Licznik częstotliwości i tester kwarców – DYI z Chin

Lubię kity do samodzielnego montażu. Zwłaszcza, jeżeli może powstać z nich coś całkiem pożytecznego. Trafił mi się na ali zestaw typu „zrób to sam” umożliwiający zbudowanie testera kwarców oraz licznika częstotliwości.

O ile testowanie kwarców jest dla mnie tak średnio przydatne, licznik częstotliwości wydał mi się całkiem ciekawą „zabawką”.

Oryginał

Opisywany miernik wydaje się być „oparty” na pomyśle Wolfganga „Wolf” Büscher’a pod nazwą „DL4YHF counter”. Oryginalny projekt możecie znaleźć go na stronie Frequency counter with PIC.

Podstawowe parametry

W skład zestawu wchodzi płytka PCB oraz garść elementów potrzebnych do zbudowania miernika.

Sama płytka jest całkiem porządnie wykonana. Gruba, z dokładnie ocynowanymi otworami. Szczególnie podoba mi się jej górna strona z opisem elementów – nie sposób niczego pomylić ani przylutować odwrotnie.

Kilka parametrów:

Zasilanie 5-9v przez wtyk lub piny +/- na płytce
Pomiar częstotliwości 1-50MHz, Vpp<=5V
Testowane kwarce 1MHz-45MHz
Wyświetlanie 5 cyfr/kostek LED
Rozdzielczość x.xxxx kHz
x.xxxx MHz
xx.xxx MHz
(automatyczne przełączanie zakresów; migająca kropka dziesiętna oznacza kHz)
Dodatkowe opcje Możliwość dodawania/odejmowania częstotliwości bazowej

Miganie kropki dziesiętnej oznacza, że podany wynik jest w kHz. Stale świecąca kropka dziesiętna oznacza, że wynik podany jest w MHz.

Pomiar częstotliwości

Zgodnie z instrukcją, miernik może liczyć częstotliwości od 1 do 50MHz o napięciu do 5Vpp (voltage peak-to-peak). Dla porównaniu: mój UT71c potrafi mierzyć od 200mV do 30V Vpp, częstotliwości 10Hz – 40MHz o stopniu wypełnienia 0 – 100%.

Miernik DYI UT71c
Zakres częstotliwości 1-50MHz  10 – 40MHz
Zakres napięć 5Vpp, 0-5V 200mV-30V
Mierzy stopień wypełnienia NIE tak
Podaje Vpp NIE tak
Cena zł  15 500

Powodem, dla którego maksymalne napięcie to 5Vpp (dokładniej 0-5V) jest to, że mierzony sygnał jest wprowadzany bezpośrednio na pin PICa – pracującego z logiką 5v. Wprowadzenie sygnału mniejszego niż 0V lub większego niż 5v może doprowadzić do spalenia mikrokontrolera sterującego miernikiem.

…co więcej: miernik przekłamuje sygnały o wartości niższej niż 3.1v – ale o tym poniżej

Mała uwaga: pomiary z generatorem sygnału

Do pomiarów miernika użyję generatora funkcyjnego Siglent SDG800. Jest  to bardzo pożyteczne urządzenie, o całkiem niezłych parametrach – mimo że pochodzi raczej z niższej półki narzędzi tego typu. Potrafi generować sygnały o częstotliwości do 10MHz na jednym kanale.

Jeżeli zamierzacie wykonywać pomiary za pomocą generatora, upewnijcie się, że jest ustawiony w tryb HighZ – wysokiej impedancji obciążenia. Generatory na wyjściu są najczęściej wyposażone w rezystancję szeregową Rs = 50Ω. Dodatkowo, domyślnie zakładają, że obciążenie Rload = 50Ω. Wygląda to tak:

W związku z powyższym, generator podwoi napięcie wystawiane na swoim wyjściu po to, żeby dostarczyć Uwy zadane przez użytkownika. Dlaczego? Zauważcie, że na wyjściu generatora tworzy się dzielnik napięcia: z szeregowej rezystancji Rs = 50Ω generatora oraz „wymyślonej” przez niego rezystancji obciążenia Rload = 50Ω. Stąd:

