Miernik częstotliwości do 1,2GHz

Jest niezastąpionym przyrządem pomiarowym w pracowni elektronika – radioamatora. Prezentowany poniżej miernik umożliwia pomiar częstotliwości w zakresie od 100Hz do 1.2GHz. Tak szeroki zakres pomiarowy uzyskano poprzez zastosowanie dwóch wejść, z których jedno ma wbudowany popularny preskaler SAB5456 prod. Philips.
Zakres mierzonych częstotliwości dla wejścia A 100Hz – 40 MHz.
Zakres mierzonych częstotliwości dla wejścia B 40MHz – 1.2GHz.
Rozdzielczość dla wejścia A 100Hz.
Rozdzielczość dla wejścia B ok. 2000Hz.
Dokładność +/- 200Hz dla wejścia A i +/- 5kHz dla wejścia B (przy 20°C).
Zasilanie 5V, 90mA.
Miernik posiada dwa wejścia oznaczone na schemacie jako A i B. Wejście A jest przeznaczone do pomiaru częstotliwości w zakresie do około 40MHz, natomiast do wejścia oznaczonego jako B należy doprowadzić sygnały o częstotliwości od około 10 do 1200 MHz. Wejście A wyposażone jest w dwustopniowy wzmacniacz zbudowany na tranzystorach T1 i T2. Poszczególne stopnie mają sprzężenie pojemnościowe. Dla stabilizacji temperaturowej wzmacniacza, zastosowano ujemne sprzężenie zwrotne. Sprzężenie to jest wykonane poprzez połączenie bazy tranzystora z jego kolektorem za pośrednictwem rezystora polaryzującego. Działanie tego ujemnego sprzężenia można przedstawić na prostym przykładzie. Jak powszechnie wiadomo wzrost temperatury tranzystora powoduje zwiększenie prądu bazy, a to z kolei powoduje wzrost prądu płynącego w kolektorze. Prąd kolektora jest równy iloczynowi prądu bazy i wzmocnienia prądowego tranzystora oznaczanego symbolem h21E. Ponieważ parametr h21E rzadko jest mniejszy od 250, oznacza to, że nawet niewielkie zmiany prądu bazy powodują duże zmiany prądu kolektora. W naszym wzmacniaczu wzrost prądu kolektora powoduje obniżenie napięcia występującego na kolektorze tranzystora, a to z kolei powoduje obniżenie prądu płynącego przez bazę, gdyż jest niższe napięcie zasilające rezystor polaryzujący bazę. Obniżenie prądu bazy powoduje obniżenie prądu kolektora, a to z kolei powoduje podwyższenie napięcia polaryzującego bazę. Proces ten trwa cały czas i nosi nazwę ujemnego sprzężenia zwrotnego, gdyż wzrost prądu kolektora powoduje obniżenie prądu bazy. Trochę to skomplikowane, ale działa dobrze. Na kilka słów uwagi zasługuje sposób wykonania sprzężenia pojemnościowego pomiędzy stopniami. Dlaczego zastosowano równoległe połączenie kilku kondensatorów? Powód jest bardzo prosty. Aby niskie częstotliwości były przenoszone „bez dużych strat” trzeba zastosować duże pojemności. Niestety kondensatory nie są elementami idealnymi i oprócz pojemności posiadają parametr zwany indukcyjnością pasożytniczą. Indukcyjność pasożytnicza sprawia, że wyższe częstotliwości nie są przenoszone równie dobrze jak niskie. Zjawisku temu można przeciwdziałać na dwa sposoby. Pierwszy to zastosować dobre i drogie kondensatory na zakres w.cz, a drugi sposób to zastosować równoległe połączenie kilku kondensatorów, z których każdy będzie odpowiedzialny a określony zakres częstotliwości. Wejście wzmacniacza zabezpieczono dwoma diodami Zenera połączonymi szeregowo. Tak wykonany wzmacniacz zapewnia czułość wejścia A na poziomie lepszym id 100mVp-p. Punkty pracy wzmacniaczy ustawiono tak, że napięcie mierzone na kolektorach tranzystorów wynosi około połowę napięcia zasilania. Zasilanie wzmacniaczy napięciem 5V umożliwia łatwe dopasowanie wyjściowego sygnału wzmacniacza do poziomu TTL, jaki wymaga wejście bramki 74S00.
