Danas je nabavljen elektronski brojač frekvencije i periode MA 3861 slovenskog proizvođača Iskra iz sredine 1980-tih godina.
Tvrtka ISKRA vuče korijene iz 1946. godine te je sve do danas prisutna na tržištu. Možemo reći da se radi o jednoj od najuspješnijih i najdugovječnijih tvrtki sa područja bivše Jugoslavije koja je preživjela procese restrukturiranja i privatizacije tijekom 1990-tih godina te otada bilježi tendenciju ponovnog rasta, razvoja i širenja na svjetska tržišta. Kroz čitavo razdoblje postojanja nudi širok spektar proizvoda iz područja elektronike, elektrotehnike, telekomunikacija, energetike, automatizacije i tome srodnih proizvodnih grana.
Brojač frekvencije Iskra MA 3861 omogućuje mjerenje frekvencije u rasponu 10 Hz do 50 MHz i mjerenje trajanja periode u rasponu 200 µs do 1 s. Na kućištu instrumenta piše mjerni opseg 1 Hz – 50 MHz, no ovaj instrument nikako ne može mjeriti frekvencije ispod 10 Hz. Ipak, može mjeriti peride trajanja 1 sekunde (1000,000 ms) pa je verojatno otuda stavljena ta oznaka. Najkraća mjerljiva perioda od 200 µs odgovara frekvenciji od 5 kHz. Instrumentu točnost mjerenja opada za kraće periode pa se za njih preporuča mjerenje frekvencije (ukoliko su periode ponavljajuće) a zatim se perioda izračuna po formuli T = 1 / f.
Ulazna impedancija je 100 kΩ, a kod mjerenja se važno držati ograničenja glede minimalnih i maksimalnih napona koji se mogu dovesti na ulaznu priključnicu. Kod premalih ulaznih napona instrument neće dati točno mjerenje, a kod prevelikih ulaznih napona može doći do probijanja zaštite i oštećenja instrumenta.
Točnost mjerenja je ±1 znamenka kako je to uobičajeno kod svih brojača koji se baziraju na brojanju perioda (vidi objavu Computing Counter HP 5360A). Točnost i preciznost mjerenja naravno ovisi i od točnosti i stabilnosti sklopova koji generiraju vremenske okvire mjerenja (vremenska baza). Općenito gledano kod svih mjerača frekvencije ovog tipa točnost mjerenja je veća na višim frekvencijama, a opada prema nižim frekvencijama zbog same rezolucije mjerenja koja kod MA 3861 iznosi 10 Hz.
To u praksi znači da frekvencija od primjerice 50 Hz može biti prikazana kao 40 Hz ili 60 Hz što je pogreška od 20%. S druge strane frekvencija od 50 MHz će biti izmjerena s tolerancijom od svega 0,00002%. Kod mjerenja periode je naravno obrnuto, što je perioda duža (frekvencija manja) to je preciznost mjerenja veća. Na grafičkom prikazu vidi se kako točnost mjerenja sa MA 3861 ovisi o frekvenciji ili periodi koju mjerimo.
Napravili smo mali test ovog našeg MA 3861 i pokazao se iznenađujuće točan. Pogreška mjerenja u čitavom opsegu nije veća od ±1 znamenke što znači da je vremenska baza vrlo točna i stabilna. Ta pogreška je očekivano vjerojatnija kod nižih frekvencija (10 Hz – 100 kHz), dok će kod viših frekvencija pokazivanje uglavnom biti točno. Mjerili smo frekvencije iz preciznog generatora sinusnog napona frekvencija 10 Hz, 100 Hz, 1 kHz, 10 kHz, 100 kHz, 1 MHz i 10 MHz. Najviša frekvencija koju je naš MA 3861 ispravno mjerio je 58 MHz. Ovu granicu određuju maksimalne frekvencije ugrađenih CMOS i TTL digitalnih integriranih krugova. To je i razlog zašto većina mjerača frekvencije ima dva ulaza: jedan izravni do 50 MHz i drugi koji ide preko djelitelja/preskalera za više frekvencije.
Prikaz izmjerenih frekvencija od 10 Hz, 100 Hz, 1 kHz i 10 kHz. Vidi se da je rezolucija mjerenja mala što se posebno odražava na mjerenja do 100 kHz.
Prikaz izmjerenih frekvencija od 100 kHz i 1 MHz i 10 MHz. Ovdje je rezolucija, a time i točnost mjerenja puno veća.
Za mjerač frekvencije Iskra MA 3861 dostupna je tehnička dokumentacija, a mi smo iz originalne elektroničke sheme izveli preglednu blok shemu uređaja.
Ulazno pojačalo i pretvarač ulaznog valnog oblika u impulsni
Ulazni impulsi sinusnog ili nekog drugog valnog oblika za digitalni mjerač frekvencije moraju prvo biti pretvoreni u pravokutni oblik iste frekvencije. Također, amplituda tih pravokutnih signala mora biti TTL razine (0V, 5V) koja odgovara logičkim stanjima nule i jedinice kako bi se isti mogli procesuirati u digitalnim krugovima. Za pretvaranje ulaznih izmjeničnih signala u pravokutne impulse konstantne amplitude služi ulazno pojačalo. Ono se u našem slučaju sastoji od:
- BA546 – dvije antiparalelno spojene diode u seriji sa otpornikom 330 kΩ za ograničenje ulaznog napona na 180 V
- E212 – ulazno FET pojačalo
- MC10116P (Motorola) – tri diferencijalna pojačala od kojih je izlazno spojeno kao Schmittov okidni sklop
- 2N3906 – tranzistorska sklopka za dobivanje adekvatnih logičkih razina
Brojač frekvencije
Brojač frekvencije se bazira na dva osnovna integrirana kruga:
- ICM7208IPI (Intersil) – dekadski brojač i LED driver za sedam dekadskih znamenki
- ICM7207AIPD (Intersil) sa kristalom 5,24288 MHz- oscilator i djelitelj frekvencije za vremensku bazu (0,1 i 1 sekunda)
- 74LS196B1 (SGS) – dekadski djelitelj
ICM7208 sadrži kompletan dekadski brojač za 7 znamenki i multipleksirani LED driver za 7-segmentne displeje. Ima pet kontrolnih linija:
- DISPLAY (pin 9) – displej uključen (logička jedinica) / displej isključen (logička nula)
- INHIBIT (pin 13) – brojanje uključeno (logička nula) / brojanje isključeno (logička jedinica)
- INPUT (pin 12) – ulaz negativnih ulaznih impulsa za brojanje
- STORE (pin 11) – brojanje impulsa (logička jedinica) / prikaz izbrojenih impulsa (logička nula)
- RESET (pin 14) – resetiranje brojača na nulu (logička nula)
Iz ovoga vidimo da se brojanje aktivira logičkom nulom, a deaktivira logičkom jedinicom na ulazu INHIBIT. To je vrijeme trajanja vremenske baze (1 sekunda) i u tom vremenu brojač broji impulse koji mu pristižu na ulaz INPUT. Kad se vrata INHIBIT zatvore, izbrojana vrijednost je spremljena u brojaču, te se logičkom nulom na pinu STORE rezultat prikaže na displeju. Slijedi resetiranje displeja na nulu (RESET) i može započeti novo brojanje.
Za pravovremeno aktiviranje INHIBIT, STORE i RESET logičkih stanja kod mjerenja frekvencije služi kristalni oscilator sa ICM7207 (vremenska baza). Osim toga, ovaj oscilator generira i frekvenciju 1280 Hz za multipleksiranje LED displeja.
Dekadski djelitelj 74196 služi za dijeljenje ulazne frekvencije sa 10, s obzirom da je rezolucija našeg brojača 10 Hz, a ne 1 Hz (primjerice ulazna frekvencija od 1000 Hz se broji i prikazuje kao 100 Hz). Zato je u našem slučaju i najniža mjerna frekvencija 10 Hz iako bi sa vremenskom bazom od 1 sekunde teoretski bilo moguće mjerenje frekvencije od 1 Hz.
Brojač vremena trajanja periode
Brojač vremena trajanja periode se bazira na:
- ICM7209IPA (Intersil) sa kristalom 8 MHz- oscilator i djelitelj frekvencije za mjerenje perioda (1 MHz)
- SN74LS14N (Texas Instruments) – šest Schmitt okidnih sklopova (invertera), koristi se jedan
- CD4013BCN (National Semiconductor) – dva D flip-flopa, koristi se jedan
- EL4027AE – dva JK flip-flopa, koristi se jedan
- CD4066BF (Ei) – četiri elektroničke sklopke
- HCF4049UBE (SGS) – šest bufera/invertera
Kod mjerenja periode, vremensku bazu određuje duljina trajanja jedne periode, odnosno vrijeme između dvije promjene stanja ulaznog pravokutnog signala. Iz posebnog oscilatora frekvencije 1 MHz (ICM7209) dobivaju se impulsi za brojanje unutar tog vremenskog okvira. Da bi se iz ulaznog signala jedne periode dobili INHIBIT impulsi za startanje i zaustavljanje vremena brojanja koristi se flip-flop 4013, a STORE i RESET impulsi se dobivaju preko dva monostabilna multivibratora bazirana na inverterima 4049.
Logika za preklapanje između mjerenja frekvencije i mjerenja periode ostvarena je preko JK flip-flopa 4027 i četiri elektroničke sklopke (4066). Kontrola elektroničkih sklopki preko JK flip-flopa koristi se zato da kod uključenja uređaj uvijek bude postavljen na mjerenje frekvencije. Elektroničke sklopke pak osim aktiviranja kontrolne logike također uključuju indikacijske LED za pojedinu vrstu mjerenja i pomiču decimalnu točku. Kod mjerenja frekvencije decimalna točka uvijek odvaja zadnje dvije znamenke (x10 Hz i x100 Hz), a kod mjerenja periode uvijek odvaja zadnje tri znamenke (x0,001 ms, x0,01 ms i x0,1 ms) .
Kontrolna preklopna logika
Ulazni impulsi te INHIBIT, STORE i RESET impulsi koje generiraju sklopovi mjerača frekvencije i mjerača periode, ovisno o odabranoj vrsti mjerenja preklapaju se na ulaze brojača ICM7208 preko ukupno 16 logičkih NAND vrata:
- HCF4011BE (SGS) – četiri NAND vrata
- EL4011AE – četiri NAND vrata
- SN74LS00N (Texas Instruments) – četiri NAND vrata
Vidimo da su upotrijebljene dvije vrste logičkih čipova sa NAND vratima. Čipovi izrađeni u CMOS tehnologiji (HCF4011, EL4011, CD4011) mogu procesuirati signale do frekvencije tipično 5 MHz, a čipovi u TTL tehnologiji (SN74LS00) tipično do 50 MHz. Stoga su za NAND vrata koja procesuiraju ulazne signale upotrijebljeni TTL čipovi, a za upravljačke signale CMOS čipovi.
Na ovom primjeru mogli smo vidjeti kako su se prilično dobri brojači frekvencije već u 1980-tim godinama mogli bazirati praktično na jednom ili dva integrirana kruga. Ako izbacimo sklopove za mjerenje periode, onda je za mjerenje frekvencije dovoljno imati brojač sa ICM7208, oscilator sa ICM7207 i po potrebi neko ulazno pojačalo sa Smittovim okidniom sklopom. Naravno, od ulaznog pojačala ovisi koji raspon amplituda i valnih oblika možemo dovesti na ulaz brojača, tako da će složenija ulazna pojačala proširiti mjerne mogućnosti brojača. S druge strane, ako mjerimo pravokutne (digitalne) signale TTL razine, onda nam ulazno pojačalo praktički i ne treba. S obzirom da je rezolucija našeg brojača niskih 10 Hz, tu onda nema smisla koristiti neke termostabilne komore za kristalni ocilator jer je njegova temperaturna stabilnost i ovako daleko iznad rezolucije brojača. Čak bi mogao zadovoljiti i neki RC oscilator.
Mnogi početnici očekuju od jednostavnih brojača da će rezolucija mjerenja uvijek biti na punom opsegu znamenki. Visoke rezolucije mjerenja u punom opsegu se međutim postižu posebnim metodama (recipročni brojači), te referentnim oscilatorima na visokim i vrlo stabilnim frekvencijama. Ove zahtjeve ispunjavanju samo vrlo složeni i skupi mjerači frekvencije (opet vidi objavu Computing Counter HP 5360A), a mi obični smrtnici se za svoja amaterska mjerenja uglavnom dovoljno dobro snalazimo i sa ovom klasom brojača 🙂