Простой частотомер от 20 Гц до 20 кГц на базе микросхемы К155ЛА3

На базе только одной микросхемы К155ЛАЗ, используя все ее логические элементы, можно построить сравнительно простой прибор, способный измерять частоту переменного напряжения примерно от 20 Гц до 20 кГц. Входным элементом такого измерительного прибора служит триггер Шмитта—устройство, преобразующее подаваемое на его вход переменное напряжение синусоидальной формы в импульсы прямоугольной формы той же частоты. То есть оно преобразует синусоидальные «импульсы» с пологими фронтом и спадом в прямоугольные, имеющие крутые фронт и спад. Триггер Шмитта «срабатывает» при определенной амплитуде входного сигнала. Если она меньше порогового значения, импульсного сигнала на выходе триггера не будет.
Начнем с опыта. Пользуясь схемой триггера Шмитта, показанной на рис. 1, а, смонтируйте на макетной панели микросхему К155ЛАЗ, включив в работу только два ее логических элемента. Здесь же, на панели, разместите батареи GB1 и GB2, составленные из двух гальванических элементов 332 (или 316) каждая, и переменный резистор R1 сопротивлением 1,5 или 2,2 кОм (желательно с функциональной характеристикой А—линейной). Выводы батарей подключайте к резистору только на время опытов.
Включите питание микросхемы и по  вольтметру постоянного тока установите движок переменного резистора в такое положение, при котором на левом по схеме выводе резистора R2, являющемся

рис1

входом триггера Шмитта, будет нулевое напряжение. При этом элемент DD1.1. окажется в единичном состоянии, на его выходе будет напряжение высокого уровня, а элемент DD1.2—в нулевом Таково исходное состояние элементов этого триггера.
Теперь вольтметр постоянного тока подключите к выходу элемента DD1.2 и, внимательно наблюдая за его стрелкой, начинайте плавно перемещать движок переменного резистора вверх по схеме до упора, а затем, не останавливаясь, в обратную сторону — до нижнего вывода, далее—снова до верхнего и т. д. Что показывает вольтметр? Периодическое переключение элемента DD1.2 из нулевого состояния в единичное и обратно, т. е., иначе говоря, появление на выходе триггера импульсов положительной полярности.
Работу такого варианта триггера Шмита иллюстрируют графики б и в на том же рис. 20. Перемещением движка переменного резистора из одного крайнего положения в другое вы имитировали подачу на вход триггера переменного напряжения синусоидальной формы (рис. 20, б) амплитудой до 3 В. Пока напряжение положительной полуволны этого сигнала было меньше некоторого значения, которое принято называть верхним пороговым (Unop1), устройство сохраняло исходное состояние. При достижении же этого порогового напряжения, равного примерно 1,7 В (в момент t1), оба элемента переключились в противоположное состояние и на выходе триггера (на выходе элемента DD1.2) появилось напряжение высокого уровня. Дальнейшее повышение положительного напряжения на входе не изменяет этого состояния элементов триггера.
При перемещении движка резистора R1 в обратную сторону, когда напряжение на входе триггера снизилось до нижнего порогового значения (Unop2). равного примерно 0,5 В (момент t2), оба элемента переключились в первоначальное состояние. На выходе триггера вновь появился высокий уровень напряжения.
Отрицательная полуволна не изменила состояния элементов, образующих триггер Шмитта. В течение этого полупериода открываются внутренние диоды входной цепи элемента DD1.1, замыкая вход триггера на общий провод.
При следующей положительной полуволне входного переменного напряжения на выходе триггера сформируется второй импульс высокого уровня (моменты t3 и t4).Повторите этот опыт несколько раз, и по показаниям вольтметра, подключаемого ко входу и выходу триггера, постройте графики, характеризующие его работу. Они должны получиться близкими к показанным на графиках рис. 20. Два разных по уровню порога срабатывания элементов — наиболее характерная особенность триггера Шмитта.
Теперь перейдем к изучению частотомера. Принципиальная схема предлагаемого для повторения   частотомера изображена на рис. 2. Здесь логические элементы DD1.1, DD1.2 и резисторы R1— R3 образуют уже знакомый нам триггер Шмитта, а остальные два элемента микросхемы — формирователь его выходных импульсов, от частоты следования которых зависят показания микроамперметра РА1. Без формирователя прибор не даст достоверных результатов измерения частоты, потому что длительность импульсов на выходе триггера зависит от частоты входного измеряемого переменного напряжения.

рис2

Конденсатор С1—разделительный. Пропуская широкую полосу колебаний звуковой частоты, он преграждает путь постоянной составляющей источника сигнала. Диод VD2 замыкает на общий провод отрицательные полуволны входного напряжения (он дублирует внутренние диоды на входе элемента DD1.1, поэтому этот диод можно не устанавливать). Диод VD1 ограничивает амплитуду положительных полуволн, поступивших на входы элемента DD1.1, на уровне напряжения питания. С выхода триггера Шмитта (с выхода элемента DD1.2) импульсы положительной полярности поступают на вход формирователя. Элемент DD1.3 включен инвертором, a DD1.4 используется по своему прямому назначению — как логический элемент 2И-НЕ. Как только на входе формирователя — на соединенных вместе входах элемента DD1.3—появляется напряжение низкого уровня, он переключается в единичное состояние и через него и резистор R4 заряжается один из конденсаторов С2-С4. По мере зарядки конденсатора положительное напряжение на нижнем входе элемента DD1.4 повышается до высокого уровня. Но этот элемент остается в единичном состоянии, так как на втором его входе, как и на выходе триггера Шмитта, — низкий уровень напряжения. В таком режиме через микроамперметр РА1 протекает незначительный ток.
Как только на выходе триггера Шмитта появляется напряжение высокого уровня, элемент DD1.4 переключается в нулевое состояние и через микроамперметр начинает протекать значительный ток, определяемый сопротивлением одного из резисторов R5—R7. Одновременно элемент DD1.3 переключается в нулевое состояние, и заряженный конденсатор формирователя начинает разряжаться. Через некоторое время напряжение на нем снизится настолько, что элемент DD1.4 вновь переключится в единичное состояние. Таким образом, на выходе формирователя появляется короткий импульс низкого уровня (см. рис. 20, г), в течение которого через микроамперметр протекает ток, значительно больший, чем начальный. Угол отклонения стрелки микроамперметра пропорционален частоте следования импульсов: чем больше частота, тем больше угол.
Длительность импульсов на выходе формирователя определяется продолжительностью разрядки включенного времязадающего конденсатора (С2, СЗ или С4) до напряжения переключения элемента DD1.4. Чем меньше емкость конденсатора, тем короче импульс, тем большую частоту входного сигнала можно измерить. Так, с времязадающим конденсатором С2 емкостью 0,2 мкФ прибор способен измерять частоту колебаний ориентировочно от 20 до 200 Гц, с конденсатором СЗ емкостью 0,02 мкФ — от 200 до 2000 Гц, с конденсатором С4 емкостью 2000 пФ — от 2 до 20 кГц. При налаживании подстроечными   резисторами R5—R7 стрелку микроамперметра устанавливают на конечную отметку шкалы, соответствующую наибольшей измеряемой частоте каждого из поддиапазонов. Минимальный уровень переменного напряжения, частоту которого можно измерить,—около 1,5 В, а максимальный—• 8...10 В.
Еще раз проанализируйте графики на рис. 20, чтобы закрепить в памяти принцип работы частотомера, а затем дополните собранный на макетной панели триггер Шмитта деталями входной цепи и формирователя и испытайте устройство в действии. На это время переключатель поддиапазонов не нужен — времязадающий конденсатор, например С2, можно подключить непосредственно к выводу 13 элемента DD1.4, а в цепь микроамперметра включить один из подстроечных резисторов или постоянный резистор сопротивлением 2,2.. .3,3 кОм. Микроамперметр РА1—на ток полного отклонения стрелки 100 мкА.
Закончив монтаж, включите источник питания и подайте на вход элемента DD1.1 триггера Шмитта импульсы высокого уровня. Их источником может быть мультивибратор по схеме на рис. 10 или другой аналогичный генератор. Частоту следования импульсов установите минимальную. При этом стрелка микроамперметра РА1 должна резко отклоняться на небольшой угол, что будет свидетельствовать о работоспособности частотомера. Если же микроамперметр не реагирует на входные импульсы, придется подобрать другой резистор R2 большего сопротивления. Вообще же его сопротивление может быть в пределах от 1,8 до 5,1 кОм. Далее подайте на вход частотомера (через конденсатор С1) переменное напряжение 3.. .5 В с понижающего сетевого трансформатора. Теперь стрелка микроамперметра должна отклониться на больший угол, чем в предыдущем опыте. Подключите параллельно времязадающему конденсатору еще один такой же или большей емкости. Теперь угол отклонения стрелки уменьшится. Точно так же можно испытать устройство на втором и третьем поддиапазонах измерения, но при входных сигналах соответствующей частоты. Если вы решили включить этот частотомер в свою домашнюю измерительную лабораторию, его детали надо перенести с макетной панели на монтажную плату и укрепить на ней подстроечные резисторы R5—R7 (рис. 22), а плату закрепить в коробке подходящих размеров. Конденсаторы С2—С4 могут быть составлены из двух и более конденсаторов каждый.
Внешний вид конструкции частотомера показан на рис. 3. На его лицевой панели разместите микроамперметр, переключатель поддиапазонов (например, галетный ЗПЗН или другой с двумя секциями на три положения), входные гнезда  (XS1, XS2) или зажимы.
Шкала частотомера—общая для всех поддиапазонов измерения и практически равномерная. Поэтому надо только определить

рис3

начальную и конечную границы шкалы применительно к одному из них — к поддиапазону «20.. .200 Гц», после чего подогнать под нее частотные границы двух других поддиапазонов измерения. В дальнейшем при переключении прибора на поддиапазон «200.. .2000 Гц» результат измерений, считанный по шкале, будете умножать на 10, а при измерении в поддиапазоне «2.. .20 кГц»—на 100.
Методика градуировки такова. Переключатель SA1 установите в положение измерения в поддиапазоне «20.. .200 Гц», движок подстроечного резистора R5 — в положение наибольшего сопротивления и подайте на вход частотомера от звукового генератора, например ГЗ-33, сигнал частотой 20 Гц напряжением 1,5...2 В. Сделайте на шкале отметку, соответствующую углу отклонения стрелки микроамперметра. Затем звуковой генератор перестройте на частоту 200 Гц и подстроечным резистором R5 установите стрелку прибора на конечную отметку шкалы. После этого по сигналам звукового генератора сделайте на шкале отметки, соответствующие 30, 40, 50 и т. д. до 190 Гц. Позже эти участки шкалы разделите еще на 2, 5 или 10 частей.
Затем частотомер переключите на второй поддиапазон измерений, подайте на его вход сигнал частотой 200 Гц. При этом стрелка микроамперметра должна установиться против отметки шкалы, соответствующей частоте 20 Гц первого поддиапазона. Точнее установить ее на эту исходную отметку шкалы можно подборкой конденсатора СЗ или подключением параллельно ему второго (третьего и т. д.) конденсатора, несколько увеличивающего их общую емкость. После этого на вход прибора подайте от генератора сигнал частотой 200 Гц и подстроечным резистором R6 установите стрелку микроамперметра на конечную отметку шкалы. Аналогично подгоняйте под шкалу микроамперметра границы третьего поддиапазона измеряемой частоты — 2.. .20 кГц. Возможно, пределы измерения частоты на поддиапазонах получатся иные или вы захотите изменить их. Делайте это подборкой времязадающих конденсаторов С2—С4.
Не исключено, что вы пожелаете повысить  чувствительность частотомера. В таком случае простейший частотомер придется дополнить усилителем входного сигнала, используя для этого, например, маломощный n-р-n транзистор или, что еще лучше, аналоговую микросхему К118УП1Г (рис. 24). Эта микросхема представляет собой трехступенный усилитель для видеоканалов телевизионных приемников, обладающий большим коэффициентом усиления. Ее корпус с 14 выводами такой же, как у микросхемы К155ЛАЗ, но плюсовой вывод питания у нее 7-й, а минусовой—14-й. С таким усилителем чувствительность частотомера увеличится до 30... 50 мВ.Колебания измеряемой частоты могут быть синусоидальными, прямоугольными, пилообразными—любыми. Через конденсатор С1 они поступают на вход (вывод 3) микросхемы DA1 и после усиления с выхода (вывод 10, соединенный с выводом 9) микросхемы через конденсатор СЗ приходят на вход триггера Шмитта частотомера. Конденсатор С2 устраняет внутреннюю отрицательную обратную связь, ослабляющую усилительные свойства микросхемы.
Диоды VD1, VD2 и резистор R1 (рис. 21) теперь можно удалить, а на их месте смонтировать аналоговую микросхему DA1 и оксидные конденсаторы. Микросхему К.П8УП1Г можно заменить на К118УП1В или К118УП1А. Но в этом случае чувствительность частотомера будет несколько меньше.