Частотомер Mastech MS6100 обзор и апгрейд

Любой радиолюбитель занимающийся разработкой, ремонтом и настройкой высокочастотной техники должен иметь некоторый парк измерительных приборов. Среди таких приборов обязательно должен быть и частотомер. Конечно, можно пользоваться и встроенным частотомером, например, в осциллограф, но отельный прибор всегда предпочтительнее.

Ясное дело, что далеко не каждый радиолюбитель может позволить себе дорогое оборудование, но выход есть. Да, да, Китай как всегда спешит на помощь. Конечно техника из Китая достаточно дешевая, не очень надежная и точная, но тем не менее, это лучше чем совсем ничего. Кроме того, сделать ее чуть более точной, вполне в наших силах. Меня часто просят рассказать о том, чем я пользуюсь в своей лаборатории, и вот один из тех приборов, которые у меня есть.
Скажу сразу, плотно я этим частотомером не пользовался по причине его очень низкой стабильности. Он у меня просто был, стоял вместе с другими приборами и ждал своего часа. Точным прибором его никак назвать нельзя. Несмотря на то, что производитель заявляет наличие термокомпенсированного опорного генератора, фактически его там нет! У этого частотомера достаточно низкая чувствительность, сильный выбег частоты который проявляется по мере его прогрева, плюс достаточно дешевые комплектующие тоже не добавляют стабильности и надежности, однако это хорошая заготовка для апгрейда.

Коротко о частотомере
MS6100 это недорогой универсальный частотомер с диапазоном частот 10Гц – 1.3ГГц.

Выполнен частотомер в добротном пластиковом корпусе, почти по всем канонам пром. дизайна. Есть ручка для переноски и резинки на передней и задней частях. Кроме того, он довольно легкий.

Дисплей частотомера 8-и разрядный. Кроме индикации частоты здесь отображаются режимы работы. Кнопки под дисплеем служат для управления функциями частотомера, выбора частотного диапазона, времени счета и так далее.

Так же присутствуют не очень понятные функции вроде самодиагностики, которая при активации проверяет дисплей на исправность.

У частотомера два входа, один для измерения частоты от 10Hz до 100MHz (35pF, 1M, 250Vmax) и второй от 100МГц до 1300МГц (50Ом, 3Vmax).

Фактическая средняя чувствительность входов находится на уровне около 400мВ. Иными словами, для того, чтобы наш частотомер смог гарантированно измерить частоту нужна амплитуда сигнала не меньше 500мВ. Это конечно многовато и для измерения и тонкой настройки ГУНов или чего-то подобного он без внешнего усилителя не годится. Однако его вполне можно применять для измерения более мощных сигналов, например сигналов с выходных каскадов передатчиков, разумеется, используя проходной ВЧ ответвитель или хороший проходной аттенюатор.

Сзади находится разъем для подключения к сети переменного тока 220В, также заявлена возможность работы от сети 110-127В, для этого на задней стенке имеется переключатель.

Здесь же находится выход встроенного генератора на 10МГц. Вроде бы как он должен быть термостатированный и точный, но фактически это совсем не так, хотя производитель закатал его в металлический экран. И рядом пристроилась клемма для заземления прибора. Тоже бесполезная штука, поскольку просто подключена к PE разъему в шнуре питания. Главное достоинство этого частотомера это вместительный корпус, в который можно запихать еще один такой же частотомер.

Что же касается схемотехники, то это классический вариант частотомера который считает количество импульсов за определенный период времени. Точность такого прибора напрямую зависит от точности и стабильности опорного генератора. Кроме всего прочего, по набору функций и реализации, прибор напоминает чей-то дипломный проект, выполненный, в общем-то вполне добротно.

Вот собственно и все. Сам частотомер прост как 5 копеек, туп как валенок и опытные радиолюбители его бы безусловно забраковали. Однако цена в районе 100$ все-таки делает его привлекательным. Особенно если учесть, что его вполне можно немного доделать, чем мы и займемся. Оговорюсь сразу, что апгрейд довольно таки колхозный, но тем не менее положительный результат был достигнут, что в общем-то и требовалось.

