А.РОМАНЧУК,
"Радиомир. КВ и УКВ №4 2001 г."
Подбирая схему цифровой шкалы (ЦШ) для самостоятельного изготовления, радиолюбитель, наравне с электрическими параметрами, учитывает и такие, порой не менее важные, как габаритные размеры, тип индикатора, а также количество, стоимость и возможность приобретения применяемых в ней деталей.
В предлагаемой цифровой шкале использован индикатор на жидких кристаллах (ЖКИ), что кардинально повлияло на размеры, стоимость и потребляемую мощность этого устройства. Небольшие размеры, простота схемы, вполне приемлемое время обновления информации и высокая чувствительность отличают ее от аналогичных конструкций, описанных на страницах журналов.
Диапазон измеряемых частот 0,1 ... 33 Мгц
Чувствительность, мВ 50
Дискретность отсчета, Гц 100
Количество индицируемых разрядов 6
Индикация режима L/U/C
Время счета, мс 250
Периодичность обновления информации, мс 252
Напряжение питания, В 9 (стаб.)
Потребляемый ток, мА 18
Габаритные размеры, мм 50х110х30
Шкала работает по принципу цифрового частотомера — в течение измерительного интервала ведется счет импульсов шестиразрядным декадным счетчиком, после чего состояние выходов счетчика дешифрируется и в цифровом виде выводится на индикатор. Для исключения "мельтешения" цифр при счете применен дешифратор с регистром памяти. Уменьшение излучаемых шкалой помех и шумов достигается за счет применения кварцевого генератора, формирующего измерительный интервал на относительно низкую частоту. Этому же способствует и небольшая емкость связи шкалы с гетеродином приемника трансивера. ЦШ рассчитана на измерение частоты гетеродина, поэтому для автоматического вычисления частоты настройки, перед каждым измерением в декадный счетчик, имеющий входы предустановки кода, записывается код промежуточной частоты. Если же входы предустановки не используются, шкала будет работать в режиме частотомера.
Основные параметры ЦШ приведены в таблице, а принципиальная схема — на рис.1.
Шкала состоит из входного усилителя на транзисторах VT1, VT2, высокочастотного делителя на десять DD1, каскада согласования уровней ТТЛ — «МОП на VT3, формирователя DD2.1, DD2.2, делителя на 2,5 [1] с формирователем DD2.4, декадного счетчика импульсов DD6...DD11, дешифраторов DD12...DD17, кварцевого генератора с делителем его частоты DD3, счетчика-дешифратора DD4 и схемы питания ЖКИ DD18.
Последовательно включенные делители на 10 и 2,5 делят входную частоту на 25, что необходимо для получения точности измерений 100 Гц при выбранном измерительном интервале 250 мс. При этом частота импульсов на выходе делителя не превышает предельной частоты работы относительно низкочастотного декадного счетчика. Измерительный интервал формируется на выходе 2 делителя частоты кварцевого генератора, выполненного по типовой схеме [2]. Собственно, это положительный полупериод полусекундных импульсов. Часть отрицательного полупериода используется для записи состояния выходного декадного счетчика в регистр памяти дешифраторов (импульс с выхода 1 DD4), установки кода ПЧ (импульс с выхода 3 DD4) и переключения делителя генератора на начальную фазу формирования импульса на выходе (2 в степени 14). Импульс с выхода 5 DD4, поступая на вход R счетчика DD3, укорачивает отрицательный полупериод примерно до 2 мс, тем самым сокращая время обновления информации до 252 мс.
Формирование перечисленных импульсов происходит следующим образом. Пока на выходе 2 высокий уровень, счетный режим DD4 запрещен по входу R. На его выходах 1, 3, 5 — низкий уровень. Как только на входе R DD4 появится низкий уровень, счетчик начнет считать импульсы, поступающие на вход ЕС. При этом на выходах 1, 3 и 5 поочередно появляются импульсы высокого уровня. После снятия высокого уровня со входа R счетчика DD3, начнется новый цикл работы шкалы.
