Проектирование частотомера цифрового на PIC контроллере

Ведение 

 

Темой данного дипломного проекта является проектирование частотомера цифрового на PIC контроллере. При работе на любительской радиостанции перед радиолюбителем часто встает необходимость точно знать частоту, на которую настроен его трансивер или приемник для того, чтобы не уйти за пределы диапазона или для точной настройки на заранее оговоренную частоту. Механические шкалы не дают такой возможности, поэтому приходится конструировать электронные шкалы. В настоящее время разработано большое количество электронных шкал и частотомеров, при разработке которых используются микросхемы разной степени интеграции. Зачастую это сложные устройства, насчитывающие несколько десятков микросхем. Эти конструкции довольно сложны для повторения из-за того, что в сложной схеме гораздо выше возможность допустить ошибку на всех этапах от публикации до монтажа.

Принципиальную схему частотомера можно предельно упростить, если построить ее на базе процессора PIC16F84 фирмы Microchip. Этот процессор обладает высоким быстродействием, широкими функциональными возможностями. Встроенное энергонезависимое запоминающее устройство позволяет записывать и оперативно изменять величину промежуточной частоты цифровой шкалы.

1 Расчетно-конструкторская  часть 

 

1.1 Основные характеристики  и область применения 

 

 

 

Устройство предназначено для измерения частоты электрического сигнала.

Технические характеристики частотомера цифрового: 

 

Электрические:

- напряжение питания, В 50,1;

- напряжение входного  сигнала, мВ100-700;

- погрешность измерений, Гц10/1/0,1;

- максимальная измеряемая  частота, МГц 30;

- потребляемый ток, мА 100;

Эксплуатационные:

лабораторные условия

- температура окружающей  среды, С +25;

- относительная  влажность воздуха, % 60;

- размещение стационарное;

Конструктивные особенности:

- радиоэлектронная  ячейка

- габариты не  менее, мм 4090;

- монтаж печатный;

-закрепление жёсткое;

Область применения:

Частотомер цифровой применяется в радиоизмерительных лабораториях в составе лабораторных стендов. 

 

 

 

1.2 Критерии выбора  микроконтроллера. 

 

 

 

Основные критерии выбора микроконтроллера представлены ниже в порядке значимости:

Пригодность для прикладной системы. Может ли она быть сделана на однокристальном микроконтроллере или ее можно реализовать на основе какой либо специализированной микросхемы?

- Имеет ли микроконтроллер  требуемое число контактов/портов  ввода/ вывода, т.к. в случае их  недостатка он не сможет выполнить  работу, а в случае избытка  цена будет слишком высокой?

- Имеет ли он  все требуемые периферийные устройства, такие как последовательные порты  ввода/вывода, RAM, ROM, EEPROM.

- Имеет ли он  другие периферийные устройства, которые не потребуются в системе?

- Обеспечивает ли  ядро процессора необходимую  производительность, т.е. вычислительную  мощность, позволяющую обрабатывать  системные запросы в течение  всей жизни системы на выбранном  прикладном языке.

Доступность.

- Существует ли  устройство в достаточных количествах?

- Производится ли  оно сейчас?

- Что ожидается  в будущем?

- Надежность фирмы  производителя. 

 

Реализовать частотомер цифровой на основе ИМС не возможно, поэтому применяется программируемый микроконтроллер.

Данным критериям лучше всего соответствует микроконтроллер PIC16F84A-201/P в корпусе DIP 18, для навесного монтажа. По сравнению с аналогичными микроконтроллерами, PIC16F84A-201/P имеет наивысшую тактовую частоту в 30Мгц, память в 1024бит и 8ми разрядный процессор. Т.к. программный ресурс по быстродействию перекрывает скорость любого PIC контроллера, верхняя граница измеряемых частот определяется только быстродействием применяемого микроконтроллера. Стоимость меньше чем у аналогичных микроконтроллеров в керамических корпусах и корпусах для поверхностного монтажа, дефицитным не является. Фирма-производитель MicroChip хорошо себя зарекомендовала на рынке, имеет хорошую репутацию, поддержку клиентов и постоянно обновляет ассортимент.  

 

 

 

1.3 Описание электрической  принципиальной схемы и принцип  работы. 