{U_{wy}}={U_{we}}\cdot{{R_{load}} \over {R_{load} + R_s}}

Dla RLoad = Rs = R = 50Ω:

{U_{wy}} = {U_{we}}\cdot{{R} \over {2 \cdot R}}={1 \over 2}\cdot{U_{we}}

Jeżeli generator by nic nie zrobił, zamiast np. 5v ustawionych na wyjściu – efektywnie dostarczyłby sygnał o amplitudzie jedynie 2.5v. Dlatego generator podwoi napięcie, żeby uzyskać zadany  efekt.
Co może się skończyć nieprzyjemnie, gdy spróbujecie podłączyć do generatora miernik z ograniczeniem napięcia wejściowego do 5v:)

Inaczej będzie w trybie HighZ (wysokiej impedancji). Wtedy generator zakłada, że obciążenie Rload ma bardzo dużą impedancję – powiedzmy 1MΩ. wtedy:

{U_{wy}} = {U_{we}} \cdot {{1000000\Omega}\over {({1000000\Omega} + {50\Omega})}} = {U_{we}} \cdot {{1000000\Omega} \over {1000050\Omega}} = 0,999950002 \cdot {U_{we}}

Czyli generator nie musi za bardzo „kombinować” z napięciem – ponieważ dostarcza to, które zadał jego użytkownik (no, z dokładnością do niewielkiej rezystancji szeregowej:))

To dość popularne doświadczenie, gdy generator sygnału ustawiony na obciążenie 50Ω podłącza się do oscyloskopu. Oscyloskop pokazuje dwa razy większe napięcie niż to, ustawione na generatorze. Teraz wiecie dlaczego tak się dzieje (Wasz generator i oscyloskop działają poprawnie):)

Oczywiście powstaje pytanie: jaką impedancję na wejściu ma nasz miernik? Wydaje mi się, że ponieważ jest miernikiem (a nie np. serwem) – można spokojnie założyć wysoką impedancję.

Lutowanie płytki

Lutowanie takich płytek rozpocznijcie od elementów o najniższym profilu (najmniej wystających ponad płytkę). Nie jest to żadne wymaganie technologiczne, raczej czysto praktyczne. Po prostu, jeżeli najpierw wlutujecie wysokie elementy (jak np. klocki wyświetlacza) – i dopiero wtedy włożycie rezystory – po odwróceniu płytki po prostu wypadną, albo będą „bujać” się w powietrzu. Utrudni to ich proste lutowanie.

Tak więc, warto zacząć od rezystorów:

Pamiętajcie o przycięciu styków elementów po drugiej stronie płytki:

Upewnijcie się co do wartości rezystorów!!!

W skład zestawu wchodzą rezystory 1kΩ (10 szt), 10kΩ (2 szt.) i 100kΩ (1 szt.). Użyjcie miernika, żeby upewnić się co do wartości rezystorów.

Możecie również odczytać je z pasków nadrukowanych na nich.

I jeszcze jedno: do podginania styków rezystorów (czy diod) możecie użyć takiego plastykowego „dżynksa” (zob. Mała rzecz a cieszy):

Teraz lutuję diody (oznaczone na płytce 4148):

Pamiętajcie, że w odróżnieniu do rezystorów, diody muszą być wlutowane w odpowiednią stronę. Czarna opaska na diodzie powinna być skierowana w stronę grubego białego paska.

