LCFM-1. Przenośny miernik indukcyjności, pojemności i częstotliwości

Układ został zaprojektowany z wykorzystaniem tanich i łatwo dostępnych elementów, zapewniając jednocześnie przyzwoite parametry użytkowe, wystarczające w pracowni radioamatora. Zmniejszono także do minimum liczbę elementów wzorcowych. W zasadzie jedynym wymaganym elementem wzorcowym jest kondensator o pojemności 2,2 nF, który powinien mieć tolerancję co najwyżej 1% i zerowy współczynnik temperaturowy NP0.

Układ doskonale sprawdza się w pracowni radioamatora do kontroli indukcyjności samodzielnie wykonanych cewek obwodów rezonansowych, czy pomiaru pojemności, oraz jako miernik częstotliwości umożliwiając pomiar częstotliwości w układach KF i UKF z pasmem 2 m włącznie. Standardowa impedancja wejściowa wzmacniacza miernika częstotliwości jest stosunkowo niewielka, jednak w razie potrzeby może ona być stosunkowo łatwo powiększona za pomocą prostej sondy aktywnej – wtórnika źródłowego wykonanego na popularnym tranzystorze dwubramkowym BF966 lub podobnym.

Budowa urządzenia

Schemat układu z uwagi na stosunkowo duże skomplikowanie został podzielony na 3 części:

• Jednostka centralna z blokiem przetwornicy.
• Układ pomiaru indukcyjności oraz pojemności.
• Układ wzmacniaczy oraz dzielników dla miernika częstotliwości.

Sercem miernika jest mikrokontroler STM32 – STM32F10R6T6B (IC6) z ekonomicznej rodziny Value Line. Ma on 32 kB pamięci Flash, 4 kB pamięci RAM, 12-bitowy przetwornik A/C oraz 5 zaawansowanych układów czasowo-licznikowych. Niewielka cena sprawia, że stanowi on rozwiązanie bardziej atrakcyjne, od rozwiązań 8-bitowych.

Miernik jest zasilany bezpośrednio z dwóch ogniw AAA, bez wyłącznika mechanicznego – zrealizowano go w sposób programowy wykorzystując tryby oszczędzania energii STM32. Ponieważ głównym zadaniem układu jest pomiar częstotliwości, do taktowania mikrokontrolera jest konieczne użycie rezonatora kwarcowego X1 wraz z dodatkowym trymerem C40, zapewniającym możliwość kalibrowania. Zastosowano rezonator kwarcowy 12 MHz, który po powieleniu ×2 taktuje mikrokontroler z maksymalną dopuszczalną częstotliwością pracy 24 MHz. Do interakcji z użytkownikiem zastosowano wyświetlacz znakowy oraz dwa przyciski mechaniczne, co w dobie kolorowych ekranów dotykowych stanowi pewien anachronizm, jednak zaletą takiego rozwiązania jest niski koszt. Do wyświetlania wyników zastosowano wyświetlacz znakowy LCD-AC-C1602A-YGN NO/-E6 o rozdzielczości 2×16 znaków (DISP1), wykonany w technologii COG (Chip On Glass) – można go nabyć już za kilkanaście złotych. Ma wbudowany kontroler HD44180, zasilany napięciem +5 V, co wymaga zastosowania dodatkowego układu przetwornicy. Ze względu na oszczędność wyprowadzeń układ jest połączony z mikrokontrolerem za pomocą magistrali 4-bitowej. Linie danych D0…D3 oraz sterujące RS, RW, E zostały dołączone do linii portu PB0…PB9, umożliwiającego bezpośrednie dołączenie układów pięciowoltowych. Wyświetlacz jest zasilany za pośrednictwem tranzystora Q4 (IRML6402) umożliwiającego jego wyłączenie za pomocą programu.

Do linii portów PA1 i PA2 dołączono klawiaturę dwuprzyciskową służącą do obsługi urządzenia. Do linii PC0, która jest wejściem CH10 przetwornika A/C, dołączono dzielnik rezystancyjny R33/R34 będący układem sprzężenia zwrotnego zapewniającym pomiar i stabilizację napięcia wyjściowego przetwornicy. Rezystor R34 zamiast do masy dołączono do linii PC1, która jest wyzerowana. Dzięki temu, przy programowej realizacji wyłączenia przyrządu, możemy przełączyć linię PC1 w stan wysokiej impedancji, aby dzielnik nie pobierał prądu z baterii.

