Цифровой частотомер

• Гетеродинные частотомеры - принцип действия основан на сравнении частоты входного сигнала с частотой перестраиваемого вспомогательного генератора с помощью метода нулевых биений, порядок работы аналогичен работе с резонансными частотомерами;
• Конденсаторные частотомеры - принцип таких частотомеров основывается на попеременном заряде конденсаторов от батареи с последующим его разрядом через магнитоэлектрический механизм. Этот процесс осуществляется с частотой, равной измеряемой частоте, поскольку переключение производится под воздействием исследуемого напряжения;
• Вибрационные (язычковые) частотомеры - Представляет собой прибор с подвижной частью в виде набора упругих Элементов (пластинок, язычков), приводимых в резонансные колебания при воздействии переменного магнитного или электрического поля;
• Аналоговые стрелочные частотомеры - по применяемому измерительному механизму бывают электромагнитной, электродинамической и магнитоэлектрической систем. В основе работы их лежит использование частотозависимой цепи, модуль полного сопротивления которой зависит от частоты. Измерительным механизмом, как правило, является логометр, на одно плечо которого подается измеряемый сигнал через частотонезависимую цепь, а на другое - через частотозависимую, ротор логометра со стрелкой в результате взаимодействия магнитных потоков устанавливается в положение, зависящее от токов в обмотках;
• Электронно-счетные (цифровые)  частотомеры - принцип действия электронно-счетных частотомеров  основан на подсчете количества импульсов, сформированных входными цепями из периодического сигнала произвольной формы, за определенный интервал времени. Интервал времени измерения также задается методом подсчета импульсов, взятых с внутреннего кварцевого генератора или из внешнего источника.

  Таким образом,  электронно-счетный частотомер является  прибором сравнения, точность  измерения которого зависит от точности эталонной частоты. Электронно-счетный частотомер является наиболее распространенным видом частотомеров благодаря своей универсальности, широкому диапазону частот (от долей герца до десятков мегагерц) и высокой точности. Для повышения диапазона до сотен мегагерц - десятков гигагерц используются дополнительные блоки - делители частоты.

Работа частотомера  основывается на принципе измерения  частоты, смысл которого состоит  в том, чтобы переменное напряжение, частоту которого нужно измерить, преобразуют в последовательность коротких однополярных импульсов с определенной частотой следования. Если сосчитать число этих импульсов за известный интервал времени, то можно определить частоту:

                                                                (1.3)

Эта идея является основой  метода измерения частоты. [3]

1.3 Варианты схем цифровых частотомеров

1. Частотомер на счётчиках HCF4026BEY с диапазоном измерений от 1 до 9999999 Гц.

Микросхема HCF4026BEY является представителем высокоскоростной КМОП логики. HCF4026BEY содержит десятичный счетчик и дешифратор для работы со светодиодным семисегментным индикатором с общим катодом.

Рисунок 1 - Частотомер на  счётчиках HCF4026BEY

Входные импульсы нужно  подавать на вход С. Важная особенность данного входа в наличии на нем триггера Шмитта, что, в случае с частотомером, позволяет значительно упростить схему входного усилителя формирователя, исключив из него схему триггера Шмитта. Частотомер может измерять частоту от 1Гц до 10МГц (до 9999999Гц). При питании от источника 12В это максимальная входная частота для HCF4026BEY. Входной усилитель выполнен на транзисторе VT1 по схеме ключа. Он преобразует входной сигнал в импульсы произвольной формы.

Прямоугольность импульсам  придает триггер Шмитта, имеющийся  на входе С внутри микросхемы D4. Диоды VD1- VD4 ограничивают величину амплитуды входного сигнала, частоту которого нужно измерить. Нагружен ключ VT1 на резистор R3, с которого усиленный и ограниченный сигнал поступает на вход семидекадного измерительного счетчика D4 - D10. Генератор опорных импульсов сделан на микросхеме D1 - CD4060B. Это хорошо известная микросхема, состоящая из многоразрядного двоичного счетчика и инверторов для построения мультивибратора на RC-цепи или на кварцевом резонаторе.

В данном случае используется резонатор  на 32768 Гц - стандартный часовой резонатор. При делении его частоты на 8192 на выводе D1 получается частота 4 Гц. Эта частота поступает на схему управления, состоящую из десятичного счетчика D2 и двух RS-триггеров на микросхеме D3.

