когда нет частотомера / Хабр

В радиолюбительской практике, в силу ограниченности бюджета, часто возникает ситуация, когда тот или иной нужный для работы прибор недоступен. В такой ситуации приходится вычислять нужный параметр по результатам косвенных измерений, т.е. «сверлить пилой и пилить буравчиком».

В процессе отладки разрабатываемого мной устройства возникла необходимость провести калибровку цифрового синтезатора частоты в составе этого устройства. Задача является тривиальной при наличии частотомера электронно-счётного (ЭСЧ). Проблема же заключалась в том, что «взять взаймы» частотомер мне не удалось.

Если описать работу применённого в устройстве синтезатора частоты совсем просто, он образует на выходе сигнал с частотой Fs путём обработки входного сигнала от опорного генератора с частотой Fxo:

В качестве частотозадающего элемента опорного генератора был использован недорогой кварцевый резонатор с маркировкой на корпусе «

TXC 25. 0F6QF». Точное значение частоты сигнала опорного генератора известно не было. В настройках синтезатора опорная частота была указана константой 25000000 Hz. Сам синтезатор частоты был запрограммирован на вывод сигнала частотой 9996 kHz.

Для проверки работоспособности синтезатора был использован цифровой осциллограф Rigol DS1102E. В настройках канала было включено измерение частоты.

Осциллограф на выводах кварцевого резонатора показал измеренное значение 25.00 MHz, а на выходе синтезатора – 10.00 MHz. В принципе, это уже было неплохо: схема работала.

Аналогом калибровки частотозадающих цепей методом биений является методика настройки музыкальных инструментов по камертону. Звук, извлекаемый из инструмента, накладывается на звук камертона. Если тоны не совпадают, возникают хорошо заметные на слух «биения» частоты. Подстройка тона музыкального инструмента производится до появления «нулевых биений», т.

е. состояния, когда частоты совпадают.

Проще всего калибровку синтезатора частоты методом биений было провести с использованием радиоприёмника с панорамным индикатором и сигнала радиостанции RWM в качестве контрольного сигнала.

В качестве контрольного приёмника использовался SoftRock RX Ensemble II с программой HDSDR. Шкала приёмника была ранее откалибрована по сигналам радиостанции RWM на всех трёх частотах: 4996000, 9996000 и 14996000 Hz. В качестве контрольного сигнала использовался сигнал радиостанции RWM на частоте 9996000 Hz.

На скриншоте виден приём секундных меток RWM на частоте 9996000 Hz и приём выходного сигнала синтезатора на частоте, примерно, 9997970 Hz. При задании частоты синтезатора использовалась константа 25000000 Hz (номинальная частота кварцевого резонатора). При проведении калибровки эта константа была умножена на отношение частот 9997970 Hz

и 9996000 Hz. В результате было получено значение реальной частоты запуска кварцевого резонатора 25004927 Hz. Это значение было занесено константой в прошивку устройства. На скриншоте показан результат проведения калибровки:

Частота выходного сигнала синтезатора 9996 kHz точно соответствует частоте приёма секундных меток RWM на частоте 9996000 Hz.

После проведения калибровки осциллограф показал на выводах кварцевого резонатора – 25.00 MHz, а на выходе синтезатора – 10.00 MHz, т.е. те же самые значения, что и до калибровки.

В Перми в светлое время суток стабильно принимается сигнал RWM на частоте 9996 kHz, а в тёмное время суток – на частоте 4996 kHz. Если прохождение радиоволн нестабильно, и сигналы RWM не принимаются, на сайте hfcc.org можно найти частоты и расписание работы вещательных радиостанций.

Несущие сигналы вещательных станций тоже можно, при необходимости, использовать в качестве контрольных, т.к. они обычно имеют отклонение частоты не более 10 Hz от частоты вещания.

Краткие выводы

Наиболее простой и точный способ измерения частоты сигнала в радиодиапазоне — измерение частоты электронно-счётным частотомером.

Получить приблизительное значение частоты сигнала можно, приняв его на контрольный приёмник с калиброванной шкалой.

Получить при использовании контрольного приёмника точное значение частоты сигнала можно по «нулевым биениям» измеряемого сигнала с контрольным сигналом, полученным от эталонного источника.

Необходимые дополнения:

Калибровку синтезатора можно было бы провести:

1. Конечно же, с помощью ЭСЧ.
2. Методом биений с помощью профессионального приёмника без панорамного индикатора, например, Р-326, Р-326М, Р-250М2 и т.п. и сигналов RWM «на слух». Это было бы не так наглядно, как с панорамным индикатором, и заняло бы больше времени.
3. С помощью калиброванного генератора и осциллографа по фигурам Лиссажу. Выглядит очень эффектно, но требует дополнительного недешёвого оборудования.

И ещё, область применения радиолюбителями радиоприёмников, упомянутых выше, очень широка. Они применяются для наблюдения за эфиром, для контроля прохождения радиоволн, для контрольного прослушивания сигналов при настройке радиостанций и т.п.

Больше информации в моём телеграм-канале «Проект Селенит»

Индикатор для подбора кварцевых резонаторов

Нередко возникает ситуация когда требуется подобрать кварцевые резонаторы по частоте или по установленной разности частот. Это бывает в случаях, когда маркировка на одном из кварцев стерта или есть сомнения в генерируемой им частоте.

Предлагаемая конструкция индикатора для подбора кварцевых резонаторов проста в сборке и дает возможность проверить на годность два кварца в диапазоне частот 1 – 10 МГц и при этом позволяет определить сигналы толчков между частотами резонанса. Такая функциональность схемы помогает производить отбор кварцев с близкими друг другу частотами или по установленной разности частот. Схема индикатора состоит из двух микросхем логики, пары транзисторов и нескольких светодиодов.

Перейдем к схеме индикатора проверки кварцевых резонаторов:

Чтобы знать, как проверить кварцевый резонатор нужно иметь представление о работе устройства и из чего оно состоит. В основе конструкции заложены два задающих генератора. Первый с кварцевым резонатором ZQ1 основан на транзисторе VT1 и резисторов R1, R3, задающих постоянный токовый режим транзистору. В случае, когда резонатор отключен на коллекторе транзистора установится напряжение 0,8 – 1,1 В, зависит от температуры и коэффициента усиления транзистора. Это напряжение будет охарактеризовано микросхемой DD1 как сигнал низкого уровня – 0. Данный сигнал пройдет через цепочку DD1.1 – DD1.3 при этом на выходе DD1.2 будет лог. 0, а на выходе DD1.3 лог. 1. С выхода DD1.3 сигнал поступает на катод светодиода HL1, на анод светодиода через резистор R6 поступает этот же сигнал, в результате ток не протекает через светодиод. На выходе инвертора DD1.2 присутствует низкий уровень, пройдя через элементы 2И-НЕ DD2.1 и DD2.2 он принуждает их выходы находиться в состоянии высокого уровня. Светодиод HL4 не светится. Работу второго генератора на транзисторе VT2 рассматривать не будем, он собран, так же как и первый.

Провести диагностику устройства очень просто, только делать это нужно поэтапно. Для начала необходимо нажать кнопку SB1, при этом на базе транзистора VT1 напряжение упадет до нуля и транзистор закроется, на коллекторе напряжение возрастет и элементы DD1.1, DD1.2, DD1.3 изменят свое состояние, и светодиод HL1 вспыхнет. По полной аналогии проверяется второй генератор, отличие только в том, что нажать нужно кнопку SB2 и должен засветиться HL2. Для проверки работоспособности остальных элементов схемы необходимо нажать одновременно кнопки SB1 и SB2, должны загореться индикаторы HL1, HL2, HL4. А светодиод HL3 играет роль индикатора присутствия питающего напряжения.

Когда кварц ZQ1 подключен конденсаторы C1, C3, C5 способствуют возникновению колебаний точной частоты. На диапазоне частот 1 – 10 МГц при условии исправного резонатора происходит балансировка фаз и амплитуд. С коллектора транзистора VT1 снимаются ВЧ колебания, их амплитуда позволяет переключать инвертор DD1.1. В таком режиме работы инверторы DD1.1, DD1.2, DD1.3 выступают в роли усилителей и формируют сигнал. С выхода элемента DD1.3 ВЧ сигнал периодической формы поступает на светодиод HL1, чем вызывает равномерное свечение последнего. Генератор, собранный на кварцевом резонаторе ZQ2 работает по полной аналогии.

Чтобы сравнить частоты двух генераторов выходные сигналы с инверторов DD1.2, DD1.5 поступают на входы 2И-НЕ элементов DD2.1, DD2.2. Во время работы генераторов на выходах этих элементов возникает сигнал с широтно-импульсной модуляцией и частотой приравненной к разности частот двух генераторов. Наглядно увидеть биения позволяет светодиод HL4, подключенный к выходу DD2.1. Такая индикация будет исключительно полезной, когда частота сигнала биений будет находиться ниже порога звуковых частот, примерно 20 Гц. Если нужно проконтролировать сигналы с частотой звукового диапазона и выше, придется воспользоваться наушниками или осциллографом, или частотомером подключенными к выходу устройства. На выход устройства поступает сигнал, прошедший с выхода DD2.2 через цепочку R5, C9, R7, C10.

Для случаев, когда частоты кварцевых резонаторов отличаются на килогерцы, чтобы определить какой именно кварц работает с высокой частотой, в схему первого генератора параллельно конденсатору C1 введена кнопка SB3. При нажатии на нее происходит незначительное уменьшение частоты колебаний ZQ1 и если тон биений становится ниже, то резонатор ZQ1 имеет более высокую частоту чем ZQ2, а если тон становится выше, то частота ZQ1, ниже чем ZQ2.

Печатная плата устройства не предлагается, так как схема несложная и ее собрать можно на макетной плате. Детали, в частности светодиоды и транзисторы можно заменить аналогами. В схеме используются малогабаритные резисторы. Конденсаторы C1 – C6 высокочастотные керамические.

Правильно собранное устройство из заведомо годных деталей в наладке не нуждается и начинает работать сразу. В качестве источника питания можно использовать любой подходящий блок питания на 4,5 – 5,2 В или набор батарей, или аккумуляторов. Устройство потребляет не более 45 мА. При желании потребляемый ток можно снизить до 15 мА, если микросхемы заменить на К555 или К1533, сопротивление резисторов R6, R8, R9 , R10 увеличить в несколько раз и между конденсатором C12 и ножкой 3 микросхемы DD2 поставить импульсный диод из серий КД503, КД520, КД521 и КД 522 анодом к конденсатору.

Как проверить кварцевый генератор с помощью осциллографа

Иногда у нас возникают такие сомнения: когда мы наблюдаем форму сигнала вывода кварцевого генератора с помощью осциллографа, форма сигнала не видна или отображается форма сигнала осциллографа. Может ли осциллограф 200 МГц не измерять кварцевый генератор 10 МГц? Jotrin Electronics Limited решит эти сомнения для всех.

Общие типы колебаний кристалла

Во-первых, давайте кратко представим кварцевый генератор. Кварцевый генератор можно условно разделить на две категории: пассивный кварцевый генератор и активный кварцевый генератор.

1, что такое пассивный кварцевый генератор

Пассивный кварцевый генератор представляет собой неполярный электронный компонент, который требует тактовой схемы для генерации колебательного сигнала и не может генерировать сам себя.

Пассивные кварцевые резонаторы не имеют требований к напряжению, а уровень сигнала является переменным, то есть пассивный кварцевый генератор определяется схемой запуска.

Принцип работы пассивного кварцевого генератора следующий: электроды наносятся на обе стороны кварцевой кристаллической пластины, и на два электрода подается определенное напряжение.

Поскольку формируется пьезоэлектрический эффект кварца, естественно формируется напряжение, формируется синусоидальная форма волны.

Рисунок 1. Пассивный кварцевый генератор

2, что такое активный кварцевый генератор

Генератор на активном кварце представляет собой полный генератор с транзистором и RC-компонентом, за исключением кварцевого кристалла.

Активный кварцевый генератор не требует внутреннего генератора, качество сигнала хорошее, стабильное, метод подключения относительно прост и не требует сложных конфигурационных схем.

Рис. 2 Активный кварцевый генератор

Анализ формы колебаний кристалла

Форма волны кварцевого генератора обычно представляет собой синусоидальную волну или прямоугольную волну.

Когда форма выходного сигнала представляет собой прямоугольную волну, общий нарастающий фронт является крутым и содержит более высокочастотные сигналы.

В это время необходимо убедиться, что тест пропускной способности достаточен.

Теоретическое значение полосы пропускания в два раза превышает частоту измеряемого сигнала, фактическая ширина полосы прямоугольного сигнала должна быть в 10 раз больше частоты измеряемого сигнала.

Помимо полосы пропускания, при тестировании кварцевого генератора Jotrin Electronics Limited напоминает всем, что следует обратить внимание на:

Кварцевый генератор чувствителен к емкостной нагрузке, а емкость зонда относительно велика, что эквивалентно очень большой нагрузке, подключенной параллельно в цепи кварцевого генератора, что легко приводит к остановке цепи вибрацией и получению правильных результатов измерения. .

Поэтому при выполнении теста кварца необходимо обеспечить достаточную полосу пропускания и небольшую входную емкость.

Правильный способ проверки кварцевого генератора с помощью осциллографа.

Прежде всего, давайте ответим на предыдущий вопрос. Мы определенно можем проверить форму сигнала 10-мегапиксельного кристалла с помощью 200-мегапиксельного осциллографа, но почему измеренная форма волны имеет форму, показанную на рисунке 3?

Рис. 3. Искаженная кривая кристалла

Это связано с тем, что во время теста датчик выбирает положение передачи ×1.

Пробник ZP1025S серии ZDS2000 имеет полосу пропускания 10 МГц на передаче ×1 и входную емкость 55 пФ ± 10 пФ, что вызывает искажение формы сигнала.

Настраиваем положение шестерни зонда на ×10. В настоящее время полоса пропускания пробника составляет 250 МГц, а входная емкость — 13 пФ ± 5 пФ. Давайте посмотрим на форму волны в это время.

Рис. 4. Правильная форма сигнала кристалла

Чтобы улучшить точность сигнала, вы также должны использовать заземляющую пружину, которая входит в стандартную комплектацию пробника, вместо заземления зажима типа «крокодил».

Рис. 5 Стандартная заземляющая пружина

Наконец, Jotrin Electronics Limited напоминает всем, что для тестирования необходимо использовать осциллограф, более того, обращайте внимание не только на настройки осциллографа, но и на текущее положение зубчатого колеса датчика, разные зубчатые колеса соответствуют разным параметрам, право лучше!

Ярлык: кварцевый генератор, осциллограф

Предыдущая: Qualcomm объявила о выпуске первого антенного модуля для смартфонов миллиметрового диапазона 5G

avr — Как я могу измерить частоту часового кристалла с помощью осциллографа?

спросил 9 лет, 5 месяцев назад

Изменено 3 года, 7 месяцев назад

Просмотрено 7к раз

\$\начало группы\$

Я пытаюсь измерить частоту часового кристалла 32,768 кГц, который подключен к моему микроконтроллеру AVR. Это сделано для того, чтобы я мог точно настроить значения конденсатора кристалла, чтобы получить правильную частоту. Однако на моем осциллографе (Rigol DS1052E с заводскими щупами) не видно никаких выходных данных.

Я пробовал измерять между обеими ножками кристалла, а также между одной ножкой и землей, но не получил никакого результата. Я правильно установил предохранители для внешнего кристалла, и MCU работает.

Кроме того, даже если бы я мог измерить частоту, мог бы я быть уверен, что измеренная частота соответствует ей, или щупы осциллографа каким-то образом искажают показания? Если да, то как настроить колпачки, чтобы получить стабильную частоту 32,768 кГц?

• авр
• осциллограф
• кристалл

\$\конечная группа\$

3

\$\начало группы\$

Если AVR или любой MCU имеет способ вывода часов на внешний контакт, даже если он делит их вниз, я бы измерил этот контакт. Измерение на тактовом выводе будет мешать тактовой частоте из-за емкости щупа осциллографа. Таким образом, он буферизуется.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Вообще я как-то сомневаюсь, что точности осциллографа хватит для того, чтобы настроить частоту кварцевого кристалла, который будет использоваться как часы.

Например, разница в 1 с за 24 часа равна точности 0,001%. 1 с в неделю составляет 0,00016%.

Калибровку можно выполнить с помощью частотомера. Если у вас есть один с разрешением 1 Гц, вы получите точность 3 с за 24 часа.

Частотомер с разрешением 0,1 Гц (и, конечно, должным образом откалиброванным) может обеспечить точность 300 мс за 24 часа.

Есть простой способ (но занимает больше времени) оставить часы для отсчета времени в течение 24 часов или даже больше и синхронизироваться с сигналами радиочасов.

В качестве альтернативы можно использовать серверы времени, доступные в Интернете, тем же способом.

\$\конечная группа\$

8

\$\начало группы\$

Зонд будет мешать измерению, и может быть причиной того, что цепь не колеблется. На самом деле у Microchip есть примечания по применению, в которых объясняется рекомендуемый метод подтверждения частоты кварцевого генератора. Я поставляется со специальной прошивкой, которая выводит тактовую частоту (или ее разделенную версию в зависимости от чипа).

https://www.microchip.com/wwwAppNotes/AppNotes.aspx?appnote=en592059

Что касается точности вашего осциллографа, я хотел бы сослаться на любые калибровочные документы, прилагаемые к нему. Они должны упомянуть что-то о точности синхронизации.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Вы правы в том, что емкостная нагрузка от пробников может влиять на частоту кристалла, и в вашем случае это звучит так, как будто генератор вообще останавливается.