CZĘSTOTLIWOŚCIOMIERZ Z AUTOMATYCZNA ZMIANĄ ZAKRESU.
PASMO 100Mhz.
Układ był zbudowany w oparciu czętościomierza z PRAKTYCZNY ELEKTRONIK 5,93 niektóre elementy pozmieniano ,inne usunięto ,a jeszcze inne zasępiono szybszymi. Bramki zastosowano typu ls ,umożliwia to zliczanie do 100Mhz,układ automatycznej zmiany zakresu umżliwia cofanie się jeśli fwe zmaleje w trakcie pomiaru ,został tutaj podany sposób obliczenia trwania impulsów z układu'123, bilans mocy całego układu ,jest tu także schemat elektryczny układu umożliwiający zrozumieć sposób jego działania.
Miernik częstotliwości został zbudowany z kilku bloków funkcjonalnych :
zegar zatrzask
układ automatycznej zmiany zakresu
układ pamięci zakresu
układ sterowania
układ generatora kwarcowego
układ wskaźników
Wszystkie bloki funkcjonalne są ze sobą połączone i jako całość tworzą miernik częstotliwości ,do każdego z bloków funkcjonalnych doprowadzone są jeszcze sygnały zasilania i masy.
Opis poszczególnych bloków układu .
1. ZEGAR/ZATRZASK
Układ ten zbudowano z pięciu liczników modulo dziesięć (74ls90), pięciu układów typu latch (74ls75) oraz pięciu dekoderów kodu BCD na kod 7-segmentowy (74ls47).
Liczniki są tak połączone , że tworzą licznik zliczający do 100000. Wyjście Qd ostatniego z liczników jest wyprowadzone na zewnątrz i służy do automatycznej zmiany zakresu.
Wyjścia z liczników są podłączone do wejść zatrzasków.
Sygnały wyjściowe z zatrzasków są podłączone do wejść dekoderów które sterują pracą wyświetlaczy.
Układ ma następujące wejścia i wyjścia:
ENABLE - Stan wysoki na wejściach układów 74ls75 powoduje że stany ich wyjść zmieniają się zgodnie ze zmianami na wyjściach liczników 74ls90.
Jeżeli stan na tym wejściu zmieni się z wysokiego na niski , to wówczas wyjścia zatrzasków przyjmą poziomy logiczne występujące na wyjściach liczników bezpośrednio przed pojawieniem się opadającego zbocza impulsu. Stan ten nie ulegnie zmianie tak długo jak na wejściu ENABLE będzie stan niski. Stan niski jest utrzymywany na tym wejściu podczas zliczania impulsów przez liczniki .Zapobiega się w ten sposób uciążliwemu migotaniu wyświetlaczy podczas wykonywania pomiaru.
IN - jest to wejście licznika. Impulsy doprowadzone do tego wejścia są zliczane w układzie pięciu liczników modulo 10.
R0 jest to wejście kasujące liczniki przed każdym cyklem zliczania impulsów. Stan wysoki na tym wejściu powoduje wyzerowanie liczników.
ZMIANA ZAKRESU sygnał z tego wyjścia sterują układem automatycznej zmiany zakresu. Po przekroczeniu pojemności zegara, czyli 100000 na tym wyjściu wystąpi opadające zbocze impulsu .
ZMIANA ZAKRESU NA NIŻSZY sygnał z pierwszego z liczników porównywany jest z zerem ,jeśli wystąpi zero to jest sygnał do modułu automatycznej zmiany zakresu na niższy.(na najniższy i idzie w góre).
2.BLOK WYŚWIETLACZY.
Jest to moduł zbudowany z wyświetlaczy 7-seg i pięciu diód led .
Wyświetlacze pokazują wartość liczbowa a ledy informują nas o jednostce wartości mierzonej , a także o zakresie pomiarowym ,zastosowano wyświetlacze o wspólnej anodzie. Są tutaj także diody led służące do wskazywania aktualnie używanego zakresu pomiarowego ,jedna z nich wskazuje czas pomiaru ( z lewej strony modułu)
3.BLOK GENERATORA KWARCOWEGO.
Układ ten służy do wytwarzania stabilnego sygnału prostokątnego o częstotliwości 100KHz . W skład układu wchodzi generator kwarcowy oraz dzielnik przez sto .
Generator kwarcowy jest typowym układem generatora wykonanego ze zlinearyzowanych bramek Nand .Aby zwiększyć dokładność miernika w generatorze zastosowano rezonator kwarcowy o częstotliwości 10MHz.Częstotliwość 10MHz jest dzielona aby uzyskać częstotliwość 100KHz. Bramki Nand są typu 74s00(najszybsze).
