Частотомер

Этот прибор измерительной лаборатории, выполненный в виде приставки к авометру, позволяет измерять частоту синусоидального или пульсирующего напряжения примерно от 10 Гц до 100 кГц. Весь диапазон измеряемых частот разбит на четыре поддиапазона: 10...100, 100...1000 Гц, 1... 10 и 10... ...100 кГц. Минимальное напряжение измеряемого сигнала — около 0,2 мВ, максимальное— 10...15 В. Питается прибор стабилизированным напряжением 9 В, снимаемым с нерегулируемого выхода сетевого блока питания, входящего в состав лаборатории.

Принципиальная схема частотомера изображена на рис. 75. Прибор собран на трех маломощных p-n-р транзисторах серии П416. Один из них (VT1) выполняет функции усилителя-ограничителя входного сигнала. Два других транзистора (VT2 и VT3) образуют несимметричный триггер с эмиттерной связью — пороговое устройство, формирующее при входном сигнале определенной амплитуды и полярности импульсы прямоугольной формы, частота следования которых соответствует частоте входного переменного напряжения. Для повышения устойчивости работы прибора питающее его напряжение дополнительно стабилизировано параметрическим стабилизатором VD4R9.

Переменное напряжение, частоту которого надо измерить, подают на вход усилителя-ограничителя через гнезда XS1 и XS2, резистор R1 и конденсатор С-1. Режим работы транзистора VT1 (зависит от сопротивления резистора R2) таков, что он почти полностью открыт: напряжение на его коллекторе относительно эмиттера всего около —0,4...0,5 В. При этом транзистор VT2, на базе которого отрицательное напряжение ниже, чем на эмиттере, также открыт, а транзистор VT3, наоборот, закрыт. Это исходный режим работы транзисторов по постоянному току.

При отрицательной (относительно общего провода прибора) полуволне входного переменного напряжения транзистор VT1 открывается еще больше и входит в режим насыщения, отчего напряжение на его коллекторе, а значит, и на базе транзистора VT2 скачком понижается почти до нуля (практически до 0,08...0,1 В). В этот момент транзистор VT2, на базе которого напряжение становится меньше, чем на эмиттере, закрывается, а транзистор VT3 открывается. В таком состоянии транзисторы триггера находятся до тех пор, пока напряжение отрицательной полуволны входного сигнала удерживает транзистор VT1 в режиме насыщения. Как только это напряжение уменьшится до уровня, соответствующего исходному режиму транзистора VT1, напряжение на его коллекторе возрастет до 0,4...0,5 В, транзистор VT2 тут же откроется, а транзистор VT3 закроется. В результате на коллекторе транзистора VT3, являющемся выходом триггера, формируется импульс напряжения, амплитуда и длительность которого не зависят от формы сигнала, запускающего триггер.

При положительных полуволнах сигнала, на которые транзистор VT1 практически никак не реагирует, транзисторы триггера находятся в исходном состоянии.

Импульсы напряжения прямоугольной формы, формируемые на выходе триггера, поступают в измерительную цепь, состоящую из образцовых конденсаторов С2 — С5, диодов- VD2, VD3, резистора R10 и микроамперметра РА1 аво-метра. В зависимости от выбранного предела измерений один из образцовых конденсаторов С2 — С5, включенный в эту цепь переключателем поддиапазонов SА1, через резистор R8, диод VD3 и микроамперметр РА 1 заряжается импульсами триггера до напряжения источника питания и разряжается через открытый в это время транзистор VT3, диод VD2 и резистор R5. А так как частота следования импульсов равна частоте входного переменного напряжения, то и среднее значение тока, протекающего через микроамперметр, пропорционально частоте измеряемого сигнала. С конденсатором С2 в измерительной цепи прибором можно измерять частоту сигнала до 100 Гц, с конденсатором СЗ — до 1 кГц, с конденсатором С4 — до 10 кГц, с конденсатором С5 — до 100 кГц.