В схеме питания ЖКИ используются элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ микросхемы DD18. Входы элемента DD18.1 подключены к выходам Т1 и Т2 счетчика DD3, на которых формируются импульсы, сдвинутые относительно друг друга на четверть периода. На выходе DD18.1 при этом формируется меандр частотой 128 Гц. Эти импульсы подаются на вход М дешифраторов и общий электрод (ОЭ) ЖКИ. Один из входов элемента DD18.2 подключен к плюсу источника питания, поэтому по второму входу этот элемент будет работать как инвертор — на его выходе импульсы ОЭ инвертируются. Подключенные к выходу элемента DD18.2 "точка" третьего разряда HG1 и сегменты D, Е, F первого разряда HG2 будут постоянно включены. При этом "точка" отделяет число сотен герц от числа килогерц, а сегменты индицируют символ "L" — работа на нижней боковой час тоте. Один из входов каждого из элементов DD18.3, DD18.4 также подключен к плюсу источника питания через резисторы R10 и R11, а другие входы — к выходу DD18.2. На выходах этих элементов — импульсы, синфазные относительно ОЭ. Подключенные к ним сегменты А, В и С погашены. Для их включения достаточно нижние по схеме (рис.1), входы через выключатели SA1 и SA2 соединить с общим проводом питания. В первом случае становятся видимыми сегменты В и С первого разряда HG2 (индицируется символ "U") — работа на верхней боковой, во втором — символ "[", что означает включение фильтра ПЧ со средней полосой пропускания. Незадействованные точки и сегменты обоих индикаторов подключают к ОЭ.
На рис.1 не показано подключение входов предустановки кода D1, D2, D4 и D8, но перед подачей на схему питания их обязательно подключают к шине питания или к одной из шин выбора режима работы шкалы — "L" или "U". По шинам выбора режима можно установить код ПЧ, который условно увеличивает или уменьшает емкость декадного счетчика. Емкость (количество импульсов переполнения) шестиразрядного счетчика — 1000000 импульсов.
Для примера рассмотрим расчет и установку кода для ПЧ 10700,0 кГц. В режиме "L" измеряемая частота равна fгет + fпч. Емкость счетчика условно увеличиваем на значение ПЧ — 1000000+107000=1107000. Для шести разрядов получим число 107000. Каждую цифру этого числа переводим в четырехразрядный двоичный код, причем входу D1 счетчика DD6 соответствует младший разряд кода, а в сам счетчик DD6 заносится число сотен герц — 0001, 0000, 0111,0000, 0000, 0000. Для установки кода ПЧ входы D1 DD11 и D1, D2, D4, DD9 необходимо установить в единичное состояние. Их объединяют в одну шину "L", которую через резистор 100...300 кОм подключают к общему проводу питания. К этой же шине напрямую подключают все остальные входы D микросхем DD6...DD11. Для выбора режима "L" на шину режима подают высокий уровень (для примененных микросхем допустимо подключение входов D напрямую к плюсу питания).
В режиме "U" измеряемая частота равна fгет — fпч, следовательно, емкость счетчика условно уменьшаем на 107000: 1000000-107000=893000. Каждую цифру переводим в двоичный код — 1000, 1001, 001, 0000, 0000, 0000.
Входы D8 счетчика DD1, D1 и D8 счетчика DD10, D1 и D2 счетчика DD9 объединяют в шину "U". Для исключения взаимного влияния при выборе того или другого режима одноименные задействованные входы D (для приведенного примера — D1 и D2 счетчика DD9) объединяют в дополнительную шину, которую, как и шины выбора режима, через резистор подключают к общему проводу. Эту шину можно постоянно подключить к плюсовой шине, если ЦШ не используется в режиме частотомера. Если режим частотомера необходимо оставить, то дополнительную шину коммутируют на "плюс" питания вместе с шиной выбора режима.
