Построенный . Он позволяет измерять частоты до 10 МГц в четырех автоматически переключаемых диапазонах. Наименьший диапазон имеет разрешение 1 Гц.
Технические характеристики частотомера
- Диапазон 1: 9,999 кГц, разрешение 1 Гц.
- Диапазон 2: 99,99 кГц, разрешение до 10 Гц.
- Диапазон 3: 999.9 кГц, разрешение до 100 Гц.
- Диапазон 4: 9999 кГц, разрешение до 1 кГц.
Описание частотомера на микроконтроллере
Микроконтроллер Attiny2313 работает от внешнего кварцевого генератора с тактовой частотой 20 МГц (это максимально допустимая частота). Точность измерения частотомера определяется точностью данного кварца. Минимальная длина полупериода измеряемого сигнала должна быть больше, чем период кварцевого генератора (это связано с ограничениями архитектуры микроконтроллера ATtiny2313). Следовательно, 50 процентов от тактовой частоты генератора составляет 10 МГц (это максимальное значение измеряемой частоты).
Установка фьюзов (в PonyProg):
Представленный в данной статье частотомер позволяет измерять частоту от 10 Гц до 60 МГц с точностью 10 Гц. Это позволяет использовать данный прибор для самого широкого применения, например измерять частоту задающего генератора, радио приёмника и передатчика, функционального генератора, кварцевого резонатора и др. Частотомер обеспечивает хорошие параметры и обладает хорошей входной чувствительностью, благодаря наличию усилителя и TTL-преобразователя. Это позволяет измерять частоту кварцевых резонаторов. Если использовать дополнительный делитель частоты, максимальная частота измерения может достигать 1 ГГц и выше.
Идея частотомера на микроконтроллере PIC, возникла у меня после прочтения апнота AN592 фирмы Microchip, где описывается измерение частоты на PIC и представлена программа. Я разработал схему и написал программу, в которой улучшил точность измерения, а значение частоты отображается на LCD-экранчике. Получился довольно простой и эффективный частотомер.
Схема частотомера довольно простая, большинство функций выполняет микроконтроллер. Единственное, для микроконтроллера необходим усилительный каскад, чтобы увеличить входное напряжения с 200-300 мВ до 3 В. Транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, обеспечивает псевдо-TTL сигнал, поступающий на вход микроконтроллера.
В качестве транзистора необходим какой-нибудь "быстрый" транзистор, я применил BFR91 (отечественный аналог КТ3198В).
Напряжение V кэ устанавливается на уровне 1.8-2.2 вольта резистором R3* на схеме. У меня это 10 кОм, однако может потребоваться корректировка. Напряжение с коллектора транзистора прикладывается к входу счетчика/таймера микроконтроллера PIC, через последовательное сопротивление 470 Ом. Для выключения измерения, в PIC задействываются встроенные pull-down резисторы.
В PIC реализован 32-битный счетчик, частично аппаратно, частично софтово. Подсчет начинается после того, как выключаются встроенные pull-down резисторы микроконтроллера, продолжительность составляет точно 0.4 секунды. По истечении этого времени, PIC делит полученное число на 4, после чего прибавляет или отнимает соответствующую промежуточную частоту, для получения реальной частоты. Полученная частота конвертируется для отображения на дисплее.
Калибровка
Для того, чтобы частотомер работал правильно, его необходимо откалибровать. Проще всего это сделать так: подключить источник импульсов с заранее точно известной частотой и вращая подстроечный конденсатор выставить необходимые показания.
Если данный метод не подходит, то можно воспользоваться "грубой калибровкой". Для этого, выключите питание прибора, а 10 ножку микроконтроллера подсоедините на GND. Затем, включите питание. МК будет измерять и отображать внутреннюю частоту. Если вы не можете подстроить отображаемую частоту (путем подстройки конденсатора 33 пФ), то кратковременно подсоедините вывод 12 или 13 МК к GND. Возможно, что это нужно будет сделать несколько раз, т.к. программа проверяет эти выводы только один раз за каждое измерение (0.4 сек). После калибровки, отключите 10 ногу микроконтроллера от GND, не выключая при этом питания прибора, чтобы сохранить данные в энергонезависимой памяти МК.
