Рис. 287. Опыт, иллюстрирующий принцип работы конденсаторного частотомера

Кнопочный переключатель S подключи так, чтобы его контакты находились в положении, показанном на схеме. При этом конденсатор мгновенно зарядится до напряжения батареи. Нажми кнопку, чтобы заряженный конденсатор переключить на микроамперметр. Стрелка прибора отклонится вправо, фиксируя ток разрядки конденсатора и тут же вернется на нулевую отметку. Постарайся ритмично и возможно чаще нажимать и отпускать кнопку переключателя. С такой же частотой конденсатор будет заряжаться от батареи и разряжаться через прибор. Чем больше частота этих переключений, тем меньше будет колебаться стрелка прибора, показывая среднее значение тока через него (на графике в нижней части рис. 287 среднее значение тока I_ср). При том же образцовом конденсаторе с повышением частоты переключений прибор будет фиксировать все возрастающий ток. Таким образом, по отклонению стрелки можно судить о частоте импульсов тока, подаваемых на прибор.

Принципиальная схема частотомера, который я предлагаю для твоей измерительной лаборатории, приведена на рис. 288.

Рис. 288. Принципиальная схема частотомера

В приборе два транзистора с непосредственной связью, которые работают в режиме переключения. Конденсаторы С2-С4 образцовые. С конденсатором С2 прибором можно измерять частоту переменного или пульсирующего тока, подаваемого на входные гнезда X1 и Х2, примерно от 20 до 200 Гц, с конденсатором С3 — от 200 до 2000 Гц и с конденсатором С4 — от 2 до 20 кГц. Таким образом, весь диапазон частот, измеряемый прибором, составляет 20 Гц-20 кГц, т. е. перекрывает весь диапазон звуковых колебаний. Наименьшее измеряемое напряжение 0,2–0,25 В, наибольшее — 3 В.

В исходном состоянии транзистор V3 закрыт, так как на его базу подается недостаточное для его открывания напряжение, а транзистор V4, естественно, открыт отрицательным напряжением, подаваемым на его базу с коллектора транзистора V3. В это время левая (по схеме) обкладка образцового конденсатора С2 соединена через контакты переключателя S1 и малое сопротивление открытого транзистора V4 с общим заземленным проводником цепи питания; ток через микроамперметр РА1 не идет.

При первом же отрицательном полупериоде переменного напряжения, поданного на вход частотомера, транзистор V3 открывается, а транзистор V4, наоборот, закрывается. В это время образцовый конденсатор мгновенно заряжается через микроамперметр РА1 и шунтирующий его резистор R6, диод V6 и резистор R5 до напряжения источника питания. Одновременно заряжается и накопительный конденсатор С5. При положительном полупериоде измеряемого напряжения транзистор V3 закрывается, а транзистор V4 открывается. Теперь образцовый конденсатор разряжается через малое сопротивление открытого транзистора V4 и диод V5. Конденсатор С5 разряжается через микроамперметр, поддерживая ток, текущий через него при зарядке образцового конденсатора.

Следующий отрицательный полупериод снова открывает транзистор V3 и закрывает транзистор V4, а положительный полупериод переключает их в исходное состояние. И так при каждом периоде измеряемого переменного напряжения. При этом транзистор V4, закрываясь и открываясь, по отношению к образцовому конденсатору выполняет функцию электронного переключателя. В результате через микроамперметр течет средний ток зарядки образцового конденсатора, пропорциональный частоте измеряемого переменного напряжения.

Подстроечным резистором R6 устанавливают верхнюю границу частоты поддиапазона.

Какова роль диодов V1 и V2, шунтирующих резистор R3 и эмиттерный переход транзистора V3? Они ограничивают напряжение, подаваемое на эмиттерный переход транзистора V3, и тем самым предотвращают его тепловой пробой. Эти диоды кремниевые. А кремниевые диоды, как тебе известно, открываются при прямом напряжении 0,6–0,7 В. Пока входной сигнал не превышает это напряжение, диоды закрыты и практически никакого влияния на работу транзистора не оказывают. Когда же входное напряжение становится больше 0,6–0,7 В, диоды открываются (V1 — при положительных, a V2 — при отрицательных полупериодах) и поддерживают на базе транзистора напряжение, не превышающее 0,7–0,8 В.

Резистор R1 на входе частотомера предотвращает протекание через диоды V1 и V2 опасных для них больших токов.

Питать частотомер можно от двух батарей 3336Л или, что лучше, стабилизированным напряжением сетевого блока питания.

Транзисторы должны быть со статическим коэффициентом передачи тока h_21Э не менее 60–80 и с возможно малым обратным током коллекторного перехода I_КБО. Если среди имеющихся низкочастотных не окажется транзисторов с такими параметрами, то используй для частотомера маломощные высокочастотные р-n-р транзисторы, например, серий ГТ308, П401, П416. Диоды V1 и V2 должны быть кремниевыми, например серий Д101, Д102, Д104 (кроме Д220), а диоды V5 и V6 — любые из серии Д9 или Д2. Электролитические конденсаторы С1 и С5 типа К50-3, К50-6 или К52-1. Подстроечный резистор R6 может быть любого типа. Микроамперметр на ток полного отклонения стрелки 50 или 100 мкА. Переключатель S1 — одноплатный галетного типа, S2 — тумблер или П2К.

Шкала измерителя частотомера линейная, общая для всех трех поддиапазонов. Поэтому емкости образцовых конденсаторов С2-С4 должны быть возможно более точными — от этого зависит точность производимых измерений. Отобрать необходимые конденсаторы можно с помощью измерителя RCL.

Предварительно частотомер смонтируй и испытай на макетной панели. Из образцовых конденсаторов включи пока без переключателя S1 только конденсатор С2. Проверь полярность включения всех электролитических конденсаторов, диодов и микроамперметра. Затем движок подстроечного резистора R6 установи в крайнее нижнее (по схеме) положение, а резистор R1 временно замени цепочкой из последовательно соединенных переменного резистора сопротивлением 30–40 кОм и постоянного сопротивлением 4–5 кОм. Включи питание и на вход частотомера подай переменное напряжение электроосветительной сети, пониженное трансформатором до нескольких вольт. Можно, например, как показано на ряс. 289, а, использовать вторичную обмотку сетевого трансформатора блока питания, подключив к ней потенциометром регулировочный переменный резистор R_р и с его помощью регулировать напряжение, подаваемое на вход частотомера.

Рис. 289. Схема проверки и градуировки шкалы частотомера

Подбором сопротивления временной цепочки резисторов нужно добиться устойчивого отклонения стрелки микроамперметра при минимальном напряжении (0,3 В) на входе частотомера.

После этого на вход частотомера подай от того же регулировочного резистора переменное напряжение, выпрямленное двухполупериодным выпрямител ем (рис. 289, б). В этом случае частота пульсаций напряжения на входе частотомера будет 100 Гц, т. е. соответствует удвоенной частоте переменного напряжения сети. Теперь стрелка микроамперметра должна отклониться на больший угол, чем при частоте напряжения 50 Гц. Движок подстроечного резистора R5 установи в такое положение, при котором стрелка микроамперметра окажется немного левее середины шкалы. Отметка, сделанная на шкале, будет соответствовать частоте 100 Гц, а вся шкала — частоте 200 Гц.

Затем еще раз подай на вход частотомера переменное напряжение с регулировочного резистора и отметь на дуге шкалы микроамперметра положение ее стрелки. Оно будет соответствовать частоте 50 Гц. Таким образом, у тебя получатся две исходные отметки, не считая нулевой и конечной, по которым можно проградуировать шкалу поддиапазона 20-200 Гц. Она же будет и шкалой двух других поддиапазонов. Надо только при включении образцового конденсатора С3 (0,01 мкФ) результат измерения умножать на 10, а при включении образцового конденсатора С4 (1000 пФ) — на 100. Чтобы знать, на каком поддиапазоне включен частотомер, возле ручки переключателя S1 сделай пометки «х1», «х10» и «х100».