Работает схема управления следующим образом. Допустим, счетчик D2 был в нулевом положении. Логические единицы с его вывода 3 обнуляет все счетчики D4- D10. Далее, с приходом очередного импульса, на его выводе 2 появляется единица. Она переключает RS триггер D3.1- D3.2 в состояние с логическим нулем на выходе D3.1. Этот нуль поступает на вывод D4 и открывает вход счетчика D4. В течение ближайших четырех импульсов, поступающих от D1 (то есть, в течение одной секунды), будет происходить счет импульсов измеряемой частоты. Затем, с приходом 4-го импульса, возникнет логическая единица на выводе 10 D2. Эта единица установит триггер D3.1- D3.2 в состояние логической единицы.

Вход счетчика D4 будет  закрыт - на этом завершится время измерения. А триггер D3.3-D3.4 будет установлен в состояние логической единицы на выходе D3.4. Эта единица поступит на выводы 3 всех микросхем D4- D10 и разрешает индикацию. Индикаторы зажигаются и показывают результат измерения.

Индикация прекращается с приходом 9-го импульса. Триггер D3.3- D3.4 возвращается в исходное положение и выключает индикацию. Затем, D2 устанавливается в ноль, и весь процесс повторяется.

Таким образом, частотомер работает по, так называемой, медленной схеме, в которой периоды измерения и индикации разнесены по времени. Период измерения составляет одну секунду, период индикации чуть больше 1,25 секунды.

Семисегментные светодиодные индикаторы можно использовать любые, важно только чтобы они были с общим катодом. Если же вы располагаете индикаторами исключительно с общим анодом, - нужно будет сделать промежуточные транзисторные ключи - инверторы. Резисторы R6-R54 можно и не устанавливать, но яркость свечения сегментов индикатора получается неравномерной. Питаться частотомер может от источника напряжением 12 В. [7]

2. Частотомер на однокристальном микроконтроллере КР1830ВЕ31.

Этот частотомер был разработан в далеком 1994 году. Принцип работы частотомера - классический: измерение количества импульсов входного сигнала за фиксированный интервал времени. Таким интервалом выбрана 1 секунда, что обеспечивает точность отсчета - 1 Герц.

Рисунок 2 - Частотомер на микроконтроллере КР1830ВЕ31

С общим проводом соединяется  вывод с вдвое меньшим номером. Питание +5v на все микросхемы подводится к выводу с максимальным номером. Между цепями питания необходимо включить 2...3 блокировочных конденсатора 0,01...0,1Мк.

Светодиод HL1 используется в качестве стабилитрона с напряжением стабилизации около 1В. Это напряжение обеспечивает надежное запирание ключевых транзисторов. Цепь C4, R1 необходима для сброса при включении сети. В настоящее время не составляет труда приобрести микроконтроллер с встроенной памятью программ 87C51 или AT89C51. В этом случае схема существенно упрощается, в нее нужно внести следующие изменения: DD5.4 исключается, вывод 11 DD3 подключается к +5В.

Между Р0.0 - Р0.7 и +5В желательно включить подтягивающие резисторы, хотя прибор нормально работает и без них.

DD2, DD4 исключаются, DD3 тоже можно исключить, если нагрузочная способность порта достаточна для управления ключами индикатора (вакуумный индикатор).

Вывод 31 DD1 отключается от "земли" и подключается к +5v. Линии dF и F (выводы 12 и 13 DD1) подсоединяются к двум кнопкам на замыкание без фиксации, установленным на лицевой панели. Вторые контакты этих кнопок подсоединяются к общему проводу. При кратковременном нажатии на кнопку dF частотомер переходит в режим измерения нестабильности частоты. При этом на индикатор выводится разность между текущим значением частоты и тем, которое было в момент перехода в этот режим.

В старшем разряде  индицируется знак отклонения частоты, поэтому диапазон измерения отклонения равен 10 МГц.

При нажатии на кнопку F прибор возвращается в режим измерения частоты. Этот режим устанавливается и при включении питания. Линия 1/10 (вывод 14 DD1) подсоединяется к свободному контакту входного разъема. Она предназначена для удобства работы при использовании внешнего СВЧ делителя на 10. На ответной части разъема распаивается перемычка между этим контактом и контактом, соединенным с общим проводом. Таким образом, при подключении внешнего делителя на 10, расширяющего диапазон измеряемых частот до 1000 МГц эта линия соединяется с общим проводом. При этом соответствующим образом изменяется расположение десятичных точек на индикаторе. При работе без СВЧ делителя, т.е. при измерении частот до 100 МГц этот контакт должен оставаться свободным. С внешним СВЧ делителем цена младшего разряда - 10 Герц.

Диод VD3 в блоке питания обеспечивает небольшое запирающее напряжение для исключения подсветки ненужных сегментов индикатора. Для обеспечения электромагнитной совместимости поверх первичной обмотки трансформатора желательно проложить электростатический экран из медной фольги. К частотомеру можно подключить и светодиодные индикаторы практически любого типа, у которых справа от цифры есть точка.

Важной особенностью частотомера является то, что в нем можно использовать кварцевый резонатор на любую частоту в диапазоне 5...12 МГц, но оптимальным, является значение 6...8 МГц. [6]

3. Частотомер на микроконтроллере ATMEGA16.

Частотомер собран на макетной плате, основой является микроконтроллер ATmega16 компании Atmel, источником тактовой частоты является внутренний RC осциллятор 8 МГц.

Дополнительно, во входной части  используется 4-битный счетчик 74HC191 в качестве делителя измеряемой частоты на 16 до подачи ее на вход микроконтроллера. Как видно, используется только выход Q3 счетчика, частота на этом выходе будет равна входной частоте деленной на 16.

Вход прибора - точка W1, которая напрямую подключена к порту микроконтроллера PB0 и через делитель, к порту PB1.

Для отображения значения измеренной частоты используется 4-разрядный семисегментный светодиодный индикатор с общим анодом.

 

Рисунок 3 - Частотомер на микроконтроллере ATMEGA16

 

Выводы E1…E4 используются для включения соответствующих разрядов (E1 - для включения правого младшего разряда и так далее).

Каждая линия ввода/вывода микроконтроллера ATmega16 может обеспечить выходной ток до 40 мА, поэтому нам нет необходимости использовать транзисторы и сигналы управления дисплеем (E1…E4) подключены непосредственно к порту микроконтроллера.

Максимальная частота, которая может быть обработана счетчиком  микроконтроллера ATmega16, не может превышать тактовую частоту, деленную на 2.5. Тактовая частота для этого микроконтроллера равна 8 МГц, следовательно, напрямую мы можем измерять сигналы с частотой до 3.2 МГц.

Для измерения частоты  выше этого уровня мы используем 4-битный счетчик в качестве делителя входной  частоты. Теперь мы можем измерять частоты в 16 раз превышающие максимальную, но здесь накладывается ограничение со стороны счетчика 74191 и фактическая максимальная измеряемая частота не превышает 40 МГц.  Предел измерения микроконтроллера может быть автоматически обнаружен.

Частотомер начинает измерение оригинальной частоты (обработка и отображение значений на дисплее), и как только обнаруживает, приближение к максимальной частоте   выбирает для измерения частоту после делителя. [7]

4. Частотомер на микроконтроллере PIC16F84.

Предлагается конструкция простого частотомера на микроконтроллере PIC16F84A. Рабочий диапазон 0-9999 кГц. При необходимости можно использовать предделитель на быстродействующей цифровой микросхеме.

Рисунок - Частотомер на микроконтроллере PIC16F84

Схема очень проста, необходимые комментарии даны на рисунке и в тексте программы. Транзисторы использованы КТ315, диоды КД522.

Частота измеряется два  раза в секунду, это облегчает  чтение показаний при плавании частоты, и в то же время не задерживает  работу при перестройке измеряемой частоты. По сравнению с другими конструкциями, отсутствует мерцание дисплея, так как показания обновляются очень часто.

Резистор и диоды  на входе частотомера ограничивают входной сигнал, дроссель в цепи коллектора компенсирует спад усиления на высоких частотах, для измерения низких частот его ставить не нужно. При включении питания частотомер отображает 8888 в течение 0.5 с, затем переходит в режим измерения.

Частота измеряется два  раза в секунду в течение 0.001 с, в остальное время измеренная частота отображается на дисплее. Для измерения частоты используется предделитель (он устанавливается на 256) и таймер микроконтроллера, таким образом после окончания измерения таймер содержит старший байт частоты, а предделитель - младший байт.

Поскольку прямое обращение к предделителю невозможно, его содержимое извлекается путем программной подачи импульсов на вход и подсчета их количества, необходимого для переполнения предделителя.

Двухбайтное шестнадцатеричное  число преобразуется в четырехбайтное двоично-десятичное, потом преобразуются в 7-сегментный код и отображаются на дисплее, с общим катодом.