Czas na kondensatory:

Wszystkie kondensatory w zestawie są ceramiczne. Nie musicie martwić się, w którą stronę je wlutujecie. Upewnijcie się co do ich wartości: 3szt. 22pF (z napisem 22), po sztuce 1nF (z napisem 102) i 100nF (opisane 104). Wlutujcie je w odpowiednie miejsca na płytce:

Kwarc i trymer do niego:

Czas na elementy dyskretne:

…gniazdo zasilające:

…podstawkę pod kontroler:

Na koniec kostki LED:

Na płytce znajdziecie złącze oznaczone „+|-|IN”. To właśnie to zamierzam wykorzystać do podłączenia zasilania  i sygnału wejściowego dla licznika. Na razie wyprowadzę kabelki (na wszelki wypadek zabezpieczyłem je klejem):

Czas na włożenie kontrolera – pamiętajcie, w którą stronę ma iść „ząbek” czipu:

Podłączyłem zasilanie (9v) i …:

Najpierw zabłysły wszystkie elementy a później pojawiło się „0” na przedostatnim miejscu.

Kilka testów

Przebiegi prostokątne.

Dla sygnału o wartości napięcia 0-5v, miernik bez problemu odczytywał częstotliwości dla fali prostokątnej.

Generator Jednostka Wskazanie miernika Wskazanie miernika
10 Hz 0.010 stabilne
29.0-29.2 Hz 0.029 stabilne
29.2-29.9 Hz 0.029 – 0.030 niestabilne na ostatniej cyfrze
30 Hz 0.030 stabilne
100 Hz 0.100 stabilne
121 Hz 0.121 stabilne
123.45 kHz 123.46 stabilne
8.524 kHz 8.524-8.525 niestabilne na ostatniej cyfrze
256.789 kHz 256.81 stabilne
967.253147 kHz 967.34-967.33 niestabilne na ostatniej cyfrze
1024 kHz 1.024 stabilne
5643 kHz 5.6435 stabilne
9876 kHz 9.8768 stabilne

Ciekawe:

  • Przy niższych częstotliwościach, miernik był praktycznie niewrażliwy na stopień wypełnienia sygnału; dopiero np. przy pomiarze 1MHz ze stopniem wypełnienia 92%, miernik zaczął się mylić – tu pokazuje 706kHz zamiast 1MHz
  • Pomiar sygnału poniżej 3.1v daje już przypadkowe wyniki a poniżej 2.5v – miernik wskazuje tylko „0” na przedostatnim miejscu.

Obudowa

Zachęcony powyższymi wynikami, postanowiłem wpakować miernik do bardziej użytecznego opakowania. Obudowę wyciąłem z 3mm sklejki:

W obudowie ma się pomieścić bateria, która będzie zasilać miernik:

Zacząłem od „korytka”. Ma wymiary mniej więcej 65x100mm:

W korytku wywierciłem otwory na wyjścia bananowe i wyłącznik. Zwróćcie uwagę na przedziałek: jest przeznaczony na baterię:

Teraz górna pokrywka:

Ramka wokół wyświetlacza:

Pod spód przykleiłem śrubki. W otwór włożyłem kawałek pleksi z czerwoną blendą (z przezroczystej okładki na zeszyt):

W ten sposób mogłem przykręcić płytkę licznika pod dekiel:

Zamontowałem gniazda bananowe  – masa i wejście sygnału:

I tymczasowo złożone pudełko:

I kilka przydatnych dodatków, jak wyłącznik:

i bateria:

Podsumowanie

Kit był bardzo prosty w budowie. Płytka wysokiej jakości, jednoznacznie opisana – wszystkie potrzebne elementy w komplecie. Trochę dziwi wybór gniazda DC (zdaje się 3/8 cala) – przydałoby się coś bardziej standardowego.

Zbudowane urządzenie okazało się całkiem poręczne. W badanym zakresie częstotliwości (do 10MHz) sprawowało się naprawdę nieźle. Ba, właściwie to byłem zaskoczony, jak dobrze zlicza częstotliwość.  Problemem może być minimalne napięcie sygnału 3.1v. Oryginalny projekt zawiera schemat przedwzmacniacza, który pozwala znieść to ograniczenie.

W następnej kolejności:

  • Dodam diody, które zasygnalizują czy wyświetlana wartość to kHz lub MHz,
  • Przedwzmacniacz.

…i dokładniej przetestuję z różnymi rodzajami przebiegów:)

Źródła

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *