Frekansmetre Nedir ve Nasıl Yapılır?

Piyasada çeşitli yöntemler kullanarak yapılmış değişik tiplerde frekansmetreler satılmaktadır. Analog ibreli, titreşimli, sayısal, programlarla yapılmış olanlar bunlardan bazısıdır. Biz bu tiplerden sadece sayısal (dijital) entegrelerle gerçekleştirilen sayısal göstergeli tür üzerinde duracağız. Yani "bu benim istediğim şekilde frekans ölçüyor" diyebileceğiniz ölçü aletleri yapacaksınız. Bu yazıda frekansmetre bölümleri hakkında açıklama yapacak ve daha sonra birkaç örnek devreyi siteye göndereceğim.

Frekansmetrelerin sayım aralığı kullanılan entegrelerin cinsine göre değişir. Ben piyasada bol bulunan CMOS 4000 serisi entegreler kullanacağımdan 5 Mhz değeri maksimum ölçülen değer olarak kabul etmek gerekir.

Frekansmetre Nedir:

Frekansmetre ile ilgili bütün konularda frekansın tanımını esas almak gerekmektedir. Aynı şekilde sayısal (dijital) frekansmetre yapmak için de frekansın tanımını devre olarak aynen uygulamak gerekmektedir.

(Frekansla ilgili tanımlar için gerekli bilgiler "Dijital Elektronikle İlgili Yardımcı Bilgiler" başlıklı yazımda bulunmaktadır.)

FREKANS: 1 saniyedeki peryot sayısına frekans denir.

PERYOT: Tam devir yapmış dalga bir peryotluktur (devirliktir). Devrini tamamlayan dalgaya peryot denir.

PULSE: Yarım peryota pals denir. 1 peryotta birisi pozitif, diğeri negatif olmak üzere iki adet pals vardır.

Frekansın birimi: HERTZ vaya SAYKIL olarak belirtilir. Değerinin askatları yoktur, fakat üs katları vardır.

1 Hz (Hertz)
1 000 Hz = 1 KHz (Kilohertz)
1 000 000 Hz = 1 000 KHz = 1 MHz (Megahertz)
1 000 000 000 Hz = 1 000 000 KHz = 1 000 MHz = 1 GHz (Gigahertz) (yukarıya devam eder. terahertz gibi)

Yukarıdaki temel tanımlar bir frekansmetre yapmak için yeterlidir. Şimdi frekansmetreyi açıklayabiliriz

PREKANSMETRE: 1 saniyedeki peryot sayısını ölçen ölçü aletlerine frekansmetre denir.

Frekansmetre Nasıl Yapılır: Frekansmetre yapmak için 2 saniyelik, eşit palslı ve kare dalga bir peryot kullanılması yeterlidir. Bu peryotun pozitif ve negatif palsları birbirine eşit olmalıdır. Bu 2 saniyelik peryotun 1'er saniyelik iki adet palsından istediğimizi kullanarak bir frekans metre tasarımı yapabiliriz. Ayrıca yardımcı palslara da ihtiyacımız vardır. Bu yardımcı palslar, göstergeleri sayma esnasında tutma ve sayma işlemi bittiğinde sayacıları resetlemek (sıfırlamak) olmak üzere iki adet olması gerekmektedir. Biz burada temel ölçüm devresini esas alıyoruz. değişik aksesuar ve görüntü düzenleri için daha fazla palslar kullanılabilir. 2 saniyelik peryotta kullanacağımız pals değerini, öğrenmek istediğimiz sayıcılara girecek olan frekans için anahtar görevi gören devreyi çalıştıracaktır.

Peryotların Sayılması:

Salınımın olduğu bir teli bir anahtar kullanarak 1 saniye için açıp kapatırsak ve telden bu 1 saniyede geçen salınım miktarını sayarsak o telden o anda geçen peryot miktarını öğrenmiş oluruz. Böylece frekansı öğrenmiş oluruz..

İlk Aşama: Referans Frekansı ve Özellikleri:

Öncelikle referans frekansını elde etmek gerekmektedir. Bu, 2 saniyelik, eşit palslı ve kare dalga bir peryottur. Frekansı 1/2 hertzdir.