Wejście oznaczone jako B przewidziane jest do pracy z trochę wyższymi częstotliwościami. W związku z tym wystąpiła potrzeba zastosowania preskalera. Wybór padł na układ SAB6456. Wykorzystany współczynnik podziału preskalera wynosi 256. Wejście i wyjście preskalera jest symetryczne i dlatego zastosowano elementy C18, C16, R11. Wejście preskalera jest zabezpieczone dwoma diodami impulsowymi (D3,D4). Napięcie wyjściowe preskalera wynosi około 1Vp-p i zostaje wzmocnione wzmacniaczem zbudowanym na tranzystorze T3.
Wzmocnione sygnały z obu kanałów doprowadzane są do przełącznika wejść. Przełącznik zbudowany jest z bramek oznaczonych na schemacie jako US2A, US2C, US2D. Bramki US2C i US2D sterowane są z wyjść mikroprocesora. Wybrany jest ten kanał, do bramki którego mikroprocesor doprowadza poziom wysoki. Bramka US2A pełni rolę sumatora, do którego doprowadzane są sygnały z poszczególnych kanałów. Poniższa tabela przedstawia sposób działania bramki NAND. Sygnał mierzony jest podany na wejście nr 5 bramki NAND 74S00. Zastosowanie tak szybkiego układu jest uzasadnione potrzebą przełączania sygnałów o dużej częstotliwości. Na wejście 4 ww. bramki podawany jest przebieg kluczujący o częstotliwości 4 Hz, który jest wytwarzany przez podział częstotliwości 4,194304MHz przez 256 (US4) i przez 4096 (US3). Przebieg kluczujący jest również podawany na wejście INT1 mikroprocesora. Opadające zbocze sygnału kluczującego informuje mikroprocesor, że został zakończony cykl pomiarowy i należy odczytać liczniki oraz wykonać niezbędne obliczenia i wyświetlić wynik na wyświetlaczu LCD. Z wyjścia bramki US2B sygnał jest podawany na wejście licznika US5 (74HC4040). Zastosowany licznik charakteryzuje się wysoką częstotliwością graniczną. Producent podaje jako typową częstotliwość 70MHz przy 5V i 20°C. Licznik US5 jest wykorzystywany jako licznik 8 bitowy, sygnał przeniesienia z licznika jest podawany na wejście T0 mikroprocesora, który zlicza ilość przeniesień w okresie pomiarowym 125ms. Licznik US5 nie jest kasowany i przed wykonaniem kolejnego pomiaru zapamiętywany jest jego stan, który jest później odejmowany od wyniku pomiaru. Ponieważ okres pomiarowy wynosi 125ms, to aby uzyskać właściwe wskazanie trzeba odczytaną wartość liczników pomnożyć przez 8. Działanie to wykonuje arytmetyka procesora. Po wymnożeniu przez 8 otrzymujemy właściwą częstotliwość, która jest wyświetlana na wyświetlaczu LCD. Przełącznikiem oznaczonym S1 wybieramy, z którego wejścia sygnał ma być mierzony. Jeśli wybierzemy kanał B to mikroprocesor zmierzoną częstotliwość automatycznie pomnoży przez 265.

Wykaz elementów:
R1 – 3,3MΩ
R2,R7,R10,R11 – 330Ω
R3,R8 – 1kΩ
R4,R6,R9 – 68kΩ
R5 – 1,5k Ω
C1 – 15pF
C2 – 15pF
C3,C8 – 4,7µ/25V
C4,C5 – 10µ/25V
C6,C7,C20 – 220nF
C10 – 22µ/25V
C11 – 100nF
C12 – 4,7nF
C9,C13,C14,C15,C16,C17,C18,C19 – 100nF
C21 – 5-20pF trymer
T1 – 2N2369
T2 – 2N2369
T3 – 2N2369
D1 – BZX55 C4V7
D2 –BZX55 C4V7
D3 – 1N4148
D4 – 1N4148
US1 – 89C51
US2 – 74S00
US3 – CD4040
US4 – 4060
US5 – 74HC4040
US6 – SAB6456
S1 – mikroprzełącznik
Wyświetlacz – WM-C1601M
Q1 – 4.194304MHz

Schemat ideowy: