Miernik częstotliwości do 1.2GHz

PRESS-POLSKA
Nowy Elektronik, ul. Junaków 2, 82-300 Elbl¹g, tel./fax 055 236-22-63, e-mail: [email protected]
Miernik czêstotliwoœci do 1.2GHz
Nowy Elektronik 079-K
Miernik czêstotliwoœci do 1.2GHz zosta³ specjalne opracowany dla tych wszystkich, którzy pragn¹ wyposa¿yæ
swoj¹ pracowniê w dobry sprzêt pomiarowy.
Jest niezast¹pionym przyrz¹dem pomiarowym w pracowni elektronika - radioamatora. Prezentowany poni¿ej miernik umo¿liwia pomiar czêstotliwoœci w zakresie od 100Hz do 1.2GHz. Tak szeroki zakres pomiarowy uzyskano poprzez zastosowanie dwóch wejœæ, z których jedno ma wbudowany popularny preskaler SAB
6456 prod. Philips.
Zakres mierzonych czêstotliwoœci dla wejœcia A 100Hz - 40 MHz.
Zakres mierzonych czêstotliwoœci dla wejœcia B 40MHz – 1.2GHz.
Rozdzielczoœæ dla wejœcia A 100Hz.
Rozdzielczoœæ dla wejœcia B ok. 2000Hz.
Dok³adnoœæ +/- 200Hz dla wejœcia A i +/- 5kHz dla wejœcia B (przy 20°C).
Zasilanie 5V, 90mA.
Wyœwietlacz - LCD 1*16.
Miernik posiada dwa wejœcia oznaczone na schemacie jako A i B. Wejœcie A jest
przeznaczone do pomiaru czêstotliwoœci w zakresie do oko³o 40MHz, natomiast do
wejœcia oznaczonego jako B nale¿y doprowadziæ sygna³y o czêstotliwoœci od oko³o
40 do 1200 MHz. Wejœcie A wyposa¿one jest w dwustopniowy wzmacniacz zbudowany na tranzystorach T1 i T2. Poszczególne stopnie maj¹ sprzê¿enie pojemnoœciowe. Dla stabilizacji temperaturowej wzmacniacza, zastosowano ujemne sprzê¿enie
zwrotne. Sprzê¿enie to jest wykonane poprzez po³¹czenie bazy tranzystora z jego
kolektorem za poœrednictwem rezystora polaryzuj¹cego. Dzia³anie tego ujemnego
sprzê¿enia mo¿na przedstawiæ na prostym przyk³adzie. Jak powszechnie wiadomo
wzrost temperatury tranzystora powoduje zwiêkszenie pr¹du bazy, a to z kolei powoduje wzrost pr¹du p³yn¹cego w kolektorze. Pr¹d kolektora jest równy iloczynowi
pr¹du bazy i wzmocnienia pr¹dowego tranzystora oznaczanego symbolem h21E.
Poniewa¿ parametr h21E rzadko jest mniejszy od 250, oznacza to, ¿e nawet niewielkie zmiany pr¹du bazy powoduj¹ du¿e zmiany pr¹du kolektora. W naszym wzmacniaczu wzrost pr¹du kolektora powoduje obni¿enie napiêcia wystêpuj¹cego na kolektorze tranzystora, a to z kolei powoduje obni¿enie pr¹du p³yn¹cego przez bazê,
gdy¿ jest ni¿sze napiêcie zasilaj¹ce rezystor polaryzuj¹cy bazê. Obni¿enie pr¹du
bazy powoduje obni¿enie pr¹du kolektora, a to z kolei powoduje podwy¿szenie napiêcia polaryzuj¹cego bazê. Proces ten trwa ca³y czas i nosi nazwê ujemnego
sprzê¿enia zwrotnego, gdy¿ wzrost pr¹du kolektora powoduje obni¿enie pr¹du bazy.
Trochê to skomplikowane, ale dzia³a dobrze. Na kilka s³ów uwagi zas³uguje sposób
wykonania sprzê¿enia pojemnoœciowego pomiêdzy stopniami. Dlaczego zastosowano równoleg³e po³¹czenie kilku kondensatorów? Powód jest bardzo prosty. Aby
niskie czêstotliwoœci by³y przenoszone “bez du¿ych strat” trzeba zastosowaæ du¿e
pojemnoœci. Niestety kondensatory nie s¹ elementami idealnymi i oprócz pojemnoœci posiadaj¹ parametr zwany indukcyjnoœci¹ paso¿ytnicz¹. Indukcyjnoœæ paso¿ytnicza sprawia, ¿e wy¿sze czêstotliwoœci nie s¹ przenoszone równie dobrze jak
niskie. Zjawisku temu mo¿na przeciwdzia³aæ na dwa sposoby. Pierwszy to zastosowaæ dobre i drogie kondensatory na zakres w.cz, a drugi sposób to zastosowaæ
równoleg³e po³¹czenie kilku kondensatorów, z których ka¿dy bêdzie odpowiedzialny
za okreœlony zakres czêstotliwoœci.
Wejœcie wzmacniacza zabezpieczono dwoma diodami Zenera po³¹czonymi szeregowo. Tak wykonany wzmacniacz zapewnia czu³oœæ wejœcia A na poziomie lepszym
od 100mVp-p. Punkty pracy wzmacniaczy ustawiono tak, ¿e napiêcie mierzone na
kolektorach tranzystorów wynosi oko³o po³owê napiêcia zasilania. Zasilanie wzmacniaczy napiêciem 5V umo¿liwia ³atwe dopasowanie wyjœciowego sygna³u wzmacniacza do poziomu TTL, jaki wymaga wejœcie bramki 74S00.
Wejœcie oznaczone jako B przewidziane jest do pracy z trochê wy¿szymi czêstotliwoœciami. W zwi¹zku z tym wyst¹pi³a potrzeba zastosowania preskalera. Wybór
pad³ na uk³ad SAB6456. Wykorzystany wspó³czynnik podzia³u preskalera wynosi 256.
Wejœcie i wyjœcie preskalera jest symetryczne i dlatego zastosowano elementy C18,
C16, R11. Wejœcie preskalera jest zabezpieczone dwoma diodami impulsowymi (D3,
D4). Napiêcie wyjœciowe preskalera wynosi oko³o 1Vp-p i zostaje wzmocnione
wzmacniaczem zbudowanym na tranzystorze T3.
Wzmocnione sygna³y z obu kana³ów doprowadzane s¹ do prze³¹cznika wejœæ.
Prze³¹cznik zbudowany jest z bramek oznaczonych na schemacie jako US2A, US2C,
US2D. Bramki US2C i US2D sterowane s¹ z wyjœæ mikroprocesora. Wybrany jest
ten kana³, do bramki którego mikroprocesor doprowadza poziom wysoki. Bramka
US2A pe³ni rolê sumatora, do którego doprowadzane s¹ sygna³y z poszczególnych
kana³ów. Poni¿sza tabela przedstawia sposób dzia³ania bramki NAND
Wejœcie A
Wejœcie B
Wyjœcie
0
0
1
1
0
1
0
1
1
1
1
0
Sygna³ mierzony jest podany na wejœcie nr 5 bramki NAND 74S00. Zastosowanie
tak szybkiego uk³adu jest uzasadnione potrzeb¹ prze³¹czania sygna³ów o du¿ej czêstotliwoœci. Na wejœcie 4 ww. bramki podawany jest przebieg kluczuj¹cy o czêstotliwoœci 4 Hz, który jest wytwarzany przez podzia³ czêstotliwoœci 4,194304MHz przez
256 (US4) i przez 4096 (US3). Przebieg kluczuj¹cy jest równie¿ podawany na wejœcie INT1 mikroprocesora. Opadaj¹ce zbocze sygna³u kluczuj¹cego informuje mikroprocesor, ¿e zosta³ zakoñczony cykl pomiarowy i nale¿y odczytaæ liczniki oraz
wykonaæ niezbêdne obliczenia i wyœwietliæ wynik na wyœwietlaczu LCD. Z wyjœcia
bramki US2B sygna³ jest podawany na wejœcie licznika US5 (74HC4040). Zastosowany licznik charakteryzuje siê wysok¹ czêstotliwoœci¹ graniczn¹. Producent podaje jako typow¹ czêstotliwoœæ 70MHz przy 5V i 20°C. Licznik US5 jest wykorzystywany jako licznik 8 bitowy, sygna³ przeniesienia z licznika jest podawany na wejœcie
T0 mikroprocesora, który zlicza iloœæ przeniesieñ w okresie pomiarowym 125ms.
