Przyjrzyjmy się budowie blokowej najprostszego miernika częstotliwości;
Ponieważ zdecydowana większość mierników częstotliwości to układy cyfrowe które wymagają na wejściu sygnału prostokątnego o poziomach logicznych niezbędny jest układ kształtowania. Układ ten poza dopasowaniem poziomu sygnału zapewnia również zmianę kształtu z np. sinusoidalnego czy trójkątnego na prostokątny. Bardziej zaawansowane układy kształtujące mogą być wyposażone dodatkowo we wzmacniacze czy też tłumiki a także filtry. Odpowiednio ukształtowany sygnał trafia do tak zwanej bramki która na zadany czas pomiaru "przepuszcza" sygnał do licznika. Tzw. czas bramkowania to czas w jakim są zliczane impulsy wejściowe, od dokładności odmierzania tego czasu zależy w dużej mierze dokładność miernika. Do tego celu służy generator wzorcowy wraz z dzielnikiem częstotliwości, w prostych konstrukcjach stosuje się zwykłe generatory kwarcowe. W bardziej zaawansowanych a co za tym idzie dokładniejszych są stosowane generatory kwarcowe kompensowane temperaturowo bądź stabilizowane zewnętrznym sygnałem odniesienia (np. za pośrednictwem sygnału GPS). Logika sterująca zapewnia odpowiednią sekwencję sygnałów sterujących. W dużym uproszczeniu cykl pomiarowy wygląda tak;
1. Skasowanie licznika
2. Otwarcie bramki na zadany czas wzorcowy
3. Zliczanie impulsów
4. Zamknięcie bramki i wyświetlenie wyniku
Cykl powtarza się w pętli. Bardziej zaawansowane mierniki mogą mierzyć również czas czy okres przebiegu wejściowego. Nieco odmienną konstrukcją są mierniki częstotliwości przeznaczone do pomiaru w urządzeniach radiokomunikacyjnych, tam ze względu na przemianę częstotliwości wymagane jest dodanie lub odjęcie (zależnie od sposobu przemiany) częstotliwości pośredniej od mierzonej częstotliwości heterodyny aby otrzymać poprawny wynik. Tego rodzaju mierniki choć są możliwe do zrealizowania w technologii TTL czy CMOS są jednak stosunkowo mocno skomplikowane. Konstrukcja opierająca się o mikroprocesor w sposób znaczący ułatwia budowę takiego miernika. Jeszcze jedna rzecz, większość typowych układów ma ograniczenia maksymalnej częstotliwości. Wynika to z ograniczeń danej technologii produkcji. W celu zwiększenia zakresu pomiarowego stosuje się dodatkowe układy tzw. preskalery. Są to specjalnie produkowane układy wstępnie dzielące częstotliwość przez z góry ustalony współczynnik. Dla przykładu jeden z popularnych preskalerów MB506 umożliwia pracę do 2,4 GHz z podziałem ÷64 co dla Fmax daje na wyjściu 3,75 MHz. Umożliwia to współpracę z nawet niezbyt szybkimi układami CMOS (seria 4XXX to Fmax ~15MHz). Użycie mikroprocesora znacznie ułatwia wprowadzanie poprawki na częstotliwość pośrednią a także umożliwia wprowadzenie np. synchronizacji pomiaru z sygnałem mierzonym. Jednymi z pierwszych mikroprocesorów (mikrokontrolerów) była seria PIC16 firmy Microchip której to wewnętrzne timery umożliwiały pracę z sygnałami do około 50MHz bez dodatkowych preskalerów. Prezentowany miernik jest również oparty o mikrokontroler PIC wraz z dodatkowym preskalerem.
