Частотомер своими руками — ТОП-3 схемы, инструкции по монтажу

Частотомер своими руками — ТОП-3 схемы, инструкции по монтажу

Автор: mig958
Опубликовано 05.09.2017
Создано при помощи КотоРед.

Ты самый умный и умелый,
Один из лучших среди нас!
Я в день рожденья пожелаю —
Чтобы всё в жизни было просто – Класс!

Частотомер является одним из основных приборов радиолюбителя. Не даром этому популярному прибору посвящено столько статей. Схем радиолюбительских частотомеров, казалось бы, существует огромное множество, на любой вкус. Однако практически все они используют метод прямого счета, хотя есть достаточно простой, но значительно лучший метод обратного счета. Приятным исключением является частотомер FC-510. Есть еще один прибор использующий почти этот метод, это Простой калибратор частоты/ частотомер/ образцовые часы . Но ввиду малого диапазона измеряемой частоты и неудобного времени измерения, он как частотомер малопригоден. Я его кстати собрал и очень им доволен. И в FC-510 и в калибраторе применен метод обратного счета. Главным достоинством метода является то, что его относительная погрешность измерения не зависит от значения входной частоты. Вообще по методам измерения частоты у автора FC-510 есть прекрасный документ хотя он не закончен, но для начинающих радиолюбителей я лучшего изложения этого вопроса не встречал. У данного частотомера есть лишь единственный недостаток: он сложноват для начинающего, да даже и для радиолюбителя среднего уровня. К сожалению ничего подобного, но попроще, да и вообще больше ничего в сети я не нашел.
Попавшееся на глаза объявление о конкурсе и подвигло меня задаться вопросом: почему бы не сотворить что то подобное но попроще, а сроки конкурса не позволят растянуть этот процесс, как обычно в бесконечность. Так как обдумывал я эту тему уже очень давно, то над схемой я долго не раздумывал, как и над выбором микропроцессора. Структурная схема представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема структурная

Микропроцессор формирует сигнал управления входом D триггера (ворота), но сам подсчет импульсов начинается и заканчивается по приходу фронта измеряемого сигнала. Кстати, название Фрегат родилось от созвучия со словами free gate – свободные ворота, что как бы суть метода. Ну а далее подсчет входной и опорной частот и вычисление результата. Параметры схемы определяют возможности кварцевого генератора (VCTCXO), микропроцессора и удобства работы с прибором.

Основные характеристики частотомера:

  • Диапазон измеряемых частот: 1Гц – 100МГц ( 1ГГц с предделителем на 64) ;
  • Амплитуда измеряемого сигнала: 0.1 – 10в;
  • Опорная частота: 20МГц;
  • Время измерения: 5 сек;
  • Количество значащих цифр: 8;
  • Погрешность измерения * не более 10 -7 ;
  • До 2МГц измерение методом обратного счета, свыше методом прямого счета;
  • Потребляемый ток: 50 (80 с подсветкой) ма;
  • Модульная конструкция с выносными формирователями сигнала.

* При погрешности опорной частоты менее 2*10 -8 .

В работе частотомере предельно прост – никаких органов управления нет.

Принципиальная схема измерительной части представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема принципиальная модуля измерения.

Входной сигнал с формирователя поступает на триггер Шмидта DD1. В принципе без него можно и обойтись, он лишь помогает избавиться от помех. Далее схема ворот: микропроцессор формирует точный интервал 5 сек., который приходит на вход D DD2.1 и первый фронт входной частоты переключает его, разрешая подсчет входных импульсов с помощью DD3.1 таймером TMR1, и подсчет опорной частоты с помощью DD3.2 таймером TMR0. Триггер DD2.2 делит входную частоту на 2 позволяя поднять измеряемую частоту до 100МГц (известно, что таймеры PICов работают до частот 50-60 МГц) . По окончанию 5 сек. первый фронт входной частоты переключит триггер и закончит подсчет. Микропроцессор отслеживает формирование ворот для возможности измерения от 1Гц (ожидание окончания периода может продлиться до 1,5сек.), а также исключения нештатных ситуаций. При правильном формировании ворот далее происходит подсчет импульсов с предделителей, для этого служат DD3.3 и DD3.4. Так как время измерения довольно велико оно показывается на шкале ожидания измерения. Далее вычисления и индикация. Имеется 5 битный измеритель уровня входного сигнала. Напряжение с выпрямителя входного формирователя примерно 1-1,5 в. подается на вход RA0. Резистор R5 регулирует чувствительность. Вход RA2 определяет наличие предделителя (0 предделитель включен).

Измеряемый диапазон частот разбит на 3 части (выносных модуля):

Основной модуль: 1кГц – 100МГц. Он собран по давно отлаженной схеме и подтвердил свои высокие характеристики: реальная полоса пропускания при увеличенных проходных конденсаторах в диапазоне 0,1-10в. от 100Гц до 150МГц. Схема на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема принципиальная формирователя 1кГц – 100МГц.

Следующие модули я не макетировал, ввиду отсутствия микросхем у меня и в магазинах. Заказал их на Али Экспресс. Но так как они тоже разработаны не мной и применяются широко, думаю особых проблем не должно быть. Впрочем схемотехника выносных модулей, их разбивка по частотам и конструкция (внешний или внутренний) может быть самая разнообразная. При измерении сигналов ТТЛ уровней можно вообще обойтись без них.

Рисунок 4. Схема принципиальная формирователя 70МГц – 1ГГц.

Рисунок 5. Схема принципиальная формирователя 0Гц – 1МГц.

Схему блока питания не привожу (Трансформатор, 4 диода и электролит, можно добавить 7809 или 7812 или . ).

Конструкция и детали:

Так как мне нравятся SMD компоненты (от остальных я уже давно избавился), то конструктив получился довольно компактный. Я прекрасно понимаю, что повторить один в один, маловероятно. Поэтому моя конструкция лишь один и примеров возможного решения. Ввиду незначительного энергопотребления (при отсутствии термостата), возможно изготовить его даже в виде пинцета с аккумуляторным питанием. Никаких особых требований к конструкции не предъявляется. Единственные рекомендации: ввиду высокой чувствительности к помехам, дорожки по которым проходит сигнал должны быть минимальной длинны и не использовать импульсные стабилизаторы и преобразователи для его питания.

Что касается деталей: Заменить PIC16F876A можно на 877,886,887 в любых корпусах: DIP, SOIC, TQFP. Основным элементом, даже более значимым чем процессор является кварцевый генератор, он в конечном счете и определяет погрешность измерения. К сожалению применить другую частоту, без ухудшения параметров точности, погрешности или времени измерения нельзя. Генератор может быть типа VCTXCO (термокомпенсированный с подстройкой напряжением) или TXCO (термокомпенсированный с механической подстройкой). Выходной сигнал генератора должен быть ТТЛ или КMOП. Если будет синус понадобится триггер Шмидта, так как сигнал идет не только на МК но и на логику. Возможно и применение самодельного термостатированного генератора с обычным кварцем, собранного на логике или на транзисторе (понадобится триггер Шмидта на выходе). При очень сильном желании можно применить кварцевый генератор на другую частоту (с некоторым ухудшением погрешности), например на 10МГц. При этом разумеется будет необходимо внести исправления в программу. Вместо 74AC74 и 74AC00 можно применить другие серии например F,ACT,VHC с соответствующим изменением максимальной частоты. Возможно применение и серий К1554, К1594, К1531. Вместо 74LVC1G14 возможно применить любые триггеры Шмидта соответствующих серий, опять таки смотрите на частоту. Трансформатор питания любой на 2-5 Вт. с выпрямленным напряжением 7 – 12в.

Настройку частоты кварцевого генератора можно выполнить двумя методами:

  • Измерением известной точной частоты и подстройкой генератора с помощью R4 добиться индикации такой же частоты на индикаторе.
  • Измерением частоты опорного генератора частотомером имеющим нужную погрешность, ну и соответствующая подстройка частоты опорного генератора до частоты ровно 20МГц.

Так как разработка проводилась в сжатое время, естественно не все вопросы тщательно продуманы, тем более это мой первый опыт программирования на C для PIC, буду благодарен за конструктивную критику, указанию на ошибки и неточности, другие недоработки, а также предложениям по совершенствованию прибора.

В заключении видео работы макета после окончания отладки программы. Ну и несколько фотографий готового устройства. Прошу прощения за качество.

Подвигло меня на разработку:

ЦИФРОВОЙ ЧАСТОТОМЕР СВОИМИ РУКАМИ

Предлагаемый для самостоятельной сборки частотомер сравнительно низкочастотный, тем не менее позволяет измерять частоты до нескольких мегагерц. Разрядность измерителя частот зависит от количества установленных цифровых индикаторов. Чувствительность входа – не хуже 0,1V, максимальное входное напряжение, которое он может выдерживать без повреждения – порядка 100V. Время индикации и время измерения чередуются, длительность одного цикла — 1 сек. измерение и 1 сек. – индикация. Собран он по классической схеме, с генератором частоты 1 Гц на специализированных микросхемах-счётчиках, применяемых в частности в схемах цифровых часов:

На К176ИЕ5 собран «секундный» генератор по типовой схеме, с кварцевым «часовым» резонатором 16,384 Гц. Конденсатор С2 — подстроечный, позволяет в некоторых пределах подстраивать частоту с необходимой точностью. Резистор R1 подбирается при настройке по наиболее устойчивому запуску и генерации схемы. Цепь С3 VD1 R2 формирует короткий импульс «сброса» всей схемы в начале каждого секундного периода счёта.

Транзистор VT2 работает как ключ: когда на его коллектор поступает постоянное напряжение питания от схемы «счёта» (уровень логической «1») – он пропускает импульсы от входного формирователя, которые затем поступают на десятичные счетчики и цифровые светодиодные индикаторы. Когда же на его коллекторе появляется уровень логического «0» – коэффициент усиления транзистора резко снижается и счёт входных импульсов прекращается. Эти циклы повторяются каждую 1 сек.

Вместо К176ИЕ5 можно применить также аналогичную по функциям микросхему К176ИЕ12:

В обоих случаях используется часовой кварц на частоту 16 348 Гц (такие часто применяются, например, в «китайских» электронных часах разных размеров и видов). Но можно поставить и отечественный кварц на 32768 Гц, тогда необходимо понизить частоту в два раза. Для этого можно использовать типовую схему «делителя на 2» на триггере К561ТМ2 (имеет два триггера в корпусе). Например, как показано на рисунке выше (обведено пунктиром). Таким образом на выходе получим необходимую нам частоту (секундные импульсы).

К коллектору транзистора-ключа (КТ315 на первой схеме) подключается узел счёта и индикации на микросхемах — десятичных счётчиках-дешифраторах и цифровых светодиодных индикаторах:

Вместо индикаторов АЛС333Б1 можно без каких-то изменений в схеме использовать АЛС321Б1 или АЛС324Б1. Или любые другие подходящие индикаторы, но с соблюдением их цоколёвки. Цоколёвку можно определить по справочной литературе или же просто «прозвонить» индикатор «батарейкой» на 9V с последовательно включенным резистором 1 кОм (по засвечиванию). Количество микросхем-дешифраторов и индикаторов может быть любым, в зависимости от общей необходимой разрядности счётчика (количества цифр в показаниях).

В данном случае были использованы три имеющихся в наличии малогабаритных знакосинтезирующих индикатора типа К490ИП1 – индикаторы управляемые цифровые, красного цвета свечения, предназначенные для применения в радиоэлектронной аппаратуре. Схема управления выполнена по КМОП технологии. Индикаторы имеют 7 сегментов и децимальную точку, позволяют воспроизвести любую цифру от 0 до 9 и децимальную точку. Высота знака 2,5 мм):

Данные индикаторы удобны тем, что имеют в своём составе не только сам индикатор, но и счётчик-дешифратор, что позволяет значительно упростить схему и сделать её очень малогабаритной. Ниже приведена схема счёта-индикации на таких микросхемах:

Как видно из схемы, эти МС требуют два отдельных питания – для самих светодиодных индикаторов и для схемы счётчиков-дешифраторов. Однако напряжения питания обоих «частей» МС одинаковы, поэтому и запитать их можно от одного источника. Но от напряжения питания «индикатора» (выводы 1) зависит яркость свечения «цифр», а величина напряжения питания схемы дешифраторов (выводы 5) оказывает некоторое влияние на чувствительность и стабильность работы этих МС в целом. Поэтому при настройке эти напряжения следует подбирать экспериментально (при питании от 9 вольт можно использовать дополнительные «гасящие» резисторы, чтобы несколько понизить напряжение). При этом следует обязательно зашунтировать все выводы питания микросхем конденсаторами ёмкостью 0,1-0,3 мкФ.

Читайте также:  Электронный штангенциркуль с глубиномером

Для гашения «точек» на индикаторах следует отключить напряжение +5. 9 V от выводов 9 индикаторов. Светодиод HL1 – это индикатор «переполнения» счётчика. Он загорается при достижении счёта цифры 1000 и в данном случае (при наличии трёх МС-индикаторов как на этой схеме) соответственно показывает количество единиц килогерц – в данном варианте счётчик в целом может посчитать и «показать» частоту 999 Гц. Для увеличения разрядности счётчика следует, соответственно увеличить количество микросхем дешифраторов-индикаторов. В данном случае подобных микросхем было в наличии только три, поэтому пришлось добавить дополнительный узел деления частоты на 3-х микросхемах К176ИЕ4 (или аналогичных микросхемах счётчиков-делителей на 10) и соответствующий переключатель. В целом схема получилась такая:

Переключатель также управляет включением/гашением «точек» на индикаторах для лучшего визуального восприятия отображаемого значения измеряемой частоты. Он ползунковый, сдвоенный, на четыре положение (такие применяются, например, в импортных магнитолах). Таким образом при разных положениях переключателя измерение и отображение частоты имеет следующие значения и вид:

«999 Гц» – «9.99 кГц» – «99.9 кГц» – «999. кГц». При превышении значения частоты 1 МГц загорится светодиод HL2, 2 МГц — загорится дважды и т. д.

Схема входной цепи

Большое значение при измерениях частоты имеет качество входного каскада — формирователя сигнала. Он должен иметь высокое входное сопротивление чтобы не оказывать влияния на измеряемую цепь и преобразовывать сигналы любой формы в последовательность прямоугольных импульсов. В данной конструкции применена схема согласующего каскада с полевым транзистором на входе:

Эта схема частотомера, конечно, не лучшая из возможных, но всё-таки обеспечивает более-менее приемлемые характеристики. Она была выбрана в основном исходя из общих габаритов конструкции, которая получилась очень компактная. Вся схема собрана в пластиковом корпусе-футляре от зубной щётки:

Микросхемы и прочие элементы запаяны на узкой полоске макетной платы и все соединения сделаны с помощью проводов типа МГТФ. При настройке входного каскада-формирователя сигнала следует подбором сопротивлений R3 и R4 добиться установления напряжения 0,1. 0,2 вольт на истоке полевого транзистора. Транзисторы здесь можно заменить на аналогичные, достаточно высокочастотные.

Дополнения

Для питания частотомера можно использовать любой сетевой адаптер с выходным стабилизированным напряжением 9 вольт и током нагрузки не менее 300 мА. Либо установить в корпус частотомера стабилизатор на микросхеме типа КРЕН на 9 вольт и питать от адаптера с выходным напряжением 12 вольт, либо брать питание непосредственно от измеряемой схемы, если там напряжение питания не менее 9 вольт. Каждую микросхему необходимо зашунтировать по питанию конденсатором порядка 0,1 мкФ (можно подпаять конденсаторы прямо на ножки «+» и «-» питания). В качестве входного щупа можно использовать стальную иглу, припаянную к входной «площадке» платы, а «общий» провод снабдить зажимом типа «крокодил».

Данная конструкция была «создана» в 1992 году и успешно работает до сих пор. Андрей Барышев.

Обсудить статью ЦИФРОВОЙ ЧАСТОТОМЕР СВОИМИ РУКАМИ

Частотомер на PIC16F628А своими руками

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

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.

Далее впаиваем транзисторы, диоды и индикаторы. В отличии от резисторов и конденсаторов здесь нужно впаивать правильно, согласно рисунку и надписям на плате.

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.

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 .

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:

Читайте также:  Электронный термометр своими руками

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:

Надеюсь, что обзор данного конструктора-частотомера был интересен и полезен. Удачи!

Простой непростой частотомер

Microchip ATtiny24A

Бабанин В., Красноярский край

Технические решения, положенные в основу разработки, сами по себе практически не используются современной электроникой. Одно видится неочевидным, другое считается устаревшим. Еще одно вообще выглядит как рационализаторское предложение из 70-х годов прошлого века. Удивительно, что аппаратная проверка этих схемотехнических решений на применимость сформировала то, что, в конце концов, оказалось частотомером, причем именно они обеспечили хорошие параметры прибора при низкой стоимости. Приведенный ниже материал нельзя считать техническим описанием законченной конструкции, пригодной для повторения, из-за отсутствия некоторых узлов и конструктивной проработки. Вместе с тем все, предоставленное на суд читателя, работоспособно и прошло длительную проверку.

Для бюджетного частотомера, чтобы он считался измерительным прибором, требуется повышенная стабильность временной базы, обеспечиваемая специальным кварцевым генератором, стоимость которого в десятки раз выше изделий «ширпотреба». В нем приняты меры по компенсации температурного ухода частоты резонатора. Обычный кварц, тактирующий микроконтроллер, не может обеспечить сколько-нибудь приемлемой точности измерения частоты выше 30 МГц. Девиация показаний при изменении температуры окружающей среды на 10-20 °C достигает единиц килогерц, что ограничивает шкалу простых частотомеров шестью разрядами. Для повышения точности необходимо термостатировать кварцевый резонатор, что влечет за собой увеличение стоимости прибора. Разорвать «порочный» круг можно простым способом локальной стабилизации температуры [1].

Алгоритм, описанный в статье [1], оказался не очень подходящим для работы в составе частотомера, и его пришлось менять. Дело в том, что при работе с частотами, близкими к верхнему пределу, у микроконтроллера нет времени на аналого-цифровое преобразование датчика (UBE), кроме как в паузе между измерениями. Время включенного состояния транзистора не может, таким образом, быть менее 1 секунды и «проскок» температуры за установленный порог становится неприемлемо большим. Эта проблема решается применением алгоритма Брезенхема [2] для регулировки мощности в термостате. Теперь при включении установление стабильных показаний занимает около 10 минут, а входная частота 30 МГц индицируется с изменением ±1 ед. счета (±1 Гц). О методике испытаний в отсутствии эталона частоты будет рассказано позже.

Несколько слов о конструктивном исполнении. На макетной плате горизонтально, стороной кристалла вверх (расколите один TO-92S, чтобы увидеть устройство), монтировался транзистор 2SC4115S. Сверху он прижимался кварцевым резонатором HC-49U так, чтобы транзистор располагался посередине корпуса. Принимались меры для улучшения теплового контакта и снижения потерь, где это необходимо. Конденсаторы емкости нагрузки припаяны к выводам на обратной стороне. Сверху кварц и транзистор закрыты кусочком поролона 20 × 10 × 10 мм, в котором под корпус резонатора обжигалкой проделано углубление. Тонкий поролон приклеен с обратной стороны платы. Резистор, задающий ток базы, расположен в термостабильной зоне. В установившемся режиме стабилизации изменение напряжения база-эмиттер (UBE) включенного транзистора (режим нагрева) составляет 1 ед. счета (

1 мВ), что гарантирует поддержание температуры резонатора с точностью не хуже ±0.25 °C.

Небольшое пояснение. Как видно, программа частотомера очень небольшая по размеру. Служебные функции можно ввести, не трогая основных. При настройке посмотреть реальное значение UBE (и вычислить температуру термостата) не составляет труда. В исходном тексте для этого оставлены закомментированные строки (функция HND ).

Самый простой способ. Включить прибор «на холодную», запомнить первое значение, дождаться стабильных показаний (они уменьшаются) и вычесть второе из первого. Разделить разность на 2.2 (мВ/°C). Получится разность температур с ошибкой около +7%. Требуется помнить, что из-за наличия резистора R2, регулировка происходит в узком диапазоне, а резистор R3 должен быть подобран по методике [1].

Возможность программного управления с высокой точностью температурой кварцевого резонатора и ее надежная стабилизация позволяют использовать тонкую «температурную подстройку». Обычный дешевый безымянный кварц при изменении температуры от 50 °C до 65 °C показал перестройку частоты около –40 ppm. Как пользоваться новыми возможностями, еще предстоит осмыслить, но подстроечным конденсаторам и варикапам в цепи кварца есть альтернатива.

Все недорогие частотомеры построены на микроконтроллерах (МК), большинство из которых имеет ограничения на частоту входного сигнала, и она всегда должна быть меньше тактовой. О редких исключениях из этого правила упоминать не будем. В общем случае измеряемую частоту приходится делить внешним счетчиком (ВС), если она соизмерима с тактовой частотой или больше ее. В данной реализации предварительный делитель используется совместно с методом досчета. Суть его в том, что по завершении «окна счета» состояние ВС можно определить, подавая на его вход счетные импульсы. Их количество подсчитывается МК до момента обнуления предделителя, а программный счетчик переполнений корректируется. Никакими особенными преимуществами перед традиционными данный метод не обладает, разве что требуется меньше портов МК для сопряжения с ВС. Однако использовавшие его частотомеры отличались повышенной сложностью входных цепей [3], что способствовало утрате к нему интереса разработчиков. Но, похоже, напрасно. В данном случае появляется возможность применять предварительные счетчики любой разрядности и без выходов промежуточных разрядов.

Принципиальная схема

Принципиальная схема приведена на Рисунке 1. Основные узлы частотомера: коммутатор (U1a), предварительный делитель на 4-разрядном двоичном счетчике (U2a), микроконтроллер ATtiny24A, узел термостата и ЖКИ MT-10T11 (на схеме не показан). Никаких особенностей схема не имеет, кроме того, что подтягивающие резисторы шины I 2 C (1 кОм) размещены на плате индикатора, и здесь не изображены. Сделано это для того, чтобы сохранить возможность применения любого индикатора с последовательным интерфейсом на 8 и более разрядов [4,5,6]. Неиспользуемые элементы аналогового коммутатора и счетчика предоставляют простор для дальнейшей модернизации. Элементарно построение двухканального частотомера без дополнительных затрат.

Рисунок 1.

Вообще то, что приведенная схема оказалась работоспособной и стабильной при работе с частотами выше 60 МГц, вызывает удивление. Просто внутренние цепи кристалла аналогового коммутатора 4053 имеют емкость около 10 пф, что на частоте 100 МГц соответствует сопротивлению 160 Ом! Как минимум, два порта практически соединены с источником входного ВЧ сигнала и МК, похоже, сохраняет точность аналого-цифрового преобразования и не сбивается при обработке прерываний, следующих через 25 мкс. Это невозможно, но это работает даже на макете с проводным монтажом.

Особенности программного обеспечения

Таймер TC1 настраивается на работу в режимах CTC и генерирует «окно счета» длительностью 1 с на выходе OC1A (SEC1). Такой выбор позволяет организовать (псевдо) аппаратное формирование нарастающего и спадающего фронтов, положение которых во времени жестко привязано к системной частоте. В качестве опорного может применяться любой кварц. Настоятельно рекомендуем использовать как можно более высокочастотные.

Если используется кварц, отличающийся от указанного на схеме, нужно изменить две константы в программе. Частоту в Гц требуется разделить на 512, записать в шестнадцатеричной системе и присвоить значение константам Dbase , Dadd . При настройке «временных ворот» (1 с) следует подбирать значение Dadd . Здесь имеется ввиду то обстоятельство, что точная частота генерации конкретного кварца нам неизвестна, тем более, что она еще сдвинута от среднего значения работой при повышенной температуре в термостате.

Программа температурной стабилизации использует только 8 младших разрядов кода аналого-цифрового преобразования UBE транзистора-нагревателя. Поскольку зависимость UBE от тока коллектора и температуры кристалла не нормируется производителями, транзистор для датчика-нагревателя следует выбирать по минимальному UBE на рабочем токе (120-130 мА) и максимальному усилению тока. Для справки: 2SC4115S (T = 25 °C, IC = 1 мА, UBE = 607 мВ), применяемый в термостате, имеет UBE = 531 мВ при токе коллектора 120 мА и температуре кристалла +60 °C. Конечно, можно использовать двухбайтное значение и не экономить программную память МК, но это дело второе. Исходный код написан на ассемблере и очень компактен при компиляции.

Практические результаты

Макет частотомера (Рисунок 2) строился на микросхемах CD74HC393E, CD74HC4053E и без замечаний работает на частоте 70 МГц. Также испытывался счетчик LV393, но с ним выше 125 МГц проверка не проводилась. Программный предел для входной частоты – 150-160 МГц. Замена серии HC на LV в коммутаторе ощутимого улучшения характеристик не выявила, разве что на частоте 125 МГц субъективно на несколько единиц счета уменьшилась разница между минимальным и максимальным показаниями.

Рисунок 2.

Поскольку источник эталонной частоты отсутствовал, настройка и проверка характеристик частотомера проводилась с набором серийных кварцевых генераторов, на технические параметры которых однозначно указывала маркировка. Таких оказалось четыре: 5, 30, 70, 100 МГц (частоты округлены). Вначале под каждый кварц подбиралось значение константы Dadd , чтобы показания частотомера соответствовали маркировке. В дальнейшей работе использовалось среднее значение Dadd , и все кварцы уложились в допустимое паспортное отклонение от центральной частоты (не более ±100 ppm). Наиболее близкими к среднему оказались настройки под кварц 70 МГц, который был принят за эталон. Далее каждый кварц термостатировался и фиксировалось максимальное отклонение показаний. После этого этапа работы с кварцами 5 и 30 МГц прекратились, потому что ошибка лежала в пределах ±1 ед.счета в течение достаточно длительного времени. Частота 100 МГц отображалась с максимальной ошибкой ±5 ед.

Специальное замечание

После завершения испытаний кварцевый резонатор МК был заменен на новый при переделке макета. Повторить проверку не удалось, стабильность не отвечала ожиданиям. Секрет заключался в термотренировке элементов, на которую потребовалось несколько дней.

Разрешающая способность частотомера проверялась изменением в небольших пределах температуры термостата с кварцем, принятым за эталон. Однозначно фиксировалось изменение частоты при изменении температуры на градус. Получилось среднее значение в районе 2-3 ppm/°C. В целом разрешающая способность близка к аппаратной ошибке ±2/5 Гц на частотах 70/100 МГц.

Частотомер обеспечивает измерение частоты сигналов с логическими уровнями на частотах от 0 до 70/100 МГц с точностью ±2/5 Гц. Работоспособность сохраняется до частоты 125 МГц.

Напряжение питания +5 В. Ток потребления (средний/макс.) – 55/130 мА.

Примечание

Состояния Fuse Bytes МК приведены в заголовке исходного кода. Включается режим с внешним высокочастотным кварцем и выключается делитель на 8. Остальное – по умолчанию.

Схема частотомера своими руками

На базе описанного формирователя импульсов можно собрать еще один прибор — частотомер . Назначение его отражено в названии — измерение частоты исследуемого сигнала.

При поступлении на вход элемента DD1.2 последовательности прямоугольных импульсов на выходе формирователя появляется последовательность отрицательных импульсов, длительность которых зависит от емкости конденсаторов, подключенных в данный момент к резистору R1 и входу элемента DD1.2. В течение действия каждого отрицательного импульса через один из резисторов R2—R4 и микроамперметр РА1 проходит ток. После окончания одного импульса и до начала следующего стрелка механической системы микроамперметра за счет инерционности не успевает возвращаться в начальное положение. Таким образом, чем больше частота импульсов, тем больше угол отклонения стрелки. Причем зависимость эта линейная, что значительно облегчает калибровку прибора.

Диапазон частот, измеряемых этим прибором (20. 20000 Гц), разбит на три поддиапазона: 20. 200, 200. 2000, 2000. 20000 Гц. Поддиапазон измерения выбирается переключателем SA1 и зависит от емкости подключенного конденсатора.

При калибровке прибора на его вход подают последовательность импульсов с частотой, соответствующей наибольшей частоте поддиапазона, и подбором сопротивления резисторов R2—R4 устанавливают стрелку на конечную отметку шкалы.

Для удобства эксплуатации в качестве микроамперметра РА1 использовать авометр, включив его в режим измерения постоянного тока на пределе 100. 150 мкА.

Первая конструкция частотомера состоит из микроконтроллера PIC16F84 и делителя частоты на 10 на счетчике 193ИЕ2. Выбор нужного диапазона происходит сдвоенным тумблером SA1. В первом положение, входной сигнал меняет делитель и сразу проходит на вход микроконтроллера. Это дает возможность измерять частоту до 50 МГц.

Основой второй схемы частотомера является эмикроконтроллер PIC16F84A, который с помощью импульсов внешнего сигнала, обрабатывает полученные результаты измерений и вывод их на ЖК дисплей. Кроме того, микроконтроллер периодически опрашивает кнопки (SB1-SB4) и управляет питанием частотомера.

Особенностью данной конструкции частотомера на микроконтроллере является то, что она работает вместе с компьютером и подсоединена к материнской плате через разъем IRDA. От этого же разъема конструкция получает питание

Этот частотомер сделан также на одной м.с, минимуме дискретных элементов и может выполнять следующие измерения: частоты, периода, отношения частот, временного интервала, счёт (работать как накапливающий счётчик), производить контроль от внутреннего генератора.

Результаты всех измерений выводятся в цифровой форме на восьмиразрядном светодиодном индикаторе. Максимальная измеряемая частота 10 МГц. В иных режимах измерения максимальная входная частота -2,5 МГц.

Упростить электрическую схему частотомера позволяет использование известной и популярной за рубежом недорогой микросхемы типа 7216А. Она представляет собой универсальный декадный счётчик со встоенным задающим генератором, 8-разрядным счётчиком данных с защёлкой, дешифратором для 7-сегментного индикатора с восемью выходными усилителями для светодиодных индикаторов. Схема прибора изображена на рисунке. На выводы 28 (канал I) или 2 (канал II) подают измеряемую импульсную последовательность ТТЛ уровня. С выводов 4-7, 9-12 идёт управление сегментами светодиодных индикаторов. Выводы 15-17,19-23 используются для мультиплексного управления светодиодными индикаторами, а выводы 15,19-23, кроме того, используются для выбора диапазона и режима измерений, с них сигналы через переключатели и RC цепи подаются на выводы 14 и 3. Вывод 27 используется для фиксации показаний, а вывод 13 для сброса. Кварцевый резонатор с частотой 10 МГц подключают к выводам 25, 26. Питается прибор от источника +5 В (аккумулятор, батарея сухих элементов, стабилизированый сетевой блок), собственное потребление ИМС не превышает 5 мА, а максимальный ток светодиодов может составлять до 400 мА.

Прибор прост в эксплуатации. Управление сводится к выбору режима работы переключателем SB4: Частотомер, Измеритель периода, Измеритель отношения частот, Измеритель временного интервала, Накапливающий счётчик, Контроль, а также к выбору диапазона измерений переключателем SB3 (по младшему разряду): 1. 0,01 с/1 Гц, 2. 0,1 с/10 Гц, 3. 1 с/100 Гц, 4. 10 с/1 кГц.

Кроме микросхемы 7216А в приборе использованы резисторы мощностью 0,125 Вт, конденсаторы С1-СЗ, С6, С7 керамические, светодиодный индикатор собирается из восьми цифровых 7-сегментных индикаторов с общим анодом АЛС321Б, АЛС324Б, АЛС337Б, АЛС342Б, КИПЦ 01Б, КИПЦ 01 Г. Кварц малогабаритный на 10 МГц.

Для нормальной работы схемы на входы необходимо подавать сигнал ТТЛ уровня. Порог переключения по входам микросхемы 2 В, поэтому для измерений малых сигналов вход прибора нужно подключить к выходу усилителя-формирователя, который может быть реализован по любой из известных схем. Главное, чтобы он с одинаковым успехом преобразовывал в прямоугольные импульсы как сигналы с частотой 1 Гц, так и 10 МГц. Желательно иметь большое входное сопротивление этого усилителя. При разработке этой схемы использовались данные производителя микросхемы ICM7216A

Лабораторный частотометр на микросхемах 555 серии, с намёком на стимпанк.

Частотометр – первейший, после вульгарного тестера, прибор в измерительной лаборатории радиолюбителя. Действительно, при конструировании и настройке аппаратуры, работа которой основана на явлении резонанса в колебательных контурах, жизненно важно иметь возможность измерения основных параметров этих самых контуров. Более того, частотометр, оснащенный несложными приставками, позволяет проводить измерения емкостей конденсаторов, индуктивностей катушек, что весьма полезно в радиолюбительской практике. Существуют конструкции приставок-преобразователей, позволяющих превратить частотометр в вольтметр-милливольтметр, термометр. Не сложно дополнить частотометр на микросхемах, режимом секундомера. Весьма точного.

В аэроплан залезь не глядя.
Начни роман со слов “Мой дядя”.
Луди, паяй, чуди безбожно.
Но не гуляй, куда не можно.

Михаил Щербаков «Заклинание».

Что сказать, эта конструкция у меня зародилась давненько. Была изготовлена печатная плата основного модуля – авторский вариант из описания, плата индикации своя, для других индикаторов. Дорожки рисовал от руки самодельным рейсфедером из иглы от медицинского шприца. К несчастью, разводка довольно плотная, да еще и не до травил. Самую малость. Остались кое-где мельчайшие проводнички, как паутинки, практически невидимые невооруженным глазом. Словом, с самого начала не задалась конструкция. Платы были собраны, но разумеется, прибор не заработал, повозился с ним немного и бросил – было лето, строительный сезон, а это я для души по вечерам возился. Ну вот. Собранная плата, постепенно стала расползаться на запчасти, и пока не расползлась окончательно, решил ее, таки одолеть. Вдумчиво, шаг за шагом.

Итак. Что касается схемы. Схемы приборов подобного типа неоднократно описывались в радиолюбительской литературе. Каждая из них отличается нюансами – типом индикации и количеством разрядов, построением отдельных каскадов, входным формирователем. Принцип же, работы отдельных узлов практически одинаков. Описываемый прибор, в сущности – некая компиляция из трех подобных. Взглянем, что получилось.

Схема основного блока [1]. Кроме изменений отраженных в схеме, уменьшено количество разрядов индикатора до пяти, и введены транзисторные ключи для управления более крупными индикаторами [2] по схеме ниже.

Индикаторы применены КЛЦ 202А с общим анодом, ключевые транзисторы КТ503.

Схема входного формирователя взята из [3], там же самое подробное описание работы узлов и настройки такого типа частотометра.

Инструменты, приборы.
Набор инструментов для радиомонтажа, понятно паяльник с принадлежностями, мультиметр. Столярный инструмент для изготовления корпуса, пригодился ювелирный лобзик. Мелкий слесарный инструмент. Что нибудь для сверления отверстий, в том числе и мелких (

0,8мм) на печатных платах, лучше, если это будет специальная микродрель или станочек для таких целей, плюс сверла. Пользовался термоклеем. Строительный фен для работы с термотрубками. Паяльник мощностью около 60 ватт, для конструктивной пайки. Для подачи испытательного сигнала, удобно пользоваться ВЧ генератором. Кое-где пригодилась бормашина, небольшая газовая горелка.

