Wspólnie projektujemy: Częstościomierz, część 7

W poprzedniej części były przedstawione warianty rozwiązań dla stopnia wejściowego częstościomierza. Zapowiedziałem również przebadanie pewnych modyfikacji układowych. W kolejnej części zapoznamy się z rezultatami tych działań.
Rozwiązanie bazujące na tranzystorach J-FET okazuje się dosyć interesującym wariantem. Przetworzenie mierzonego sygnału wejściowego do standardów wymaganych przez układy cyfrowe jest zadowalające. Propozycja rozwiązania z wykorzystaniem tranzystorów polowych doczekała się pewnego ulepszenia, nadesłanego przez tego samego autora.

Ulepszenie J-FET’owego stopnia wejściowego

Zmiany układowe są niewielkie, został dodany tranzystor bipolarny (tranzystor Q1) wraz z dodatkowym rezystorem R6, jak pokazuje schemat dla programu symulacyjnego widoczny na rysunku 1.

Nowe rozwiązanie zostało przesymulowane za pomocą programu LTSpice. Ponieważ wynik symulacji nowego wariantu nie odbiegał od poprzedniego, aby dostrzec różnice postanowiłem „nałożyć na siebie” w jednym układzie współrzędnych obie odpowiedzi. Rezultat przedstawia rysunek 2.

Przy identycznym sygnale wymuszającym, wyniki są praktycznie identyczne. Skoro dodatkowy tranzystor nic nie wnosi, postanowiłem wrócić do poprzedniej wersji i sprawdzić działanie całego stopnia wejściowego dla dużych częstotliwości. Jako źródło sygnału wejściowego wykorzystałem popularne, gotowe generatory scalone. W „szufladowych rupieciach” znalazłem generator o częstotliwości 18,431 MHz oraz o większej częstotliwości 25 MHz. Dodatkowo postanowiłem sprawdzić współpracę zbudowanego zespołu wejściowego z licznikami cyfrowymi – został wykorzystany synchroniczny licznik binarny 74xx161. Kompletny schemat pokazuje rysunek 3 a fizyczną realizację fotografia 4.

Sygnał z generatora wysokiej częstotliwości jest podany na układ wejściowy i po przetworzeniu zliczany w wykorzystanym liczniku. Fotografia 5 przedstawia przebiegi: sygnału z generatora o częstotliwości 25 MHz oraz wyjście licznika (pin 14 układu U2, rysunek 3).

Łatwo jest dostrzec, że na dwa impulsy wejściowe powstaje jeden impuls wyjściowy – taka jest rola tego wyjścia licznika. Sprawdziłem również wpływ umieszczenia w torze sygnału negatora z wejściem Schmitta (U3, 74LS14, rysunek 3), jednak nie dostrzegłem różnic w działaniu.

Usuwanie stałego offsetu napięcia z mierzonego sygnału zostało już wystarczająco sprawdzone wcześniej, jednak gdyby ktoś miał ochotę to zweryfikować dla sygnału o dużej częstotliwości, to przykładowe rozwiązanie generujące sygnał testowy prezentuje rysunek 6.

Modyfikacje rozwiązania dla małych częstotliwości

Uważny Czytelnik zapewne dostrzegł, że stopień wejściowy zaproponowany w poprzedniej części, bazujący na wzmacniaczach operacyjnych był zasilany napięciem symetrycznym, czyli wymagał napięcia zasilającego dodatniego oraz ujemnego. Jest to klasyczne rozwiązanie we wzmacniaczach operacyjnych. Obecnie, często z uwagi na używanie baterii, stosuje się wariant jednonapięciowy, jednak nie każdy wzmacniacz operacyjny jest przystosowany do takiej pracy. Wymaganą cechą jest rail-to-rail na wejściu – możliwość przetwarzania przez układ napięć wejściowych bliskich ujemnemu lub dodatniemu napięciu zasilania. Brak sygnału na wejściu częstościomierza lub słaby sygnał oznacza, że wzmacniacz operacyjny dostaje napięcie bliskie ujemnemu napięciu zasilającemu. Cecha rail-to-rail na wyjściu jest już mniej krytyczna, gdyż najwyżej układ zacznie zniekształcać sygnał, czyli ucinać wierzchołki bliskie napięciu zasilającemu, tu jednak są istotne „sztuki” impulsów.

W tym szczególnym przypadku (wzmacniacza wstępnego do częstościomierza), można poradzić sobie bez stosowania specjalizowanych wzmacniaczy operacyjnych. Warto zauważyć, że zadaniem naszego układu jest przetwarzanie sygnału bez składowej stałej, co oznacza, że można przenieść potencjał odniesienia (GND) „w inne miejsce”. Z punktu widzenia klasycznego wzmacniacza operacyjnego, jest on zasilany z dwóch źródeł napięcia (+V i –V). Pośrodku, między nimi, znajduje się potencjał odniesienia. To w stosunku do niego swoje czynności realizuje kolejny wzmacniacz operacyjny. Jednonapięciowe zasilanie +5 V można rozpatrywać jako zasilanie +2,5 V i –2,5 V. Brak jawnego potencjału odniesienia oznacza, że musimy taki wypracować. Jest to prosta operacja bazująca również na wzmacniaczu operacyjnym. Takie rozwiązanie nazywane jest sztuczną masą. Jeżeli sygnał wejściowy będzie odniesiony do sztucznej masy, to brak sygnału lub słaby sygnał będzie widziany przez wzmacniacz operacyjny identycznie jak przy zasilaniu symetrycznym. Schemat pokazuje rysunek 7, gdzie wykorzystane są wzmacniacze operacyjne MCP6041.

Układ U3 (MCP6041) wraz z rezystorami R8 i R9 wytwarza napięcie odniesienia (sztuczną masę) dla pracy głównego wzmacniacza operacyjnego (U1, również MCP6041). Wszystkie elementy w stopniu wejściowym, które były łączone do rzeczywistej masy przy zasilaniu dwoma napięciami, obecnie są łączone do sztucznej masy. Końcowy komparator również ma zamienione dotychczasowe zasilanie symetryczne na zasilanie jednonapięciowe. Potencjał odniesienia dla wyjściowego sygnału cyfrowego jest niezależny od minusa zasilania komparatora i nadal jest przyłączony do 0 V. W rozwiązaniu wcześniejszym był połączony z masą rzeczywistą, obecnie z minusem zasilania (z punktu widzenia wzmacniaczy operacyjnych). Dzielnik napięcia R5, R6 nadal realizuje identyczną funkcją (bez zmian układowych). Jego zadaniem jest uzyskanie napięcia odniesienia do przerzutu komparatora. Przy zasilaniu dwoma napięciami, jest ono dodatnie o niewielkiej wartości (w stosunku do masy rzeczywistej). Przy zasilaniu jednym napięciem rola dzielnika jest identyczna: utworzyć dodatnie napięcie o niewielkiej wartości w stosunku do sztucznej masy (czyli również trochę powyżej połowy napięcia zasilającego wzmacniacz operacyjny – pin 4 i 7).

Wybór określonych wzmacniaczy operacyjnych nie jest krytyczny, wystarczy, że będzie spełniał warunki podyktowane minimalnym napięciem zasilającym. Jak pokazuje fragment dokumentacji (rysunek 8) ten wzmacniacz może pracować w układzie, gdzie zasilanie (pomiędzy pinem 4 a pinem 7) wynosi nie mniej niż 1,4 V. Oczywiście nie może ono przekraczać górnej granicy (6 V), w naszym zastosowaniu jest to 5 V.

Zbudowany układ pokazuje fotografia 9.

Przy zasilaniu pojedynczym napięciem poprawnie przetwarza sygnał wejściowy (fotografia 10).

Tak „poza konkursem” sprawdziłem działanie wcześniej stosowanych wzmacniaczy operacyjnych OP07, które nie spełniają warunku dotyczącego minimalnego napięcia zasilającego (rysunek 11), jednak układ daje sobie radę z przetwarzaniem sygnału. Może to być cechą danego egzemplarza i w ogólnym przypadku nie ma gwarancji, że każdy tak się zachowa.

Andrzej Pawluczuk
apawluczuk@vp.pl