Одним из приборов-помощников радиолюбителя должен быть частотомер. С его помощью легко обнаружить неисправность генератора, измерить и подстроить частоту. Генераторы очень часто встречаются в схемах. Это приемники и передатчики, часы и частотомеры, металлоискатели и различные автоматы световых эффектов…
Особенно удобно пользоваться частотомером для подстройки частоты, например при перестройки радиостанций, приёмников или настройки металлоискателя.
Один из таких несложных наборов я недорого приобрёл на сайте китайского магазина здесь: GEARBEST.com
Набор содержит:
- 1 x PCB board (печатная плата);
- 1 x микроконтроллер PIC16F628A;
- 9 x 1 кОм резистор;
- 2 x 10 кОм резистор;
- 1 x 100 кОм резистор;
- 4 x диоды;
- 3 x транзисторы S9014, 7550, S9018;
- 4 x конденсаторы;
- 1 x переменный конденсатор;
- 1 x кнопка;
- 1 x DC разъём;
- 1 x 20МГц кварц;
- 5 x цифровые индикаторы.
Описание частотомера
- Диапазон измеряемых частот: от 1 Гц до 50 МГц;
- Позволяет измерять частоты кварцевых резонаторов;
- Точность разрешение 5 (например 0,0050 кГц; 4,5765 МГц; 11,059 МГц);
- Автоматическое переключение диапазонов измерения частоты;
- Режим энергосбережения (если нет изменения показаний частоты — автоматически выключается дисплей и на короткое время включается;
- Для питания Вы можете использовать интерфейс USB или внешний источник питания от 5 до 9 В;
- Потребляемый ток в режиме ожидания — 11 мА
Схема содержит небольшое количество элементов. Установка проста — все компоненты впаиваются согласно надписям на печатной плате.
Мелкие радиодетали, разъемы и т.п. упакованы в небольшие пакетики с защелкой. Индикаторы, микросхема и её панелька для исключения повреждений ножек вставлены в пенопласт.
Принципиальная схема частотомера
Напряжение на выводах микроконтроллера
(измерения мультиметром)
Генератор для проверки кварцев
Приступаем к сборке
Высыпаем на стол содержимое пакета. Внутри находятся печатная плата, сопротивления, конденсаторы, диоды, транзисторы, разъемы, микросхема с панелькой и индикаторы.
Ну и вид на весь набор в полностью разложенном виде.
Теперь можно перейти к собственно сборке данного конструктора, а заодно попробовать разобраться, на сколько это сложно.
Я начинал сборку с установки пассивных элементов: резисторов, конденсаторов и разъёмов. При монтаже резисторов следует немного узнать об их цветовой маркировке из предыдущей статьи. Дело в том, что резисторы очень мелкие, а при таких размерах цветовая маркировка очень плохо читается (чем меньше площадь закрашенного участка, тем сложнее определить цвет) и поэтому также посоветую просто измерить сопротивление резисторов при помощи мультиметра. И результат будем знать и за одно его исправность.
Конденсаторы маркируются также как и резисторы.
Первые две цифры - число, третья цифра - количество нулей после числа.
Получившийся результат равен емкости в пикофарадах.
Но на этой плате есть конденсаторы, не попадающие под эту маркировку, это номиналы 1, 3 и 22 пФ.
Они маркируются просто указанием емкости так как емкость меньше 100 пФ, т.е. меньше трехзначного числа.
Резисторы и керамические конденсаторы можно впаивать любой стороной — здесь полярности нет.
Выводы резисторов и конденсаторов я загибал, чтобы компонент не выпал, лишнее откусывал, а затем опаивал паяльником.
Немного рассмотрим такой компонент, как — подстроечный конденсатор. Это конденсатор, ёмкость которого можно изменять в небольших пределах (обычно 10-50пФ). Это элемент тоже неполярный, но иногда имеет значение как его впаивать. Конденсатор содержит шлиц под отвертку (типа головки маленького винтика), который имеет электрическое соединение с одним из выводов. Чтобы было меньше влияния отвертки на параметры цепи, надо впаивать его так, чтобы вывод соединенный со шлицом, соединялся с общей шиной платы.
Разъемы — сложная часть в плане пайки. Сложная не точностью или малогабаритностью компонента, а наоборот, иногда место пайки тяжело прогреть, плохо облуживается. Потому нужно ножки разъёмов дополнительно почистить и облудить.
Теперь впаиваем кварцевый резонатор, он изготовлен под частоту 20МГц, полярности также не имеет, но под него лучше подложить диэлектрическую шайбочку или приклеить кусочек скотча, так как корпус у него металлический и он лежит на дорожках. Плата покрыла защитной маской, но я как то привык делать какую нибудь подложку в таких случаях, для безопасности.
Длительность пайки каждой ножки не должна превышать 2 сек! Между пайками ножек должно пройти не менее 3 сек на остывание.
Ну вот собственно и всё!
Теперь осталось смыть остатки канифоли щёткой со спиртом.
Теперь красивее 🙂
Осталось правильно вставить микросхему в свою «кроватку» и подключить питание к схеме.
Питание должно быть В пределах от 5 до 9 В — постоянное стабилизированное без пульсаций. (В схеме нет ни одного эл.конденсатора по питанию.)
Не забудьте у микросхемы есть с торца ключ — он располагается у вывода №1! Не следует полагаться на надпись названия микросхемы — она может быть написана и к верх ногами.
При подключении питания и отсутствия сигнала на входе высвечивается 0 .
Первым делом нашёл кучу кварцев и начал проверять. Следует отметить, что частота кварца, например 32,768 кГц не может быть измерена, т.к. измерение ограничивается в диапазоне от 1 МГц.
Можно измерить, например 48 МГц, но следует иметь ввиду, что будет измерены гармонические колебания кварцевого генератора. Так 48 МГц будет измерена основная частота 16 МГц.
Подстроечным конденсатором можно подстроить показания частотомера по эталонному генератору или сравнить с заводским частотомером.
Режим программирования частотомера позволяет вычесть четыре основные запрограммированные ПЧ частоты 455 кГц; 3,9990 МГц; 4,1943 МГц; 4,4336 МГц; 10,700 Гц, а также любую собственную частоту.
Таблица алгоритма програмирования
Чтобы войти в режим программирования (Prog ) нужно нажать и удерживать кнопку в течении 1-2 сек.
Затем нажимаем кнопку и поочередно пролистываем меню:
«Quit » — «Выход »: прерывает режим программирования, ничего не сохраняя.
«Add » — «Добавление »: сохранение измеренной частоты и в дальнейшем эта частота будет складываться с измеряемыми частотами.
«Sub » — «Вычитание »: сохранение измеренной частоты и в дальнейшем она будет вычитаться с измеряемыми частотами.
«Zero «- «Ноль » — обнуляет все ранее запрограммированные значения.
«table » — «Таблица «: в этой таблице можно выбрать основные запрограммированные частоты 455 кГц; 3,9990 МГц; 4,1943 МГц; 4,4336 МГц; 10,700 Гц. После выбора записи (длительное нажатие), вы вернетесь в «Главное меню» и выберите пункт «Add » — «добавить » или «Sub » — «убавить «.
«PSave » / «NoPSV «: включает / отключает режим энергосбережения. Дисплей отключается если нет изменения частоты некоторое время.
Если показания сильно отличаются, то возможно включена предустановка. Чтобы её отключить войдите в режим программирования и затем нажимая кнопку выберите «Zero» и удерживайте пока не начнёт мигать, затем отпустите её.
Интересный обучающий конструктор. Собрать частотомер под силу даже начинающему радиолюбителю.
Качественно изготовленная печатная плата, прочное защитное покрытие, небольшое количество деталей благодаря программируемому микроконтроллеру.
Конструктор приятно порадовал, я считаю его хорошей базой как в получении опыта сборки и наладки электронного устройства, так и в опыте работы с немало важным для радиолюбителя прибором - частотомером.
Доработка частотомера
Внимание! В заключение хочется отметить, что входной измеряемый сигнал подаётся непосредственно на вход микросхемы, поэтому для лучшей чувствительности и главное, защиты микросхемы нужно добавить по входу усилитель-ограничитель сигнала.
Можно спаять один из предложенных ниже.
Сопротивление R6 на верхней и R9 на нижней схеме подбирается в зависимости от напряжения питания и устанавливается на его левом выводе 5 В. При питании 5 В сопротивление можно не ставить.
… или простой, на одном транзисторе:
Номиналы сопротивлений указаны при питании 5В. Если у Вас питание усилителя другим напряжением, то подберите номинал R2,3 чтобы на коллекторе транзистора было половина питания.
Схема похожего частотомера с входным каскадом усилителя.
Вторая доработка. Для увеличения измеряемого потолка частоты можно собрать к частотомеру делитель частоты. Например, схемы ниже:
Идея сделать этот частотомер возникла после приобретения в магазине радиодеталей радиолюбительского набора, состоящего из пластмассового корпуса размерами примерно 120x80x30 мм с отсеком для «Кроны», окном для индикатора и установленной в него макетной печатной платой «решето». Вот на этой основе и был собран этот прибор.
Частотомер измеряет частоту до 100 МГц, чувствительность входа 30 мВ, входное сопротивление 500 кОм. Построен он на основе микроконтроллера PIC16F628A и жидкокристаллического модуля типа 1601.
Сигнал, частоту которого нужно измерить, поступает на входной разъем Х1. Конденсатор С1 служит для удаления из постоянной составляющей общего поступающего на вход. Резисторы R2 и диоды VD1-VD2 создают ограничитель, который ограничивает величину амплитуды входного сигнала и поэтому частотомер без переключений входа может измерить частоты сигналов от 0,03 до 50V.
Входной усилитель двухкаскадный на транзисторах VT1 и VT2. Полевой транзистор на входе позволяет получить высокое входное сопротивление.
Это хорошо, так как вход частотомера будет минимально воздействовать на схему, частоту на которой он измеряет. При измерении частоты настройки контуров можно еще больше снизить влияние на контур, если на конце щупа сделать конденсатор малой емкости и уже через него подключать к контуру. Второй каскад - на биполярном транзисторе VT2.
Оптимальный режим работы усилителя устанавливается экспериментально подбором сопротивления резистора R4 по наилучшей работе (измеряя частоту сигналов разной формы с выхода функционального генератора нужно выбрать оптимальный режим).
Тактируется микроконтроллер кварцевым генератором на резонаторе Q1 (4 МГц).
На выходе жидкокристаллический модуль типа 1601. Резистором R7 можно регулировать контрастность знаков. Питается схема напряжением 5V, поступающим с интегрального стабилизатора А1. S1-выключатель питания, источник питания гальваническая батарея G1 напряжением 9V.
Когда-то я собрал очень популярный на то время частотомер Денисова, вернее, его клон на PIC16F628A и индикаторе АЛС318. И вот по прошествии многих лет он попался мне на глаза. Измеряет он частоту вроде исправно, но уж больно примитивен, да к тому же показания постоянно мерцают. На досуге было решено на основе той схемы (изменено подключение двух выводов микроконтроллера, входные цепи и цепи питания) создать современный, качественный, но очень недорогой прибор, лишенный недостатков своего прототипа, а также дополненный множеством функций и режимов.
Описываемый ниже прибор имеет следующие возможности: «обычное» измерение частоты путем счета количества импульсов в течении одной секунды; измерение частоты низкочастотных сигналов через измерение периода (F=1/T) с точностью 0.001 Гц; измерение периода сигнала, причем для высокочастотных сигналов через частоту (T=1/F); измерение длительности как положительных, так и отрицательных импульсов. Так же имеется возможность сохранения в энергонезависимой памяти по одному измеряемому значению для каждого режима, с последующим просмотром при необходимости. Предусмотрено оперативное изменение ряда настроек прибора и автоматическое выключение при отсутствии воздействия на прибор в течении определенного времени.
Основные характеристики прибора:
- Пределы измерения частоты ……………………..……....……. 0 – 40000000 Гц
- Дискретность измерения частоты (обычный частотомер) ... 1 Гц
- Дискретность измерения частоты («спец»-частотомер) …... 0.001 Гц
- Пределы измерения периода …………………………...…....... 0.05 – 2000000 мкс.
- Частота смены способа измерения (периода и частоты) ….. 900 - 1000 Гц
- Пределы измерения длительности импульсов
(при периоде сигнала 2 – 2000000 мкс) …………...............…... 1 – 1000000 мкс. - Амплитуда измеряемого сигнала ……..………………....……… 0.1 – 100 Вольт
- Точность измерений (зависит от характеристик кварца) ….. 0.00001+2ед. мл. разр
- Период индикации (длительность, период и «спец»-частота) 0.25; 0.5; 1; 2 сек.
- Время без воздействия до выключения прибора …………… 8; 16; 32; 64 мин.
- Число запоминаемых значений измерений …………………. 5
- Сохранение всех параметров при выключении питания..… да
- Напряжение питания ……………………………………….....…. 5.5 – 10 Вольт
- Средний ток потребления в рабочем режиме ……………….. 15 – 25 мА
- Ток потребления в спящем режиме не более ………………... 10 мкА
Рассмотрим работу с устройством более подробно (схему и конструкцию рассмотрим ниже).
При включении прибора, после вывода приветствия, на индикаторе высвечиваются показания согласно ранее выбранному пределу (далее исходное состояние). При нажатии кнопки S1, на индикаторе появляется название текущего режима (в большинстве случаев - сразу, но редко, при измерении низкочастотных сигналов, может потребоваться удерживать кнопку до 2 с). При последующих отпускании и нажатии кнопки, названия индицируемых режимов меняются по кругу в порядке: частотомер (на индикаторе Freq_St) – спец.частотомер (Freq_SP) – измерение периода (Period) – измерение длительности положительного импульса (t __| - |__) - измерение длительности отрицательного импульса (t -- |_| --) – частотомер … . Нажатие кнопки S2 во время индикации на дисплее какого-либо режима приводит к переходу прибора в исходное состояние с соответствующей сменой режима. В случае же отсутствия нажатия любой кнопки в течении времени ожидания (3-10 сек - оперативно регулируется), прибор переходит в исходное состояние с прежним (до нажатия S1) режимом.
Если после появления на индикаторе названия режима удерживать не отпуская кнопку S1 в течении 3 сек., на индикаторе появится надпись «to_SLEEP». При этом нажатие кнопки S2, так же как и отсутствие нажатия кнопок в течении времени ожидания, переводит прибор в спящий режим, выход из которого производится нажатием на любую кнопку. Нажатие же в этом режиме кнопки S1 (разумеется, предварительно ее отпустив) приводит к попеременному появлению на дисплее надписей «to_SLEEP» и «SETTINGS». Нажимая кнопку S2 в пункте «SETTINGS», осуществляется переход в подменю установок. Здесь “P_IND x.xx” – период индикации, “t_butt xx” – время ожидания нажатия кнопок в сек., “t_OFF xx” – время до выключения в минутах, при этом xx – непосредственно текущее значение параметра (моргает для заметности). В этом пункте нажатие S1 так же последовательно переключает подпункты, а нажатие кнопки S2 – изменяет текущий параметр (новое значение сразу же индицируется). Выход с сохранением текущих параметров – по истечении времени ожидания без нажатия кнопок.
Нажатие кнопки S2 в исходном состоянии (тоже, как отмечалось выше, длительностью до 2 секунд в некоторых режимах) приводит к появлению на дисплее надписи “ LOAD “. Отпускание кнопки сразу после появления надписи приводит к выводу на дисплей ранее сохраненного измеренного значения в течении 8 секунд (моргает для отличия от текущего измеряемого значения). Если же при появлении надписи “LOAD”, удерживая кнопку S2 нажатой, нажать кнопку S1, то происходит запись в энергонезависимую память текущего измеряемого значения, что подтверждается появлением на индикаторе моргающей надписи “ SAVE “.
Переход в спящий режим происходит также при отсутствии воздействия на кнопки в исходном состоянии в течении 8 – 64 минут (меняется оперативно).
Описание работы прибора в разных режимах
Обычный частотомер
Работа в этом режиме стандартная – подсчет импульсов таймером TMR0, следует только отметить, что отсчет времени счета (1 секунда) происходит в прерываниях от таймера TMR2 с интервалом в 2 мс, в которых так же происходит динамическая индикация.
Во время измерения признак режима – знак “F.” в старшем разряде (не индицируется при частоте более 9999999 Гц).
Частотомер специальный
В этом режиме при измерении частоты до 1000 Гц собственно измеряется период сигнала, а частота вычисляется по формуле F=1000000000/T, где T - в микросекундах, а F – в тысячных долях герца (светится запятая в 4-м разряде справа). Если частота окажется более 1000 Гц, измерение производится аналогично обычному частотомеру (обратное переключение происходит при частоте менее 900 Гц). Данный режим позволяет для низкочастотных сигналов уменьшить дискретность измерения с 1Гц до 0.001Гц, а значит и точность (на индикаторе не менее 3-х значащих разрядов).
Признак режима – вывод “F. - ” в старших 2-х разрядах (последовательно “затираются” индицируемым значением при измерении больших частот).
Измерение периода
Режим аналогичен специальному частотомеру. В данном режиме происходит непосредственное измерение периода (таймером TMR1, тактируемым частотой 1МГц от внутреннего генератора) для сигналов с периодом более 1000 мкс, а для меньшего периода – через измерение частоты по формуле T=1000000000/F, где F - в герцах, а T – в наносекундах. На индикаторе при этом светится запятая в 3-м разряде, что позволяет считывать показания в микросекундах в обоих случаях с тремя значащими разрядами минимум.
Признак режима – вывод “P.” в старшем разряде (при вычислении периода через частоту – добавляется верхняя черта в следующем разряде).
Измерение длительности импульсов (положительных и отрицательных)
Эти два режима аналогичны и отличаются только полярностью измеряемых импульсов. Измерение производится путем прямого подсчета длительности таймером TMR1, тактируемым от внутреннего генератора (период 0.25 мкс) в течении входного импульса. При этом, обеспечивается достоверность измерения длительностей от 3 мкс, для более коротких импульсов длительность измеряется косвенными методами и достоверность результата снижается. Данное обстоятельство (косвенное измерение длительности) индицируется путем моргания буквы “t” на индикаторе.
Для сигнала, длительностью менее 32768 мкс, результат отображается с точностью 0.25 мкс, в противном случае - точность (дискретность) равна 1 мкс.
Признак режима – вывод “t” в старшем разряде плюс верхний или нижний сегмент следующего разряда, в зависимости от режима регистрации положительных или отрицательных импульсов.
Следует отметить, что из-за несимметричности входной части прибора, а так же наличия на входе CCP микроконтроллера триггера Шмитта, при измерении длительности сигналов с пологими фронтами может появиться значительная погрешность. Этот эффект уменьшается при увеличении амплитуды входного сигнала. Попытка измерения сигналов с амплитудой значительно ниже 0.1 Вольт в любом режиме, может привести к индикации показаний, не соответствующих действительности (впрочем, это относится и к другим подобным приборам). При заведомо стабильном входном сигнале, косвенным признаком недостаточной амплитуды может быть большая нестабильность показаний прибора.
В случае, если временные параметры входного сигнала не позволяют данному прибору их измерить (при измерении периода и длительности), на индикаторе отображаются следующие показания: “F.too_hi” – слишком высокая частота, “P.too_big” – слишком большой период, “NO_SIG.” – нет сигнала.
Принципиальная схема и работа устройства
Микроконтроллер PIC16F628A (DD2) выводами порта В (кроме RB2) и выводом RA3 через ограничительные резисторы (R5-R12) управляет соответственно сегментами и запятой индикатора, в качестве которого используются два 4-х разрядных LED индикатора FYQ3641A с общим катодом (выводы сегментов и децимальной точки индикаторов соединены попарно). Управление разрядами происходит с выходов дешифратора DD1 (74HC138), на входы которого управляющий сигнал подается с выводов RA0-RA2 DD2. Выводами RA0 и RA1 так же производится контроль состояния кнопок управления S1 и S2 при помощи резисторов R1-R4. Тактирование микроконтроллера происходит от кварцевого генератора частотой 16 МГц, который включает внешние элементы Z1, C1-C3. Вывод MCLR включен в качестве вывода сброса и на него подан потенциал +5В. Динамическая индикация, как говорилось выше, происходит в прерываниях от TMR2 с интервалом 2 мс так, что обновление индикатора происходит с частотой примерно 63Гц. В данном случае обеспечивается ровное без мерцаний свечение индикатора во всех режимах прибора.
Сигнал с входного усилителя поступает на объединенные выводы T0CKI и CCP1 (выводы 3 и 9 MK DD2). В режиме обычного частотомера по выводу 3 производится счет импульсов, а вывод 9 (в данном случае он установлен как вход/выход RB3) – для открытия-закрытия входа и последующего «досчета». При измерении периода и длительности эти выводы включены собственно как входы T0CKI и CCP1. При этом используется оригинальный алгоритм с «захватом» значения TMR1 по фронтам сигнала и вычислением времени между захватами, а так же контролем корректности результата путем анализа содержимого таймера TMR0. Идея здесь заключается в том, что сигнал подается на объединенные входы захвата и таймера-счетчика МК, что позволяет по числу фронтов импульсов, зарегистрированных таймером, судить, не пропущены ли системой захвата искомые перепады сигнала по причине недостатка быстродействия МК.
Входной усилитель на транзисторах VT1-VT3 собран по известной и хорошо себя зарекомендовавшей схеме. Относительно высокая емкость конденсаторов С4 и С9 объясняется необходимостью обеспечения нижней границы полосы пропускания не менее 1Гц (для этого же служит резистор R23). Элементы C7, C10, C14, L1 служат для увеличения коэффициента усиления при максимальных измеряемых частотах. VD1,VD2 и R14 защищают транзистор VT1 от пробоя входным сигналом.
Входной усилитель потребляет значительный ток (около 5 мА), поэтому, потребовалось его отключать от питания в спящем режиме посредством ключа на MOSFET транзисторе с P-каналом VT2. Из-за дефицита свободных выводов МК, этот ключ управляется с вывода 1 DD2 (RA2), используемого так же для управления дешифратором DD1. В рабочем режиме на этом выводе присутствует меандр с частотой около 125 Гц. При отрицательных уровнях, конденсатор C6 заряжается через цепочку VD3R16 и транзистор VT2 открывается отрицательным потенциалом на затворе. Диод препятствует разряду конденсатора при положительном уровне сигнала через относительно малое сопротивление резистора R16. Постоянная времени цепочки C6,R20 выбрана достаточно большой для исключения попадания на входной усилитель помехи с частотой 125 Гц. В спящем режиме на выходе 1 DD2 присутствует положительный потенциал, конденсатор C6 разряжается через резистор R20 и, примерно через 3-5 сек., транзистор VT2 закрывается и полностью отключает входной усилитель от источника питания. Потребляемый прибором в спящем режиме ток в 10 мкА, при желании, позволяет полностью отказаться от механического выключателя питания.
На включенных в этом режиме как входы выводах 17 и 18 (RA0,RA1) МК, а значит и входах 1, 2 DD1, благодаря резисторам R1, R2 тоже присутствует высокий потенциал. При этом, появляется уровень логического 0 на выходе 7 DD1 и через резистор R13 подается на включенный в данном случае в качестве входа вывод RB7 DD2. При нажатии любой кнопки, меняется код на входах дешифратора и на его выводе 7 появляется уровень логического 1, что так же передается через R13 на вывод МК RB7. Так как в этом режиме включено прерывание по изменению уровня на этом входе, микроконтроллер по нажатию любой кнопки выходит из спящего режима (SLEEP).
Схема питается от интегрального стабилизатора DA1 типа NCP551SN50 с выходным напряжением 5 Вольт. Данная микросхема характеризуется малым падением напряжения и экстремально малым собственным потребляемым током (типовое значение 4 мкА). Применение вместо использованного стабилизатора обычного 78L05 сведет смысл спящего режима на нет из-за высокого тока потребления последнего – около 3 мА.
Компоновка
Все детали прибора размещены на печатной плате из стеклотекстолита с односторонней металлизацией размерами 63х64 мм. На прилагаемых чертежах изображены соответственно конфигурация печатных дорожек, размещение деталей со стороны металлизации и размещение деталей со стороны без металлизации.
Размеры платы позволяют удобно ее разместить в корпусе от мультиметра типа D-830, предварительно срезав в нем пластмассовые стойки. При этом, в нем остается достаточно места для различных вариантов питания – от «кроны» до 5-6 элементов типа ААА. Тот факт, что все элементы (включая кнопки, входной разъем и винтовую колодку для подачи питания), компактно размещены на плате, позволяет использовать прибор даже без корпуса. Следует обратить внимание на расположение индикаторов в нижней части платы. Такая компоновка, несмотря на необычность, на мой взгляд, более выгодна с точки зрения угла обзора индикатора.
Детали
Индикаторы можно заменить на CPD-03641 с общими катодами. Дешифратор меняется на 74AC138, причем, в этом случае, при необходимости можно до двух раз увеличить ток, а значит и яркость индикаторов, уменьшив сопротивления резисторов R5-R12 вплоть до 390 Ом. Но тогда пропорционально увеличится ток потребления прибора в рабочем режиме (мое мнение – яркость индикаторов достаточна и при значениях резисторов, указанных на схеме). Кварцевый резонатор можно использовать и на 4МГц, но при этом минимально регистрируемая длительность увеличивается в 4 раза. Прошивка для этого случая тоже прилагается. Кнопки S1 и S2 – тактовые, с боковым нажатием. Транзистор VT1 можно использовать BF998R, VT2 –IRLML6401, а VT3 – любой n-p-n с граничной частотой не менее 300 МГц. Конденсатор C4 – на напряжение не менее 100В. Все диоды можно заменить отечественными КД521, КД522. В качестве входного применен разъем для блоков питания (диаметр – 5.5 мм). К ее ответной части через отрезок экранированного кабеля длиной 50 см припаяны соответственно щуп и зажим типа «крокодил».
Для уменьшения габаритов конденсаторы и резисторы применены преимущественно SMD, типоразмера 0805 (C6 можно применить танталовый). На печатные проводники, в месте прохождения под SMD-элементами, для исключения замыканий предварительно приклеены полоски, вырезанные из бумажного скотча. Выводные резисторы применены в позициях, где это выгодно с точки зрения удобства разводки платы. На плату сначала необходимо впаять SMD компоненты, потом проволочные перемычки и, в последнюю очередь, выводные компоненты.
Стабилизатор DA1, в крайнем случае, можно заменить менее дефицитным LP2950CZ-5.0. Для него на плате предусмотрено место (на фотографиях изображен именно этот вариант), однако, в этом случае ток в спящем режиме увеличится до 70-100 мкА.
Внешний вид собранной платы с обеих сторон приведен на фотографиях.
Настройка
При использовании указанных на схеме элементов и достаточно качественного кварцевого резонатора вышеуказанные характеристики прибора обеспечиваются без всякой регулировки. Если имеется высокоточный образцовый частотомер, имеет смысл, подав на вход прибора сигнал с частотой порядка 5-30 МГц и контролируя его значение по образцовому частотомеру, регулируя С3 добиться возможно близких показаний приборов. Так же желательно, при необходимости, подбором сопротивления R21 установить напряжение на коллекторе VT3 в пределах 2-3 Вольта.
Программное обеспечение
Программа для микроконтроллера написана на Ассемблере. Приведенные HEX-файлы для прошивки микроконтроллера (для случаев использования кварцевого резонатора на 16 и 4 МГц) получены путем трансляции программы в среде MPASM. Слово конфигурации заносится в программы для прошивки автоматически при загрузке файла. При использовании кварца на 4МГц, необходимо в начале программы изменить в строке «X_16 EQU 1» значение 1 на 0 и заново оттранслировать. Следует отметить, что для полноценного использования всех возможностей, предпочтительно использование кварца на 16 МГц.
Вложенные файлы
Во вложении, кроме вышеуказанных кода и прошивки, имеются Proteus-модель и плата в формате LAY.
Обратите внимание, что в модели резистор R2 исключен из моделирования, так как он вносит искажения в индикацию (особенность Proteus). Однако, он необходим для выхода из спящего режима и для наблюдения этого действия следует в свойствах R2 снять "птичку" с пункта "исключить из моделирования".
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| DD1 | Микросхема | 74HC138 | 1 | В блокнот | ||
| DD2 | МК PIC 8-бит | PIC16F628A | 1 | В блокнот | ||
| DA1 | Микросхема | NCP551SN50 | 1 | LP2950-5.0 | В блокнот | |
| VT1 | MOSFET-транзистор | BF998 | 1 | В блокнот | ||
| VT2 | MOSFET-транзистор | IRLML6402 | 1 | IRLML6401 | В блокнот | |
| VT3 | Транзистор | KT368 | 1 | В блокнот | ||
| VD1-VD3 | Выпрямительный диод | 1N4148 | 3 | КД521 | В блокнот | |
| HL1, HL2 | Индикатор | FYQ3641 | 2 | CPD-03641 | В блокнот | |
| Z1 | Кварцевый резонатор | 16 МГц | 1 | 4 МГц | В блокнот | |
| C1 | Конденсатор | 22 пФ | 1 | В блокнот | ||
| C2 | Конденсатор | 10 пФ | 1 | В блокнот | ||
| C3 | Конденсатор подстроечный | 22 пФ | 1 | В блокнот | ||
| C4 | Конденсатор | 1 мкФ | 1 | В блокнот | ||
| C5, C7, C8, C12 | Конденсатор | 100 нФ | 4 | SMD | В блокнот | |
| C6 | Конденсатор | 2.2 мкФ | 1 | SMD | В блокнот | |
| C9 | Конденсатор | 470 мкФ 6.3В | 1 | В блокнот | ||
| C10, C14 | Конденсатор | 10 нФ | 2 | SMD | В блокнот | |
| C11 | 47мкФ 6.3В | 1 | В блокнот | |||
| C13 | Электролитический конденсатор | 470 мкФ 10В | 1 | В блокнот | ||
| R1, R2, R13 | Резистор | 10 кОм | 3 | В блокнот | ||
| R3, R4 | Резистор | 470 Ом | 2 | В блокнот | ||
| R5-R12 | Резистор | 750 Ом | 8 | SMD | В блокнот | |
| R14 | Резистор | 1 кОм | 1 |
Частотомер на PIC16F84A , с изменением времени измерения (0,1; 1 и 10 с),
После собранного мной простого частотомера на PIC 16F628A . Попалась мне на глаза схема еще одного частотомера на PIC16F84A (спасибо пользователю Seal с радиокота) . По своим параметрам этот частотомер гораздо интересней, при этом он также очень простой.
Основные технические характеристи-ки частотомера следую-щие: диапазон измерения частоты - 0,1 Гц.. .60 МГц (реально верхняя граница выше); порог чувствительности по вход-ному напряжению - 0,08...0,15 В (амп-литудное значение); минимальное на-дежно фиксируемое прибором значение частоты синусоидального сигнала - 2 Гц (амплитудой 0,15 В); максимальная амп-литуда входного сигнала - 3 В. Питается прибор от батареи типа "Крона" (воз-можно использование внешнего источ-ника напряжением 7... 16 В), потребляе-мый ток - 10...12 мА. Предусмотрено изменение времени измерения (0,1; 1 и 10 с), умножение показаний на 1000 (при применении внешнего делителя ча-стоты), удержание показаний, запись од-ного значения частоты в энергонезави-симую память и возможность последую-щего считывания.
Цена младшего разряда - 10,1 или 0,1 Гц соответственно. При вре-мени измерения 0,1; 1 и 10 с макси-мально на ЖКИ может отображаться семь, восемь или девять разрядов, т. е. максимальное отображаемое значение равно соответственно 99,999.99, 99,999.999 или 99,999.999.9 МГц.
После сборки схемы остается только откалибровать по образцовому генератору, частоту кварцевого генератора конденсатором С10 (рис.1)
Входной формирователь имеет низкое входное сопротивление, что является его небольшим недостатком.
Для повышения входного сопротивления частотомера, между входом частотомера и входом формирователя, необходимо включить некое буферное устройство с высоким входным и низким выходным сопротивлением.
На транзисторах VT1 и VT2 собрано буферное устройство, а на транзисторе VT3 - входной формирователь. Входное сопротивление буферного устройства - около 500 ком
.
Схема буферного устройства приведена на рисунке:(подробней на http://progcode.narod.ru )
Соедините правый по схеме вывод резистора R11 с точкой соединения 2-го и 3-го выводов ПИКа, и Вы получите ЧМ/ЦШ с входным сопротивлением около 500 ком.
Источник материала Радио, 2002, №10,
Печатная плата с буферным устройством без автоотключения.
Печатная плата от пользователя Seal с автоотключением.
От пользователя Bobruska , архив файлов , в котором имеется прошивка с латинскими буквами для этого частотомера.
В архив добавлены: Правленные Исходник (ASM) и Прошивка (HEX), комилятор (PIC-MPASM), кодовые таблицы контроллеров HD44780 (En-Ru) и ST7066U (En-Jp), фото дисплея с английским шрифтом.
Размер архива ~1.3M
Этот простой и удобный частотомер может измерять частоты FM диапазона и имеет автономное питание. Большинство аналогичных устройств имеет ЖК дисплеи со встроенным контроллером, что увеличивает общий ток потребления прибора. Также, многие высокочастотные частотомеры используют микросхемы с большим током потребления. Данное же устройство построено на современных экономичных микросхемак, что позволяет питать его от одной батарейки размера АА.
Характеристики частотмера
- Диапазон частот: 1Гц - 150MГц
- Диапазон амплитуд входного сигнала: 250mV - 5V
- Разрешение: до 5 знаков
- Точность: 4 знака
- Время измерения: 0.1 сек или 1сек; автоматический выбор
- Полностью автоматическая работа
- Работает от одной батарейки AA; потребляемый ток < 15mA
О точности измерений
В частотомере использован кварц на частоту f 0 =100KГц и допуском Δf/f 0 = ±30ppm. Это означает, что реальная частота лежит в диапазоне 100KГц·(1 ± 3·10 -5). То есть максимальное отклонение от 100KГц составляет 3Гц. Как это влияет на точность измерений?
Частотомер считает количество периодов, прошедших за интервал 0.1 сек. Таким образом, точность определяется точностью измерения этого интервала. В этом частотомере этот интервал устанавливается как скважность ШИМ модуля контроллера. Формула для скважности такова: (CCPR1L:CCP1CON<5:4>)·T osc ·(TMR2 prescale value) = 625·T osc ·16, гдеT osc = 1/f 0 = 10 -5 сек. Приводя к точности кварца, получаем разброс: 10 4 ·10 -5 (1± 3·10 -5)= 0.1± 3·10 -6 сек. Другими словами, точность отсчета временных интервалов зависит от точности кварцевого резонатора.
Возьмем крайний случай - временной интервал равен 0.1+3·10 -6 сек. Пусть входная частота равна N герц (=периодов в секунду). Тогда измеренное значение будет N·(0.1+3·10 -6) = N/10 + (N/10)·3·10 -5 . В 0.1 секундном мы получаем значение частоты N/10 периодов, поэтому разница между измеренным и реальным значением N/10 будет (N/10)·3·10 -5 . Для частот больше, чем 333 KГц (3.33·10 5 Гц) разница превышает 1, так что для этих частот наш счетчик будет показывать неправильное значение N/10. Важным следствием этих соображений является то, что можно гарантировать только 4 старших разряда измеренной частоты N/10, иногда 5 разрядов.
Расчеты показывают, что при использовании кварцев с допуском несколько десятков ppm невозможно гарантировать точность в 6 или более знаков. А так как мы не можем гарантировать точность младших разрядов, то и нет смысла их отображать. Поэтому в частотомере отображается только 5 старших разрядов частоты, игнорируя остальные разряды.
Но на точность измерений влияет не только точность кварца, но и эффект его старения и рабочая температура. Однако, при температурах 10°C - 40°C влияние температуры на общую точность составляет не более ±10ppm, так что мы все равно можем гарантировать 4 - 5 ти значную точность.
Форматирование вывода
На индикаторе, используемом в частотомере есть только восемь 7-сегментных символов, поэтому применена специальная схема отображения диапазонов частот. Схема показана в таблице ниже. Незначащие нули не отображаются и показаны серым цветом. Диапазон отображается справа в экспоненциальной системе. Где символ E представляет 10 а число - степень 10ти.
| Индикация | Диапазон измерений | Время счета |
|---|---|---|
| 0. 0. 0. 0. 1 0. E 0 | 0 - 9 Гц | 1 сек |
| 0. 0. 0. 1 2 0. E 0 | 10 - 99 Гц | 1 сек |
| 0. 0. 1 2 3 0. E 0 | 100 - 999 Гц | 1 сек |
| 0. 1. 2 3 4 0. E 3 | 1 - 9.999 KГц | 1 сек |
| 1 2. 3 4 5 0. E 3 | 10 - 99.999 KГц | 1 сек |
| 1 2 3. 4 5 0. E 3 | 100 - 999.99 KГц | 0.1 сек |
| 1. 2 3 4 5 0. E 6 | 1 - 9.9999 MГц | 0.1 сек |
| 1 2. 3 4 5 0. E 6 | 10 - 99.999 MГц | 0.1 сек |
| 1 2 3. 4 5 0. E 6 | 100 - 150 MГц | 0.1 сек |
Измеренная частота представлена целым числом с 1 до 8 цифр. Значения, имеющие более 5 цифр округляются до ближайшего целого цначения, имеющего 5 ненулевых цифр в старших разрядах. Например, значение 12,345,678 округляется до 12,346,000 (на дисплее 12.346 E6), а 12,345,456 округляется до 12,345,000 (на дисплее 12.345 E6).
Железо
На входе схемы стоит предварительный усилитель, построенный на высокоскоростном компараторе LT1715. Согласно даташиту, он может работать на 150MГц. Входы второго компаратора, находящегося в корпусе микросхемы соединены с землей и шиной +5V для предотвращения его срабатывания и влияния на работающий компаратор. Компаратор - самое медленное устройство в схеме и он определяет верхнюю границу измерений. Резисторы по 10K сдвигают уровень на входах компаратора приблизительно до 2V. Резистор на 100 Ом добавлен для небольшого увеличения напряжения на инвертирующем входе. Поэтому в спокойном состоянии на выходе всегда 0. Разница во входных напряжениях составляет около 110мВ и определяет чувствительность предусилителя. Входное напряжение для гарантированной работы должно быть 150 мВ. Резистор 10K на выходе компаратора необязателен.
Выход компаратора соединен с 4-битным двоичным асинхронным счетчиком SN74LV161A с макимальной рабочей частотой 220MГц при питании от 5 В. Счетчик использован как предделитель для таймера TMR1. Он делит входную частоту на 16, поэтому на вход контроллера попадает максимум 10MГц, что удовлетворяет требованиям минимального периода в 60 нсек, требуемых для работы таймера TMR1 в асинхронном режиме. Все 4 выхода счетчика соединены с контроллером и на них образуются 4 старших бита измеряемых импульсов.
Сердце частотомера - контроллер PIC16F648A (можно использовать PIC16F628A).
Контроллер PCF8562 управляет ЖК дисплеем VM-838. На плате микросхема контроллера дисплея расположена под ЖКИ.
Напряжение питания 5 В получается с помощью DC/DC преобразователя NCP1400A. Он обеспечивает 5 вольт от одной батарейки AA. Ток потребления после преобразователя около 10 мA в покое, 9 мA из которых потребляется входным компаратором. Однако ток потребления от самой батарейки будет в 5 - 7 раз больше. Максимальный измеренный ток потребления составляет 70 мА, а средний - 40 мА. От одной батарейки АА емкостью 2000 мА·Ч частотомер может работать около 40 часов.
Прибор собран на одной стороне двусторонней печатной платы, но имеет несколько перемычек на обратной стороне. Медь на другой стороне использыется как дополнительный экран. Обратная сторона имеет олько 4 компонента: входной BNC разъем, держатель батарейки AA, 4 металлические стойки, и выключатель питания AS12AH. Плата разработана под SMD резисторы и конденсаторы размера 0603, но размер 0805 тоже можно использовать. На плате есть 3 площадки, соединенные с RA0, RA1 и RA5, которые можно использовать, например, для подключения частотомера к компьютеру.
Микроконтроллер должен быть запрограммирован либо во внешнем программаторе либо на плате, но до припайки счетчика SN74LV161A, так как счетчик блокирует выводы программирования контроллера.
Некоторые ошибки разработки...
Держатель батарейки, выключатель питания и входной разъем смонтированы очень билзко друг к другу, поэтому держатель батарейки пришлось немного подточить.
Также из-за тяжелой батарейки плата не очень устойчива на столе и при подсоединенном кабеле норовит перевернуться из-за кручения кабеля.
Несмотря на то, что индикация довольно проста, она все равно трудна для понимания.
