Wspólnie projektujemy: Częstościomierz, część 10

Aby poprawnie zliczyć impulsy w częstościomierzu, wejściowy sygnał musi zostać odpowiednio przetworzony do standardów wymaganych przez układy cyfrowe. Tu występują duże wymagania, gdyż układ musi przetworzyć małe jak i duże częstotliwości oraz radzić sobie z różnymi amplitudami sygnału.

Ludzie czasem mają tendencję do komplikowania sobie wręcz wszystkiego, ale często po jakimś czasie dostrzegają, że pewne rozwiązania to brnięcie w ślepą uliczkę. Podobnie zdarzyło się też mi w trakcie prac nad częstościomierzem. Dla częstotliwości ze względnie małego zakresu wykorzystać rozwiązanie oparte na wzmacniaczach operacyjnych, aby dla wyższych bazować na układach pracujących jako linearyzowane bramki. Wystąpiło tu „więcej problemów niż zysków”, toteż moje działania zaczęły koncentrować się wokół rozwiązania bazującego wyłącznie na wzmacniaczach operacyjnych. Obecna oferta w tej grupie elementów jest bardzo szeroka i nawet ich ceny mogą zaskakiwać (pozytywnie).

Co mamy do dyspozycji?

Oferta wzmacniaczy operacyjnych jest bardzo szeroka. Można z tego wybrać takie elementy, które będą spełniały nasze kryteria. Lektura samych not katalogowych nie jest miarodajna, gdyż nie znajdziemy tam odpowiedzi na swoje pytanie. W tej sytuacji jedynie eksperyment i własne badania pozwolą wyselekcjonować potencjalnie użyteczne elementy i w następnym kroku podjąć decyzję o wyborze. Oprócz samych technicznych możliwości wybranych elementów dosyć istotnym parametrem będzie ich cena.

Przed przystąpieniem do pomiarów i badań, zastanowiłem się nad sposobem ich realizacji. Istotną sprawą jest posiadanie źródła sygnału o wystarczająco dużej częstotliwości i znanym kształcie generowanego sygnału. Nie bez znaczenia będzie w miarę dobra stabilność generowanego przebiegu. W tym miejscu zbyt dużego wyboru nie ma: kwarcowe generatory fali prostokątnej. Przed samą realizacją testów zrealizowałem symulację działania w programie LTSpice. Schemat układu pokazuje rysunek 1.

Popularne występujące „w przyrodzie” generatory mają zasilanie +5 V (jak klasyczne układy cyfrowe), toteż sygnał z generatora przechodzi przez dzielnik rezystancyjny by zmniejszyć jego amplitudę, gdyż przy zasilaniu wzmacniaczy operacyjnych +5/–5 V i sygnale o amplitudzie zbliżonej do 5 V zaobserwowanie wzmocnienia sygnału jest niemożliwe. Dalej jest wzmacniacz operacyjny w układzie odwracającym, o wzmocnieniu większym niż jeden. Z oferty programu LTSpice został wybrany układ AD9039, gdyż taki ma wystarczająco szerokie pasmo pracy.

Wynik symulacji dla małej częstotliwości (25 Hz) przedstawia rysunek 2, a dla częstotliwości 25 MHz rysunek 3.

Oba rysunki mają zgodną podziałkę na osi pokazującej napięcia, co prowadzi do wniosku, że układ nie zmienia (w znaczący sposób) wzmocnienia w zależności od częstotliwości przetwarzanego sygnału.

Pomiary

Do pomiarów zbudowałem niezbędne środowisko diagnostyczne, które pokazuje fotografia 4.

Do testów zostały wybrane takie wzmacniacze operacyjne, które mają pasmo przenoszenia powyżej 100 MHz oraz możliwość zasilenia wzmacniacza symetrycznym napięciem +5 V i –5 V. W danych katalogowych można odnaleźć parametr określony jako Bandwidth (często w notach katalogowych oznaczany jako GBW: Gain Bandwidth). Przykładowo pierwszy wzmacniacz operacyjny AD8009 (Analog Devices) ma Bandwidth = 1 GHz (rysunek 5). Nie można tutaj popadać w zbytnią euforię, gdyż ten parametr należy traktować jako iloczyn wzmocnienia oraz maksymalnej częstotliwości, jaką może on przetwarzać. Podana wartość dotyczy współczynnika wzmocnienia wynoszącego 1 (w nocie katalogowej można dostrzec G=+1).

(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w kwietniowym numerze czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 4/2025). Pełną wersję czasopisma znajdziesz pod tym linkiem. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 4/2025 znajduje się tutaj.

Andrzej Pawluczuk
apawluczuk@vp.pl

 

Uwaga! Osoby, które nie są (jeszcze) stałymi Patronami ZE, mogą nabyć PDF-y z pełną wersję tego numeru oraz wszystkich innych numerów czasopisma wydanych od stycznia 2023, „stawiając kawę” (10 złotych za jeden numer czasopisma w postaci pliku PDF).
W tym celu należy kliknąć link (https://buycoffee.to/piotr-gorecki), lub poniższy obrazek

Następnie wybrać – Postaw kawę za:
– jeśli jeden numer ZE – 10 zł,
– jeśli kilka numerów ZE – Własna kwota. I tu wpisać kwotę zależną od liczby zamawianych numerów – wydań (N x 10 zł),
Wpisać imię nazwisko.
Podać adres e-mail.
Koniecznie zaznaczyć: „Chcę dodać dedykację/Wiadomość dla Twórcy” i tu wpisać, który numer lub numery ZE mam wysłać na podany adres e-mailowy. Jeśli ma to być numer z tym artykułem trzeba zaznaczyć, że chodzi o ZE 4/2025.
UWAGA!!! E-mail z linkiem do materiałów (Smash) wysyłamy zazwyczaj w ciągu 24 godzin. Czasem zdarza się jednak, że trafia do spamu. Jeśli więc nie pojawi się w ciągu 48 godzin prosimy sprawdzić w folderze spam, a ewentualny problem zgłosić na adres: kontakt@piotr-gorecki.pl.