Щуп - частотомер

Описываемое устройство оформлено в виде щупа и позволяет определять логические уровни ТТЛ и КМОП-микросхем, частоту импульсных сигналов до 1 МГц. Может работать и как счетчик, считающий до 10 6 импульсов. Напряжение питания щупа составляет 5 или 9 В.

Схема щупа приведена на рис. 1, временная диаграмма работы частотомера — на рис. 2.

Рис.1

Рис.2

Сигнал измеряемой частоты через резистор R1, образующий с диодами VD1 и VD2 ограничитель входного сигнала, поступает на элемент DD4.2, выполняющий роль клапана. На второй вход клапана поступает импульс отрицательной полярности длительностью 1 с, разрешающий прохождение измеряемой частоты на выход клапана. Выходной сигнал клапана подается на шестиразрядный счетчик DD5— DD10, выполненный на микросхемах К490ИП1. Эти КМОП- микросхемы содержат, кроме десятичного счетчика и формирователя кода семисегментного индикатора, подобно К176ИЕ4, семисегментный индикатор красного свечения, что делает их незаменимыми для построения малогабаритных счетчиков.
Основой формирователя секундных импульсов служит кварцевый генератор на частоту 32 768 Гц, собранный на микросхеме DD2. Работу формирователя в режиме частотомера (контакты переключателя SA1 «Частотомер» — «Счетчик» разомкнуты) рассмотрим, начиная с того момента, когда триггер DD3.1 находится в состоянии «1», триггер DD3.2—в состоянии «0». На входе D триггера DD3.1 при этом—лог. «0» с выхода DD3.2 на входах D и S триггера DD3.2 — лог. «0». Фронт первого импульса с частотой 1 Гц с выхода S микросхемы DD2 установит триггер DD3.1 в состояние «0», лог. «1» с его инверсного выхода 12 установит триггер DD3.2 по входу S в состояние «1». Лог «0» с выхода 13 триггера DD3.1 поступит на входы гашения Г микросхем DD5 — DD10 и выключит индикатор. Фронт отрицательного импульса с выхода DD4.1 продифференцируется в цепочке C3R11 и, проинвертировавшись в элементе DD4.3, в виде короткого положительного импульса (1...1.5 мкс), поступит на входы R, DD5 — DD10 и обнулит счетчик.
Следующий фронт импульсов с частотой 1 Гц установит триггер DD3.1 в состояние «1», поскольку на его вход D приходит лог. «1», а триггер DD3.2 останется в состоянии «1», так как на его входе S присутствует лог. «1». Очередной фронт с выхода S DD2 не изменит состояния DD3.1 (на его входе D по-прежнему лог. «1»), но триггер DD3.2 установится в «0» (на его входах D и S—лог «0»), восстановится исходное состояние триггеров.
Таким образом, в течение 3 с формируется цикл работы частотомер короткий импульс сброса, импульс отрицательной полярности на входе 1 DD4.2, разрешающий счет измеряемой частоты в течение 1 с, одновременно с ним импульс отрицательной полярности с выхода 13 DD3.1 выключает индикацию счетчика, двухсекундный интервал индикации.
В режиме работы устройства в качестве счетчика контакты SA1 замкнуты, триггер DD3.1 установлен в состояние «1», DD3.2 — в «0», делитель микросхемы DD2 остановлен. В результате на выходе 13 DD3.1—лог. «1», разрешающая индикацию, на выходе DD4.1—лог. «0», разрешающий прохождение входных импульсов через DD4.2 на счетчик.
При кратковременном нажатии на кнопку SB1 происходит переход в режим частотомера, запускается делитель DD2, сразу же на его выходе S возникает фронт положительного импульса, он устанавливает триггер DD3.1 в состояние «0» (на его входе D—лог. «0»). Спад импульса с выхода DD4.1, продифференцировавшись в C3R11, сбрасывает счетчик в состояние «0». После отпускания кнопки SB1 восстанавливается работа в режиме «Счетчик».
Индикация логических уровней осуществляется пятиэлементным индикатором HG1, при этом используются только два элемента, управление ими осуществляется микросхемой DD1. Резисторы R2 — R5 при настройке подбирают так, чтобы порог включения элемента DD1.1 по входному напряжению щупа составлял 0,5...0,7 В (при напряжении питания 5 В), а элемента DD1.3— около 2,5 В. Поэтому при подаче входного напряжения более 2,5 В будут включены DD1.1, DD1.3, DD1.5; лог. «0» с выхода DD1.5 включит верхний (по положению в щупе) элемент индикатора HG1 и будет индицироваться уровень лог. «1». Если входное напряжение менее 0,5 В, то DD1.1, DD1.3, DD1.5 выключены, DD1.2 включен, лог. «0» с его выхода включает нижний сегмент индикатора HG1 и индицирует лог. «0». При промежуточном напряжении на входе щупа или в том случае, когда щуп никуда не подключен, элемент DD1.1 включен, элемент DD1.3 — выключен, индикатор HG1 погашен.
Для нормальной работы микросхем К490ИП1 на них нужно подать два напряжения питания: +9 В для питания счетчика и +5 В—для индикатора. Большинство микросхем удовлетворительно работает при подаче +5 В на оба вывода питания, но +9 В на оба вывода подавать нельзя. Поэтому для гашения избыточных 4 В использован стабилитрон VD3. При питании от +5 В он замыкается переключателем SA2.
Щуп собран на печатной плате из двустороннего стеклотекстолита размерами 142,5Х20 мм. Расположение проводников на стороне установки микросхем показано на рис. 3,б, на противоположной стороне — на рис. 3,а.

