【去库存】模块式8位频率计

longshort

　　为了能在DIY的板子上随时显示频率，去年就立了个项准备做一个，但一直因忙于各种事务而耽搁了下来。最近看到不少坛友都做了频率计，觉得时光不等人啊，得赶快动手！

　　基本想法是做一个小的频率计模块，使用早年买的ICM7216D通用计数器集成电路，加一些简单的外围电路就可以用了。小到可以作为任何具有频率监视需求的DIY部件上，只要有合适的5V电源和四个预制的安装孔就可以独立工作。为此需要将模块的大小限制为10厘米的长度，宽度则视电路元件的布线密度而定，最后确定的宽度是2.5厘米。

　　PCB照片，上面的是正面，下面的是反面（除了LED阵列，其它集成块都在反面）：

       

       


　　由于PCB面积小，采用双面安装的方式来提高集成密度，为避免焊接先后的不同造成某些元件不能安装，在安装元件的步骤上需要制订一个程序表：

        １）焊接所有的贴片阻容元件；
        ２）焊接晶体；
        ３）焊接微调电容器C6-1；
        ４）焊接四位LED数码管的管座；
        ５）焊接集成电路插座；
        ６）根据项目需要，用焊锡连接所需断点、预置焊点；
        ７）焊接复位开关K1；
        ８）焊接KF2510接插件、跳线插座CK1和SMA插座；
        ９）插上ICM7216D芯片和74(A/H)C00芯片；
        １０）视分频需要插入或不插入74(A/H)C161芯片；
        １１）插上两个LED数码管阵列（型号CS3641A）。

　　LED阵列CS3461A的管脚两边的距离是10.16mm，不是通常的宽IC插座距离。如果需要使用更大的数码管阵列，可以自己做一个转换板插上引出使用。


频率计电路：

       

（待续）


补充内容 (2020-4-20 08:35):
订正版的电路图发布于26楼。

乙猪

为了去库存，又买了不少芯片。

longshort

　　输入信号通过74AC00组成的放大器和施密特触发器，整形成方波供给前置分频器74AC161，或者直接送到7216D的输入端，如果最高测试频率不超过15MHz的话。当然，这时候的放大器和施密特触发器可以用74HC00来完成。

　　74AC00（或74HC00）中的四个与非门的接线如图：

       


　　其中门2在输入与输出之间接了直流负反馈电阻R14，这就使门2构成了一个放大器，与输入端所接的R15组成了反相放大器，增益近似为R14/R15+1。门3通过R13给前置放大器一个正反馈来产生一个适当的正向偏压，控制R13的值，使门2进入临界饱和（正或负的临界饱和）状态，这样门2既不容易自激也不会饱和过深。C12是加速电容，用来在翻转时加快边沿变化的过程。放大器的灵敏度，在上图中底部的公式里已经给出。

　　对加速电容的作用进行了测试和观察，电源电压为4.94V，正反馈电阻R13为1.3KΩ。考虑带宽100MHz的示波器脉冲响应时间常数为3.5ns，下面的数字是扣除影响后的矫正数。

　　下面的图是施密特触发器部分未接加速电容的情形，它的上升沿和下降沿分别是5.12ns和8.3ns：

       

　　加速电容为2pF时，上升沿和下降沿分别是4.87ns和6.06ns：

       


　　加速电容为4.7pF时，上升沿和下降沿分别是5.12ns和8.83ns：

       


　　显然加速电容是有作用的；可得到R13与C12合适的时间常数为2.6ns。R13的值取得较大时，加速电容可以不用。

　　当不使用前置分频器时，加速电容亦可无须考虑或使用。


（待续）

longshort

longshort 发表于 2020-4-19 08:29
　　输入信号通过74AC00组成的放大器和施密特触发器，整形成方波供给前置分频器74AC161，或者直接送到7216D ...

前置分频器：

　　前置分频器选用了硅栅先进高速CMOS中规模集成电路74AC161，是二进制可预置十六分频器，在室温下的最高工作频率最少可达110MHz，价格也便宜，并且与74HC系列管脚兼容，互换方便。

　　分频器需要预置一个特定的值，以使每一周期按除以2~16的比例运行。由于模块设计于相对单一的工作环境下，为简单起见，预置直接采用断点焊接的方式完成。假如需要分频数为10，那么就预置6使之跳过6个时钟节拍，代表6的代码0110就可以在0与1的预置焊点上分别用焊锡连接起来。

　　这是PCB上的预置焊点：

       


　　特别说明下，如果分频器处在无须预置的状态（二、四、八、十六分频），预置点状态为0000，不可悬空。


　　10MHz频率经前置分频器分频后的照片：

       


　　由于要求简单的目的，分频器的预置，仅通过适当的前后沿时间分配来完成而不附加额外电路，从datasheet提供的参数中研判，此时整个分频器的最高工作频率最多只能达到90MHz，如果分频器不进行预置操作而直接二进分频的话，时钟完全可以超过100MHz。但从前面关于施米特整形器的测试波形来看，去掉方波的平顶保持时间，前后沿加起来是10.93ns，对应的频率只有91MHz，此时能否稳定触发分频器，还需要后续的甚高频振荡器来验证。

　　分频器的输出接到一个断点Dp4上，九至十六分频的情形下直接用焊锡连接，在二、四、八分频时Dp4断开，视需要用一条线连接Dp4在7216一端到分频器的Qc、Qb或Qa端。

（待续）

longshort

longshort 发表于 2020-4-19 08:35
前置分频器：

　　前置分频器选用了硅栅先进高速CMOS中规模集成电路74AC161，是二进制可预置十六分频 ...

通用计数器：

　　ICM7216D是个单功能的计数器，最高计数频率不超过15MHz，这是某些文章中提到的，而datasheet上的最高计数频率指标是空着的。我手上的7216D，全部都只达到13MHz。

　　ICM7216D能直接驱动LED数码管阵列，使用今天的高亮度LED产品，施加以适当的限流电阻，总工作电流可以减小到60mA以下。

　　ICM7216D需要一个基准频率源，来提供所需的闸门时间。本项目出于简单的目的，使用普通的HC-49S型无源晶体振子来作为基准频率源。标称的频率是10MHz，可选的闸门时间是10s、1s、0.1s、0.01s。也可以使用其它频率的晶体，例如5MHz、2.5MHz甚至1MHz，配合适当的前置分频器，以达到扩展频率测试的目的。但此时的闸门时间会被拉长，拉长的程度是与10MHz频率之比的倒数。

　　晶体元件在使用前最好经过测试，以确定它在标称频率下的负载电容的大小。测试手段可见拙帖：【去库存】无源晶体测试器及晶体测试

　　获得晶体的负载电容数据后，就能确定基准振荡器的电容参数。我用的10MHz晶体负载电容是17点几pF，故连接两端的电容器是其值的两倍，即35pF到36pF左右。考虑连接晶体的两个管脚有对地5pF左右的分布电容，PCB这一部分也有1pF左右的分布电容，所以两个电容器还要各自减去6pF，最后的电路图上所标的数值是30pF。为了调整频率到准确值，其中一个电容器还扩展为经33pF串联的(7~30)pF微调电容器，而固定电容部分就由一个18pF电容器来承担了。

这样连接可将频率调整斜率减小为5Hz/pF左右。如果精确测量并挑选了所需的电容器，那么固定电容器C7为20pF、串联电容器C6-2换为12pF，那么调整斜率可减小到2.5Hz/pF左右，这将大大提高闸门时间调整的准确度。

　　基准频率调整部分：

       


　　欲以改变闸门时间来改变小数点的位置，从而调整计数和显示的范围，可将CK1上的跳线设置在D3位置，此时闸门时间为1秒，计数范围为99999.999，单位为KHz。

　　PCB上的跳线位置：

       


　　组装后的外观：

       

       

       

（待续）

longshort

longshort 发表于 2020-4-19 08:43
通用计数器：

　　ICM7216D是个单功能的计数器，最高计数频率不超过15MHz，这是某些文章中提到的，而d ...

调整基准频率：

　　原本手里有几个铷原子频标，一直没工夫打理，现在就只好用胜利的VC3165来校准，虽然只是低档货，但也是向国标溯源的，所以就算有偏差，也不会很大，待以后打理完铷频标再来细细调整。

　　首先将VC3165打开电源，预热一个小时；说明书中的20分钟其实是不够的。一小时以后的温度稳定性会保持在(2~5)e-7/°C。

　　VC3165预热完成，再打开晶体测试器的电源，连接在测试器上的频率计模块也同时打开了。在晶体测试器上运行的10MHz晶体，上电之时会有一定的频率变化，而频率计的基准振荡器上电之时同样有这样的变化（称为上电老化），两相变化造成的绝对数值在频率计上表现出来，与VC3165比较时可以达到十几Hz。再过一小时之后，变化趋于稳定，数值长时间保持在一两个字变化的水平，这时候就可以通过调节C6-1，来调节基准频率。

　　将C6-1容量调大，振荡频率会变低，闸门时间将拉长，于是计数值会增加；反之计数值就会减少。小心地调节C6-1，使频率与VC3165尽可能一致。比较理想的结果是仅相差正负(1~3)Hz。当然，如果使用恒温的或者温补的外接晶体振荡器，误差就会小更多。不过由于晶体是无源的且非温补或恒温，所以正负(1~3)Hz的允差是必须的，冬夏的温差就会造成大约至少9Hz以上的变化。

　　闸门时间设置在D2位置，十进分频模式下的频率调整（此时的Dp1必须断开）：

       

       


　　到此为止，频率计就算调整完毕，可以使用了。

　　早年买的两块ICM7216D，一块是完全坏的，一块全新的是好的，两块加起来的总价超过七十。这次又在网上淘了十块拆机的（商家标的是全新的，鬼才信呢），五块八大洋一个，都可以运行在10MHz下。

　　这十块电路有三种标，一种“i”标，一种“Harris”标，一种“H”标。不知道“H”标和“Harris”标什么关系，但是上电老化测试的结果，“H”标变化最小，“Harris”标次之，“i”标最大，不知道“i”标是不是Intersil的产品，反正三种标不是“Malay”就是“Philippine”生产的，还有两块是“Singapore”的。

　　三种标的最高计数频率都在13MHz上下，一块“Harris”标的可勉强工作到14MHz。

       


（待续）

longshort

longshort 发表于 2020-4-19 08:50
调整基准频率：

　　原本手里有几个铷原子频标，一直没工夫打理，现在就只好用胜利的VC3165来校准，虽 ...

　　通过使用不同的时基频率和配以适当的分频次数，可以使计数器的满量计数能力得以发挥。但时基的变化也会改变测量时间的长度，闸门设置为D3位置的情况下，在10MHz时基下的一次测量周期是1.2秒，在5MHz时基下是2.4秒，2.5MHz时基下是4.8秒，1MHz时基下是12秒。

　　时基为5MHz、分频次数为2的26MHz频率计，晶体负载电容为17.743pF；被测晶体25MHz：

       


　　时基为2.5MHz、分频次数为4的52MHz频率计，晶体负载电容为17.472pF；被测晶体30MHz：

       


　　时基为1MHz、分频次数为10的100MHz频率计，晶体负载电容为15.295pF，C8=25pF，C7=22pF，C6-2=12pF；被测晶体30MHz：

       


　　由于模块是用于直接安装在各种DIY板子上的，没有为频率计单独做屏蔽或外壳，所以受流动空气引起的温度梯度变化会产生一定的漂移。上述频率计在校准之后，在没有过多的室内人员走动的情况下，对于稳定运行中的18MHz晶体，在频率计上电运行开始的90分钟之内，测量漂移会有70HZ~200Hz上下的摆动值；90分钟后至10小时内，漂移的绝对最大值在7个字上下，相当于3.9e-7，或0.39ppm（390ppb）。对于市售的低端晶体产品，这个结果已经很好了。

　　如果为模块加上外壳，阻挡空气流动的直接影响，稳定性会有比较大的提高，从经验的角度，稳定性提高到0.11ppm（2个字的变动，111ppb）是完全可能的，这也是可以不用恒温晶振的原因之一。

　　如果通过配谐电容器的温度系数选择和配合，那就可以成为温度补偿晶体振荡器，但是手边暂时没有筛选条件，也只好作罢，其实这也是个很有兴味的工作。

　　测试中还发现上电老化的过程中，49S型的晶体较早达到稳定，而49U型时间会长不少。细究起来，49S紧贴PCB安装，体积只有0.1225cm^3  ，受空气流动的影响与PCB持平。对于49U型晶体，体积达0.455cm^3  ，暴露在空气中的表面积是49S的三倍，并且凸起在PCB之上，受空气流动的影响相对较大，离开晶体10cm左右对着轻吹一口气，就会有一个字的变动（18MHz晶体，约56ppb）。总体上来看，这种变动除晶体本身外，还与四个相关的电容器受温度的影响有直接关系。

　　此外，与晶体相关的三个贴片电容器的容量一定要准确，否则很容易超出调节范围。这三个贴片电容在焊接前一定要测一下，确保一次焊接就能使用。如果对容量的准确性没有把握，就不要使用括号中的数值。


49S石英晶体的上电老化曲线：

       


频率计模块的上电老化曲线：

       


标准差：

       

　　从标准差的计算可以看出，开放大气环境下的非恒温晶体振荡器在上电后，进入1ppm准确度的时间。


参考资料：

        （１） 74AC00.pdf (307.36 KB, 下载次数: 127)

2020-4-19 09:05 上传

点击文件名下载附件

        （２） 74AC161.pdf (153.5 KB, 下载次数: 119)

2020-4-19 09:06 上传

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        （３） ICM7216.pdf (610.69 KB, 下载次数: 151)

2020-4-19 09:07 上传

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        （４）barracuda: 自制8位频率计
        （５）【去库存】无源晶体测试器及晶体测试
        （６）清华大学《高频电路（上册）》1979.2人邮版，p513: 晶体振荡器电路
        （７）屠世谷：《稳频与测频技术》，1986.11科学出版社版，p12: 石英晶体振荡器


（结束）

shanghairen

L大的库存真多啊！

longshort

shanghairen 发表于 2020-4-19 10:32
L大的库存真多啊！

先充实库存，再清理库存。

longshort

乙猪 发表于 2020-4-19 10:42
为了去库存，又买了不少芯片。

走过路过，不要说破嘛。

qzlbwang

shanghairen 发表于 2020-4-19 10:32
L大的库存真多啊！

L大大嘛，不光脑中库存大，实物库存也大！脑中库存只增不减，越来越大。实物库存增增减减也必定是一浪更比一浪高！

1996

飞翔鸭2016 发表于 2020-4-19 10:02
晶体不行 换OCXO试试

前面文章中都已经说了为何不用恒温晶振的原因，做东西是要在成本范围内做到最好，而不是一昧堆料。

iffi123

7216老矣。。。

乙猪

iffi123 发表于 2020-4-19 10:52
7216老矣。。。

不怕旧歌老，就怕旧歌改DJ.

shanghairen

qzlbwang 发表于 2020-4-19 10:48
L大大嘛，不光脑中库存大，实物库存也大！脑中库存只增不减，越来越大。实物库存增增减减也必定是一浪更 ...

总结的精辟到位！