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[工仪] 无线电爱好者~自制8位频率计

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发表于 2020-3-12 13:30:54 | 显示全部楼层 |阅读模式

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在无线电制作中,有时候难免需要测试振荡电路中的频率变化,这时候有一台频率计是非常方便的事情。
频率计,是一种相对比较简单的测试仪表,因此决定自制一台
这里所制作的频率计性能指标如下:
1.显示的位数:8位,LED数码管显示
2.测试频率范围:100Hz-10MHz,10MHz-100MHz(分频),最高可测150MHz
3.供电:DC 7.5V-15V,预留电池接口,可用电池供电
4.采用恒温晶体振荡器(OCXO)做基准,基准初始频率稳定度≤±200ppb,温度稳定度≤±10ppb,电源稳定度≤±2ppb
5.采用专用频率计数集成电路,电路简单

频率计电路结构如下:
输入接口分高频和低频
低频信号通过施密特触发器74F125整形,直接送入ICM7216D进行频率计数
高频信号先经过宽频放大器放大,进入10分频器11C90进行分频,再经施密特触发器
74F125整形,送入ICM7216D进行频率计数
计数结果,由8位数码管显示器显示出来
由硬件开关选择高频或低频输入
P1.jpg
这种频率计工作原理非常简单:首先,其核心是一个计数器和一个闸门
闸门由基准时钟决定,用来控制计数器的启停,当闸门开启时,计数器对输入脉冲进行计数
闸门关闭后,计数器停止计数,并将计数结果由数码管显示出来。
通俗的说,就是体育老师手拿秒表,喊:预备~~开始!于是你就开始拼命掰着手指头数数,
到了规定时间,老师喊:停!,你就停止,报告说我数了多少个数。
只要知道了闸门开闭的时间,根据计数结果,就可以算出频率
而闸门开闭时间的精度,决定结果的精度。

这种方式虽然简单,但是它不适合测量过高的频率(数不过来了)
所以,这个频率计,如果不加分频器,标称可以测10MHz以下的频率,实际测试发现最高可以测到15MHz左右。

首先,用SpringLayout设计电路板草样
PCB.jpg
通过热转印方式制作线路板
003.jpg

做好的线路板
004.jpg
005.jpg

由于采用OCXO恒温晶体+数码管显示,且打算采用电池供电
因此,频率计的工作电路注定要有几百毫安,对电池续航提出较大考验
电源的设计上,我只需要一个5V电源,如果用7805一类的三端稳压自然最简单
但是,线性稳压损耗较高,为了考虑节能减排,决定尝试采用开关式稳压电路进行降压
这还是头一遭,用开关式电路,固然能够达到节能降耗的设计思路
但是,开关电源带来的噪音和干扰也是一个难办的问题
特别是用在频率计这样一个测试仪表上,会不会对仪表造成干扰?这还是未知
唯物辩证法告诉我们:物质决定意识,意识是物质的反应。意识具有能动作用,意识不仅能够正确的反应客观事物,
还能够反作用于客观事物,正确的思想意识能够促进客观事物的发展,错误的思想意识将阻碍客观事物的发展
决定测试一下,观察究竟在频率计上用开关电源有什么影响。


俗话说,兵马未动,粮草先行
首先调试电源部分,一个buck的降压电路,
用的是TSP6430,一颗国产DC-DC集成电路
外围元件少,同步整流
009.jpg
首先进行测试,用一个6V 5W的卤钨灯当作负载,5V供电也有大概700mA电流
可以模拟最大负载,输出带载电压正常,5.23V
007.jpg


开关电源最大的潜在问题就是干扰,
测下纹波,肯定有的,不管看起来似乎还好,可以控制在100mV以下
008.jpg

电源搭好了,继续其它电路,这就简单了
011.jpg

012.jpg

OCXO,这属于精密元件,留着最后安装
有道是群雁高飞头雁领,路线方针确定后,干部是关键
恒温晶体振荡器,这是频率计里最关键的元件之一,它是整个频率计的时钟参考
所有测试结果,都是以它输出的基准频率作为参考的,因此可以说,频率计的性能,一多半都是由它决定
如果它不准了,那测试结果肯定不能正确
用OCXO的缺点也是有的,第一,这家伙需要一个加热电源,耗电量比较大,最大能有近600mA
第二,开机需要预热,经实践发现,这个OCXO大概需要1分钟左右才能完成预热
第三,块头大,比如这个还算体积小的也有25mm*25mm的占地面积
010.jpg

