Цифровой частотомер

1.4 Постановка задачи и требований  к устройству

Основной задачей является разработка малогабаритного со сниженными массогабаритными характеристиками, уменьшение его стоимости, повышенной надёжности и эффективности, а также удовлетворяющего требованиям настоящего технического задания цифрового частотомера, предназначенного для измерения частоты электрических колебаний. Основными функциями которого, являются измерении и вывод на экран результатов.

Основные технические требования разрабатываемого частотомера:

• Диапазон измерения частоты: 0 до 1 ГГц;
• Шаг: 0,1 MГц;
• Напряжение питания: 8 - 20 В;
• Потребляемый ток: тип. 80 - 120 мA;
• Период измерения: 0,01 сек.;
• Дисплея 4-х разрядный индикатор;
• Наличие микроконтроллера управления;
• Наличие корпуса;

1.5 Выводы

В данном разделе были рассмотрены основные понятия частоты, методы, средства измерения частоты, виды частотомеров, одним, из которых является цифровой частотомер. Рассмотрены различные примеры построения цифрового частотомера, как на счетчиках, так и на различных микроконтроллерах. Описаны принципы работы и принципиальные схемы.

В итоге был сделан вывод о том что, применение частотомеров на микроконтроллерах значительно увеличивает надежность, уменьшает габариты и массу устройства.

 

2 ПРОЕКТИРОВАНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ

2.1 Структурная схема цифрового  частотомера

 

На следующем рисунке  представлена структурная схема  цифрового частотомера.

Рисунок  - Структурная схема цифрового частотомера

Основным элементом  входного устройства (ВУ) является стабилизатор напряжения, с помощью которого устанавливается  напряжение, необходимое для нормальной работы формирующего устройства (ФУ). В  формирующем устройстве из входного переменного напряжения U_вх формируются короткие прямоугольные импульсы U_фу, форма которых не изменяется при изменении частоты и амплитуды входного напряжения в установленных для данного прибора пределах.

Для формирования импульсов  применяют триггер Шмидта или специальные схемы на туннельных диодах, которые создают на прямом участке вольтамперной характеристики участок, где увеличение прямого напряжения сопровождается уменьшением силы тока. Данная область используется для усиления слабых сверхвысокочастотных сигналов. Также ФУ может быть реализовано на логических элементах цифровой техники.

Временной селектор (ВС) предназначен для пропускания импульсов U_фу на электронный счетчик (Ст) в течение известного интервала времени T₀ (времени счета), формируемого из частоты генератора с кварцевой стабилизацией (Гкв):

                                             (2.1)

В устройстве управления (УУ) вырабатывается импульс напряжения длительностью T₀, с помощью которого временной селектор открывается и на электронный счетчик (Ст) проходит группа импульсов, число которых:

                                                (2.2)

Рисунок - Эпюры напряжений

Эта информация поступает на цифровой индикатор (ЦИ), на табло которого появляются показания в единицах частоты. Частота генератора с кварцевой стабилизацией обычно равна 4 МГц и поэтому длительность калиброванного импульса T₀ равна 0,2 мкс. При таких длительностях времени счета невозможно измерять частоты, значение которых равно частоте кварца или меньше ее. Поэтому после кварцевого генератора включают декадный делитель частоты (ДЧ), для уменьшения в целое число раз частоты подводимых к нему колебаний, на выходе которого образуются частоты в 10ⁿ  (n=1, 2, 3,… 8) раз ниже частоты генератора.

Устройство управления одновременно с воздействием на временной  селектор выдает импульсы для автоматического  сброса показания с цифрового  индикатора и освобождения электронного счетчика от накопленной информации, а также для сброса в исходное состояние делителя частоты.

В устройстве управления предусмотрена  блокировка схемы совпадения на некоторый интервал времени, в течение которого сохраняются показания на цифровом табло. Этот интервал времени называется временем индикации и устанавливается оператором в пределах нескольких секунд.

Частотомер может работать в  автоматическом режиме и при ручном управлении. В автоматическом режиме счет импульсов производится каждый раз, когда заканчивается установленное время индикации.

Современные электронно-счетные  частотомеры являются автоматическими  приборами, отличающимися высокой  точностью измерений, быстродействием, удобством отсчета и простотой  работы с ними. [2]

2.2 Выбор элементной базы, электрические характеристики интегральных микросхем и микропроцессоров, выбор радиоэлементов

Из структурной схемы указанной выше ясно видно что, требуются микроконтроллер либо комбинации микросхем его заменяющие, делитель частоты и стабилизатор напряжения и различного рода радиоэлементы.

Микроконтроллер будет являться основным в микропроцессорной системе частотомера. Микроконтроллеры можно встретить почти в любом современном электронном цифровом устройстве: мобильных телефонах, фотокамерах, калькуляторах, часах, телевизорах, плеерах, компьютерах, в промышленной электронике, автомобильной электронике и в военной технике. В основном микроконтроллеры применяться там, где приоритетным является уменьшение размеров, потребляемой мощности, увеличение устойчивости к внешним факторам.

Так и в частотомере  за основу будет выбран микроконтроллер, какой либо из фирм производителя. Производители предоставляют большой выбор, выпуская модификации, рассчитанные на разные частоты и напряжения питания. Самыми распространенными микроконтроллерами являются: 8-битные микроконтроллеры PIC фирмы Microchip Technology и AVR фирмы Atmel различной разрядности. Выбор будет осуществляется между самыми известными представителями данных производителей.

Для работы микропроцессора требуется тактовый генератор, который задаёт внешнюю частоту  микроконтроллеру, предполагается, что его номинал равен в 4 МГц, что достаточно для корректной работы устройства. Для его подключения потребуются конденсаторы предположительно 22 пФ.