Bu referans frekansını ne şekilde elde ettiğimiz önemli değildir. Temel şart, kararlı ve kullanacağımız palsın 1 saniyesinin kesin olması gerekmektedir. Bu temel şart yerine getirilemezse ölçüm hatalı ve karasız olur. Bu istenen bir durum değildir. Bu frekansta kararlılığı sağlamak için kristal kontrollu osilatör devresi hazırlamak gerekmektedir. Bu tür devreler, TTL veya CMOS entegrelerle yapılabilir. Bizim vereceğimiz örnek CMOS, 4000 serisi entegrelerle olacaktır.

Şekil 1: Referans frekansı.

Referans frekansı ile saydırma palsı, ekrana aktarma palsı ve sayıcıları resetleme palsı elde edilmesi gerekmektedir.

Saydırma palsı

Ekrana aktarma palsı

Sayıcıları resetleme palsı

Şekil 2: Referans frekansı ile elde edilmesi gereken palslar.

Aşağıda birkaç devre önerilerim bulunmaktadır. Tabi ki, amaca ulaşmak şartıyla istenildiği gibi devre dizaynı yapılabilir.

Örnek 1: 4521 entgresi ve 4.194304 Mhz'lik kristal kullanılarak referans frekansı devresi yapılır. 4521 entegresi kristal osilatör devresi kullandığı gibi RC osilatör devresi de kullanır. Osilatörden elde edilen frekansı 18'den 24'e kadar bölerek çıkışa verir. Biz Q23 çıkışını (15 nolu uç) kullanarak kristalin frekans değerini 23'e bölerek 1/2 Hz'lik referans frekansını elde ediyoruz. 4521 entegresinin Q20 çıkışını (12 nolu uç, 4 Hz) diğer kontrolleri üretmek için 4022 entegresinin 15 nolu Clock (saat) giriş ucuna bağlıyoruz. 4022 bölücü/sayıcı entgresinin 7 nolu bacağındaki Q3 çıkışından sayıcıları resetlemek için ve 1 nolu bacağındaki Q1 çıkışından sayıcıların saydığı değeri ekrana aktarma uçlarını alıyoruz. 4521'in 2 nolu ve 4022'nin 15 nolu reset uçlarını ise frekansmetrenin genel reset (sıfırlama) ucuna bağladığımız gibi şaseye de bağlayabiliriz. Bu devrede, 4022'nin sayıcı resetleme ve ekrana aktarma uçlarını kullanacağımız sayıcı entegresine ve sayıcıların dizaynına göre seçilmelidir.

Şekil 3: 4521 entgresi ve 4.194304 Mhz'lik kristal kullanılan referans frekansı devresi

Örnek 2: 4011 entgresi kapılarıyla 1Mhz kristal kullanarak kristal kontrollu osilatör yapılır ve elde edilen 1 Mhz'lik frekans önce 2'ye bölünerek 500KHz elde edilir, sonra 500 KHz 10'a bölünerek 50 Khz elde edilir. 50 Khz 10'a bölünerek 5 Khz elde edilir. 5 Khz 10'a bölünerek 500 Hz elde edilir. 500 Hz 10'a bölünerek 50 Hz elde edilir. 50 Hz 10'a bölünerek 5 Hz elde edilir. Elde edilen 5 Hz'lik frekans son olarak bir defa daha 10'a bölünerek istediğimiz palsları elde ederiz. Bütün bölme işlemleri için 4017 entegresi kullanırız. Aşağıdaki şekilde uygulama örneği görülmektedir. Bu devrede, 4022'nin sayıcı resetleme ve ekrana aktarma uçlarını kullanacağımız sayıcı entegresine ve sayıcıların dizaynına göre seçilmelidir.

Şekil 4: 4011 ve 4017 ile gerçekleştirilen referans frekası devresi

İkinci Aşama: Peryotları kontrol altına alarak geçirmek

Örnek 1: Bunun için her bir palsı 1 saniye olan referans frekansı elde edildikten sonra, bu referans frekansı ile peryotların geçişi kontrollu olarak yapılır. Böylece frekans sayılmaya hazır hale getirilir. Yani 1 saniye geçirilen frekans 1 saniye bekletilir. Frekansın geçişi sırasında sayma işlemi yapılır, bekleme sırasında göstergelere aktarılır ve sayıcılar sıfırlanarak tekrar sayıma hazır hale getirilir. Düzenek böyle çalışır. Bu düzeneğin çalışması için referans frekansına ihtiyaç vardır. Bu referans frekansı ile ölçeceğimiz frekansı kıyaslayarak sonuca varırız. Bu türlü bir işlem için bir AND kapısı kullanılabilir.

Şekil 5: Referans frekansı ile sayılacak frekansın elde edilmesi.

Şekil 5'te kullanılan AND kapısı yerine 4053 entegresi de kullanılabilir.

Örnek 2: Örnek 1'deki işlemi sayıcıların üzerinde gerçekleştirilir. Sayma palsı ile 4510 sayıcı entegresi kullanıyorsanız, Clock Inhibit girişini kontrol edilir. 4518 entgresi kullanıyorsanız, Clock girişi kontrol edilir. diğer sayıcı entegrelerinin kullanımı durumunda yine benzer işlemler yapılır.

Üçüncü Aşama: Frekansı Saymak

Frekansı saymak için herhangibir sayıcı entegresi kullanmak yeterli. Burada amaca uygun sayıcı entegresi tercih etmekte fayda vardır. Sayıcı entegreyi sayma yetkilendirmesi için referans frekansından gelen sayma palsı ve sayma işlemini gerçekleştirmiş olan sayıcının sonraki sayma işlemi için sıfırlanmasını sağlayacak reset uçları kullanılır. Sayılan değer göstergelere aktarılmak üzere gösterge sürücü entegrelere aktarılır. Sayılan frekansın ilk girdiği entegre birler hanesini olusturur. diğerleri sırasıyla onlar hanesi, yüzler hanesi şeklinde gider.

Örnek 1: 4510 entegresi kullanarak frekansı saydırmak. Bu devrede sayılacak frekans 4510'un CLOCK girişine bağlanıyor. RESET uçları birleştirilerek referans devresinden gelen resetleme ucuna bağlanıyor. Sayma palsı ucu ise, CLOCK INHIBIT ucuna bağlanıyor. İlk entegrenin CARRY OUT çıkışı sonraki entegrenin CLOCK ucuna bağlanıyor. Q1, Q2, Q3, Q4 çıkışları ise gösterge sürücü entegrelere gidiyor.

Şekil 6: 4510 entegresi ile yapılan temel frekans sayma devresi.

Örnek 2: 4518 entegresi kullanarak frekansı saydırmak. Bu devrede sayılacak frekans 4518'un ENABLE girişine bağlanıyor. RESET uçları birleştirilerek referans devresinden gelen resetleme ucuna bağlanıyor. Sayma palsı ucu ise, CLOCK ucuna bağlanıyor. İlk entegrenin Q3 çıkışı sonraki entegrenin ENABLE ucuna bağlanıyor. Q1, Q2, Q3, Q4 çıkışları ise gösterge sürücü entegrelere gidiyor.

Şekil 7: 4518 entegresi ile yapılan temel frekans sayma devresi.

Dördüncü Aşama: Sayılan Frekansı Göstermek

Gösterge için seçtiğimiz tip göstergeye sürücü olan devremizin dizaynını etkiler. Gösterge olarak LED diplay kullanılabilir. Bu durunda 4543 entegresi bence en ideal entegredir. Hem KATOD display, hem ANOD display ve hem de likid kristal displayi sürer. 4511 entegresi veya diğer entegreler bu bölüm için fazlasıyla yeterlidir.

4543'ün 6 ve 7 nolu uçlarını şaseye bağlıyoruz. LATCH DİSABLE (1 nolu uç) ucunu ise referans frekansından gelen ekrana aktarma ucuna bağlıyoruz. QA....QG uçlarını displeye bağlıyoruz.

Şekil 8:4543 entegresi ile led displey sürme devresi.

Beşinci Aşama: Sayacağımız frekansı devremiz ile uyumlu hale getirmek için ön yükselteç (Preamplifikatör)

Frekansmetrelerde sayılacak olan giriş sinyali, öncelikle çek düşük gerilim değerine çekilir. Bu şekil 7'deki devrede iki adet 1N4148 diyotları ile yapılır. Sonraki aşamada sinyale FET (PN4303, BF245) vasıtasıyla çok yüksek kazanç uygulanır ve karedalga şekil elde edilir. Son aşamada ise, taransistörlü (BC337, BC547) kazanç devresiyle sürülerek kullanılır. Şekil 7'de en basit preamplifikatör devresi görülmektedir. Bu devre düşük frekasta yeterli gelmektedir. Girişine şebeke voltajı uygulanabilmektedir. Şebeke gibi gürültülü veya parazit yüklü bir noktanın frekansını ölçmek istediğinizde istenmeyen parazitler frekansmetrenin preamplifikatörünün hassasiyetine bağlı olarak yanlış sonuçlar verebilir. Mesela 50Hz'lik şebeke frekansı 2 kat ya da 4 kat fazla gösterebilir. Bu durumu dikkate alarak preamplifikatör hazırlamakta fayda var. Bizim devremizde, bu sorunu çözmek için BC337 transistörünün Beysi ile şase arasına 100nF değerinde kondansatör ilave etmek yeterli olmaktadır. Böylece parazitleri söndürmüş oluyoruz. Amacınıza uygun olabilecek değeri seçerek bu gibi sorunları çözebilirsiniz.

Şekil 9: Preamplifikatör devresi.

Frekansmetre Dizaynı Devre Örnekleri:

Aşağıdaki devrelerin ek dosyalarında PROTEUS ISIS programı ile çizilmiş şemaları ve çalışır durumda simulasyonları vardır. Böylece bir frekansmetre devresini detaylı inceleme imkanı vardır. Devre 1: Bu devre şekil 3'teki 4521 entegresi ile yapılan referans osilatörü ile çalışmaya uygun olarak tasarlanmıştır. 4521'in Q20 (12 nolu ucu) çıkışı 4022'nin CLOCK (14 nolu uç) ucuna bağkanacak. Bu uçtaki frekans 4 Hz'dir

Şekil 10: 4510, 5022 ve 4543 entegreleri ile düzenlenmiş frekansmetre prensip şeması.

Şekil 10'daki devrenin PROTEUS ISIS programı ile simülasyonu çalışır halde ektedir. indirmek için tıklayınız.

Devre 2: Bu devre şekil 4'deki 4017 entegresi ile yapılan referans osilatörü ile çalışmaya uygun olarak tasarlanmıştır. 4017'nin (U7) CARRY OUT (12 nolu ucu) çıkışı 4017'nin CLOCK (14 nolu uç) ucuna bağkanacak. Bu uçtaki frekans 5 Hz'dir

Şekil 11: 4510 4017 ve 4543 entegreleri ile düzenlenmiş frekansmetre prensip şeması.

Şekil 11'deki devrenin PROTEUS ISIS programı ile simülasyonu çalışır halde ektedir. indirmek için tıklayınız.

Devre 3: Bu devrede sayıcı entegre olarak 4518 entegresi kullanılmıştır. 4518 sayıcı entegresi içerieinde iki adet BCD sayıcı olduğundan kullanılacak entegre sayısı azalmakatadır. Çalışması açısından 4510 sayıcı entegresi kullanılan devreden bir farkı bulunmamaktadır. Bu devre şekil 4'deki 4017 entegresi ile yapılan referans osilatörü ile çalışmaya uygun olarak tasarlanmıştır. 4017'nin (U7) CARRY OUT (12 nolu ucu) çıkışı 4017'nin CLOCK (14 nolu uç) ucuna bağkanacak. Bu uçtaki frekans 5 Hz'dir.

Bu devrede kullanılan 4017 entegresi (U7) yerine 4022 entegresi kullanarak çalıştırılabilir. Bu değişiklik için referans frekansı osilatörü olarak şekil 3'teki devre kullanılır. Bu uygulama için, 4521'in Q20 (12 nolu ucu) çıkışı 4022'nin CLOCK (14 nolu uç) ucuna bağlantısı yapılacak. Bu uçtaki frekans 4 Hz'dir

Şekil 12: 4510 ve 4543 entegreleri ile düzenlenmiş frekansmetre prensip şeması.

Şekil 12'deki devrenin PROTEUS ISIS programı ile simülasyonu çalışır halde ektedir. indirmek için tıklayınız.

Devre 4: Bu sitede yayınlanan 74C926 Entegre Devreli Frekansmetre devresini inceleyiniz