкополосного трансформатора, а также проверить правильность фазировки его обмоток
— измерить начальную магнитную проницаемость неизвестных кольцевых магнитопроводов
— измерить ёмкость неизвестного конденсатора, постоянной или переменной ёмкости, в пределах от 1 пФ до 10 нФ
— определить тип диэлектрика импортного керамического конденсатора
А при необходимости щуп может выполнять роль импровизированного ГСС – просто добавьте ему воды контур!
Благодаря малому напряжению измерительного генератора, существенно меньшему напряжения открывания кремниевых переходов, все эти измерения можно проводить прямо в конструкции, без демонтажа элементов. Такую возможность оценят те, кому часто приходится заниматься ремонтом и настройкой радиоаппаратуры, особенно при отсутствии схем и описаний.
Частотомеры, сделанные на основе микросхем К561 (CD40) или микроконтроллеров обычно предназначены для измерения частоты не более 1 Мгц. А частотомеры в составе мультиметров DT9206A всего до 20 кГц. Программные частотомеры, использующие в качестве входа звуковую карту компьютера - до 40 кГц. Но .
Простой частотомер на 5МГц (ATtiny2313, DV-162)
Схема самодельного частотомера без входного узла, выполненный на микроконтроллере AT-tiny2313 и жидкокристаллическом дисплее DV-162. Схема с минимальным набором навесных элементов. Модуль предназначен для встраивания в лабораторные генераторы, а так же для построения на его основе частотомера .
Схема частотомера на 1Гц - 10МГц (CD4060, CD4017, CD4001, HCF4026BEY)
Принципиальная схема простого частотомера, построенного на микросхемах HCF4026BEY, диапазон измеряемых частот от 1Гц до 10МГц. Сейчас радиолюбителям стала доступна зарубежная элементная база, а, подчас, она бывает даже доступнее отечественной. Вот пример, - искал счетчики К176ИЕ4 чтобы сделать .
Цифровой индикатор частоты, частотомер 1Гц-10кГц (К176ИЕ12, К176ТМ2, К176ИЕ4)
Действие цифрового частотомера основано на измерении числа входных импульсов в течение образцового интервала времени в 1 секунду. Исследуемый сигнал подают на вход формирователя импульсов, который собран на транзисторе VT1 и элементе DD3.1, который вырабатывает электрические колебания прямоугольной .
Схема частотомера на 1Гц-100КГц (CD4001, CD4026, CD4040)
Не сложная схема самодельного пятиразрядного частотомера с пределами измерений от 1Гц до 99999Гц, выполнен на микросхемах CD4001, CD4026, CD4040. Принципиальная схема пятиразрядного частотомера 1Гц до 99999Гц (CD4001, CD4026, CD4040). Это простой частотомер для измерения частоты .
Схема широкополосного делителя частоты, приставка к мультиметру (5Гц-20МГц)
Принципиальная схема самодельной приставки к мультиметру для измерения частоты в пределах 5Гц-20МГц. В некоторых цифровых мультиметрах, например, MY64, MY68, М320, M266F имеется встроенная функция измерения частоты, благодаря чему мультиметр может использоваться как цифровой частотомер .
Схема самодельного частотомера 0-100 кГц (4060, 4017, 4026)
Этот частотомер может работать и как самостоятельное устройство, так и всоставе генератора ЗЧ в качестве его цифровой шкалы. Частотомер предназначен для измерения частоты в пределах до 100 кГц. (0-99999 Гц). Схема состоит из входного усилителя на транзисторе VТ1, измерительного счетчика .
Схема простого самодельного НЧ частотомера (до 10 КГц)
Простой самодельный цифровой частотомер до 10МГц (CD4060, 74C926, 74LS28)
Микросхема ММ74С926 (или другие аналоги 74C926 представляет собой десятичный четырехразрядный счетчик, объединенный с системой индикации из дешифратора в код для семисегментного индикатора и схемы опроса для динамической индикации. На основе этой микросхемы можно строить различные приборы, в том .
Схема частотомера на цифровых микросхемах (до 1МГц)
Частотомеры, построенные по "медленной" схеме популярны среди радиолюбителей потому, что их схема проще и не требует применения регистров или триггеров для запоминая данных предыдущего измерения. Но, недостаток таких частотомеров вих медленности. Многоразрядный частотомер без переключателя .
Читайте также: