Nostalgiæ,not a stone was left unturned

Projekt 6 místného čítače

Úvod:

Toto je návod na stavbu 6 místního čítače, který po doplnění vhodnými děličkami může mít rozsah až 1,2GHz! V základní režimu bez děliček je rozsah 999 999Hz, po doplnění jednou velice jednoduchou děličkou získáme rozsah do cca 8-10Mhz. Tento čítač sice nemůže konkurovat profesionálním výrobkům, ale pro amatéra se dá za slušný peníz udělat hodně muziky.Neberte to doslova jak návod pro vyrobení určité věcí, spíše jako pomůcku, či vodídko v dalších pokusech a dalším vývoji... snad někdy to bude chodit, jak má a k plné spokojenosti :o).

Deska1:

Synchronizace, hodiny, reset (strobe, clock, reset)-(IC3, IC4):
Pro chod čítače je nutné zajistit hodinový signál o kmitočtu 1Hz a co nejstálejší a nejpřesnější, zde je to řešeno pomocí IO 4521 což je CMOS 21 stupňová frekvenční dělička taktovaná křemenným krystalem 4,194304 MHz na vývodu 14 je dělící faktor 22^2 což je právě 4 194 304 takže zde nalezneme hodinový signál 1Hz(pozn.: jumperová lišta volící buď 1Hz, nebo 0,5Hz je pozůstatkem vývoje pro normální činnost stačí spojit 1 a 2) . Tento signál je veden na derivační článek, R6,C6 který zajistí strmé spínací hrany a dále na CMOS NAND schmittovo hradlo 4093, které nám signál vytvaruje pulsy pro synchronizaci čítače[strobe](čítač se synchronizuje vzestupnou hranou). Ze synchronizačního signálu se přes další tvarovací derivační článek R7,C7 a hradla vytvoří resetovaní impulsy (čítač se resetuje H). U tohoto čítače odpadá hradlování, protože čítač má strobe vstup.Poslední hradlo je použito jako tvarovací pro vstup čítače, na tomto vstupu má čítač základní rozsah 999 999Hz což je maximální možný zobrazený údaj.

Dělička 10/100 (IC1):

Pro rozšíření rozsahu čítače bylo nutné vytvořit děličku 1. Bohužel CMOSové obvody jsou vynikající co se týče spotřeby ale mizerné co se týče vyšších frekvencí. Jako základní dělička byla zvolena dělička 10 (jumper v poloze 1-2) –4518 tedy je to čítač v BCD kódu, jak je známo čítač v BCD kódu na svém 4 výstupu má dělící poměr 1/10 což se hodí pro naše potřeby. Dle výrobce tyto obvody pracují do 10MHz ( vlastním od ST a ten chodí do 8 MHz). Můžeme využít aji druhou půlku a budeme (jumper v poloze 3-4) mít děličku 100 ale ta je při mezní vstupní frekvenci mírně zbytečná …

Vstupní zesilovač pro slabé signály IO2:

Je to učebnicové zapojení zesilovače, vstupní úroveň se reguluje potenciometrem. Problematická je zde otázka použitého zesilovače, rychlé zesilovače se velice drahá a zde musíme udělat kompromis do 10Mhz pracují OZ NE5534 nebo LF357 který pracuje do 20Mhz. Pro napájení tohoto zesilovače je třeba 9V , ostatní obvody si postačí s 5V.
 
Schéma desky 1    Deska plošných spojů    Osazovací plán desky    Foto desky 1

Deska 2 - čítač:

Vlastní čítač je založen na IO 4553 (IC1,2)- 3místní BCD čítač s multiplexem, možností MR (MasteReset) a Strobe. Tyto čítače lze zapojit sériově, tedy lze velice jednoduše rozšířit rozsah. Při sériovém zapojení čítače se hodinový vstup dalšího stupně připojí na výstup přeplnění předchozího stupně tj. vývod 14 (OF) > 12 (CLK) tím zajistíme přenos do dalších řádů, MR a strobe (LE) vstupy spojíme. Kondenzátor C1 určuje frekvenci vnitřního oscilátoru ( asi 1500Hz dle výrobce) který multiplexuje segmentovky a další stupeň se naváže na oscilátoru prvního stupně tak aby běžely na stejné frekvenci a byly synchronní ( protože se anody segmentovém spínají z prvního stupně i pro druhý stupeň a segmentovky by mohli mít různý jas). Tímto postupem jsme uvařili jednoduchý BCD čítač o šesti místech :o) .Výstupy tohoto čítače jsou v BCD kódu a o jejich dekódování se stará IC3 a IC4 tedy 4543 což je BCD to 7 segment decoder. Je to nejlepší CMOSový dekodér umí řídit jak segmentovky se společnou A či K ale i LCD, zde je zapojen jako dekodér pro LED display se společnou anodou, rezistory na výstupu dekodéru omezují proud segmentovkami. Anody jsou spínané z prvního stupně čítače IC1 přes PNP tranzistory. Napájení této části je 5V a max. mezní kmitočet je cca 4Mhz a max. zobrazený je 999 999 Hz.Na výstup těchto dekodérů jsou připojeny segmentovky 3 v jednom pouzdře pro multiplex dvakrát, tedy jen dvě segmentovky, velice praktické a jednoduché (označení viz soupiska na konci ). Zapojení čítače je provedeno (bohužel ) na oboustranné desce, ale díky použití fotocesty je výroba v amatérských podmínkách více než jednoduchá. Napájení je opět +5V .


 
Schéma desky 2    Deska plošných spojů Top    Deska plošných spojů Bottom     Osazovací plán desky     Foto desky 2
 
Deska pro display:

Deska pro displai je velice jednoduchá, můžeme ji vyrobit jak jednostranou tak i oboustranou, záleži pouze na nás.Já upřednostňuji jednostranné desky a zbylé propojky spáchat:) kouskem drátku, deska je pro tento způsb navrhnuta.(P.S. opět jsou tu pozůstatky vývoje, kdy je deska navržea pro 3 segmentovky, ale není problém nepotřebnou část odstranit....)


 
Deska pro display

Deska3 - Zdroj pro čítač:

Vlastní napájecí zdroj pro čítač je klasické zapojení lineárního zdroje. Zdroj dává 3 napětí - 12V,9V,5V, možná se to zdá někomu zbytečné, ale nikdy nevíme jaké nároky na napájení bude mít dělička, předzesilovač, napájení podpůrných obvodů a tak je lepší rovnou udělat universální zdroj než ho pak celý dělat znovu.Navíc součástky ve zdroji, jsou vesměs za přijatelnou cenu a není problém některé neosadit. Vlastní čítač tedy Deska 1 (výjimka je zesilovač, který vyžaduje 9V) a Deska 2 požadují napájecí napětí +5V při proudu cca max. 40mA. Zdroj obsahuje transformátor s jednoduchým vynutím, primár je jisťen tavnou pojistkou, sekundár je přiveden na Greatzův můstek, vyfiltrován a přiveden na první stabilizátor - 7809, následuje další filtrace a stabilizátor 7805. Toto uspořádání má svoji výhodu, že se výkonová ztráta rozdělí na dva stabilizátory.Myslím si že činnost zdroje je každému velice dobře známa a není ji už třeba podrobněji vysvětlovat.


 
Schéma desky 3    Deska plošných spojů     Osazovací plán desky    Foto zdroje

Stavba a oživení:

Deska 1:

Deska1 je jednostranná deska, kterou snadno vyrobíme pomocí fotocesty. Její osazení je otázkou pár minut. Pro IO můžeme použít patice (nejlépe precizní, ale vzhledem v nízkým frekvencím postačí i obyčejné. Osazujeme nejprve rezistory, patice, či IO kapacity a na konec jumperové lišty jako připojovací konektory. Oživení spočívá připojením 5V zdroje na napájecí konektor (plus je vpravo když máme potenciometr směrem k sobě), zkontrolování 1Hz výstupu oscilátoru a přítomnost impulsů na Resetu a Strobe (CLK je v úrovni H). Pokud je vše v pořádku, zkontrolujeme zesilovač a děličku (tu můžeme zkontrolovat až připojíme desku 2 čítač


 
Deska 2:

Deska 2 je oboustranná a její výroba je složitější a bez speciálního vybavení ji lze též vyrobit(výroba oboustranné desky bude popsána v závěru).Osazení desky je trošku komplikované a vyžaduje trpělivost, Nejprve osadíme SMD rezistory, poté klasické a následují IO ty osadíme bez patice, protože je deska bez prokovů jsou některé nožky použity jako propojky a pájí se z obou stran, nebo jen svrchu, osazení patice by bylo mírně problematické.Vložíme IO do desky a pájíme nejprve z horní strany u IC1: 3,5,7,10,11,12,13, IC2: 4,5,6,8,10,11, POZOR IC3,4 jsou otočeny o 180 stupňů vůči IC1,2 !!! IC3 piny 3,4,7,8 IC4 piny 1,3,8, poté IC zapájíme ze spodní strany, zde je již jasné které piny se pájí. Poté osadíme keramické blokovací kapacity, též některé vývody se pájí na horní stran, dále osadíme tranzistory a jumperové lišty též se některé pájí shora. Při troše pozornosti je osazení této desky také otázkou pár minu. DOPORUČUJI VŠE PÁJET MIKROPÁJKOU !!! Poté připojíme přes plochý káblík segmentovky, pozor na správné zapojení ať to neháže halus numera jak mě :D .

Oživení je v celku jednoduché, stačí propojit mezi sebou obě desky - RESET,STROBE a CLK a připojit první a druhou desku na napájení tedy +5V (doporučuji vše dělat na dílenském zdroji). Pokud jsme dostatečně duševně silní můžeme zapnout napájení, na čítači můžou naskočit různá čísla ale v zápětí by se mě vynulovat a ukazovat 6x0 :) pokud tam máte jiná čísla zkontrolujte zapojení segmentovek.Pokud čítač je vynulovaná přivedeme do vstupu desky1 signál do jednoho 1MHz a zkontrolujeme zda čítač pracuje ( různé kmitočtové základny uvede též na konci tohoto článku :), pak můžeme signály do 10 MHz zkontrolovat děličku. Pokud je vše v pořádku a čítač pracuje, gratuluji máte první půlku za sebou, nyní již zapracovat čítač do vhodné krabičky.

Čítač je teprve v začátcích vývoje a poznám ke stavbě jsou zatím strohé, čítač běží zatím na stole a o zabudování do krabičky teprve uvažuji, prozatím nechám na Vás jak se vypořádáte se stavbou :o) po čase sem dodám vlastní poznatky ze stavby.

Rychlá dělička 100

V dnešní problém je docela neřešitelný problém postavit děličku minimálně do 100Mhz pro rozšíření rozsahů čítače. Naštěstí se na trhu ještě vyskytují poslední zbytky z rodiny 74Fxxx pro které není problém zvládat frekvence do 120Mhz ikdyž si řeknou o docela slušnou porci z napájení.Podařilo se mi zajistit pár kousků obvodů 74F162 což jsou dekadické synchroní přednastavietlné čítače v BCD kódu pro frekvence již zmíněných 120Mhz od firmy Fairchild. Každý tento čítač dělí 10, tedy když dáme dva do serie dostaneme děličku 100. Jedná se o klasické zapojení kdy je vyřazeno paralerní nastavení vstupů (9) paralerní nahrávání (7) hlavní reset (1) a paralerní spouštění (10) připojením na +5V (log H). Takto se z daného čítače vytvoří klasický dekadický čítač se vstupem na (2) který je ochráněn proti přeptí pomocí didod D1 a D2 a na vývodu (11) kde je výstup Q3 dostaneme impulsy podělené deseti. Následuje další čítač stejně zapojený, výsledkem je signál podělený 100. Zapojení je ještě doplněno o nezbytné blokovací kapacity C1 a C2 v provedení SMD 1206 (10n - 100n) a C3 (10mikro/6,3V tantal). Vše je zapojeno na jednostranné destičce.Oživení je velice jednoduché, po pečlivém osazení chodí dělička hned napoprvé a otestujeme ji jednoduše připojením známe frekvence od 1 Mhz do 100Mhz na vstup a ověření dělení připojením našeho čítače. Tím je oživení ukončeno.Dělička se napájí 5V při spotřebě cca 20-50mA(!).


 
Schéma děličky    Deska plošných spojů     Osazovací plán desky   Foto deličky

Ještě rychlejší dělička do 1,2GHz :o)

Pokud budeme potřebovat měřit frekvence vyšší než 100MHz nastává menší problém. Bežné logické obvody již vyšší frekvence nezvládají a nezbývá nic jiného než zabrousit do katalogu rychlých děliček, s většinou pevně nastaveným dělícím poměrem a schopností pracovat do jednotek GHz. Pro tuto děličku byl zvolen obvod U664B firmy Telefunken. Její parametry jsou: max. frekvence 1,2Ghz, napájecí napětí 5V a dělící poměr 64. Pokud budeme chtí děličku 100 budeme muset ještě doplnit dalšímy dvěmi děličkami 5/4. Zní to možná složitě, ale provedení zvládnou dva logické obvody TTL. Dělička pracuje s úrovní ECC . Tranzistor BF324 tuto úrveň převede na TTL a pak následuje kaskáda 5/4 děliček složená s dvou dekadických děliček pěti ( 74LS,HC390) a čtyř Shotkyho hradel (74LS,HC132). Na výstupu této děličky dostáváme pak signál podělený 100. Podrobnější funkci děličky zde rozebírat nebudu, je na první pohled zřejmá a jednoduchá. Dělička je provedena smíšenou montáží SMT a klasickou ( v dnešní problém je velice těžké sehnat logické obvody v SMD pouzdru ....) Pro vlastní provozování děličky je nutné dodržet podmínky pro práci s UHF obvody ( stíněná plechová krabička, dobré zemění a vyfiltrované napájecí napětí (+5V).Zhotovení děličky při troše trpělivosti a preciznosti není problém, dělička musí pracovat na první pokus, bez nastavovacích prvků, jen ještě zkontrolujem osciloskopem , zda obvod nekmitá, popřípadně vyfiltrovat napětí tlumivkou .


 
Schéma děličky    Deska plošných spojů     Osazovací plán desky

Předzesilovač pro čítač 60MHz

Při měření čítačem, neměříme stále jen TTL nebo CMOS obvody, občas se vyskytne potřeba změřit nějaký ten oscilátor čí krystal, všechny tyto obvody nemusí splňovat úrovně signálu TTL či CMOS. Proto tuto potřebu jsem navrhl jednoduchý předzesilovač s vstupní citlivostí okolo 50mV-2V a výstupní úrovní CMOS ( TTL) .
Zesilovač by měl být širokopásmový a aby co nejméně zatížil měření obvod. Na vstupu je jednoduchý tranzistorový zesilovač s N-FET tranzistorem až do pásma VHF (BF245,2N3819) , tím se splní obě dvě podmínky. Na vstupu trnazistoru je oddělovací kondenzátor, odporový dělič a ochranné diody, které mají zaúkol chránit FET před nebezpečným napětím ( statika apod.). Na výstup tohoto předzesilovače je připojen obvod 74HC14 což je 6x Schmittuv invertor, který nám vytvaruje signál na obdélníky s úrovní CMOS.
Tento předzesilovač je postaven na SMD součástkách, pro zabudování do aktivní sondy. Napájení tohoto obvodu zajistíme 5V.Oživení je jednoduché, při pečlivé práci obvod musí pracovat napoprvé s odběrem cca 10mA max. Osciloskopem zkontrolujem zda obvod nekmitá, poté přivedeme na vstup v VF generátoru signál 20-50MHZ ~ 100mV a zkotrolujeme výstupní průběh v celém pásmu, tím je oživení ukončeno a předzesilovač je připraven k práci.
Ještě chystám zesilovač s automatickým zesilením od 10mV-5V do 50MHz, vzhledem k mému zranění je zatím vše pozastaveno :( ...


 
Schéma předzesilovače    Deska plošných spojů     Osazovací plán desky

Kmitočtové základny:

Kmitočtová základna 1:

Tato základna je založena na křemenném oscilátoru, Možná se někdo zděsíte až nahlédnete do katalogu na jeho cenu, ale jistě vám rukama prošlo již několik starých počítačů (8086,286,386,486) ve kterých se tyto oscilátory hojně vyskytují a můžete jej sehnat i zadarmo,( hledáme 32Mhz či 16Mhz). Dále následuje kaskáda KO-D zapojených jako T články tedy jako dělička dvěma provedení 74HC74 pracující až do 50Mhz. Tedy tato základna nám poskytuje kmitočty 32,16,8,4,2,1Mhz a 500kHz, nebo 16,8,4,2,1Mhz a 500,250 kHz.Tato základna je velice jednoduchá, zapojení se nachází na jednostranné desce a po doplnění blokovacích kapacit tvoří kompaktní celek, kterým snadno otestujeme jakýkoli čítač. Osazení je jednoduché, nebudu zde popisovat, oživení též, připojíme napájení +5V a pomocí továrního čítače zkontrolujeme výstupy, pokud je vše v pořádku, připojíme jej na náš čítač, měl by ukazovat stejná čísla :),tedy jen do 8MHz s děličkou 10.


 
Schéma zapojení    Deska plošných spojů    Osazovací plán desky    Foto časovky
 
Kmitočtová základna 2:

Další kmitočtová základna je postavena již na klasických křemenných krystalem ( opět zde může použít nějaký ze starých PC). Oscilátor je tvořen dvěma invertory(4049), první jako vlastní oscilátor, druhý jako oddělovač, následuje popět kaskáda děliček 2(4013), ( protože jsem chtěl získat kmitočet 1MHz a k dispozici mám asi 15 krystalů 4MHz z HDO :))). Osazení a oživení je podobné jako u předešlé KZ, jen s rozdílem že tato KZ pracuje jen do 10MHz (CMOS:(...). Může laborovat s různými typy krystalů a měřit i neznáme.... Chystám provedení HC, které bude schopné chodit do 50MHz, jako tester krystalů ve spojení s čítačem.


 
Schéma zapojení     Deska plošných spojů     Osazovací plán desky

Seznam součástek deska 1:

Rezistory: Kondenzátory: Polovodiče: Ostatní:
R1 - 43k
R2 - 4k7
R3 - 120k
R4 - 10k
R5 - 3M3
R6 - 10k
R7 - 1k
R8,R9 - 22k
P1 - 100k/N
C1,C2,C3 - 100n
C4 - 82p
C5 - 22p
C6,C7 - 1n/CF1
IC1 - 4518
IC2 - NE5534,LF357 viz text.
IC3 - 4521
IC4 - 4093
D1-D5 - 1N4148, 1N4007,BAT46
lámací jumperová lišta jednoduchá i dvojitá
DPS

Seznam součástek deska 2:

Rezistory: Kondenzátory: Polovodiče: Ostatní:
R1-R3 - 1k0
R4-R18 - 180R/1206 SMD
C1 - 1n0/CF1
C2-C5 - 100n
C6 - 470M/10V
C6,C7 - 1n/CF1
IC1,IC2 - 4553
IC3,IC4 - 4543
T1-T3 - BC557
LED1 - 5LED/20mA Segmentovky 2x - BA56-12EWA*G(GES)
lámací jumperová lišta jednoduchá
DPS

Seznam součástek deska 3:

Rezistory: Kondenzátory: Polovodiče: Ostatní:
R1 - 1k0
R2 - 180R
C1,C5,C6,C7 - 100n
C2,C3,C4 - 1m/16V
B1-B250C1000DIL IC1 - 7809 IC2 - 7805 LED1,2- 5LED/20mA X1- ARK500/2
J1-10 - PSH02-02P
KK1,KK2 - chladič V7143
F1 KS20SW + Fuse 315mA/T
TR1 - EI42 (EI48) 1x12
čítač
counter
counter

Článek není kompletní, časem a s postupem prací na čítači ho doplním


Code written & styling by StuntJ - všechna práva vyhrazena.
Gold Rush