Frequenzimetro BF HF-VHF
fino a 550 MHz
anche misuratore di periodo e cronometro
Il frequenzimetro, misuratore di periodo e cronometro che vi presento, fa parte di quelle realizzazioni puramente di piacere, poichè la spesa è certamente superiore ad un equivalente dispositivo di tipo commerciale, senza contare la difficoltà di reperimento dei componenti, l'ingombro finale e la complessità della realizzazione.
Non mi soffermerò particolareggiatamente sul funzionamento elettrico e sul cablaggio, poiché la trattazione è rivolta a chi ha esperienza e conoscenza adeguata.
Se verrà effettuate una taratura precisa con l'apposito compensatore capacitivo, la precisione, usando un quarzo da 10Mhz, è di tutto rispetto.
L'oscillatore funzionerà ugualmente con quarzi da 1MHz. Se invece interessa anche un sistema di termostatazione del quarzo, riferirsi al seguente indirizzo:
http://www.radioclubtigullio.it/Pag_termostato_quarzi.html
Consiglio di usare filo per wire wrap per il cablaggio, salvo che per le piste di alimentazione, e di porre un condensatore da 0,1μF tra i piedini positivi e negativi di ogni integrato, onde cortocircuitare ogni residuo di oscillazione A.F. che confluisse sulle piste di alimentazione a causa dell'oscillatore della base dei tempi o degli ingressi HF-VHF-UHF.
La visualizzazione è stata da me realizzata con valvoline Nixie:
a) perché di quelle dispongo in buon numero;
b) perché permettono di accorgersi se la frequenze misurata e pura e stabile, se non lo è si vedono accesi più numerini contemporaneamente, cosa che non si può notare con i display a sette segmenti;
c) consentono di usare gli SN 74142 che sono contemporaneamente decadi, memorie (latch) e decodificatori decimali.
Tuttavia nulla osta che tale sistema, dopo la prima decade veloce, sia sostituito con decadi SN7490 più decodifiche 9368 e display a sette segmenti o altri sistemi, quali SN74143 (decade, memoria, decodifica) e display a sette segmenti.
Ci sono tre ingressi: uno di bassa frequenza da 20Hz a 2MHz; uno da 80-125MHz, a seconda della fortuna che si ha con gli SN74S112, che appunto presentano, nell'ambito dello stesso modello, una frequenza minima di 80MHz ed una massima di 125MHz; uno con prescaler 11C90 da 500 MHz.
La prima decade successiva all'11C90 è stata ricavata dalla combinazione di due SN74S112 (J K master slave flip flop) in configurazione BCD.
Come mostrato nello schema a blocchi di principio in figura 1a, il marchingegno consta dei seguenti schemi:
Non mi soffermerò particolareggiatamente sul funzionamento elettrico e sul cablaggio, poiché la trattazione è rivolta a chi ha esperienza e conoscenza adeguata.
Se verrà effettuate una taratura precisa con l'apposito compensatore capacitivo, la precisione, usando un quarzo da 10Mhz, è di tutto rispetto.
L'oscillatore funzionerà ugualmente con quarzi da 1MHz. Se invece interessa anche un sistema di termostatazione del quarzo, riferirsi al seguente indirizzo:
http://www.radioclubtigullio.it/Pag_termostato_quarzi.html
Consiglio di usare filo per wire wrap per il cablaggio, salvo che per le piste di alimentazione, e di porre un condensatore da 0,1μF tra i piedini positivi e negativi di ogni integrato, onde cortocircuitare ogni residuo di oscillazione A.F. che confluisse sulle piste di alimentazione a causa dell'oscillatore della base dei tempi o degli ingressi HF-VHF-UHF.
La visualizzazione è stata da me realizzata con valvoline Nixie:
a) perché di quelle dispongo in buon numero;
b) perché permettono di accorgersi se la frequenze misurata e pura e stabile, se non lo è si vedono accesi più numerini contemporaneamente, cosa che non si può notare con i display a sette segmenti;
c) consentono di usare gli SN 74142 che sono contemporaneamente decadi, memorie (latch) e decodificatori decimali.
Tuttavia nulla osta che tale sistema, dopo la prima decade veloce, sia sostituito con decadi SN7490 più decodifiche 9368 e display a sette segmenti o altri sistemi, quali SN74143 (decade, memoria, decodifica) e display a sette segmenti.
Ci sono tre ingressi: uno di bassa frequenza da 20Hz a 2MHz; uno da 80-125MHz, a seconda della fortuna che si ha con gli SN74S112, che appunto presentano, nell'ambito dello stesso modello, una frequenza minima di 80MHz ed una massima di 125MHz; uno con prescaler 11C90 da 500 MHz.
La prima decade successiva all'11C90 è stata ricavata dalla combinazione di due SN74S112 (J K master slave flip flop) in configurazione BCD.
Come mostrato nello schema a blocchi di principio in figura 1a, il marchingegno consta dei seguenti schemi:
a) lo schema di principio a blocchi (figura 1a)
b) la base dei tempi (figura 1) completa di quarzo e otto decadi divisori da 10Mh a 1HZ; la selezione dei tempi avviene attraverso l'integrato 9312. In realtà per il frequenzimetro sarebbero sufficienti solo tre frequenze: 1Hz, 1KHz e 10Khz, ma, per il misuratore di periodo e per il cronometro, sono senz'altro utili anche tutti gli altri valori. Il 9312 (figura 2) è pilotato, per facilità, da un contraves binario, perché diversamente sarebbe necessario un commutatore a tre vie, otto posizioni, di cui vi do lo schema (figura 2) con altre possibilità di pilotaggio. In questi modi, per le perdite e interferenze, non ha importanza la lunghezza dei collegamenti; tuttavia il metodo più semplice resta quello di figura 2, particolare b, con cui viene eliminato l'integrato 9312, in questo caso però, per evitare inneschi ed interferenze, sarà necessario tenere i collegamenti al commutatore quanto più corti possibile.
Le uscite del 9312 (una diretta e una negata) sono due, qualora qualche applicazione richiedesse l'inversione di fase della frequenza.
Le uscite del 9312 (una diretta e una negata) sono due, qualora qualche applicazione richiedesse l'inversione di fase della frequenza.
c) il contatore e visualizzatore (figura 3) composto da cinque valvoline Nixie, pilotate da decadi con memorie e decodifica decimale. E' rimarchevole la prima decade composta da 4 filip-flop J K master slave in configurazione BCD, quindi in grado di generare una numerazione binaria compatibile con la decodifica decimale; tale decade è capace di accettare, al suo ingresso, una frequenza assai più alta di qualsiasi altra decade TTL compattata in un unico circuito integrato,
Tali flip-flop sono costituiti dall'SN74S112 di cui il datasheet riporta, nel peggiore dei casi, una frequenza minima di 80MHZ (ed una massima di 125MHz), sta nella fortuna dell'acquirente.
La medesima figura 3 mostra il sistema di oltre fondo scala (over range). Se, nel corso della lettura, la numerazione procede oltre la quinta cifra, si illumina il led di over range, ciò significa che è necessario agire sulla base dei tempi per rientrare in scala.
Questa funzione è ricavata da una metà dell'integrato SN74S112 (comprendente due J K master slave flip-flop), l'altra metà è usata per la generazione dei segnali di sincronismo lettura, memoria, reset.
Agendo sulla base dei tempi è possibile leggere, in più fasi, ogni valore completo di misura fino all'Hertz. Teoricamente, ponendo la base dei tempi a 10 MHz si potrebbero leggere fino a 999999 Mhz, ma sappiamo bene che ciò sarebbe impossibile, perché il limite di questo marchingegno è di 500MHz, se realizzato a regola d'arte.
Invece l'utilità di quanto detto è nella lettura del periodo e soprattutto nel cronometro, infatti, con discreta precisione, è possibile apprezzare eventi dell'ordine del deci-milionesimo di secondo e, con buona precisione, eventi nell'ordine del milionesimo di secondo.
Anche se la cosa non è realizzabile, diciamo che, se facessimo partire il cronometro nel momento in cui si accende un faro a tre chilometri di distanza, potremmo misurare, approssimativamente, il tempo impiegato dalla luce per giungere fino a noi, in deci-milionesimi di secondo;
Tali flip-flop sono costituiti dall'SN74S112 di cui il datasheet riporta, nel peggiore dei casi, una frequenza minima di 80MHZ (ed una massima di 125MHz), sta nella fortuna dell'acquirente.
La medesima figura 3 mostra il sistema di oltre fondo scala (over range). Se, nel corso della lettura, la numerazione procede oltre la quinta cifra, si illumina il led di over range, ciò significa che è necessario agire sulla base dei tempi per rientrare in scala.
Questa funzione è ricavata da una metà dell'integrato SN74S112 (comprendente due J K master slave flip-flop), l'altra metà è usata per la generazione dei segnali di sincronismo lettura, memoria, reset.
Agendo sulla base dei tempi è possibile leggere, in più fasi, ogni valore completo di misura fino all'Hertz. Teoricamente, ponendo la base dei tempi a 10 MHz si potrebbero leggere fino a 999999 Mhz, ma sappiamo bene che ciò sarebbe impossibile, perché il limite di questo marchingegno è di 500MHz, se realizzato a regola d'arte.
Invece l'utilità di quanto detto è nella lettura del periodo e soprattutto nel cronometro, infatti, con discreta precisione, è possibile apprezzare eventi dell'ordine del deci-milionesimo di secondo e, con buona precisione, eventi nell'ordine del milionesimo di secondo.
Anche se la cosa non è realizzabile, diciamo che, se facessimo partire il cronometro nel momento in cui si accende un faro a tre chilometri di distanza, potremmo misurare, approssimativamente, il tempo impiegato dalla luce per giungere fino a noi, in deci-milionesimi di secondo;
d) la generazione dei sincronismi (figure 4 e 5) fra intervallo di tempo di lettura, segnale di memorizzazione ed azzeramento del contatore per la lettura successiva.
In funzione della base dei tempi scelta, avviene la lettura; quindi alla frequenza di un Hz l'integrato p (1/2 SN74S112), dividendo per due, genera, sull'uscita Ǭ, un intervallo di tempo esattamente di due secondi, di cui uno a livello alto ed uno a livello basso. Durante il livello alto c'è il campionamento ed il conteggio del numero di cicli, nell'unità di tempo, della frequenza in ingresso; sul fronte di discesa del livello basso avviene lo stop alla lettura, successivamente avviene il trasferimento in memoria permanente e, infine, l'azzeramento del contatore per il successivo conteggio. In figura 5 è visibile il grafico delle temporizzazioni, sincrone con l'onda quadra emessa dalla base dei tempi . Con apposito comando manuale è possibile, nella funzione cronometro, fermare temporaneamente in memoria il conteggio o azzerare il contatore dopo lo stop;
In funzione della base dei tempi scelta, avviene la lettura; quindi alla frequenza di un Hz l'integrato p (1/2 SN74S112), dividendo per due, genera, sull'uscita Ǭ, un intervallo di tempo esattamente di due secondi, di cui uno a livello alto ed uno a livello basso. Durante il livello alto c'è il campionamento ed il conteggio del numero di cicli, nell'unità di tempo, della frequenza in ingresso; sul fronte di discesa del livello basso avviene lo stop alla lettura, successivamente avviene il trasferimento in memoria permanente e, infine, l'azzeramento del contatore per il successivo conteggio. In figura 5 è visibile il grafico delle temporizzazioni, sincrone con l'onda quadra emessa dalla base dei tempi . Con apposito comando manuale è possibile, nella funzione cronometro, fermare temporaneamente in memoria il conteggio o azzerare il contatore dopo lo stop;
e) i circuiti di selezione gamme di frequenza e delle funzioni periodo, cronometro, frequenzimetro (figure 6 e 6a). I commutatori sono elettronici, con porte logiche digitali, che minimizzano le perdite, ovviano all'inefficienza di un commutatore meccanico e consentono collegamenti lunghi a piacere.
Le gamme selezionabili, ripeto, sono tre, dalla bassa frequenza all'alta frequenza (3MHz), dall'alta frequenza alle VHF (80-125MHz), dalle VHF alle UHF(500MHz), per mezzo del prescaler 11C90.
Nella funzione cronometro per il tramite della porta NAND dell'integrato d (piedini 12 e 12 ingresso e 10 di uscita) la prima metà dell'SN74S112 viene settata ad uscita Q=H in modo da interdire il conteggio fino a che non venga pigiato il comando Start.
In comando Start, quando attivato, procede all'azzeramento istantaneo delle decadi della base dei tempi (porta NAND dell'integrato h che fa capo al punto n.9) e ad abilitare il conteggio sul contatore , il comando stop interrompe il conteggio.
In figura 8 c'è la visione d'insieme del dispositivo rispetto agli altri schemi elettrici e pratici.
Le gamme selezionabili, ripeto, sono tre, dalla bassa frequenza all'alta frequenza (3MHz), dall'alta frequenza alle VHF (80-125MHz), dalle VHF alle UHF(500MHz), per mezzo del prescaler 11C90.
Nella funzione cronometro per il tramite della porta NAND dell'integrato d (piedini 12 e 12 ingresso e 10 di uscita) la prima metà dell'SN74S112 viene settata ad uscita Q=H in modo da interdire il conteggio fino a che non venga pigiato il comando Start.
In comando Start, quando attivato, procede all'azzeramento istantaneo delle decadi della base dei tempi (porta NAND dell'integrato h che fa capo al punto n.9) e ad abilitare il conteggio sul contatore , il comando stop interrompe il conteggio.
In figura 8 c'è la visione d'insieme del dispositivo rispetto agli altri schemi elettrici e pratici.
f) in figura 8 vengono descritti i comandi di start e stop nella funzione cronometro che deve essere selezionata attraverso il selettore di funzioni (figure 6 e 6a).
g) in figura 8 sono presentati sinotticamante i diversi moduli che fanno parte del disposistivo. La rappresentazione di insieme riporta la numerazione di tutti i punti che andranno collegati l'uno con la'ltro.
h) In figura 9, lo schema di un preamplificatore per B.F. e H.F. da 20Hz fino a 3MHz, l'impedenza di ingresso è elevata, la resistenza R1 e i diodi tosano il segnale se di eccessiva ampiezza. Il circuito può essere collegato direttamente all'ingresso a del dispositivo.
Descrizione dei punti di collegamento:
Punto (n.1): è l'uscita diretta dal selettore della base dei tempi (gruppi NAND f ed e), mentre (n.1) negato dà lo steso segnale in opposizione di fase (figure 1a, 1, 2, 4, 6, 6a, 8).
Punto (n.2) trasferisce il segnale o della funzione frequenza o periodo o cronometro al blocco sincronismi di lettura, memoria, reset del contatore (figure 1a, 4, 5, 6, 6a,7, 8).
Punto (n.3) fornisce, al gruppo di porte NAND g, l'intervallo di tempo (da 1Hz a 10 MHz) entro il quale viene effettuato il conteggio (figure 1a, 4, 5, 6, 6a, 7,8).
Punto (n.4) fornisce il segnale di azzeramento del contatore dopo la lettura e la memorizzazione (figure 1a, 3,4, 5, 6,8).
Punto (n.5) fornisce il segnale entro il quale il conteggio rilevato viene inserito stabilmente in memoria negli integrati SN74142 (figure 1a, 3, 4, 5, 8) .
Punto (n.6) proveniente dal selettore funzioni, fa pervenire al contatore il segnale sottoposto a misura: o frequenza o periodo oppure, nella funzione cronometro, invia l'onda quadra (da 1Hz a 10MHz) al contatore (figure 1a, 3, 4, 6, 6a, 8).
Punto (n.7) procura anche l'azzeramento della base dei tempi ad ogni ciclo di lettura, memoria, reset. Diversamente ci sarebbero errori di misura (figure 1, 2, 4, 5, 8).
Punto (n.8) ) fornisce il segnale entro il quale il conteggio rilevato viene inserito stabilmente in memoria nell'integrato SN7475, che è la memoria della decade veloce ottenuta con gli SN74S112 (figure 1a, 3, 4, 5, 8).
Punto (n.9) nella funzione cronometro, invia al clear (pin 15) della prima metà dell'SN74S112 il segnale di start conteggio e setta a zero l'inizio del conteggio della base dei tempi, attraverso la porta NAND h, pin 1 e 2 (Figure 1a, 4, 5, 7, 8).
Punto (n.10) quando si seleziona la funzione cronometro, procura che il conteggio sia settato sullo stop (figure 1a, 6, 6a, 7, 8).
Punto (11) nella funzione cronometro, invia il segnale di stop al preset (pin 4) della prima metà dell'SN74S112 (figure 1a, 4, 5, 7, 8)
N.B. la seconda metà dell'SN74S112 è adibita al fuori fondo scala (over range) del contatore. Ciò significa che se il led si accende è necessario salire con la base dei tempi per rientrate in scala di lettura. Quindi abbiamo la misura entro la scala di lettura di cinque cifre, se l'over range è spento.
Ciò comporta che la lettura di una frequenza o di un periodo (superiore alle cinque cifre) debba essere effettuata in più riprese, agendo sulla base dei tempi. Per esempio, la lettura della frequenza 28.805.755 Hz va letta in due riprese: con la base dei tempi a 1KHz leggeremo 28.805; con al base dei tempi posta a 1Hz leggeremo 05.755. Questo ammesso che la frequenza si stabile, diversamente avremo letture diverse.
I punti (n.12), (n.13), (n.14) sono i collegamenti tra la decade veloce (2 x SN74S112) e le altre decadi SN74142 (figure 3, 8). In figura 3 vengono mostrati collegamenti tra la decade veloce, il primo SN74142 ed il quarto Sn74142, naturalmente gli altri due Sn74142 (2°, 3°) sono sottointesi.
Qualora si adoperasse L'SN74143 (decade, memoria, decodifica per display a sette segmenti) sarà necessario adeguare i segnali di sincronismo lettura, memoria, reset.
Punto (n.1): è l'uscita diretta dal selettore della base dei tempi (gruppi NAND f ed e), mentre (n.1) negato dà lo steso segnale in opposizione di fase (figure 1a, 1, 2, 4, 6, 6a, 8).
Punto (n.2) trasferisce il segnale o della funzione frequenza o periodo o cronometro al blocco sincronismi di lettura, memoria, reset del contatore (figure 1a, 4, 5, 6, 6a,7, 8).
Punto (n.3) fornisce, al gruppo di porte NAND g, l'intervallo di tempo (da 1Hz a 10 MHz) entro il quale viene effettuato il conteggio (figure 1a, 4, 5, 6, 6a, 7,8).
Punto (n.4) fornisce il segnale di azzeramento del contatore dopo la lettura e la memorizzazione (figure 1a, 3,4, 5, 6,8).
Punto (n.5) fornisce il segnale entro il quale il conteggio rilevato viene inserito stabilmente in memoria negli integrati SN74142 (figure 1a, 3, 4, 5, 8) .
Punto (n.6) proveniente dal selettore funzioni, fa pervenire al contatore il segnale sottoposto a misura: o frequenza o periodo oppure, nella funzione cronometro, invia l'onda quadra (da 1Hz a 10MHz) al contatore (figure 1a, 3, 4, 6, 6a, 8).
Punto (n.7) procura anche l'azzeramento della base dei tempi ad ogni ciclo di lettura, memoria, reset. Diversamente ci sarebbero errori di misura (figure 1, 2, 4, 5, 8).
Punto (n.8) ) fornisce il segnale entro il quale il conteggio rilevato viene inserito stabilmente in memoria nell'integrato SN7475, che è la memoria della decade veloce ottenuta con gli SN74S112 (figure 1a, 3, 4, 5, 8).
Punto (n.9) nella funzione cronometro, invia al clear (pin 15) della prima metà dell'SN74S112 il segnale di start conteggio e setta a zero l'inizio del conteggio della base dei tempi, attraverso la porta NAND h, pin 1 e 2 (Figure 1a, 4, 5, 7, 8).
Punto (n.10) quando si seleziona la funzione cronometro, procura che il conteggio sia settato sullo stop (figure 1a, 6, 6a, 7, 8).
Punto (11) nella funzione cronometro, invia il segnale di stop al preset (pin 4) della prima metà dell'SN74S112 (figure 1a, 4, 5, 7, 8)
N.B. la seconda metà dell'SN74S112 è adibita al fuori fondo scala (over range) del contatore. Ciò significa che se il led si accende è necessario salire con la base dei tempi per rientrate in scala di lettura. Quindi abbiamo la misura entro la scala di lettura di cinque cifre, se l'over range è spento.
Ciò comporta che la lettura di una frequenza o di un periodo (superiore alle cinque cifre) debba essere effettuata in più riprese, agendo sulla base dei tempi. Per esempio, la lettura della frequenza 28.805.755 Hz va letta in due riprese: con la base dei tempi a 1KHz leggeremo 28.805; con al base dei tempi posta a 1Hz leggeremo 05.755. Questo ammesso che la frequenza si stabile, diversamente avremo letture diverse.
I punti (n.12), (n.13), (n.14) sono i collegamenti tra la decade veloce (2 x SN74S112) e le altre decadi SN74142 (figure 3, 8). In figura 3 vengono mostrati collegamenti tra la decade veloce, il primo SN74142 ed il quarto Sn74142, naturalmente gli altri due Sn74142 (2°, 3°) sono sottointesi.
Qualora si adoperasse L'SN74143 (decade, memoria, decodifica per display a sette segmenti) sarà necessario adeguare i segnali di sincronismo lettura, memoria, reset.