Dane techniczne
• Procesor PIC16F648A
• Generator wzorcowy VC-TCXO (sterowany napięciem skompensowany temperaturowo generator kwarcowy) 2,5ppm 13,000MHz
• Mierzona częstotliwość 100kHz ÷ 2,4GHz (tak nie do końca)
• Bramka 10ms, 100ms i 1s
• Dwa zakresy pomiarowe;
Zakres pomiarowy L: 0.1 MHz -60 MHz
Dokładność: 100Hz (czas bramki 0.01s)
10Hz (bramka 0.1 sekundy)
1Hz (1.0 sekundy, gdy brama)
Czułość:
0.1 MHz -10 MHz: lepsze niż 60mVPP
10 MHz -60 MHz: lepsze niż 60mVPP
60 MHz -75 MHz: nie testowane
Zakres pomiarowy H: 20 MHz -2.4 GHz
Dokładność: 6400Hz (bramka 0.01 sekundy)
640Hz (czas bramki 0.1 1s)
64Hz (czas bramki 1.0 1s)
Wysoka czułość kanału:
20 MHz -30 MHz: lepsze niż 100mVPP
30 MHz -60 MHz: lepsze niż 50mVPP
60 MHz -2.4GHz: nie testowany
• Automatyczna lub ręczna zmiana zakresu pomiarowego (H-wysoki, L-niski, A-wybór automatyczny)
• Możliwość dodania lub odjęcia częstotliwości pośredniej
• 8 poziomów jasności wyświetlaczy
• ICSP
• USART
• 8-mio pozycyjny wyświetlacz 7-mio segmentowy LED o wysokości 0,56 cala (wybór koloru przy zakupie)
• Zasilanie 9 ÷ 15VDC
• Pobór prądu max 160mA
• Dwa tact switche do konfiguracji
Miernik ma wymiary 125x26mm oraz wysokość ~22mm
Po przeciwnej stronie wyświetlaczy są prawie wszystkie elementy;
Dlaczego prawie wszystkie? Ano dlatego że pod wyświetlaczami został ukryty PIC16F648A oraz trochę elementów RC
. Producent dołączył również tulejki które ułatwią zamocowanie miernika do panelu choć tu przydałyby się trochę dłuższe switche;
Pewnym nieporozumieniem wydaje mi się użycie złącza JST jako wejściowego, lepiej byłoby zastosować złącze koncentryczne SMA do druku.
Co jest na pokładzie miernika? Oprócz wspomnianego PIC16F648A mamy preskaler PMB2314, tu zależnie jak się trafi. W pierwotnej wersji miernika był stosowany MB506 który ma maksymalną częstotliwość wejściową do 2,4GHz, dla PMB2314 jest to jedynie 2,3GHz.
PMB2314
Oraz schemat blokowy
Dla MB506
Schemat blokowy MB506
Parametry MB506
Pinout obu preskalerów jest w zasadzie identyczny i w zależności od zamontowanego typu będziemy mieli ograniczoną maksymalną częstotliwość pomiaru.
Za preskalerem mamy multiplekser 74HC151;
Oraz jego schemat blokowy
TM1639 to zintegrowany driver/sterownik wyświetlaczy LED oraz klawiatury po SPI, jego zastosowanie zwolniło dużą ilość pinów PIC16F648A.
Mikrokontroler sterujący miernikiem nie jest jakimś mocno wyszukanym modelem w "stajni" Microchip'a, PIC16F648A to jedynie 4k Flash.
Będąc mocno zaciekawionym jak został zbudowany obwód wejściowy poświęciłem trochę czasu na przerysowanie schematu na podstawie PCB.
Tranzystory na wejściu to dwu bramkowe FET'y BF988 (oznaczenie MOs);
Według datasheet BF988 pracuje do 1GHz więc co robi na wejściu preskalera o Fin>2GHz? Nie wiem co konstruktor chciał tu osiągnąć ale przy większych częstotliwościach zamiast wzmocnienia sygnał będzie tłumiony. Na schemacie widać podwójny tor sygnału, w obu torach zastosowano połączone przeciwsobnie diody zabezpieczające. Takie rozwiązanie zabezpiecza przed zbyt wysokim napięciem wejściowym co mogłoby uszkodzić wzmacniacze. Sygnały z obu torów po przejściu poprzez układy dopasowujące poziomy napięć trafiają do multipleksera 74HC151 a dalej do mikrokontrolera. Na temat samego programu niestety nie ma żadnych informacji nie mniej posiada on swego rodzaju menu pozwalające zmienić ustawienia miernika. Po włączeniu zasilania po krótkiej chwili wyświetlane są same zera;
Zastosowane wyświetlacze są bardzo jasne i mój telefon (Moto G7 Play) nawet na minimalnej ustawionej jasności miał duże problemy z ostrością, założyłem jakiś przypadkowy filtr od wyświetlacza VFD co znacząco poprawiło czytelność zdjęć
.
Menu miernika
W czasie normalnej pracy (czyli pomiaru) switch oznaczony trójkątem (dolny) zmienia czas bramkowania (pomiaru) a co za tym idzie położenie przecinków na wyświetlaczu. Domyślnie najstarszy znak jest wygaszony. Przycisk opisany jako zawinięta strzałka (górny) wprowadza do menu miernika.
Częstotliwość pośrednia (z ang. IF- intermediate frequency) to pojedyńcze naciśnięcie strzałki;
Przyciskiem oznaczonym trójkątem (dolny) zmieniamy wartość (tylko w górę w sekwencji 0, 1...8,9,0) a zawiniętą strzałką (górny) zatwierdzamy (przechodzimy do kolejnej cyfry lub parametru). Kolejnym parametrem jest tryb pomiaru dla częstotliwości pośredniej, możemy ustawić dodawanie jak i odejmowanie czyli częstotliwość wyświetlana=częstotliwość mierzona+częstotliwość pośrednia lub częstotliwość wyświetlana=częstotliwość mierzona-częstotliwość pośrednia. To ustawienie zależy od sposobu przemiany częstotliwości w badanym urządzeniu;
Zmiana polega na odwróceniu znaku z PI na U. Kolejnym ustawieniem jest kanał pomiarowy. Tu do wyboru mamy trzy ustawienia; A- Automatyczny, L-Niski oraz H-Wysoki.
Kolejną opcją jest dF, wygląda na to że jest to swego rodzaju filtr cyfrowy (dF-digital Filter) gdyż po ustawieniu w pozycji Off na wyświetlaczach pokazują się przypadkowe wartości.
Ostatnim ustawieniem jest jasność wyświetlaczy. Tu mamy do wyboru aż osiem poziomów, wyświetlacze są super-jasne i w ustawieniu na max. po prostu "biją po oczach". Ten parametr jest wyświetlany jako L (ang. Light czyli światło/jasność);
Zmierzmy coś zatem i porównajmy z Digicount 312, źródłem sygnału będzie generator DDS FY6900-60MHz.
Sinus 200kHz o amplitudzie 5V, w mierniku zakres L i włączony fitr dF.
Jak widać Digicount 312 trochę się rozjechał ale jak na kilkudziesięcioletnie TCXO te kilka hertzów to nie problem
. Zmniejszamy amplitudę...
Sinus 200kHz o amplitudzie 1V, w mierniku zakres L i włączony fitr dF.
Na Digicount taka zmiana niewiele wpłynęła, tytułowy bohater zaczyna mieć problemy. Zmniejszamy dalej...
Sinus 200kHz o amplitudzie 0,1V, w mierniku zakres L i włączony fitr dF.
Digicount 312 zaczyna mieć problemy z pomiarem, "nasz" miernik odjechał w siną dal... Zmiana kształtu przebiegu z sinusoidalnego na trójkątny, prostokątny czy trapezoidalny w sposób znaczący nie wpłynęła na pomiar aczkolwiek pojedyńcze Hz zaczynały pływać. Jeszcze porównanie dla F=60MHz które mogę wygenerować dostępną mi aparaturą.
Sinus 60MHz o amplitudzie 3V, w mierniku zakres L i włączony fitr dF.
Nie ma problemu z pomiarem, nawet Digicount daje radę choć jego gwarantowana Fmax to 50MHz. Zasymulujmy zatem pracę z pośrednią typową dla CB radia gdzie heterodyna pracuje w systemie Fp.cz.=Fodbierana-Fheterodyny. Pierwsza częstotliwość pośrednia wynosi 10,695MHz co daje dla odbioru kanału czwartego (27,000MHz) częstotliwość heterodyny równą 16,305MHz (dla tzw. zer).
Generator udający heterodynę;
Częstotliwość zmierzona bezpośrednio;
Dopisanie częstotliwości pośredniej oraz wynik, F heterodyny + F pośrednia;
160Hz odchyłki od kanału czwartego (27,000MHz) czyli nie jest źle. Oczywiście wymaga to kalibracji ale tu producent przewidział taką opcję w postaci potencjometru montażowego tuż obok generatora VC-TCXO. Miernika nie kalibrowałem, przyjdzie na to pora po zamontowaniu w odpowiedniej obudowie. Można też takową wydrukować jak np. tu; https://www.zl2pd.com/8digitCounterBox.html. Z powodu braku jakiegokolwiek źródła sygnału o częstotliwości większej jak 60MHz toru z preskalerem nie przetestowałem. Nie udało mi się również połączyć z nim poprzez USART przy użyciu konwertera USB/USART TTL, wypróbowałem chyba wszystkie możliwe kombinacje i nic z tego
. Można w prosty sposób rozdzielić oba kanały pomiarowe i wyprowadzić je na oddzielnych gniazdach koncentrycznych np. SMA czy BNC. Miernik ze względu na bardzo kompaktowe wymiary może służyć jako przenośny zasilany z np. trzech ogniw 18650. Minimalne napięcie zasilania ze względu na zastosowanie stabilizatora LM7805 powinno wynosić powyżej 7,5V. Miernik uważam za wart swojej ceny i na pewno przyda się w warsztacie.
Cool? Ranking DIY