Do prawidłowej pracy części analogowej (oraz wyświetlacza) jest konieczne stabilne napięcie o wartości +5 V, które jest uzyskiwane z przetwornicy wykonanej w oparciu o układy peryferyjne mikrokontrolera. Przetwornica pracuje w topologii układu podwyższającego (step up) o częstotliwości pracy 40 kHz, z kluczem na tranzystorze MOSFET IRL2705 (Q3), dławikiem 150 µH/2 A (L3) oraz diodą MBRS240LT3 (D3). Tranzystor kluczujący ma niską rezystancję kanału wynoszącą 55 mΩ, niskie napięcie otwarcia bramki (średnio 1,5 V) oraz stosunkowo duży prąd przewodzenia – 3,8 A. Jego cechą charakterystyczną jest duża pojemność bramki równa ok. 870 pF, co wymaga zastosowania dodatkowego układu sterującego, tak aby zminimalizować straty powstające podczas przełączania.

Układ sterujący wykonano z użyciem pary komplementarnej tranzystorów BC807 (T5) oraz BC817 (T6). Diody D7 i D8 zapobiegają przejściu tranzystorów T5 i T6 w stan głębokiego nasycenia, co znacznie wydłuża czas przełączania. Do sterowania pracą tranzystorów T5 i T6 zastosowano dwa komplementarne sygnały PWM, (oznaczone na schemacie XPOS i XNEG), z programowaną „strefą martwą”, które generowane są przez zaawansowany układ czasowo-licznikowy T1 mikrokontrolera. Diody D5 i D6 oraz kondensatory C30…C32 tworzą układ podwajania napięcia, zasilany sygnałem prostokątnym z wyjścia kanału PWM CH2N układu czasowo-licznikowego T1. Zadaniem tego układu jest dostarczenie podwojonego napięcia dla bramki tranzystora Q3 podczas startu przetwornicy, zapewniając tym samym poprawną pracę dla napięć niższych od 2,5 V. Gdy napięcie wyjściowe osiąga wartość docelową +5 V, sygnał PWM sterujący powielaczem diodowym jest odłączany, a układ sterujący bramką jest zasilany za pośrednictwem diody D6. Złącze J6 stanowi interfejs JTAG zgodny ze standardem Wiggler. Z jego użyciem można zaprogramować mikrokontroler. Szczegółowy opis działania przetwornicy i założenia projektowe były opublikowane w [1].

Blok wykonano z użyciem popularnych i łatwo dostępnych elementów, umożliwiając pomiar częstotliwości do około 250 MHz. Ze względu na częstotliwość pracy, całość jest zasilana stabilizowanym napięciem +5 V. Napięcie to jest doprowadzone za pośrednictwem klucza Q1 sterowanego z linii mikrokontrolera PA3, umożliwiając programowe wyłączenie bloku pomiaru częstotliwości. Tranzystor T7 konieczny był z uwagi na to, że port, do którego jest dołączony klucz nie może mieć wyższego potencjału, niż napięcie zasilania mikrokontrolera. Sygnał wejściowy jest podawany na ogranicznik zbudowany z diod D1 i D2 (BAR74), a następnie kierowany jest do dwustopniowego wzmacniacza z tranzystorów T1 i T2.

Wzmacniacz ma sprzężenie pojemnościowe i pracuje w układzie OE. Dzięki użyciu tranzystorów o dużej częstotliwości granicznej (Ft=5 GHz), pomimo zastosowania konfiguracji OE, udało się uzyskać pożądane pasmo i czułość. Sprzężenia międzystopniowe wzmacniacza zrealizowano za pomocą równolegle połączonych kondensatorów o pojemnościach 680 pF (NP0), 100 nF (X7R), 10 µF (Y5V), uzyskując stabilną reaktancję pojemnościową w założonym paśmie. Z uwagi na zastosowanie konfiguracji OE, impedancja wejściowa jest nie duża i wynosi 1,8 kΩ przy 10 MHz, spadając do wartości około 180 Ω na krańcach pasma. Sygnał z wyjścia wzmacniacza jest kierowany do bramki Schmitta IC2A (74AC132), która przekształca sygnał wyjściowy na prostokątny. Następnie jest on kierowany do dzielnika przez 4 wykonanego na podwójnym przerzutniku D – 74AC74 (IC3). Jest to jeden z najszybszych układów serii 74ACXX. Sygnał z wyjścia dzielnika IC3 jest podawany do licznika IC1A, który realizuje dodatkowy podział przez 16. Tym razem zastosowano układ ze standardowej serii 74HC, ponieważ częstotliwość na wyjściu IC3 nie przekracza 60 MHz. Za pomocą pozostałych bramek układu IC2 zrealizowano układ kombinacyjny umożliwiający podanie na wejście mikrokontrolera TIM2 – CH1_ETR sygnału bezpośrednio z bramki IC2A lub za pośrednictwem dzielnika przez 64 zapewniając zwiększenie rozdzielczości na dolnym zakresie pomiarowym. Szczegółowy opis metody pomiaru częstotliwości oraz charakterystyki toru wzmacniacza zostały przedstawione w [2].