Akcesoria do częstościomierza cz.1 - generator wzorcowy/przełącznik sygnałów oraz generator termokompensowany 10MHz

Opisane dalej układy wykorzystano w częstościomierzu według S53MV opisanym w EdW 6/2015, ale oczywiście można je zastosować w innych konstrukcjach i to bez jakiejkolwiek adaptacji.

Płytka generatora wzorcowego i przełącznika sygnałów - opis

W popularnych częstościomierzach wzorzec częstotliwości wykonany jest najczęściej na przypadkowym rezonatorze kwarcowym i zlinearyzowanej bramce wchodzącej w skład mikrokontrolera. Wadą takiego rozwiązania jest mała stabilność długoterminowa wzorca, pozwalająca na uzyskanie dokładności pomiaru jedynie na poziomie 5 cyfr znaczących pola odczytowego. W bardziej zaawansowanych rozwiązaniach częstościomierzy używa się wzorca kwarcowego termokompensowanego (TCXO) lub stabilizowanego termicznie (OCXO), a dla najdokładniejszych pomiarów – wzorca zewnętrznego o dużej dokładności, np. generatora OCXO synchronizowanego sygnałem GPS lub generatora rubidowego.

Fot.1 Zmontowany układ przełącznika sygnałów

Opisany dalej układ zastępuje rezonator kwarcowy znajdujący się na płytce częstościomierza, podłącza się go do wejścia zlinearyzowanej bramki mikroprocesora. Zmontowany układ przełącznika sygnałów pokazany jest na fotografiach 1 i 2, schemat ideowy na rysunku 3. Gdy podłączymy sygnał zewnętrzny do opisanego układu, sygnałem wzorcowym dla mikroprocesora jest sygnał generatora zewnętrznego. W przypadku gdy sygnał zewnętrzny jest niepodłączony lub zaniknie, to sygnałem wzorcowym jest sygnał generatora znajdującego się na płytce drukowanej (wzorzec wewnętrzny). Zastosowany generator powinien charakteryzować się jak największą stabilnością częstotliwości, możliwością korekcji częstotliwości oraz mieć obudowę DIP14.

Fot.2 Zmontowany układ przełącznika sygnałów

Częstotliwość pracy generatora musi oczywiście odpowiadać częstotliwości wzorcowej zastosowanej w częstościomierzu. W układzie można użyć zarówno generatorów przestrajanych za pomocą trymera znajdującego się na płytce generatora lub napięciowo. W przypadku przestrajania napięciowego wymaganą stabilność napięcia przestrajającego zapewnia wysokostabilne, regulowane źródło napięcia odniesienia o napięciu wyjściowym 5V zrealizowane na układzie TL431.

Napięcie przestrajające regulowane jest za pomocą potencjometru wieloobrotowego podłączonego do wyprowadzenia 1 generatora. Sygnał z generatora zewnętrznego wzmacniany jest we wzmacniaczu ze wspólnym emiterem – tranzystor T1. Amplituda sygnału wzorca zewnętrznego powinna wynosić pomiędzy 200 a 500mVpp. Tłumik 3dB na wejściu wzmacniacza zapobiega wzbudzeniu wzmacniacza. Punkt pracy wzmacniacza ustalony jest elementami R4, R5. Wzmocniony sygnał wielkiej częstotliwości prostowany jest w układzie podwajacza napięcia na diodach BAT62.

Rys.3 Schemat ideowy - płytka generatora wzorcowego i przełącznika sygnałów

W jednej obudowie znajdują się dwie diody Schottky’ego połączone ze sobą odwrotnie równolegle. Kondensatory C10, C11 filtrują napięcie wyprostowane w podwajaczu napięcia. Wyprostowane napięcie załącza tranzystor T2 pracujący jako inwerter, który steruje elektronicznym przełącznikiem sygnałów zrealizowanym na układzie 74LVC2G53. Rezystory R9, R10 polaryzują wejście multipleksera, zmniejszając tłumienie wnoszone przez układ. Kondensatory C6, C9 separują składową stałą.

W przypadku braku sygnału wielkiej częstotliwości na wejściu generatora zewnętrznego, na wyjściu inwertera panuje stan wysoki, więc na wyjściu multipleksera występuje sygnał wzorca wewnętrznego. Gdy zewnętrzny sygnał wielkiej częstotliwości jest podłączony, a jego amplituda jest odpowiednio duża, to na wyjściu inwertera panuje stan niski, co sygnalizowane jest świeceniem diody LED – na wyjściu multipleksera występuje sygnał wzorca zewnętrznego. Układ podłączony jest z mikroprocesorem za pomocą odcinka kabla koncentrycznego o impedancji 50 omów. Na płytce znajduje się dodatkowo zasilacz stabilizowany 5V, zasilający układ częstościomierza.

Generator termokompensowany 10MHz - opis układu i schematy

W przypadku trudności z zakupem generatora wzorcowego o odpowiedniej stabilności częstotliwości możemy wykonać go samodzielnie. Najczęściej stosowaną częstotliwością wzorcową w układach częstościomierzy jest częstotliwość 10MHz, rzadziej używa się częstotliwości 5 i 20MHz. Zmontowany układ w pierwotnej wersji pokazany jest na fotografiach 4, 5, schemat ideowy na rysunku 6.

Opisany układ umożliwia uzyskanie częstotliwości 10MHz i 20MHz, zapewnia stabilność długoterminową na poziomie 1ppm na rok. Zmiany częstotliwości w zakresie temperatur od –30 do 50 stopni Celsjusza nie przekraczają 2ppm. Koszt wykonania układu stanowi ułamek ceny wzorca o częstotliwości 10MHz o podobnych parametrach.