Далее потребуется стабилизатор напряжения, который позволяет получить на выходе нужное напряжение, находящееся в заданных пределах при больших колебаниях входного напряжения. То есть другими словами даже если питание от сети через блок питания или от батареи , будет 9-20 В, то стабилизатор уменьшит любое входное напряжение до нужных 5 В. Примерами могут служить микросхемы КР142ЕН5А, КР1157ЕН502, К142ЕН3Б.

Еще потребуется  делитель частоты, который используется для расширения диапазона   измерений,  совместно с частотомерами. Его еще называют прескалером. Сигнал с выхода делителя подается на вход  формирователя частотомера. Коэффициент деления в этом случае учитывается в программе. Примерами микросхем СВЧ делителей частоты: LB3500, SAB6456, TD6359, MC12066D, SP4666 и другие.

Предполагается, что результат с выходов микроконтроллера будут выведены на цифровой семисегментный индикатор. Есть два варианта либо цифровой индикатор с общим катодом, либо с общим анодом. Отличием является способ подключения, в случае с общим анодом подключение проводят через транзисторные ключи. В качестве транзисторов выбраны четыре транзистора серии BC556B. Также будут  использоваться сопротивления на 39 кОм для регулирования яркости свечения индикатора.

Помимо этого потребуются высокочастотные  щупы, дополнительные конденсаторы для отсечения постоянной составляющей сигнала, и конденсаторы в качестве фильтров питания, номинал которых будет определен после проектирования принципиальной схемы частотомера.

Еще выпрямительные диоды для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный выходной электрический ток. Одновибратор, состоящий из двух сопротивлений 39 кОм, емкости 100 мкФ и транзистора BC546B.

2.2.1 Выбор микроконтроллера

При проектировании цифрового  частотомера, его основой, будет являться микроконтроллер. Но для того чтобы выбрать, нужно для начала рассмотреть основные их характеристики и подобрать наиболее подходящий.

Рассмотрим подробнее характеристики и основные параметры трех, наиболее распространенных микроконтроллеров: ATMEGA16, ATiny2313 и PIC16F84.

1. микроконтроллер ATMEGA16

Ядро	AVR
Память: Flash, КБайт	16
Память: RAM, КБайт	1
Память: EEPROM, КБайт	0.5
I/O (макс.), шт.	54
Таймеры: 8-бит, шт.	2
Таймеры: 16-бит, шт.	1
Таймеры: Каналов ШИМ, шт.	4
Таймеры: RTC	Да
Интерфейсы: UART, шт.	1
Интерфейсы: SPI, шт.	1
Интерфейсы: I2C, шт.	1
Аналоговые входы: Разрядов АЦП, бит	10
Аналоговые входы: Каналов АЦП, шт.	8
Аналоговые входы: Быстродействие АЦП, kSPS	15
Аналоговые входы: Аналоговый компаратор, шт.	2
VCC, В	от 1.8 до 5.5
ICC, мА	16
TA, °C	от -40 до 85

 

2)   микроконтроллер ATiny2313 [7].

Таблица 1.2 - Основные параметры микроконтроллера ATiny2313

Ядро	AVR
F, МГц	от 0 до 20
Память: Flash, КБайт	2
Память: RAM, КБайт	0.125
Память: EEPROM, КБайт	0.125
I/O (макс.), шт.	18
Таймеры: 8-бит, шт.	1
Таймеры: 16-бит, шт.	1
Таймеры: Каналов ШИМ, шт.	4
Таймеры: RTC	Нет
Интерфейсы: UART, шт.	1
Интерфейсы: SPI, шт.	1
Аналоговые входы: Аналоговый компаратор, шт.	2
VCC, В	от 1.8 до 5.5
ICC, мА	0.5
TA, °C	от -40 до 85

 

Таблица 1.3 -  Основные параметры  микроконтроллера PIC16F84

Ядро	PIC16
F, МГц	от 0 до 20
Память: Flash, КБайт	1
Память: RAM, КБайт	0.068
Память: EEPROM, КБайт	0.064
I/O (макс.), шт.	13
Таймеры: 8-бит, шт.	1
Таймеры: RTC	Нет
VCC, В	от 2 до 5.5
ICC, мА	25
TA, °C	от -40 до 85
Корпус	DIP-18

 

Для дальнейшего исследования и  использования в микропроцессорной  системе цифрового частотомера, выбран микропроцессор  PIC16F84. Вот их более подробное и детальное описание.

В микроконтроллерах PIC16F84 реализована двухступенчатая конвейерная обработка команд, что обеспечивает одновременное исполнение текущей команды и выборку из памяти данных следующей. Все команды микроконтроллера, кроме команд безусловного и условного переходов, выполняются за один такт.

Ядро микроконтроллера PIC16F84 изготовлено по гарвардской архитектуре совместно с аккумуляторной архитектурой, с использованием регистров общего назначения. Набор инструкций по принципу RISC архитектуры. В микроконтроллерах PIC16F84 существует два блока памяти - память программ и память данных. Каждый блок имеет свою собственную шину, что позволяет за один такт производить обращение, как к коду, так и к данным.

Память для хранения программы микроконтроллера PIC16F84 выполнена по FLASH технологии и размещена непосредственно на кристалле микроконтроллера. Физически адресуется только первые 1024 ячейки памяти программ. Обращение к старшим адресам, лежащим за пределами диапазона адресуемых ячеек.

Кроме всего этого  в PIC16F84 есть встроенный таймер - аппаратная реализация часов реального времени, которые можно использовать для отсчета различных временных интервалов. Таймер полностью программно доступен и может функционировать с выработкой аппаратного прерывания либо посредствам установки значения специального регистра.

Всю память данных можно разделить на специальные регистры, регистры общего назначения и EEPROM память: