自制8位频率计

barracuda

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


首先，用SpringLayout设计电路板草样


通过热转印方式制作线路板


做好的线路板



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


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


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


电源搭好了，继续其它电路，这就简单了



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


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



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


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



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


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



将铝板裁剪成合适尺寸，画线，钻孔


初步组装







制作显示单元的支架，测量中间的间距


裁剪一个铝条，也是边角料


按设计尺寸折弯，制作显示单元支架


对位固定




组装显示单元和支架


找到一根没有油的签字笔笔芯


制作塑料柱


用于隔开显示单元电路和支架，防止短路


显示单元和主控板之间的连线插口



继续组装


通电测试，显示正常



盖好盖子，这就组装完了


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



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


侧面



下面开始进行测试，上电什么都不接，显示000


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


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



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


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




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


12.8MHz分频出的800KHz



测试4.00MHz晶振


测试7.00MHz晶振


测试9.00MHz晶振


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。



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.rar (85.91 KB, 下载次数: 685)

2020-3-13 10:09 上传

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全文完，谢谢观赏~

zwq0

很强大，动手能力真强 ，赞一个！

songjiao

精品，顶一个

kssyj1115

我感觉你们这些退休的动手能力如此之强的老师们，要是不再给社会设计一些电子产品，真是一种人才浪费啊。

顽童50

您做的很好，很稳定。向您请教几个问题：
1. 您用的这款恒温晶振市面上能找到吗？价格很贵吗？
2. 您发的电路图与您实际制作的图不一样。7216B与7216D管脚定义不同（需要稍加改变）。
3. 我做过您发的7216B的图，不成功（怀疑拆机片有问题）、后来改用7216D了。但是、用有源晶振12.8MHz做外部震荡还是不能工作，最后用7216D内部振荡器、外接10MHz才能工作。您是怎样做到的，能给个原理图吗？谢谢！
  

barracuda

顽童50 发表于 2020-3-13 13:00
您做的很好，很稳定。向您请教几个问题：
1. 您用的这款恒温晶振市面上能找到吗？价格很贵吗？
2. 您发的 ...

1、能找到，拆机的很便宜，全新的很贵
2、7216后缀有A\B\D，这3个片子功能、引脚都略有不同，不能通用
3、ICM7216停产已久，现在很难买到全新的，拆机片有假货，性能很差，需要注意甄别。
它们时钟不能超过10MHz，否则不能正常工作，100KHz时钟可以工作，但是刷新很慢。时钟要求方波，CMOS电平，正弦的时钟时不行的。

顽童50

barracuda 发表于 2020-3-13 16:49
1、能找到，拆机的很便宜，全新的很贵
2、7216后缀有A\B\D，这3个片子功能、引脚都略有不同，不能通用
...

谢谢您的回复。我觉得您说的很对。前两年我就是按您发的那个电路图制作的，我买的的有源晶振就是正弦波的，怎么鼓捣也不行。有机会按您的这个PCB板重做一遍，您的温控晶振多少钱买的？

您买的晶振我找到了。请问您：7216D使用外部震荡器应该怎样接？我想把我的频率计改造一下。我现在是外接10MHz普通晶振，使用的是7216D内部振荡器。谢谢您！

Mon51

用STM32F205的32位定时器内部的扑捉功能，主从机构，可以做到0~60mhz高精度频率计，外部加分频器，可以到几百MHZ。电路很简单，调试也方便。

chhds

介绍得很详细，利于学习。

barracuda

顽童50 发表于 2020-3-13 23:27
谢谢您的回复。我觉得您说的很对。前两年我就是按您发的那个电路图制作的，我买的的有源晶振就是正弦波 ...

7126外接振荡器：24、25脚接有源晶振输出，1脚通过一个二极管和3脚连

iffi123

晶振标称频率是在额定负载电容（就是晶振的类似12pF、20pF参数）上测得的，但实际上有偏差

如果你能精确控制负载电容，也会得到标称频率的， 这个负载电容除了振荡电路的对地2个电容，还包括电路版上的分布电容

lmwyl

楼主好象用的10.00M基准恒温晶振不行，换个下图10.000000M的拆机件会提高N个级数，我去年测试换过在旧的日本FC-882A频率计上，对比后54所的N差。

STOPYOUCAT1

做的漂亮，早年也用这个片子做过，但没成功，后来用6位的计数器和石英钟的驱动电路改了一个，用于低频还可以。

barracuda

lmwyl 发表于 2020-3-15 21:34
楼主好象用的10.00M基准恒温晶振不行，换个下图10.000000M的拆机件会提高N个级数，我去年测试换过在旧的日 ...

这确实是一个问题，因为这个OCXO是带压控的
经过实际测试，按说明书要求在压控脚上加0-4V电压，测得晶振有34Hz的频率改变
所以，如果追求完美，还需要用标准频率源去校准才行

顽童50

barracuda 发表于 2020-3-15 10:22
7126外接振荡器：24、25脚接有源晶振输出，1脚通过一个二极管和3脚连

谢谢您的回复，有机会也换个恒温晶振完善一下我的频率计。