Конденсатор С1 выполняет функцию элемента развязки по постоянному току между контролируемой цепью (например, коллекторной цепью транзистора каскада усиления напряжения 34), являющейся источником сигнала измеряемой частоты, и базовой цепью транзистора VT1 частотомера. Кремниевый диод VD1 ограничивает напряжение положительной полуволны входного сигнала на эмит-терном переходе транзистора VT1. Пока амплитуда этого напряжения не превышает 0,6...0,7 В, диод закрыт и не оказывает никакого влияния на работу усилителя-ограничителя. Когда же амплитуда входного сигнала становится больше этого значения, диод при положительных полуволнах открывается и ограничивает напряжение на базе транзистора уровнем 0,6...0,7 В. Резистор R1 предотвращает протекание через этот диод опасного для него тока при входном напряжении сигнала более 10...12 В.

Конструкция и детали. Внешний вид частотомера-приставки, подключенного к авометру, показан на рис. 76. Его корпус с крышкой, накладка из прозрачного органического стекла, защищающая надписи на лицевой панели прибора, а также входная двухгнездная и выходная штепсельная колодки выполнены так же, как в транзисторных вольтметрах постоянного, и переменного токов. Выключатель питания Q1, входная и выходная колодки и шнур питания закреплены на стенках корпуса. Накладка удерживается на нем гайкой тумблера-выключателя и тремя винтами М2Х5, ввинченными с внутренней стороны справа и слева от гнездовой колодки (можно использовать винты ее крепления). Остальные детали приставки размещены на монтажной плате прибора.

Разметка монтажной платы и схема соединений деталей на ней показаны на рис. 77, а размещение ее в корпусе приставки дано на рис. 78. Опорными точками монтажа служат отрезки медной луженой проволоки диаметром 1,5 мм, запрессованные в отверстия в плате. Большая часть соединений между ними сделана со стороны, противоположной установке деталей (на рис. 77, б, обозначены штриховыми линиями), медным луженым проводом диаметром 0,8 мм. Для соединения монтажной платы с выходной штепсельной колодкой и выключателем питания использован гибкий монтажный провод МГШВ сечением 0,14 мм2.

Все примененные в приборе постоянные резисторы — МЛТ-0,125 (можно использовать МЛТ-0,25, МЛТ-0,5), конденсатор С2 — МБМ (составлен из двух конденсаторов емкостью 0,1 мкФ), СЗ и С4 — БМ-2, С5 — КТ-2 (или КД-2, КСО); оксидный конденсатор Cl—К52-1 (можно и любого другого типа емкостью 5...10 мкФ на номинальное напряжение не менее 10 В). Диод VD1—любой из серий Д220,'Д219, КД503, диоды VD2 и VD3 — любые из серий Д9, Д18, Д20. Стабилитрон КС168А (VD4) можно заменить на КС168Б, КС162А. Прибор работоспособен и при использовании стабилитрона КС156А и даже КС147А, однако режимы работы транзисторов в этом случае будут несколько иными по сравнению с указанными на принципиальной схеме.

Кроме указанных на схеме, в приборе можно применить транзисторы серий П417, П422, ГТ308, ГТ313 со статическим коэффициентом передачи тока h2iэ не менее 60...70. Выключатель питания Q1—малогабаритный П1Т-1-1.

Переключатель поддиапазонов SA1, установленный на нижней стороне монтажной платы,— движковый на два положения от транзисторного радиоприемника «Сокол». Для работы в частотомере он переделан в четырехпозиционный 

(на четыре положения). Для этого в средней части его корпуса оставлены пять контактов в одном ряду, четыре в другом и по одной замыкающей пластинке с каждой стороны движка. Соединения оставленных контактов между собой и с образцовыми конденсаторами С2 — С5 разрядной цепи хорошо видны на рис. 77, б. Одна из проволочных скоб, удерживающих движок в корпусе, удалена. Перемещение движка в пределах четырех положений ограничивает прямоугольное отверстие размерами 6x28 мм в лицевой стенке корпуса. Монтажная плата закреплена на этой стенке с помощью четырех резьбовых стоек длиной 20 мм (по высоте переключателя) .

Внешний вид приставки показан на рис. 79.

При выборе поддиапазона частот кнопку движка устанавливают в положение, в котором метка на ней располагается точно напротив строки с пределами нужного поддиапазона.