4 BLOK PAMIĘCI ZAKRESU.
Moduł ten służy do pamiętania pozycji przecinków w segmentach i jednostki pomiarowej (wyświetlanej na 4 ledach).
Wyjścia modułu są połączone bezpośrednio z diodami świecącymi wskazującymi jednostki wartości mierzonej i tak od góry :
ZAKRES |
JEDNOSTKA |
MAX. WSKAZANIE |
100kHz |
KHz |
99,999 |
1000kHz |
KHz |
999,99 |
10MHz |
MHz |
9,999,9 |
100MHz |
MHz |
99,999 |
Moduł ma następujące wejścia / wyjścia:
0 1 2 3 out - wyjścia sterujące pozycją przecinków i jednostki wartosci mierzonej .
0 1 2 3 in - wejścia informacyjne układu .
Enable - stan wysoki na tym wejściu powoduje, że stany wyjść sterujących zmieniają się zgodnie ze zmianami na wejściach informacyjnych. Stan niski na tym wejściu powoduje zapamiętanie pozycji przecinków i wielkości jednostki mierzonej bezpośrednio przed pojawieniem się stanu niskiego na tym wejściu.
5.BLOK AUTOMATYCZNEJ ZMIANY ZAKRESU .
Ta cześć naszego miernika jest odpowiedzialna jak sama nazwa wskazuje za zmianę zakresu pomiarowego w górę jak i w dół ,jeżeli wartość mierzonej częstotliwości zwiększa się powyżej aktualnie używanego zakresu to układ przechodzi automatycznie na wyższy zakres (max 100MHz) ,jeżeli miernik wykryje że częstotliwość mierzona spadnie to znaczy na pierwszym wyświetlaczu jest wskazywane zero to miernik przełączy się na najniższy zakres pomiarowy i w razie potrzeby przeskoczy o 1lub 2 zakresy w górę.
Po załączeniu zasilania układ ustawi się na najniższym zakresie 100KHz .
Automatyczna zmiana zakresu jest tylko możliwa wtedy kiedy do wejścia miernika jest podłączony sygnał TTL o mierzonej częstotliwości. Jeżeli przebieg pomiarowy zostaje odłączony od wejścia to po upływie ok 1,5s miernik wyzeruje się i przełączy się na najniższy zakres pomiarowy ,miernik przełączy się także na najniższy zakres pomiarowy w przypadku wykrycia zera na pierwszym wyświetlaczu .(funkcje tą realizuje układ złożony z 2 bramek NAND 2 wejściowych i 2 bramki NOR 1 dwu wejściowa druga czterowejściowa)
Moduł jest zbudowany z trzech dzielników częstotliwości ,multipleksera , uniwibratora , dekodera kodu BCD na kod dziesiętny ,przerzutnika JK i licznika.
Jeżeli przebieg mierzony jest podłączony do układu miernika , to multiwibrator `123 generuje stan niski umożliwiający zliczanie impulsów przez licznik sterujący pracą multipleksera. Opadające zbocze impulsu na wejściu D układu powoduje wygenerowanie przez uniwibrator krótkiego impulsu ,który zmienia stan wyjść A , B , C licznika '90 sterującego multiplekserem . W odpowiedzi na zmianę stanu wyjść licznika multiplekser wybiera współczynnik podziału częstotliwości (1,10,100,1000) zmieniając zatem zakres pomiarowy.
Ze względu na duże częstotliwości układy wejściowe 74192 i 74151 wykonano w serii bardzo szybkiej „S” pozostałe układy miernika są w serii „LS”.
Do wyjść licznika jest także podłączony dekoder 74145 którego wyjścia sterują przesuwaniem przecinków i wyświetlaniem jednostki wartości mierzonej.
Układ ma następujące wejścia i wyjścia :
In wejście częstotliwości mierzonej .
D opadające zbocze impulsu na tym wejściu powoduje zmianę zakresu na wyższy.
R0 wejście zerujące przerzutniki przed każdym cyklem pomiarowym . Stan wysoki na tym wejściu powoduje wyzerowanie przerzutnika.
0,1,2,3 wyjścia sterujące przesuwaniem przecinków i wyswietlaniem jednostki wartości mierzonej .
Out wyjście częstotliwości mierzonej po podzieleniu w układzie zmiany zakresu.
6.BLOK STEROWANIA.
Układ ten służy do sterowania praca zegara do generowania dokładnego impulsu bramkującego. Do wejścia układu jest doprowadzony przebieg dokładnej i stabilnej częstotliwości 100KHz z generatora kwarcowego.
Częstotliwość ta jest dzielona w układzie dzielników tak aby otrzymać przebieg o częstotliwości 0,5Hz i wypełnieni 0,5.
Sygnał ten jest wykorzystany do kluczowania bramki wejściowej 74ls00 i do sterowania pracą generatora `123.
Działanie wygląda następująco . Impuls bramkujący jest uzyskany w trakcie dzielenia częstotliwości 100KHz otrzymanej z generatora kwarcowego .Stan wysoki impulsu bramkującego otwiera bramkę AND (2*NAND) na której drugie wejście jest doprowadzony przebieg częstotliwości mierzonej. Opadające zbocze tego impulsu wyzwala generator o czasie trwania logicznego 1 ok. 0,7s , w tym czasie do zatrzasków zostaje przepisana nowa wartość częstotliwości mierzonej .Następne opadające zbocze impulsu o czasie trwania 0,7s wyzwala drugi generator , który generuje krótki impuls dodatni ok. 50us. Impuls ten zeruje liczniki przygotowując je do nowego cyklu pomiarowego . W czasie liczenia impulsów i zerowania zatrzaski są zablokowane. Zapobiega się w ten sposób uciążliwemu migotaniu wyświetlaczy .
7. Obliczanie czasów trwania impulsów generowanych przez multiwibrator 74ls123.
Z karty katalogowej układu'123 wynika że multiwibrator generuje następujący impuls T=0,37RxCx ,gdy Cx>1000pF wtedy stosujemy diodę .
Czasy trwają następująco :
Enable=0,37*47k*47u=0,37*2,209=0,81s(ok. 0,7 przyjęte)
R0=0,37*10k*100p=37us(ok. 50us)
R1(zmiana zakresu na najniższy)=0,37*27k*200u=1,998s(przyjęte ok. 1,5s)
R2(zmiana zakresu w górę)= 0,37*250p*1k=92,5ns(bardzo krótki impuls).
Obliczenie rezystorów ograniczających prąd diod led (led+7seg)
Przyjmujemy aby prąd diody wynosił 20mA wyświetlacze są ze wspólną anodą więc R=U/I (U=3V z obliczeń a I=20mA) wtedy R=150Ω , zostało przyjęte 200Ω.
8. Moce pobierane przez poszczególne układy jak i elementy .
74ls47 35mW
74ls90 45mW
74ls157 49mW
74ls75 73mW
74ls00 30,8mW
74ls123 70mW
74ls74 70mW
74ls192 95mW
74ls145 35mW
74ls20 18mW
74ls02 60mW
74s192 425mW
74s151 225mW
Moce na rezystorach ograniczających prąd wyświetlaczy P=60mW
Moc całkowita układu wynosi :
Pcał=5*35mW+6*73mW+15*45mW+2*70mW+49mW+225mW+425mW+95mW+70mW+3*30,8mW+60mW+18mW+45*60mW=5162,4mW=5,1624W
Z bilansu mocy wynika iż projektowany układ pobiera 5,2W mocy przy zasilaniu 5V , stąd układ musi być zasilany z zasilacza o wydolności prądowej ok. 1,2 A lub więcej.
9. Spis elementów występujących w projekcie :
Układy scalone:
74ls47(us1-us5)
74ls75(us7-us12)
74ls90(us13-us17,us20,us22,us24,us25,us29,us30-us34)
74ls157(us6)
74ls123(us16,us38)
74s151(us19)
74ls145(us21)
74s192(us23)
74ls192(us28)
74ls74(us35)
74ls00(us26,us27,us31)
74ls02(us32)
74ls20(us30)
X1-10MHz
R14-R48 200Ω
R1,R3 200Ω
R2 100Ω
R13 27k
R12 1k
R11 1k
R8 10k
R9 47k
R10 1k
R4,R5 1k
C10 200u
C9 250p
C7 100p
C8 47u
C4 10n
C5 25p
Diody BAP795
Diody LED
Wyświetlacze siedmio segmentowe ze wspólną anodą.
10 Literatura.
P. Horowitz , W. Hill SZTUKA ELEKTRONIKI .
W. Majewski UKŁADY LOGICZNE
Praca zbiorowa BUDOWA I PROJEKTOWANIE KOMPUTERÓW (SKRYPT POL. ŚL 2211)
KATALOGI ELEMENTÓW ELEKTRONICZNYCH (POSTAĆ ELEKTRONICZNA).
Praktyczny elektronik