这是这颗OCXO的技术指标
可以看出,具有相当优秀的性能指标
OCXO.jpg

将OCXO装上电路板,至此,电路板部分构建基本完成
唯一的缺憾是分频芯片暂时没有买到,需要等几天
013.jpg

接显示单元试试,空载,正常点亮
目前看情况似乎一切还好,没有见到明显的干扰情况出现
014.jpg

接入一个测试用的频率信号,显示正常
迈出了成功的第一步
016.jpg

电路搭好后,下面开始制作外壳
外壳采用铝板构造,三明治结构,简单粗暴
首先,从铝板材上裁剪需要的部分
002.jpg

将铝板裁剪成合适尺寸,画线,钻孔
017.jpg

初步组装
025.jpg

027.jpg

018.jpg


019.jpg

制作显示单元的支架,测量中间的间距
020.jpg

裁剪一个铝条,也是边角料
021.jpg

按设计尺寸折弯,制作显示单元支架
026.jpg

对位固定
022.jpg

023.jpg

024.jpg

组装显示单元和支架
028.jpg

找到一根没有油的签字笔笔芯
029.jpg

制作塑料柱
030.jpg

用于隔开显示单元电路和支架,防止短路
DSC02671.JPG

继续组装
032.jpg


显示单元和主控板之间的连线插口
DSC02672.JPG


通电测试,显示正常
033.jpg

031.jpg


盖好盖子,这就组装完了
DSC02667.JPG
DSC02668.JPG

尺寸,不算大
后面是电源接口和时钟闸门选择开关的位置
时钟闸门,经过实践发现就用1s能满足大多数需要
所以就没装,正好手上也没合适的开关,暂不装了
DSC02669.JPG

两个SMA接口分别对应高频输入和低频输入
边上有一个跳线帽用来切换高、低频端口
因为近期受某种微小生物的影响,不能自由逛电子市场,在线购物又划不来
所以暂时没有合适的拨动开关,用跳线先替代吧
DSC02670.JPG

侧面
DSC02674.JPG
DSC02675.JPG

下面开始进行测试,上电什么都不接,显示000
036.jpg


接入一根射频跳线,空载稳定度很好,没有受到干扰导致自己跳动
049.jpg

首先,请出测试用的频率基准,
这是一颗中国电子科技集团第十三研究所产的OCXO恒温晶体振荡器
标称输出频率10.0MHz,性能,和用作基准的那颗OCXO基本相似,还更优于那一个

在事物的发展变化过程中,由于自己内部的矛盾运动,表现为量变和质变两种状态,量变是质变的必要准备,是质变的前提和基础,
它决定质变的性质和方向;质变是量变的必然结果,量变达到一定程度必然引起质变,质变在巩固量变成果基础上进一步引起新的量变。
OCXO的频率稳定度是以ppb(十亿分之一)作为指标的,核心晶体轻微的温度变化,就会导致输出频率的漂移
OCXO里面重要的结构就是恒温槽,恒温槽越大,温控能力越佳,性能相对越好
048.jpg

OCXO是有源器件,需要外接电源才能正常工作
给它提供一个12V的工作电源
045.jpg

测试结果,还算比较满意,两个OCXO经过预热后输出稳定的频率
最后显示字数在10000000~9999998之间跳动,也就是说,有2Hz的波动
对于这个结果,我觉得算是满意,唯物辩证法教导我们说:事物与事物之 间都是相互联系,相互渗透,相互影响的。
频率计的性能,不光看基准,要综合考虑整体性能
043.jpg

044.jpg

047.jpg


在看看用其它频率源是否也能正常工作,这是自制的晶振测试器,用它输出信号
这些晶振,就不是带有温度补偿和恒温槽的晶振了,就是普通的2脚无源晶振
售价大约0.2-1元不等
这是一颗12.8MHz晶振
039.jpg

12.8MHz分频出的800KHz
038.jpg

测试4.00MHz晶振
035.jpg

测试7.00MHz晶振
034.jpg

测试9.00MHz晶振
037.jpg


大家可能好奇为什么测试的频率值和晶体的标称频率不一致,
从上图看,各个晶体的测试数值和标称数值存在着几百Hz的差值
个人认为原因如下:
1、任何事物的内部都包含着既对立又统一的矛盾,我们需要一个稳定的频率,而实际往往事与愿违
晶体本身的误差、温度特性都会导致频率变化,对于这种晶体,一般厂家会给出25ppm左右的误差和温度系数,
而实际,往往误差要高于这个指标,比如用烙铁靠近晶体,会发现频率变化显著,甚至能上KHz
2.晶体的工作方式,负载电容,晶体是有串联谐振频率和并联谐振频率的,
晶体可以看成一个LCR电路,外部电路的改变对晶体的振荡频率也会产生微小改变
所以,测试频率和晶体标称频率有微小不一致,也是正常现象。
矛盾双方又统一又斗争促成对立面的转化,推动事物的运动、变化和发展;矛盾既是客观的、普遍的,又各有其特殊性,
它揭示了事物内部对立双方又统一又斗争是事物普遍联系的根本内容,是事物发展的实质,是事物发展的根本动力。
如果想要非常精确,后续发明了TCXO,如果需要特别精准,又研制出了OCXO,若是追求极致,有一种设备叫原子钟



最后说说开关电源工作的如何
首先,在用假负载进行测试过程中,开关电源工作的很好,最大2.2A负载烤鸡没有压力
在频率计实际工作中,要看工况了
在低频接口工作中,应该说还是正常的,和用4.8V镍氢电池供电,没有太大区别
但是,在高频接口工作中,开关电源对前置放大器产生了较为严重的干扰
具体表现为测试接口旷置时,会出现几十KHz的读数
在进行测量时,显示的末尾3位数字会不断跳动,无法稳定读数
虽然经过加装滤波电感,退耦电容等措施令干扰有所缓解,但是仍不能完全消除
所以,最终暂时改为了传统的线性三端稳压器LM7805
针对今后可能采用7.4V锂电池供电,还需要更换为LDO
虽然开关电源被否定了,但是唯物辩证法教导我们说:否定之否定是哲学上的重要规律,体现在DIY制作上,
就是总是在不断地自我否定之中前进。这种前进看似在原地转圈,不停地回到起点,实际上是在螺旋式上升,
每一次回到起点时都不是简单的重复,而是上升到了更高的层次和境界,理论水平和实践经验都得到了升华。
DSC02673.JPG


是FAQ:
Q:这个频率计精度如何?
A:不知道,因为没有标准对它进行计量检定。量值统一最重要的就是量值的溯源和量值传递
用OCXO作为基准,只是看重它的稳定性。作为测量仪表,没有绝对精确。有的只是相对精确。
如果对于国家基准来说,可能它不是准的,但是对于自己的基准OCXO来说,它应该是准的。

Q:平时我们需要多精确的仪表?
A:看你干什么,要是平时DIY,家电维修什么的,最基础的精度级比如2.5级就足够了
追求好一点的1.0级算相当不错,如果您要发射宇宙飞船,研制个核弹头什么的那另当别论
比如测家里的电压得到220V和225V的结果并不会有什么影响,比如我调SSB滤波器就要追求到几十Hz了

最后,资料在这里,基本由这个电路改制而成:
如果想做,直接按这个做也是没问题的
八位150MHz數字頻率計的制作.pdf (272.7 KB, 下载次数: 62)

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参与人数 27M币 +516 收起 理由
玛德陛下 + 20 謝謝分享
xingjunzao + 20 優秀文章
wys111 + 20 謝謝分享
rallyezhang + 20 试试廉价的FPGA,更好使。
longsound + 20 做的真心好 。
mysmha + 30 優秀文章
xiaoxuanfeng + 20 謝謝分享
fanzhihao + 20 楼主威武,30多年前。我工作的工厂生产的10.
sy2008 + 18 楼主是电子爱好者中哲学学得最好的!.
超级女生 + 20 謝謝分享

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发表于 2020-3-12 13:51:27 | 显示全部楼层
这个厉害了
前排广告位出租
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发表于 2020-3-12 13:52:13 | 显示全部楼层
楼主功力深厚,测的很准。
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发表于 2020-3-12 13:54:11 | 显示全部楼层
楼主做的漂亮。效果杠杠的
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发表于 2020-3-12 13:55:20 | 显示全部楼层
还是应该用线性稳压,都上LED数码管显示了,不在乎多那一点功耗
而且晶振供电、芯片供电、LED供电最好分开
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发表于 2020-3-12 14:15:52 | 显示全部楼层
厉害了 动手能力真强
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发表于 2020-3-12 14:22:42 | 显示全部楼层
这玩意还比较贵的啊
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发表于 2020-3-12 14:26:05 | 显示全部楼层
标定过没有?虽然精确度完全取决于基准时钟的性能。
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发表于 2020-3-12 14:26:06 | 显示全部楼层
看样子要申精。
晶振比IC还大。压舱石
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发表于 2020-3-12 14:33:08 | 显示全部楼层
挺好。那两个晶振的生产厂五十四所和十三所都在石家庄。
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发表于 2020-3-12 15:23:05 | 显示全部楼层
本帖最后由 qrut 于 2020-3-12 15:31 编辑

12转5v-160ma电流不大其实7805就行,改成buck效率也高不到哪去,恒温晶振求赠送哦几百ma 那还是buck吧~
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发表于 2020-3-12 15:34:56 | 显示全部楼层
做的精致,数码管漂亮。
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发表于 2020-3-12 15:50:53 | 显示全部楼层
这也自己做了啊
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发表于 2020-3-12 15:51:30 | 显示全部楼层
我是来看字的,楼主的字真漂亮。
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发表于 2020-3-12 15:55:48 | 显示全部楼层
曾经用单片机做过测低频的,后来也不知道扔哪里了
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发表于 2020-3-12 16:36:51 | 显示全部楼层
好创意,如果能做成收音机频率显示就好了,数码管指示AM和FM非常棒!
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发表于 2020-3-12 17:29:35 | 显示全部楼层
曾经也想自制,最终买个了事,恒温晶振是又稳又准,就是开机要预热有点着急人
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发表于 2020-3-12 17:30:39 | 显示全部楼层
膜拜大师!软硬通吃!
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发表于 2020-3-12 18:00:00 | 显示全部楼层
翠绿色的数码管好看
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发表于 2020-3-12 18:02:23 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
喜欢看大师的文章,条理清晰,图片整齐,内容严谨
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