Налаживание частотомера сводится к установке рекомендуемого режима работы транзистора VT1 и калибровке шкалы путем подгонки параметров деталей разрядной цепи. Делать это, разумеется, надо до установки монтажной платы в корпус. Если ошибок в монтаже нет, надо сразу после включения питания измерить напряжение на стабилитроне VD4, которое должно быть

в пределах 6,1...7,5 В. При использовании других стабилитронов оно должно соответствовать их напряжениям стабилизации (с учетом допускаемых отклонений).

Режим работы транзистора VT1 по постоянному току устанавливают подбором резистора R2 в базовой цепи, добиваясь того, чтобы напряжение на его коллекторе установилось в пределах 0,4...0,5 В (это соответствует почти полностью открытому состоянию транзистора) и было на 0,2...0,25 В больше напряжения на эмиттерах транзисторов VT2 и VT3. Если после этого на базу транзистора VT1 подать отрицательное (относительно общего провода) напряжение 0,5... 1 В, то напряжение на его коллекторе должно уменьшиться почти до нуля. В этот момент транзистор VT2 должен закрыться, а транзистор VT3 открыться. О состоянии транзисторов можно судить по напряжениям на их электродах, измеряемых вольтметром постоянного тока с относительным входным сопротивлением 10 кОм/В.

Затем приставку подключают к микроамперметру авометра, переключатель SA1 устанавливают в положение, соответствующее первому поддиапазону (10...100 Гц), и подают на вход прибора от генератора сигналов 34 переменное напряжение частотой 100 Гц и амплитудой не менее 0,3...0,5 В. Стрелка микроамперметра при этом должна отклониться почти на всю шкалу. Заменяя резистор R10 резисторами меньшего номинала или подключая параллельно ему резисторы значительно большего сопротивления, устанавливают стрелку микроамперметра точно на конечную отметку (10) шкалы постоянных напряжений и токов, что соответствует частоте 100 Гц. Если теперь на вход частотомера подать сигнал частотой 50 Гц, стрелка микроамперметра должна остановиться на отметке 5, что соответствует этой частоте сигнала.

Далее переключатель SA1 переводят в следующее положение (измеряемая частота до 1000 Гц), на вход прибора подают сигнал частотой 1 кГц и подбором только конденсатора СЗ (обычно подключением параллельно ему конденсатора небольшой емкости) добиваются отклонения стрелки до конечной отметки шкалы. Аналогично подбором конденсаторов С4 и С5 подгоняют под ту же шкалу микроамперметра два оставших поддиапазона частот при входных сигналах частотой 10 и 100 кГц.. При этом сопротивление резистора R10 должно оставаться неизменным, иначе калибровка шкалы будет нарушена. Дополнительно подобранные резистор и конденсаторы разрядной цепи можно припаять к монтажным стойкам соответствующих основных деталей с нижней стороны платы.

Заключительный этап налаживания частотомера — измерение его чувствительности в каждом из поддиапазонов. Делают это, плавно увеличивая уровень входного сигнала с нуля до тех пор, пока стрелка микроамперметра скачком не отклонится до отметки шкалы, соответствующей частоте испытательного сигнала. Как только это произойдет, определяют выходное напряжение генератора, которое и принимают за минимальное напряжение сигнала, при котором частотомер начинает работать.

Шкала частотомера — общая для всех пределов измерения. Поэтому результаты измерения, считанные со шкалы, умножают: при измерении на первом поддиапазоне (до 100 Гц) — на 10, на втором (до 1000 Гц)—на 102, на третьем и четвертом — соответственно на 103 и 104.

В заключение — практический совет. Измеряя сигнал неизвестной частоты, переключатель поддиапазонов устанавливайте сначала в положение, соответствующее наибольшему пределу, и, если стрелка микроамперметра отклоняется на едва заметный угол, переводите переключатель в соседнее положение; и так до тех пор, пока не будет найдено положение, в котором стрелка еще не выходит за пределы шкалы.

Такой порядок пользования прибором исключает резкое зашкаливание стрелки, которое может стать причиной ее искривления.