Проектирование частотомера.

В настоящее время наибольшее распространение получил электронный частотомер. Измерение частоты с его помощью осуществляется путём подсчета числа импульсов сигнала, полученного преобразованием измеряемого сигнала

Данный частотомер может работать в режиме счетчика импульсов. Он позволяет измерять частоту импульсных сигналов, время измерения 1с, время индикации 5 с.

Схема управления

Делители частоты

Счетчик импульсов +

индикация

Электронный ключ

Усилитель-ограничитель

Генератор образцовой частоты

Рисунок 8 – Структурная схема частотомера

Усилитель-ограничитель

Усилитель-ограничитель предназначен для преобразования аналогового сигнала в цифровой.

Схема выполнена на ОУ К140УД26 с включенным цепь обратной связи диодом и стабилитроном. Сопротивление R поставлено в качестве дополнительной нагрузки операционного усилителя для предотвращения его перегорания, так как параллельное соединение диода и стабилитрона может не обеспечить рабочей нагрузки ОУ. К выходу усилителя подключен триггер Шмитта с инвертором. Триггер Шмитта преобразует выпрямленный сигнал с выхода усилителя в последовательность прямоугольных импульсов. При должной работе схемы, частота появления в последовательность прямоугольных импульсов. При должной работе схемы частота появления импульсов равно частоте сигнала, поступающего на ее вход.

В качестве триггера Шмитта используем элемент микросхемы К155ТЛ1с характеристиками: U_отп = 1,1 В, U_срб = 1,5 В.

1,2,4,5,9,10,12,13 - Входы; 3,11 - свободные; 6,8 - выходы; 7 - общий; 14 - напряжение питания;

Рисунок 9 – Передаточная характеристика триггера Шмитта для произвольного сигнала.

Минимальный сигнал на выходе измерительного усилителя:

Минимально допустимый коэффициент усиления рассматриваемой схемы:

Стабилитрон выбираем Д814А. Для него: U_{ст min} = 7В, U_{ст max} = 8,5В, I_{ст min} = 3мА, I_обр не более 0,1 мкА (при U_обр = 1В).

Минимальное сопротивление стабилитрона при прикладывании к нему обратного напряжения:

возьмем из ряда Е24 (±5%):

Наименьший возможный коэффициент усиления схемы при отрицательном входном напряжении:

Максимальный прямой ток через диод:

I_{пр max} = 0,013А

Диод выбираем КД808А.

Рисунок 10 – Усилитель – ограничитель

Генератор образцовой частоты.

Генератор образцовой частоты - генератор высокочастотных импульсов (100 кГц) с высокой стабильностью частоты. Генератор выполнен на основе логических элементов НЕ микросхемы К561ЛН2 с использованием кварцевого резонатора РК 169М-6DB-100 кГц и RC- цепочки.

Рисунок 11– Схема генератора образцовой частоты

Делители частоты.

В этом блоке осуществляется деление частоты генераторы до частоты 1 Гц (период 1 секунда) необходимой для формирования импульсов счета и индикации. Частота кварцевого генератора 100 кГц, ее надо будет делить в 100 тысяч раз до частоты 1 Гц.

Необходимый коэффициент деления можно обеспечить, включая каскад из пяти счетчиков делителей, каждый из которых будет иметь коэффициент деления равный 10. Выходной сигнал с первого счетчика будет являться входным для второго и т.д.

В качестве счетчиков делителей на 10 выбирается микросхема К155ИЕ2- это двоично-десятичный счетчик. Значит, если передавать импульсы с вывода 12 (выход счетчика при работе в режиме на счет вперед) на вывод С1 следующего счетчика, частота каждого последующего каскада будет в десять раз меньше частоты предыдущего каскада.

На выходе схемы деления, построенный на счетчиках К155ИЕ2, получается последовательность прямоугольных импульсов с частотой 1 Гц.

Рисунок 12–Счетчик-делитель на 10

Схема управления циклом измерения

Цикл работы частотомера состоит из сброса, счёта и индикации. По техническому заданию время индикации 5 с. Время счета выберем 1 с. так как оно удовлетворит требованиям технического задания во всем диапазоне частот. Время сброса для микросхем ТТЛ составляет порядка 300 нс. Так как его длительность гораздо меньше, чем время счёта и индикации, его можно не учитывать. Таким образом, для времени цикла получаем:

.

Для подсчета импульсов используется двоичный счетчик К555ИЕ5.

Рисунок 13 – Условное обозначение микросхемы К555ИЕ5

Определим число импульсов, записанное в счётчик:

, следовательно, сброс произойдёт на 6 импульсе.

Для проектирования цепей сброса и измерения составим таблицу переключений счетчика К555ИЕ5, на основе которого будет построена схема управления циклом измерения.

Таблица 1 - Таблица истинности

Счёт	Q0	Q1	Q2	Q3
0	0	0	0	0
1	1	0	0	0
2	0	1	0	0
3	1	1	0	0
4	0	0	1	0
5	1	0	1	0
СБРОС 6	0	1	1	0

Рисунок 14 – Схема управления циклом измерения