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| МК PIC 8-бит | PIC18F84J11 | 1 | В блокнот | |||
| Линейный регулятор | LM7805 | 1 | В блокнот | |||
| Транзистор | BFR91 | 1 | В блокнот | |||
| Выпрямительный диод | 1N4007 | 1 | В блокнот | |||
| Конденсатор | 1 мкФ | 1 | В блокнот | |||
| 10 мкФ | 1 | В блокнот | ||||
| Электролитический конденсатор | 1 мкФ | 1 | В блокнот | |||
| Конденсатор | 0.1 мкФ | 1 | В блокнот | |||
| Конденсатор | 33 пФ | 1 | В блокнот | |||
| Конденсатор подстроечный | 33 пФ | 1 | В блокнот | |||
| Резистор | 470 Ом | 2 | В блокнот | |||
| Резистор | 10 кОм | 1 | Подбор | В блокнот | ||
| Резистор | 10 кОм | 1 | В блокнот | |||
| Переменный резистор | 10 кОм | 2 |
На разработку конструкции толкнуло прочитанное на форуме по DDS замечание, что должны бы существовать и другие высокочастотные делители кроме серий 193 и 500, а также своевременно увиденная схема нового синтезатора для FM2006. После экспериментов родился простой частотомер на микросхемах LMX 2306, ATtiny 2313 и знакосинтезирующим жидкокристаллическом индикаторе BC 1602 со следующими характеристиками:
- Диапазон измеряемых частот от 300 Гц до 450 МГц
- Чувствительность от 50 мВ до 200 мВ
- Минимальный шаг измерения:
- В диапазоне от 300 Гц до 4,5МГц 1 Гц
- В диапазоне от 4,5 МГц до 80 МГц 25 Гц
- В диапазоне от 80 МГц до 450 МГц 100 Гц
- Время измерения 0,1 сек / 1 сек
- Точность измерения не хуже 0,007%
- Напряжение питания 9В…15В
- Ток потребления (без подсветки индикатора) 20 мА
Описание и настройка схемы (рис.1 ).
Сигнал со входа F поступает на усилительный каскад на транзисторе VT1 с которого расходится на программируемый высокочастотный делитель, входящий в состав микросхемы DD1, а также на движковый переключатель SA1, которым выбирается диапазон измерения (до 4,5МГц / выше 4,5 МГц). Далее сигнал дополнительно усиливается и поступает на микросхему DD2, которая выполняет счет частоты, вывод данных на ЖКИ и управление микросхемой DD1. Питание схемы обеспечивает стабилизатор DA1.
Переключателем SA2 выбирается время счета и соответственно точность измерения. Кнопкой SB1 проводят калибровку частотомера. Для этого на вход F подают образцовую частоту 1 МГц и нажав на SB1 удерживают ее до получения на дисплее ЖКИ показаний максимально близких к 1 МГц. В дальнейшем калибровку можно не проводить.
Также можно использовать стандартную процедуру настройки, подав на вход F любую образцовую частоту и подбором C9 и C10 добиться нужных показаний ЖКИ.
Цепочка D1, R5, R6, C7 совместно с каскадом на транзисторе VT2 расширяет выходящие с микросхемы DD1 импульсы. При подаче на вход F максимально возможной частоты, но не более 450 МГц, подбором резистора R5 добиваются устойчивых показаний ЖКИ (если осциллограф подключить к 9 ножке DD2 – должно быть что-то близкое к меандру). Конденсатор C7 в собранной нами конструкции переместился на коллектор VT2.
Разъем Prog служит для внутрисхемного программирования ATtiny 2313. Если же микросхема будет прошита в программаторе, то разъем не впаивается. Микросхему лучше установить в панельку.
Детали.
Постоянные резисторы и керамические конденсаторы типоразмера 0805 (поверхностный монтаж). Транзистор VT1 КТ368 заменим на КТ399, VT2 КТ368 – на менее высокочастотный КТ315 (с корректировкой платы). Микросхема DD2 ATtiny 2313-20 (с тактовой частотой до 20 МГц) в DIP корпусе установлена со стороны печатных проводников. DA1 (устанавливается также со стороны печати) - любой 5-ти вольтовый стабилизатор с током более 1 А, но если не использовать подсветку ЖКИ, то можно применить и слаботочный 78L05. Кварцевый резонатор Q1 – 11,0592 МГц в любом исполнении. Переключатели SA1 и SA2 – B1561(DPDT) или SS21 с длиной рычажка более 5 мм. Кнопка тактовая SB1 – TS-A1PS (TS-A2PS, TS-A3PS, TS-A4PS, TS-A6PS). Индикатор BC1602 или BC1601, BC1604, а также подобный с контроллером HD-44780 других фирм изготовителей. Проверять соответствие выводов обязательно! Диод VD2 1N4007 заменим на любой с подходящим рабочим током. Разъем питания – серии AUB 3,5 мм стерео или подобный с некоторой корректировкой платы. Для подачи питания используется любой маломощный сетевой адаптер с подходящим напряжением. Сигнал на плату подается по одножильному проводу диаметром примерно 0,8 мм и длиной 5-8 см.
Можно исключить из схемы C4, R4 и переключатель SA1, подключив C8 перемычкой к базе VT2. 6 ножка DD2 должна висеть в воздухе. В таком варианте нижней граничной частотой становится 1,5 МГц.
Печатная плата разведена в Sprint-Layout и изготовлена из одностороннего фольгированного стеклотекстолита (рис. 2 ).
Конструктивно прибор состоит из дисплея, образованного семью 7-сегментными светодиодными индикаторами, микроконтроллера и нескольких транзисторов и резисторов. Микроконтроллер выполняет все необходимые функции, поэтому применение каких-либо дополнительных микросхем не требуется.
Принципиальная схема прибора достаточно проста и изображена на Рисунке 2. Проект в формате Eagle (принципиальная схема и печатная плата) доступен для скачивания в секции загрузок.
Выполняемые микроконтроллером задачи просты и очевидны: подсчет количества импульсов на входе за 1 секунду и отображение результата на 7-разрядном индикаторе. Самый важный момент здесь - это точность задающего генератора (временная база), которая обеспечивается встроенным 16-разрядным таймером Timer1 в режиме очистки по совпадению (CTC mode). Второй, 8-разрядный, таймер-счетчик работает в режиме подсчета количества импульсов на своем входе T0. Каждые 256 импульсов вызывают прерывание, обработчик которого инкрементирует значение коэффициента. Когда с помощью 16-разрядного таймера достигается длительность 1 с, происходит прерывание, но в этом случае в обработчике прерывания коэффициент умножается на 256 (сдвиг влево на 8 бит). Остальное количество импульсов, зарегестрированное счетчиком, добавляется к результату умножения. Полученное значение затем разбивается на отдельные цифры, которые отображаются на отдельном индикаторе в соответствующем разряде. После этого, непосредственно перед выходом из обработчика прерывания, оба счетчика одновременно сбрасываются и цикл измерения повторяется. В «свободное время» микроконтроллер занимается выводом информации на индикатор методом мультиплексирования. В исходном коде программы микроконтроллера автор дал дополнительные комментарии, которые помогут детально разобраться в алгоритме работы микроконтроллера.
Разрешение и точность измерений
Точность измерений зависит от источника тактовой частоты для микроконтроллера. Сам по себе программный код может вносить погрешность (добавление одного импульса) на высоких частотах, но это практически не влияет на результат измерений. Кварцевый резонатор, который используется в приборе, должен быть хорошего качества и иметь минимальную погрешность. Наилучшим выбором будет резонатор, частота которого делится на 1024, например 16 МГц или 22.1184 МГц. Чтобы получить диапазон измерения до 10 МГц необходимо использовать кварцевый резонатор на частоту 21 МГц и выше (для 16 МГц, как на схеме, диапазон измерений становится немного ниже 8 МГц). Кварцевый резонатор на частоту 22.1184 МГц идеально подходит для нашего прибора, однако приобретение именно такого с минимальной погрешностью для многих радиолюбителей будет сложной задачей. В таком случае можно использовать кварцевый резонатор на другую частоту (например, 25 МГц), но необходимо выполнить процедуру калибровки задающего генератора с помощью осциллографа с поддержкой аппаратных измерений и подстроечного конденсатора в цепи кварцевого резонатора (Рисунок 3, 4).
В секции загрузок доступны для скачивания несколько вариантов прошивок для различных кварцевых резонаторов, но пользователи могут скомпилировать прошивку под имеющийся кварцевый резонатор самостоятельно (см. комментарии в исходном коде).
Входной сигнал
В общем случае на вход прибора может подаваться сигнал любой формы с амплитудой 0 … 5 В, а не только прямоугольные импульсы. Можно подавать синусоидальный или треугольный сигнал; импульс определяется по спадающему фронту на уровне 0.8 В. Обратите внимание: вход частотомера не защищен от высокого напряжения и не подтянут к питанию, это вход с высоким сопротивлением, не нагружающим исследуемую цепь. Диапазон измерений может быть расширен до 100 МГц с разрешением 10 Гц, если применить на входе соответствующий высокоскоростной делитель частоты.
Дисплей
В приборе в качестве дисплея используются семь светодиодных 7-сегментных индикаторов с общим анодом. Если яркость свечения индикаторов будет недостаточной, можно изменить номинал резисторов, ограничивающих ток через сегменты. Однако не забывайте, что величина импульсного тока для каждого вывода микроконтроллера не должна превышать 40 мА (индикаторы тоже имеют свой рабочий ток, о его величине не стоит забывать). На схеме автор указал номинал этих резисторов 100 Ом. Незначимые нули при отображении результата измерения гасятся, что делает считывание показаний более комфортным.
Печатная плата
Двухсторонняя печатная плата имеет размеры 109 × 23 мм. В бесплатной версии среды проектирования печатных плат Eagle в библиотеке компонентов отсутствуют семисегментные светодиодные индикаторы, поэтому они были нарисованы автором вручную. Как видно на фотографиях (Рисунки 5, 6, 7) авторского варианта печатной платы, дополнительно необходимо выполнить несколько соединений монтажным проводом. Одно соединение на лицевой стороне платы - питание на вывод Vcc микроконтроллера (через отверстие в плате). Еще два соединения на нижней стороне платы, которые используются для подключения выводов сегмента десятичной точки индикаторов в 4 и 7 разряде через резисторы 330 Ом на «землю». Для внутрисхемного программирования микроконтроллера автор использовал 6-выводный разъем (на схеме это разъем изображен в виде составного JP3 и JP4), расположенный в верхней части печатной платы. Этот разъем не обязательно припаивать к плате, микроконтроллер можно запрограммировать любым доступным способом.
Загрузки
Принципиальная схема и рисунок печтаной платы, исходный код и прошивки микроконтроллера -
Данный прибор предназначен для измерения частоты в пределах 0-9999 Гц, но при использовании делителя частоты на входе этот диапазон соответствующим образом расширяется. Максимальное входное напряжение – 3V, при условии, что отсутствует дополнительный делитель напряжения, минимальное 0,15V, так же при условии что он отсутствует. Максимальную частоту измерения можно расширить посредством изменения программного кода, но об этом позже.
Схема прибора относительно простая и изображена ниже:
В основе схемы – 8-ми битный микроконтроллер производства , Atmega8A-PU. Для тактирования ядра микроконтроллера применен генератор с внешним кварцевым резонатором. Выбор такого генератора обусловлен требованиями к стабильности частоты последнего. В качестве индикатора применен семисегментный четырехразрядный LED индикатор с общим анодом и динамической индикацией. Ток сегментов индикатора не ограничивается резисторами, так как применена динамическая индикация, и естественно ток импульсный, который сегменты индикатора с успехом выдерживают, так как и порт микроконтроллера. Входной узел выполнен на элементах R2, D1, D2, C3, R3, R4, R1, Q1. Этот узел обеспечивает усиление/ограничение сигналов, поступающих на его вход (резистор и диоды на входе частотомера ограничивают входной сигнал, транзистор отвечает за усиление сигнала до ТТЛ уровня). Печатная плата устройства так же не сложная. Она изготавливается из одностороннего фольгированного материала (изначально планировалось сделать из двухстороннего, но в наличии его не нашлось, поэтому остановился на односторонней). Топология платы представлена ниже.
Что касается программы для микроконтроллера, то она была разработана в среде (файл проекта прилагается). Для подсчета импульсов я использовал прерывания по входу INT0 микроконтроллера, а для ограничения времени счета – прерывания таймера TMR0. Так как на этом таймере стоит предделитель с коэффициентом деления 1/256 (в силу того что он восьмиразрядный), то расчет частоты прерываний производится так:Fпрер.=F ген.÷256÷поргр. дел. В своей конструкции я выбрал частоту прерываний в 200 Гц. Как я уже писал выше, частоту измерения можно увеличить. Для этого нужно лишь ограничить время измерения. Это делается посредством изменения числа 200 на 2(время измерения не 1с а 10мс, граничная частота 99 999Гц), в коде, как показано на рисунке в исходнике на С.
Для программирования микроконтроллера я использовал параллельный программатор. Как видите, в моей конструкции вывод внешнего сброса используется как обычный порт. Если у вас нет параллельного программатора, то вот вариант схемы, где используется порт D микроконтроллера, и необходимость в использовании пина RESET как обычного порта вывода отпадает.
Вот пример выставления фузов в программе :
Вот схема варианта частотомера с использование RESET по прямому назначению:
А так же вот топология платы для второго варианта схемы:
Для питания схемы используется стабилизированный источник питания на напряжения 5V (я использовал компьютерный БП, поэтому никаких стабилизирующих элементов в схеме нет).
В данной схеме нет дефицитных деталей, но список замен и аналогов все же перечислю. Так микроконтроллер Atmega8A-PU можно заменить на аналогичный Atmega8-16PU (кстати, последний более предпочтителен). Резисторы можно взять на мощность 0,125 Вт, за исключением R2, его лучше взять на 0,5 Вт. Конденсаторы – для генератора дисковые, керамические, а для входного блока – любой, подходящий по параметрам. Транзистор можно заменить на отечественный КТ3102 (как показали опыты у КТ315 слишком мал коэффициент передачи тока h21Э). Светодиодный индикатор можно взять любой, подходящий по размерам (а они не критичны). Кварцевый резонатор использован на частоту 3267800Гц (3,2768МГц).
Фотографии готового устройства показаны ниже.
На первом фото видно резистор, который подключен к питу RESET МК (остался с проверки второй прошивки, со сбросом).
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| U1 | МК AVR 8-бит | ATmega8A | 1 | ATmega 8-16 PU | В блокнот | |
| Q1 | Биполярный транзистор | КТ3102 | 1 | 2N3390 | В блокнот | |
| VD1, VD2 | Выпрямительный диод | 1N4148 | 2 | В блокнот | ||
| С1, С2 | Конденсатор | 27 пФ | 2 | В блокнот | ||
| С3 | Конденсатор | 22 нФ | 1 | В блокнот | ||
| R1, R4 | Резистор | 470 Ом | 2 | В блокнот | ||
| R2 | Резистор | 100 Ом | 1 |
Loading...