Схема данного частотомера полностью построена на стандартных интегральных микросхемах серий ТТЛ и КМОП (0xx и 74xx), а показания частоты выводятся на светодиодный дисплей. К проекту прилагаются исходные файлы схемы в формате KiCad и файлы печатной платы в формате PDF. Несмотря на то, что система уже устарела, автор приложил немало усилий, чтобы спроектировать аккуратную печатную плату, и успешно использует это устройство. [1, 2, 3, 4]

Конструкция ТТЛ/КМОП-частотомера

«Все должно быть сделано настолько просто, насколько это возможно, но не проще» — Альберт Эйнштейн. Именно эта идея легла в основу разработки устройства: создать интересную и функциональную вещь, используя максимально простые решения. Прибор может работать в диапазоне частот от 0,5 Гц до 100 МГц, служить счетчиком импульсов (до 100 000 000), а также выполнять функцию простого генератора прямоугольных импульсов с частотой от 0,25 до 16 Гц. [1]

По сути, частота — это количество импульсов за одну секунду. Из этого следует, что система должна состоять из самого счетчика и генератора эталонных интервалов времени. В качестве счетной части используются шесть десятичных счетчиков типа 40110. Это крайне удобные микросхемы, так как они уже содержат в себе контроллер дисплея и защелку-регистр памяти. За временной эталон отвечает микросхема 4521 с кварцевым резонатором на 4 194 304 Гц, обеспечивающая на выходах частоту 1–16 Гц. Выбор такого кварца идеален, поскольку его частота является степенью двойки и легко делится до нужных значений. [1, 2, 3, 4, 5, 6]

Управление счетчиками осуществляется сигналом с частотой 0,5 Гц. Это означает, что в течение одной секунды на управляющем входе удерживается логическая «1», а в течение следующей секунды — логический «0». Данный сигнал усиливается транзистором Т2 (при этом он инвертируется, хотя это и не принципиально) и подается на 12 управляющих входов счетчиков. Когда сигнал равен «0», счетчики подсчитывают входящие импульсы; когда появляется «1», процесс подсчета замирает, и полученный результат фиксируется на экране в течение одной секунды. Спад импульса (отрицательный фронт) сбрасывает показания, и цикл повторяется заново. [1, 2, 3, 4, 5]

Измеряемый сигнал усиливается простейшим входным каскадом на одном транзисторе и поступает непосредственно на первый счетчик, предварительно делясь на 10 или 100. Коэффициент деления выбирается перестановкой перемычки (джампера). В качестве первого делителя можно применить микросхему 74LS90. Кроме того, подойдет и сверхбыстрая ТТЛ-микросхема 74S196, способная делить частоту вплоть до 100 МГц. [1, 2, 3, 4]

Время подсчета импульсов можно увеличить и сделать дольше одной секунды. Для этого используется джампер на левой стороне платы. При изменении времени измерения итоговый результат на дисплее необходимо будет разделить на этот временной коэффициент, чтобы узнать точное число импульсов в секунду. Чтобы использовать прибор в режиме обычного счетчика импульсов, время счета следует выставить на «бесконечность». В таком режиме прибор будет только суммировать импульсы (обратный отсчет не предусмотрен, хотя сама микросхема 40110 поддерживает эту функцию). [1, 2, 3, 4, 5]

Калибровка временного эталона: Система требует предварительной настройки. Изначально для калибровки планировалось использовать подстроечный конденсатор (триммер), однако на практике оказалось гораздо удобнее впаять часть панельки DIL, в которую я просто подбираю и вставляю обычные керамические конденсаторы. [1]

Если у вас есть образцовый (заведомо точный) частотомер, можно собрать простейший генератор на таймере NE555 с частотой около 1 МГц. Подключив оба прибора к этому генератору, мы подбираем емкость конденсаторов до тех пор, пока показания нашего устройства не совпадут с образцовыми — на этом калибровка будет завершена. [1]

В технической документации к микросхеме 4521 указано, что для калибровки можно использовать выход OUT1 (вывод 7). Частота, присутствующая на этом выводе, должна в точности соответствовать номинальной частоте кварцевого резонатора. [1, 2]

Чтобы измерить частоту, сначала подключите прибор к источнику сигнала. После этого можно сразу приступать к измерениям. Все предельно просто и не требует дополнительных объяснений. Однако стоит учесть, что база транзистора во входном каскаде управляется делителем напряжения с общим сопротивлением около 20 кОм. Это довольно низкое входное сопротивление, которое иногда может шунтировать и вносить искажения в исследуемую схему (особенно в цепи кварцевых резонаторов). Эти резисторы можно заменить на элементы с большим номиналом. [1, 2, 3, 4]

Прибор изначально проектировался для измерения частоты в цифровых устройствах, то есть для работы с прямоугольными сигналами с крутыми фронтами. Поскольку у меня не было в этом необходимости, работу схемы с синусоидальным и треугольным сигналом я не тестировал (примечание автора).

Источник