Разбираемся со стабильностью и точностью

Главная претензией к этому частотомеру у меня одна. Это температурный дрейф и как следствие – низкая кратковременная и долговременная стабильность. Корпус у него без вентиляции и о каком-либо постоянстве температуры говорить особенно не приходится. Вернее, если прибор стоит на столе и вы готовы прогревать его в течении нескольких часов перед использованием, тогда вопросов нет, однако держать его постоянно включенным или работать в подобном режиме, мне не удобно.
Зачем так сделано, вполне понятно. Для сохранения низкой цены производитель сэкономил много на чем. В хороших частотомерах в качестве опоры устанавливают высокоточные термоатстированные (OCXO, TCXO) генераторы которые достаточно дорого стоят и цена нашего Mastech MS6100 после установки хорошего опорного генератора была бы уже далеко не 5000р., как сейчас, а минимум, выше раза в два.

Как мы знаем, точность простого частотомера, коим и является наш MS6100 определяется главным образом как раз точностью и стабильностью его опорного генератора. Иными словами Точность = Точность опоры (ppm) х Частота (Гц) +/- 1. Допустим, если наш кварц имеет точность 20ppm (фактически так примерно и есть), то на частоте 10МГц максимальный разброс частоты будет +/- 200Гц, что уже не мало. А если мы заберемся выше по частоте, до 100МГц, то разброс уже будет около 2кГц. На 400МГц точность будет +/- 8кГц не хилая ошибка набегает, естественно для точных измерений такой прибор совершенно не подходит

Как можно это улучшить? Достаточно просто. Нужно просто применить более дорогой и стабильный генератор, с точностью хотя бы 1 а лучше еще меньше ppm.

Для любознательных, что же такое эти PPM?

Известно, что генераторы и другие эталонные источники частоты часто указывают свою точность не в процентах и не в Герцах, а в единицах – ppm. К примеру +/-12 ppm, +/-50 ppm и т. п. Что означают эти единицы ppm, и как по ним определить допустимый уход частоты от номинала?

В данном случае аббревиатура ppm означает, количество миллионных частей (Parts Per Million) от какой-то средней величины. По аналогии с процентами – проценты означают количество сотых частей от величины, процентов то всего 100, а тут количество миллионных частей величины. То есть, к примеру, погрешность 100 ppm для 100 МГц означает уход частоты на 100/1000000 частей от 100 МГц. Таким образом, частота может уйти на 100000000 * 100 / 1000000 = 10 кГц, то есть результирующая частота может быть любой в диапазоне 99.99 .. 100.01 МГц.

Когда величина ppm указана с префиксом +/-, то это означает пиковый (максимальный) уход частоты. Формула, с помощью которой вычисляют уход частоты по значению ppm, следующая:

dF = ( F * ppm ) / 1000000;

Где F это средняя частота в Гц, dF пиковый уход частоты в Гц.

Апгрейд опорного генератора

Для апгрейда мне удалось раздобыть на eBay термокомпенсированный генератор (TCXO) c точностью около 1ppm (как показала практика, это значение даже несколько ниже заявленного), это значительно улучшит характеристики нашего частотомера.

Еще раз прикинем, если наш новый генератор имеет точность 1ppm, то на частоте 10МГц максимальный разброс частоты будет +/- 10Гц, уже не так плохо. На 100МГц, то разброс уже будет около 100Гц. На 400МГц точность будет +/- 400Гц, конечно не супер, но уже сильно лучше чем было. Этого уже достаточно для того, чтобы худо-бедно настраивать КВ технику. Фактический же разброс будет несколько ниже, поскольку производитель обычно отбраковывает свои устройства с некоторым запасом, так что после прогрева и в нормальных условиях уже можно вполне помечтать и о 0,5 ppm кратковременной стабильности. Единственное что мне не нравится в таких генераторах, это заметные фазовые шумы, что тоже немаловажно при точных измерениях. Увы, производитель их не указывает, а мне измерить их нечем.

Сам генератор я обрамил вот в такую плату найденную на eBay с питанием и делителем частоты на логике.

Генератор у нас на 16МГц, а для работы частотомера нужно всего 8МГц, так что будем делить частоту на два. Хитрые китайцы решили почему-то, что так удобнее и сделали опору не на 5МГц, не на 10МГц, а на 8МГц. Вот так, и генератор под эту частоту найти проблема, и внешнюю стандартную опору не подключить. Однако вернемся к нашей плате. Она предназначена для замены оригинальных мастерклоков всяческих CD-плееров. Есть особая категория людей именуемых аудиофилами, и именно для них промышленность выпускает подобные штуки, зарабатывая при этом сумасшедшие деньги.

В данном случае мои задачи почти совпадают с аудиофильскими и этот блок можно будет легко применить в нашем частотомере для замены штатного генератора на дешевом кварце, на этот не очень дешевый термокомпенсированный генератор.

В эту плату можно впаять, кстати, и полноценный OCXO на 5В, но они жутко дороги, а я далеко не олигарх, кроме того на мой взгляд овчинка выделки не стоит.

Для проверки и калибровки частотомера после внедрения TCXO необходим эталон частоты, по которому можно будет настроить наш новый опорный генератор. Для этого в моей лаборатории есть рубидиевый стандарт частоты FE-5680A на 10МГц.

Его точность можно принять за абсолютную, поскольку похожие стандартны, используются для работы атомных часов на земле и в космосе (конкретно этот работал в сетях сотовой связи). Нашел его тоже, не поверите, на eBay.

Последняя проверка перед внедрением нового сердца, частотомер прогрет (на дисплее частота сигнала от стандарта). При старте на холодную была частота 9999.945. Выбег около 70Гц. Многовато.

Для начала нам необходимо удалить элементы старого опорного генератора, это сам кварц, резистор, конденсатор и построечный конденсатор, они нам больше не нужны.

Монтируем плату опорника рядом с основной. Тут, производитель корпуса очень кстати сделал отлив, который можно использовать вместо одной из ножек, для крепления нашего нового генератора.

Припаиваем питание нашего опорного генератора к основной плате. Питать ее можно как постоянным, так и переменным напряжением. Диодный мостик уже встроен.

Подключаем нашу опору к микроконтроллеру.

Для этого можно использовать кабель типа RG-174 непосредственно от встроенного опорника 10МГц (он нам все равно не особенно нужен). Подключаем генератор к 22 ножке. Я подключил опорный генератор через RC цепочку из резистора 2,2кОм и конденсатора 10пФ. Дело в том, что генератор дает на выходе логики не синус, а меандр и нам его нужно хотя бы немного привести к синусу. Быстрее всего и проще сделать это при помощи интегрирующей RC цепочки. После этого можно включить частотомер и проконтролировать стабильность работы.

Проверять частотомер будем рубидием. Кстати говоря, с завода TCXO откалиброван очень хорошо.

Как видите, наклейка закрывающая подстроечный элемент все еще на месте. Такую же плату можно установить и для опорного генератора на 10МГц, что я в будущем и планирую сделать. Штатный встроенный генератор на логике можно отключить.

После сборки необходимо частотомер прогреть в течении нескольких часов, а лучше суток и наблюдать за поведением и стабильностью частоты нашей опоры. Я оставлял его включенным на несколько суток, и только после этого все параметры более-менее стабилизировались, так что не торопитесь. Однако, при необходимости можно наклейку оторвать и откорректировать частоту опорного генератора для достижения наилучшего результата. В итоге вместо штатного выбега в 60-70Гц, я получил всего 1-2Гц. Это, как мне кажется, значительный прогресс!

После калибровки, проверяем частотомер на всех режимах. Как задачу максимум я подал на вход сигнал 1ГГц с монитора Rohde&Schwarz CMS52.

Если считать, что монитор откалиброван идеально, то получается, что у нас набежала ошибка всего в 200-300Гц. Что очень похоже на 0.2-0.3ppm. Совсем не плохо!

Для того, чтобы каждый раз не залезать внутрь корпуса, я в верхней крышке сделал аккуратное отверстие под пластиковую отвертку для оперативного доступа к опорному генератору.

Возможно, в будущем я заменю этот достаточно дешевый, пусть и термокомпенсированный генератор на что-то еще более стабильное. Академиков в области метрологии прошу строго не судить ибо не часто приходится заниматься подобными вещами. Кроме того, прошу воздержаться от комментариве вроде: “Надо купить нормальный частотомер и не заниматься ерундой”. Я это и сам прекрасно знаю, но как я уже писал,  финансах я ограничен и довольствуюсь тем что есть. В любом случае, надеюсь мой опыт будет кому-нибудь полезен.

Всем удачи, 55, 73!