В ЦШ применены микросхемы КМОП-структуры, которые можно заменить на аналоги, например, декадный счетчик и дешифраторы — на счетчики 564ИЕ14 и 564ИД4 соответственно. Делитель на 25 можно выполнить на двух счетчиках-делителях на 5, содержащихся в микросхеме К555ИЕ2 (К555ИЕ20), включенных последовательно. При этом, правда, почти вдвое увеличится потребляемый шкалой ток и понизится до 20 МГц верхний предел измеряемых частот. Транзистор VT1 можно заменить на другой из серии КП303 или КП307, a VT2 — на высокочастотный, КТ316, КТ312 с Кус не менее 50. VT3 заменяется на КТ312, КТ3102 с любой буквой. Резистор R8 — типа КИМ, остальные — МЛТ-0,125. Полярные конденсаторы К50-35 можно заменить на другие с малым током утечки — К53-1, К53-19 и т.п. Остальные — КМ-4. Кварцевый резонатор использован от наручных электронных часов (в миниатюрном цилиндрическом корпусе). Полезно также заменить С9 на подстроечный типа КТ4-24, применяемый в таких часах — тогда долговременная стабильность частоты увеличится.
В ЦШ применены 2 ЖКИ, и, несмотря на это, индикатор смотрится неплохо — на нем сотни герц отделены от числа килогерц точкой, а число мегагерц, как и символ боковой полосы — увеличенным промежутком, что облегчает считывание показаний. Конечно, ЖКИ можно применить и другой, например, ИЖКЦ4-6/7, исключив индикацию верхней/нижний боковой полос с упрощенной схемой питания ОЭ. Микросхема DD18 исключается, а ОЭ и входы М дешифраторов запитываются сигналом с одного из выходов Т счетчика DD3.
Вариант компоновки деталей ЦШ показан на рис. 2, 2а, 3, 3а. Платы изготовлены из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной
1...1.5 мм. На одной из них установлены дешифраторы и микросхема DD18, поверх которых на выводах крепятся 2 ЖКИ. Другая плата рассчитана на установку всех остальных показанных на рис.1 деталей. После установки деталей, платы соединяются между собой жгутом из изолированных проводников согласно схеме. После всех соединений и проверки работоспособности шкалы, платы скрепляются между собой путем спайки шин питания отрезками провода.
При однократной установке кода ПЧ распайку входов D счетчиков DD6... DD11 можно произвести непосредственно на их выводах. Если же предполагается использовать шкалу на разные ПЧ, то лучше изготовить дополнительную плату, на которой устанавливают 24 резистора, соединяющие каждый вход D с общим проводом. Распайку кодов при этом осуществляют перемычками, подключая соответствующие входы D к дополнительной шине или к одной из шин установки режима.
При налаживании схемы ЦШ вначале подбирают стабилитрон VD3, добиваясь, чтобы напряжение на выводе питания DD1 составило 5 В. Вместо стабилитрона можно использовать стабилизатор напряжения в интегральном исполнении, например, К142ЕН5, TA78L005 и др., тогда шкалу можно запитать от нестабилизированного источника напряжением 8...12 В. После этого устанавливают частоту кварцевого генератора равной 32768 Гц, подбирая С10 (грубо) или С9 (точно). Подав на вход шкалы ВЧ напряжение, добиваются четкой работы в высокочастотном участке диапазона измеряемых частот (уточнением номиналов R3, R6, СЗ). На низких частотах (не менее 100 кГц) чувствительность шкалы снижается из-за малой емкости конденсатора С1, и проявляется нелинейность входного усилителя на этих частотах (вплоть до перехода его в режим удвоения частоты). Добиться нормальной работы ЦШ на низких частотах можно увеличением емкости С1 до 0,01 мкФ, а также подключением дополнительного конденсатора емкостью 100...300 пФ параллельно R3.
Здесь лежит большой ( 95 кБ) рисунок схемы для детального ознакомления.
1. Романчук А. Вариант делителя частоты. — Радио, 1998, N10, С.76.
2. Алексеев С. Применение микросхем серии К176. — Радио, 1984, N5, С.40.