Материалы.
Кроме радиоэлементов, использовались – кусочки фольгированного материала для печатных плат, термотрубки разные, монтажный провод, крепеж. Фанера для корпуса. Листовая оцинкованная сталь для передней панели, кусочек латуни для декоративной накладки. Соответствующие химикаты, доступ к компьютеру с принтером.

Плата, основного блока частотометра. Почти растащена на запчасти.

Задающий генератор на 155ЛА3. Примечателен кварцевый резонатор на 1МГц. Он чудовищного размера и помещен в металлический корпус от радиолампы 6П9. Поверх выдавленной маркировки «6П9», белой краской нанесено «кварц» «1000кГц», ну и звезды там всякие. Октальный цоколь, все дела. Цоколь, правда, оторван и висел на проводках-выводах, видимо, предыдущий хозяин тоже глазам своим не поверил и расковырял, чтоб заглянуть. Но емкость с кристаллом не разгерметизирована. Цоколь оторвал, на его место термоклеем влепил спиной микросхему. И за нежные выводы спокойнее и в смысле компоновки правильнее.

Самые плотные и подозрительные шлейфы дорожек, счистил бормашинкой в пользу навесного монтажа, оставил от них только контактные площадки для выводов элементов.

Начал восстанавливать плату.

Пространственный монтаж вместо плоского – «печатного», выглядит на удивление лаконично, что объясняется возможностью перехлестывания проводников.

Включение. Вдумчиво, последовательно блок за блоком, методично проверяя работу каждого.

Решено было все же попробовать задействовать все разряды.

Немного потыркал им – нет, все таки такая иллюминация не слишком удобна. Сложновато ориентироваться в показаниях индикатора. Привыкнуть можно, но вроде как незачем – важны только первые три цифры после запятой, остальные только мешаются и нужны только для исключения из схемы переключателя диапазонов измерений. Более того, такое количество довольно мощных индикаторов, электричество жрет, как свинья помои – +5 В, больше ампера. 7805 от этого не в восторге, сильно греется. Пришлось для нее задействовать внешний регулирующий транзистор [4].

Схема не содержит редких элементов, как например токоизмерительные резисторы и хорошо работает. Напряжение стабилизации VD3 – 6.8 В. Транзистор и диоды, желательно установить на один радиатор, вблизи друг от друга.

Вот так выглядит мое исполнение. Стрелочкой отмечены диоды VD1,2 – IN5822, для более плотного прилегания к радиатору, их цилиндрические корпуса опилены на наждаке до квадратного сечения. Не забывать под соприкасающиеся с радиатором поверхности, плюхнуть немного термопасты, для уменьшения теплового сопротивления.
Стабилизатор хорошо показал себя в работе, нагрев микросхемы существенно уменьшился.

По результатам испытаний, решено было уменьшить количество индикаторов до 5 и ввести переключатель двух диапазонов, как в [5]. Это позволит при удобной индикации, не уменьшать диапазон измеряемых частот. Сильно уменьшится и потребляемый ток.

Здесь же на кусочке макетной платы, был собран и настроен входной формирователь. Максимальная частота которую удалось измерить около 15 МГц.

Частотометр был смонтирован в уже готовой коробке из фанеры толщиной 8мм. Передняя панель для скрытия следов всех промежуточных вариантов, была изготовлена из оцинкованной кровельной стали 0,5мм. Окна выпилены моим любимым инструментом. Для некоторого «оживляжа», над индикаторами впаян козырек-бленда, опять же, не будет мешать свет.

М-м, нет, все равно получилось довольно уныло, да и надписи фломастером – моветон. Был рассмотрен ряд вариантов, остановился на шильдиках из травленой латуни, как дальнейшее развитие – накладной декоративной панели с надписями.

Несколько вариантов панелей и самих надписей были вычерчены в Автокаде, заодно добавились декоративные элементы. Панель, для уточнения размеров, распечатывалась в масштабе 1:1, отверстия и окна вырезались скальпелем. Уточнялись их размеры и положение, корректировались в КАДе, снова распечатывались… Словом, методом последовательных итераций.
После, методом контактной печати, изображение переносилось на заготовку с фотолаком, вытравливалось, наносилась искусственная патина.

Снова мой любимый инструмент.

И вот готовая панель. Осталось покрыть ее прозрачным нитролаком для защиты от окисления и можно устанавливать.

Все установочные элементы на месте, окончательный монтаж. Частотометр смог измерять на мегагерц больше, что видимо, объясняется минимизацией длин проводов и некоторого упорядочивания монтажа.

Литература.
1. Универсальный частотометр. Иванов А. Радиоконструктор №4,5 2007г. 1.rar [459.27 Kb] (скачиваний: 231)
2. ВКЛЮЧЕНИЕ МОЩНЫХ СЕМИЭЛЕМЕНТНЫХ СВЕТОДИОДНЫХ ИНДИКАТОРОВ. 2.rar [136.58 Kb] (скачиваний: 164)
3. Частотомер на микросхемах К155. 3.rar [574.04 Kb] (скачиваний: 276)
4. Применение микросхемных стабилизаторов. 4.rar [315.56 Kb] (скачиваний: 154)
5. частотомер электронносчетный. 5.rar [68.97 Kb] (скачиваний: 217)

Читайте также:  USB тестер напряжения и тока своими руками – инструкция по сборке, схема
Ссылка на основную публикацию