Licznik US5 nie jest kasowany i przed wykonaniem kolejnego pomiaru zapamiêtywany jest jego stan, który jest póŸniej odejmowany od wyniku pomiaru. Poniewa¿
okres pomiarowy wynosi 125ms, to aby uzyskaæ w³aœciwe wskazanie trzeba odczytan¹ wartoœæ liczników pomno¿yæ przez 8. Dzia³anie to wykonuje arytmetyka procesora. Po wymno¿eniu przez 8 otrzymujemy w³aœciw¹ czêstotliwoœæ, która jest wyœwietlana na wyœwietlaczu LCD. Prze³¹cznikiem oznaczonym S1 wybieramy, z którego wejœcia sygna³ ma byæ mierzony. Jeœli wybierzemy kana³ B to mikroprocesor
zmierzon¹ czêstotliwoœæ automatycznie pomno¿y przez 265.
W mierniku zastosowano wyœwietlacz LCD 1*16 znaków. Wyœwietlacz ten jest
jednowierszowy, ale ma organizacjê 2 * 8 znaków przez co wystêpuje potrzeba
inicjacji go jako dwuwierszowego. Pierwsze osiem znaków rozpoczyna siê adresem
00H a nastêpne osiem znaków jest od adresu 40H. Przy stosowaniu zamienników
nale¿y zwróciæ uwagê na powy¿szy fakt, gdy¿ zastosowanie innego wyœwietlacza
spowoduje, ¿e widoczne bêdzie tylko osiem pierwszych znaków.
Generator podstawy czasu jest zbudowany na uk³adzie US4 i pracuje na czêstotliwoœci 4,194304MHz . Strojenie generatora nale¿y rozpocz¹æ od pod³¹czenia wzorcowego czêstoœciomierza do wyprowadzenia 9 uk³adu US4. Trymerem C21 nale¿y
wyregulowaæ czêstotliwoœæ generatora podstawy czasu. Jeœli nie jest to mo¿liwe
nale¿y zmieniæ wartoœæ kondensatorów C1 i C2.
Uwaga: wartoœci pojemnoœci kondensatorów C1 i C2 musz¹ byæ zbli¿one do siebie,
bo w przeciwnym razie mog¹ wyst¹piæ problemy z uzyskaniem w³aœciwej amplitudy
poziomu generowanego przebiegu. Rezystor R1 zapewnia ujemne sprzê¿enie zwrotne
linearyzuj¹ce bramkê pracuj¹c¹ w uk³adzie generatora.
Monta¿ czêstoœciomierza jest prosty i nie wymaga specjalnego opisu jednak zaleca siê zastosowaæ podstawki precyzyjne pod uk³ad US1.
Algorytm pracy miernika wygl¹da nastêpuj¹co:
Po w³¹czeniu zasilania jest inicjowany wyœwietlacz, po inicjacji nastêpuje “przedstawienie” siê miernika. Nastêpnie jest konfigurowany systemu przerwañ i liczników. Po konfiguracji program procesora czeka na przyjêcie przerwania zewnêtrznego pochodz¹cego od sygna³u bramkuj¹cego. Opadaj¹ce zbocze ww. sygna³u jest
PRESS-POLSKA
Nowy Elektronik, ul. Junaków 2, 82-300 Elbl¹g, tel./fax 055 236-22-63, e-mail: [email protected]
74S00
2
9
7
6
5
3
2
4
13
12
14
15
1
CLK
RST
4040
6
10
11
10
11
9
10
13
12
CLK
US5
RST
7
5
4
6
14
13
15
1
2
3
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7
Q8
Q9
Q10
Q11
Q12
9
7
6
5
3
2
4
13
12
14
15
1
Q4
Q5
Q6
Q7
Q8
Q9
Q10
Q12
Q13
Q14
US4
74HC4040
CIN
COUT
COUT
RST
4060
2.5V
+5
+5
11
10
9
12
R3
R4
T1
R9
C2
Q1
R1
C9
C8
C10
C15
C16
C1
+5
R5
+5
R6
T2
8
7
6
5
C21
US6
VCC
OUT-A
OUT-B
MOD
C12
C11
IN-A
IN-B
GND
SAB6456
R7
D1
D2
1
2
3
4
S1
US1
P25
P26
P27
X1
INT1
P06
P05
P04
P03
P01
P00
P02
T0
+5
D3 D4
Wej.A
Wybór wejœcia
26
27
28
19
13
33
34
35
36
38
39
37
14
C14
C13
C17
C18
40
+
-
P17
P16
P15
P14
P13
P12
P11
P10
RXD
TXD
INT0
EA/VP
Z1
89C51
RESET
C19
Wej.B
9
31
10
11
12
8
7
6
5
4
3
2
1
+5V
100Hz-40MHz
VCC
US3
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7
Q8
Q9
Q10
Q11
Q12
74S00
US2B
US2C
74S00
US2D
74S00
R8
1k
R10
R11
C4
+5
C3
Wys.1
WM-C1601M
GND
+5
CONT
RS
R/-W
E
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
40MHz-1.2GHz
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
R2
C5
+5
C6
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Z3
PIN14
C7
+5
C20
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Z2
PIN14
4
5
US2A
8
11
2.5V
T3
Rys. 1 Schemat miernika czêstotliwoœci do 1.2GHz
GND
20
3
1
PRESS-POLSKA
Nowy Elektronik, ul. Junaków 2, 82-300 Elbl¹g, tel./fax 055 236-22-63, e-mail: [email protected]
sygna³em zg³oszenia przerwania, w odpowiedzi procesor wchodzi w procedurê
obs³ugi przerwania. W procedurze obs³ugi przerwania wykonywane s¹ nastêpuj¹ce
podprogramy:
- odczyt zewnêtrznego licznika IC5 i uporz¹dkowanie jego poszczególnych bitów
- odczyt wewnêtrznego dwubajtowego licznika T0
- “zmontowanie” s³owa 3-bajtowego przedstawiaj¹cego zmierzon¹ liczbê impulsów
- wymno¿enie zmierzonej liczby impulsów przez 8 aby uzyskaæ wartoœæ czêstotliwoœci
- ewentualne wymno¿enie czêstotliwoœci przez 256 jeœli jest wybrany kana³ B
- przeliczenie czterobajtowej liczby binarnej na spakowan¹ BCD
- przeliczenie spakowanej liczby BCD na rozpakowan¹ ASCII
- wyœwietlenie liczby na wyœwietlaczu LCD
- zakoñczenie procedury obs³ugi przerwania
Uruchomienie miernika sprowadza siê do pomiaru napiêæ sta³ych na kolektorach tranzystorów. Napiêcie to powinno wynosiæ oko³o 2.5V. Wartoœæ rezystora
R2 nale¿y tak dobraæ, aby uzyskaæ optymalny kontrast dla zastosowanego wyœwietlacza. Nastêpn¹ czynnoœci¹ jak¹ nale¿y zrobiæ to kontrola, czy wzmacniacz kana³u
A nie wzbudza siê. Jeœli wybierzemy przyciskiem S1 kana³ A i nie doprowadzimy do
wejœcia ¿adnego sygna³u, a miernik bêdzie pokazywa³ jak¹œ niestabiln¹ czêstotliwoœæ, to œwiadczy to o wzbudzeniu siê wzmacniacza. W takim przypadku nale¿y
przylutowaæ pomiêdzy bazê, a kolektor tranzystora T1 kondensator o wartoœci od
kilku do kilkudziesiêciu pikofaradów (im mniej tym lepiej). Odmienna jest sytuacja z
kana³em B. Jeœli przyciskiem S1 wybierzemy kana³ B, a do jego wejœcia nie doprowadzimy ¿adnego sygna³u, to na wyœwietlaczu mo¿emy zaobserwowaæ niestabilne
wskazania oko³o 1.2GHz. Jest to sytuacja normalna i prawid³owa, gdy¿ preskaler
ten jest zbudowany jako preskaler samooscyluj¹cy. Po doprowadzeniu do wejœcia B
sygna³u mierzonego, oscylacje te s¹ t³umione. Ta niedogodnoœæ jest rekompensowana bardzo dobr¹ czu³oœci¹, która roœnie ze wzrostem czêstotliwoœci i wynosi
oko³o 35mVp-p dla czêstotliwoœci 1GHz. Impedancja wejœciowa toru B zale¿y od
czêstotliwoœci i wynosi od oko³o 40 – 80 omów w zale¿noœci od mierzonej czêstotliwoœci.