Рис.3

В щупе использованы резисторы КИМ-0,05 (R2—R5), КИМ-0,125 (R9), остальные — МЛТ-0,125. Конденсаторы — КМ-5 и КМ-6, КТ4-256 (С2). Кварцевый резонатор размещается в корпусе цилиндрической формы от наручных часов. В качестве SA1 и SA2 использован движковый переключатель ВДМ2-1, кнопка SB1 — МП7. Индикатор HG1 — АЛС317 с любым буквенным индексом. Следует иметь в виду, что ранее индикаторы АЛС317А и Б выпускались с общим катодом, сейчас все индикаторы этой серии независимо от буквенного индекса  выпускаются с общим анодом.
Микросхемы К490 ИП1 следует проверить на достаточную яркость при работе от +5 В. В щупе их целесообразно расположить в порядке возрастания яркости, в этом случае большой разброс яркости не так заметен. Индикатор HG1 и микросхемы   DD5 — DD10 снабжены светофильтрами-линзами из комп-лекта микросхем К490 ИП1.    Светофильтры склеены между собой с небольшими зазорами при помощи двух полосок из тонкого органического    стекла. Игла впаяна в паз печатной платы.
Конденсаторы С1 и частично С2 расположены над микросхемой DD3, резонатор Z1 — над резисторами R9 и R10. Микропереключатель SB1 подпаян к трем штырькам, впаянным в отверстия печатной платы.
Плата с монтажом помещена в футляр от авторучки с красной прозрачной крышкой. Габариты футляра 17Х 23Х 153 мм. Приливы в основании футляра вырезаны и на их место вклеены пластины из органического стекла.  Плата  крепится к одной из них двумя винтами М2 (внизу на рис. 3), для чего в пластине по месту просверлены два отверстия и нарезана резьба, и одним винтом М2 с потайной головкой, для которого нарезана резьба в одном из отверстий микропереключателя SB1 МП7.
Настройка щупа производится подбором резисторов R2 и R5 для получения необходимых порогов включения сегментов HG1 при напряжении питания +5 В. Необходимо также проверить правильность работы индикатора при напряжении питания +9 В. При свободном щупе индикатор должен быть погашен, при подаче напряжения 8 В—должна индицироваться лог. «1», при подаче 1 В — лог. «0».
Для настройки кварцевого генератора на вход щупа следует подать импульсы с частотой 1 МГц и подстройкой конденсатора С2 (и при необходимости подбором С1) установить показания 999999 или 000000.