Fot.4 Generator termokompensowany - układ w pierwotnej wersji

Fot.5 Generator termokompensowany - układ w pierwotnej wersji

Stabilność układu jest zdecydowanie lepsza niż stabilność przypadkowego rezonatora kwarcowego współpracującego z procesorem. Sercem układu jest generator VCTCXO (Voltage Controlled Thermo Compensation Xtal Oscillator) o częstotliwości 40MHz stosowany w układach GPS.

Dzięki masowej produkcji, miniaturyzacji układu (małe zużycie materiałów uzyskane dzięki wysokiej częstotliwości wzorcowej) układ jest stosunkowo tani, można kupić go w cenie wynoszącej kilkanaście złotych za sztukę. Moduł zaprojektowano w taki sposób, by mógł zastąpić dowolny generator w typowej obudowie DIP14. Kolorem czerwonym na schemacie zaznaczone są wyprowadzenia układu, odpowiadające wyprowadzeniom generatora w obudowie DIP14.

Rys.6 Schemat ideowy - generator termokompensowany

Układ generatora zasilany jest z wysokostabilnego źródła napięcia odniesienia TL431 połączonego w taki sposób, by uzyskać napięcie 2,5V lub dowolne napięcie z zakresu 2,5–3,3V. Napięcie 2,5V uzyskuje się, wlutowując w miejsce opornika R5 rezystor o wartości 0Ω i nie montując opornika R6. W przypadku potrzeby uzyskania wyższych napięć dobiera się odpowiednio dzielnik R5, R6.

Zasady doboru dzielnika zainteresowani znajdą w karcie katalogowej układu TL431. Sygnał wyjściowy z generatora ma amplitudę kilkuset mV i postać odkształconego przebiegu sinusoidalnego. Rezystancja obciążenia układu nie powinna być mniejsza niż 10 kilomów. Prawidłowe obciążenie układu generatora zapewnia wtórnik źródłowy na tranzystorze FET typu SST310. Sygnał z wyjścia wtórnika wzmacniany jest we wzmacniaczu na tranzystorze MMBT3904 w układzie wspólnego emitera.

Dzięki zastosowaniu sprzężenia stałoprądowego między wzmacniaczem a dzielnikiem częstotliwości oraz stosunkowo wysokiej amplitudzie sygnału na wyjściu opisany wzmacniacz jest w stanie wysterować układy w technologi CMOS zasilane z napięcia 5V. Częstot liwości 20MHz i 10MHz uzyskuje się przez podział częstotliwości 40MHz za pomocą przerzutników typu D (układy 74LVC2G74).

W przypadku gdy chcemy uzyskać częstotliwość 20MHz, układu IC2 nie należy montować, a sygnał 20MHz doprowadzić za pomocą odcinka przewodu (np. kynaru) do wyjścia generatora. Wejście przestrajające odsprzężone jest za pomocą kondensatorów C11, C12. Największy dryft częstotliwości wzorcowej występuje w pierwszych 2–3 minutach od załączenia zasilania. Czułość przestrajania w przypadku zastosowanego przez autora generatora zmienia się w zakresie 7–16 ppm/V w zależności od napięcia przestrajającego.

Sonda wysokoimpedancyjna - opis układu i schematy

Sonda ma wysoką rezystancję i małą pojemność wejściową, dzięki czemu praktycznie nie obciąża badanego układu. Stosowanie sondy wyskoimpedancyjnej jest szczególnie ważne, gdy mierzymy częstotliwość wyjściową generatora bezpośrednio, z pominięciem układów separujących. Niska impedancja wyjściowa sondy pozwala na bezpośrednie podłączenie sondy do wejścia niskomowego częstościomierza. Impedancja wyjściowa układu jest zbliżona do 50 omów.

Fot.7 Sonda wysokoimpedancyjna - zmontowany układ

Zmontowany układ pokazany jest na fotografii 7, 8, schemat ideowy na rysunku 9. Wysoką impedancję wejściową zapewnia wtórnik źródłowy obciążony źródłem prądowym na tranzystorach polowych SST310 wraz z kaskadowo połączonymi wtórnikami emiterowymi na tranzystorach bipolarnych BFT92. Szerokie pasmo pracy, wysoką rezystancję wejściową oraz niską pojemność wejściową uzyskano dzięki zastosowaniu elementów o wysokiej częstotliwości granicznej i odpowiednio zaprojektowanej płytce drukowanej.

Fot.8 Sonda wysokoimpedancyjna - zmontowany układ

Pod wejściem wtórnika usunięto powierzchnie masy, dzięki czemu zminimalizowano pojemność wejściową układu. Izolację składowej stałej zapewnia kondensatory C1, C2. Elementami R1, R2, C3, C4, R10, C11 można kompensować charakterystykę amplitudowo-częstotliwościową układu. Kondensatory między zasilaniem a masą odsprzęgają zasilanie układu.

Zasilanie układu doprowadzane jest złączem mini jack, które znajduje się na płycie czołowej częstościomierza. Sonda zasilana jest napięciem 12V przez miniaturową przetwornicę podwyższającą napięcie zasilające 5V, kupioną na jednym z portali aukcyjnych, ale do zasilania jej można używać również oddzielnego zasilacza. Autor używał opisanej sondy do 450MHz.

Rys.9 Schemat ideowy - sonda wysokoimpedancyjna

W drugiej części artykułu omówiony zostanie preskaler rozszerzający pomiary do kilku, a nawet kilkunastu gigaherców. Podane zostaną też wskazówki dotyczące montażu i uruchomienia.