Цифровой частотомер

Приднестровский государственный  университет им. Т.Г. Шевченко
Инженерно-технический институт
Кафедра информационных технологий и  автоматизированного управления производственными процессами
						Допустить к защите
						зав. кафедрой ИТиАУПП,
						д.т.н., профессор
								Ю.А. Долгов
						« ____» _____________ 2012 г.
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
на соискание академической  степени
бакалавра техники и технологии
по направлению 230100 «Информатика и вычислительная техника»
тема: «ЦИФРОВОЙ ЧАСТОТОМЕР»
Расчетно-пояснительная записка
	Студентка						Волошина
	группы ИТ08ДР62ИВ1						Виктория Григорьевна
	Научный руководитель						Варзяев
	ст. преподаватель						Александр Владиленович
	Нормоконтроль,						Бабич
	преподаватель						Анастасия Павловна
	« ____» ____________ 2012 г.
Тирасполь, 2012

 

Приднестровский государственный  университет им. Т.Г. Шевченко

Инженерно-технический институт

Кафедра информационных технологий и  автоматизированного управления

производственными процессами

 

Утверждаю

зав. кафедрой ИТиАУПП,

д.т.н., профессор

                                                                                                                             Ю.А. Долгов

«____» ______  _____ 2012 г.

ЗАДАНИЕ

НА ВЫПУСКНУЮ  КВАЛИФИКАЦИОННУЮ РАБОТУ БАКАЛАВРА

Студенту  Волошиной Виктории Григорьевне

Тема ВКР: «Цифровой частотомер»

утверждена приказом по университету № 432-ОД от «___» ___________ 2012г.

Срок сдачи  расчетно-пояснительной записки  на кафедру «___»______ 2012г.

Исходные данные к работе:

 

Перечень подлежащих разработке вопросов:

 

Перечень дополнительных вопросов: произвести расчет затрат на выполнение данной работы, рассмотрения вопросов охраны труда.

 

Дата выдачи задания  «____» ________ 2012 г.

Научный руководитель, уч. степень, уч. звание _____________/ФИО/

Задание принял к исполнению                          _____________/ФИО/                            

 

Аннотация

 

В этой работе была решена  проблема создания цифрового частотомера с использованием микроконтроллера. Описана структурная и принципиальная схемы. Выбран и подробно расписан используемый микроконтроллер.

Описан процесс реализации устройства, программирования микроконтроллера, выбрана элементная база и корпус устройства.

В дальнейшем данный частотомер будет  использоваться в образовательных целях в лаборатории университета.

 

ABSTRACT

 

In this work the problem of creating a digital frequency meter was decided with the use of microcontroller. It was described structural and fundamental schemes. A microcontroller is chosen and described in detail.

The process of realization of the device, programming of microcontroller, and choiced element base and corps of device.

In the future, this frequency will be used for educational aims in the laboratory of the university.

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
1 ИССЛЕДОВАНИЕ И АНАЛИЗ  ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ
	1.1 Принципы и методы измерения частоты
	1.2 Классификация частотомеров
	1.3 Варианты схем цифровых частотомеров
	1.4 Постановка задачи и основных требований к устройству
	1.5 Выводы
2 ПРОЕКТИРОВАНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ
	2.1 Структурная  схема цифрового частотомера
	2.2 Выбор элементной базы, электрические характеристики интегральных микросхем и микропроцессоров, выбор радиоэлементов
		2.2.1 Выбор  микроконтроллера
		2.2.2 Выбор стабилизатора напряжения
		2.2.3 Выбор  делителя частоты
		2.2.4 Выбор  цифрового индикатора
	2.3 Программирование микроконтроллера PIC16F84
		2.3.1 Выбор и обоснования используемого ПО
		2.3.2 Система команд PIC16F84
	2.4 Выводы
3 РЕАЛИЗАЦИЯ МИКРОПРОЦЕССОРОНОЙ СИСТЕМЫ
	3.1 Принципиальная схема частотомера
	3.2 Применяемые технологии изготовления печатных плат
	3.3 Чертежи печатных плат, описание программных средств
	3.4 Описание эскиза корпуса устройства
	3.5 Расчёт затрат на проектирование и изготовление устройства
	3.6 Охрана труда
	3.7 Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ И           ТЕРМИНОВ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЯ

 

 

ВВЕДЕНИЕ

В современном  обществе по мере познания природных  явлений все больше возрастает роль измерений. Соответственно непрерывно увеличивается объем измерительной информации, повышаются требования к качеству, точности и способам ее обработки для дальнейшего использования. Наибольшее распространение в связи с развитием цифровой техники получают цифровые измерительные приборы.

Основные требования, предъявляемые к средствам измерений - это высокая точность, быстродействие, возможность автоматизации процесса измерений; представление результатов  измерений в понятной форме, удобной для обработки, малые габариты и вес, высокая надежность и многое другое. Разрешить проблему сочетания точности и быстродействия позволили цифровые приборы.

 Цифровыми измерительными приборами называются приборы, осуществляющие автоматически в процессе измерения операции квантования измеряемой величины, ее цифровое кодирование и представление результатов измерения в цифровой форме непосредственно в виде числа или кода.

Измерение временных  параметров электрических сигналов имеет особое  значение при настройке и ремонте готового электронного оборудования, контроле его состояния, а также при исследованиях, связанных с разработкой новых приборов. Одним из важных параметров является частота.

Частота это физическая величина, характеристика периодического процесса, которая равна числу полных циклов (колебаний), совершённых за единицу времени. Для измерения частоты все чаще используются частотомеры. Наиболее широкое применение получили цифровые частотомеры, принцип действия которых заключается в подсчёте числа периодов измеряемых колебаний за определённый промежуток времени.

Частотомер позволяет измерять частоту синусоидальных, гармонических  и импульсных электрических колебаний в достаточно широких диапазонах, а так же позволяет производить счет числа импульсов сигнала.

Цифровые частотомеры представляют, самую многочисленную группу среди  цифровых измерительных приборов. Эти  приборы являются высокоточными, многофункциональными измерительными приборами.

Современные цифровые частотомеры работают в диапазоне частот от 10^-2 до 10^-10 Гц. Такие частотомеры используются преимущественно при испытаниях радиоаппаратуры, на промышленных предприятиях, электротехнических лабораториях, домашних условиях.

Отсутствие в устройстве подвижных частей в устройстве позволяет увеличить его надежность, удобство и долговечность. Представление измерительной информации в цифровой форме дает возможность обработки ее в ЭВМ [1].

Основной целью данной работы является создание цифрового портативного частотомера со сниженными массогабаритными характеристиками, уменьшение его стоимости, повышенной надёжности и эффективности, а также удовлетворяющего требованиям настоящего технического задания.

Разрабатываемый в дальнейшем универсальный частотомер будет  ориентирован в первую очередь на применение в области цифровой техники при лаборатории университета, где его функциональные возможности, технические характеристики и параметры являются приемлемыми.

Использование в конструкции  прибора однокристального микроконтроллера позволит за счет применения программного управления узлами значительно уменьшить  его схемотехническую сложность, добиться улучшения функциональных возможностей, обеспечить возможность модернизации путем замены внутреннего программного обеспечения.

Частотомер может использоваться для настройки и диагностики различного электронного оборудования, использоваться в образовательных целях.

 

1 ИССЛЕДОВАНИЕ И АНАЛИЗ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ

1.1 Принципы и методы измерения частоты

Частота это физическая величина, характеристика периодического процесса, которая равна числу полных циклов (колебаний), совершённых за единицу времени t.

,                                                  (1.1)

где t - время существования п колебаний.

В случае гармонических колебаний частота будет равна:

                                                       ,                                                    (1.2)

 где Т - период колебаний.

Период это наименьший промежуток времени, за который система совершает одно полное колебание (то есть возвращается в то же состояние, в котором он находилось в первоначальный момент).

Стандартное обозначение  в формулах  f или F. Единицей частоты в системе единиц (СИ) является Герц (Гц, Hz), который определяется как одно колебание в одну секунду. Из чего нужно сделать вывод, что частота и время неразрывно связаны между собой.

Выбор метода измерения  частоты определяется её диапазоном, необходимой точностью измерения, формой сигнала, мощностью источника  сигнала и другими факторами. Сигналы бывают следующих форм:

• Синусоидальная форма;
• Квадратная и прямоугольная формы;
• Треугольная и зубчатая формы сигнала;
• Ступенчатая и импульсная формы сигнала.

Частота электрических  сигналов может измеряется различными методами, основанных на различных физических явлениях:

1. Метод дискретного счета основан на счете числа периодов измеряемой частоты за калиброванный интервал времени. Частотомеры, работающие по данному принципу, являются цифровыми измерительными приборами. Метод является наиболее точным и перспективным. Применяется в диапазоне от десятка герц до сотен мегагерц.
2. Метод заряда и разряда конденсатора основан на измерении среднего тока разряда или заряда образцового конденсатора, переключаемого с заряда на разряд с измеряемой частотой. Метод применяется на частотах от 10…20 Гц до сотен килогерц.
3. Метод измерения, основанный на сравнении с образцовой частотой, применяется в диапазоне частот 100 кГц…100 ГГц и обеспечивает высокую точность, которая зависит от погрешности, с которой известна образцовая частота. Частотомеры, построенные по принципу сравнения частот - гетеродинные частотомеры. Они прекрасно дополняют электронно-счетные частотомеры на сверхвысоких частотах и в миллиметровом диапазоне.
4. Резонансный метод состоит в настройке резонансной колебательной цепи, предварительно прокалиброванной по образцовому генератору и частотомеру, на измеряемую частоту и отсчете ее значения по шкале, связанной с элементом настройки.[2]

1.2 Классификация частотомеров

Классификацию частотомеров можно привести по нескольким параметрам, далее будет представлены некоторые из классификаций.

1. По методу измерения частотомеры делятся на:

• приборы непосредственной оценки (аналоговые);

• приборы сравнения (резонансные, гетеродинные, электронно-счетные).

2. По физическому смыслу измеряемой величины:

• для измерения частоты синусоидальных колебаний;
• измерения частот гармонических составляющих;
• измерения частоты дискретных событий.

3. По исполнению конструкции: щитовые, переносные и стационарные.

4. По области применения частотомеры делятся на:

• Резонансные частотомеры -  принцип действия основан на сравнении частоты входного сигнала с собственной резонансной частотой перестраиваемого резонатора. В качестве резонатора может быть использован колебательный контур, отрезок волновода (объемный резонатор) или четвертьволновой отрезок линии. Контролируемый сигнал через входные цепи поступает на резонатор, с резонатора сигнал через детектор подается на индикаторное устройство (гальванометр);