Do zasilania miernika nale¿y u¿yæ stabilizowanego zasilacza 5V 150mA. Pobór pr¹du przez miernik nie powinien przekraczaæ 100mA. Przy pomiarach czêstotliwoœci
generatorów nale¿y pamiêtaæ, ¿e sposób pod³¹czenia miernika do generatora ma
istotny wp³yw na uzyskane wyniki. Wejœcie B ma bardzo nisk¹ impedancjê i bezpoœrednie sprzê¿enie miernika z obwodem rezonansowym generatora na pewno spowoduje zerwanie jego drgañ. Wejœcie A równie¿ nie jest wejœciem o zbyt du¿ej
rezystancji, i tak¿e bêdzie mia³o wp³yw na amplitudê i czêstotliwoœæ pod³¹czonego
generatora. Dlatego zawsze miernik czêstotliwoœci nale¿y sprzêgaæ z obwodem
mierzonym przez mo¿liwie s³abe sprzê¿enie. Dla generatorów LC nale¿y stosowaæ
wtórniki napiêciowe lub pod³¹czaæ siê do mo¿liwie niskiego odczepu cewki obwodu rezonansowego. Przy wykonywaniu pomiarów zawsze nale¿y pamiêtaæ, ¿e typowy przewód koncentryczny u¿ywany do pomiarów ma kilkadziesi¹t pikofaradów
pojemnoœci na ka¿dy metr d³ugoœci. I pod³¹czenie takiego przewodu do generatora
na pewno spowoduje jego przestrojenie.
Opisanego miernika czêstotliwoœci nie wolno pod³¹czaæ bezpoœrednio do wyjœcia
nadajników o mocy przekraczaj¹cej 0.5W. Sk³adowa sta³a doprowadzona do wejœcia miernika nie powinna przekraczaæ 15V.
Spis elementów 079-K
Rezystory:
R1 - 3,3M
R2 - 330
R3 - 1k
R4 - 68k
R5 - 1,5k
R6 - 68k
R7 - 330
R8 - 1k
R9 - 68k
R10 - 330
R11 - 330
Kondensatory:
C1 - 15pF
C2 - 15pF
C3 - 4,7µF/25V
C4 - 10µF/25V
C5 - 10µF/25V
C6 - 220nF
C7 - 220nF
C8 - 4,7nF
C9 - 100nF
C10 - 22µF/25V
C11 - 100nF
C12 - 4,7nF
C13 - 100nF
C14 - 100nF
C15 - 100nF
C16 - 100nF
C17 - 100nF
C18 - 100nF
C19 - 100nF
C20 - 220nF
C21 - 5-20pF trymer
US2 - 74S00 lub odpowiednik
US3 - CD4040 lub odpowiednik
US4 - 4060 lub odpowiednik
US5 - 74HC4040 lub odpowiednik
US6 - SAB6456
Inne:
Q1 - 4.194304MHz
Wys.1 - WM-C1601M
Z1 - ARK2
Z2 - BH14S
Z3 = IDC14
S1 - mikroprze³¹cznik
Podstawka - DIL40
Taœma do wyœwietlacza
P³ytka - 079-K (56mm x 147mm)
Pó³przewodniki:
T1 - 2N2369
T2 - 2N2369
T3 - 2N2369
D1 - BZX55 C4V7
D2 - BZX55 C4V7
D3 - 1N4148
D4 - 1N4148
Uk³ady scalone:
US1 - 89C51
Rys. 2 Rozmieszczenie
elementów na p³ytce
drukowanej