 

 

 

Принципиальная схема прибора показана на чертеже РГКРИПТ.21030601.4206.003Э3. Прибор позволяет измерить частоту сигнала в интервале 10Гц…30МГц. Чувствительность прибора составляет 100…200мВ. Время измерения 0,1/1/10с. Напряжение питания прибора +5В. Потребляемый ток зависит от количества включенных сегментов и не превышает 130мА.

Принципиальная схема частотомера построена по классической схеме: поступающие на вход импульсы попадают на входной формирователь, выполненный на транзисторах VT1-VT3, который превращает сигнал любой формы и амплитуды в последовательность нормированных по амплитуде импульсов с крутыми фронтами. Сформированные импульсы, поступают на вход PIC контроллера (2,3 DD1), где происходит подсчет количества импульсов за известный период (0,1/1/10мкс.). Число импульсов преобразуются в двоичный код и по интерфейсу (RB4-RB7) поступают на ЖКИ индикатор, где преобразуются в двоично-десятичный код и высвечиваются на табло

индикатора.

Входной формирователь имеет полосу пропускания 10Гц…100МГц. Нижнюю границу для синусоидального сигнала определяет емкость конденсаторов С1 и С2. Первый каскад выполнен по схеме стокового повторителя, что позволяет значительно увелчить входное сопротивление прибора (более 1МОм). Диоды VD1 и VD2 защищают транзистор VT1 от выхода из строя при подаче на вход высокого напряжения (ограничение на амплитуде Uвх=0.7В). На транзисторах VT2 и VT3 выполнен формирователь импульсов. Резистором R7 регулируется крутизна фронтов импульсов, добиваясь высокой чувствительности на высоких частотах.

В частотомере предусмотрена возможность программной калибровки, что позволяет использовать любые кварцевые резонаторы в диапазоне 1…20МГц. Однако оптимальным является значение около 4Мгц. На меньшей частоте снижается быстродействие PIC контроллера, а повышение тактовой частоты увеличивает потребляемый микроконтроллером ток, не давая особых преимуществ. Следует учитывать, что в этой схеме кварц возбуждается на частоте параллельного резонанса, а на отечественных резонаторах обычно указывается частота последовательного резонанса, которая может отличаться на несколько килогерц.

После сборки частотомера необходимо откалибровать частоту кварца. Калибровка выполняется с помощью подбора С9 и С10. Удобнее заменить конденсатор С10 на малогабаритный построечный конденсатор (до 22пФ).

Определить истинную частоту генерации кварцевого резонатора можно подключив образцовый частотомер к точке XN1, при этом движок подстроечного С10 должен быть в среднем положении. Измеренное значение округляется до ближайшего кратного 40Гц, например, 4000000, 4000040, 4000080 Гц и т.д.

После калибровки следует подключить данный прибор и образцовый частотомер к генератору сигналов частотой 20…30МГц и амплитудой 0,2…0,5В. Окончательно точного соответствия показаний частоты добиваются подстройкой С10. Если есть желание уменьшить зависимость резонансной частоты кварца от температуры, то можно ввести термостатирование кварца. Однако в этом особой нужды нет, т.к. команды PIC формирования измерительного интервала времени программно хорошо отработаны. Величины всех измерительных интервалов времени отстроены по нулям (100000м.ц., 1000000м.ц., 10000000м.ц. примечание: м.ц.- машинный цикл).

Особо следует остановиться на работе ЖКИ, выполненного на основе микроконтроллера HD44780 фирмы Hitachi. Индикатор имеет две строки по 16 символов в каждой. Принципиальная схема включения ЖКИ- модуля приведена на рисунке 1.1. 

 

 

 

Рис. 1.1. схема ЖК-индикатора.  

 

К достоинствам данного модуля отображения следует отнести наличие встроенной в м/к оперативной памяти данных и высокую скорость заполнения знакомест символами не вызывает утомляемости глаз ввиду отсутствия мерцания разрядов, особенно это сказывается при динамической индикации.

Назначение выводов и условия выполнения команд записи и чтения приведены на рисунке 1.2: 

 

 

 

Рис. 1.2. Назначения выводов ЖК индикатора. 

 

Триггер имеет энергонезависимую память настроек, что обеспечивает начало работы прибора (после включения питания) в том режиме, в котором происходила работа на момент предшествующий выключению питания.

При работе в режиме цифровой шкалы (ЦШ) при помощи КН1 выполняется переход в подрежим ПЧ (вычитание из результата измерения значения промежуточной частоты) или +ПЧ нажатием КН2 (суммирование результата измерений и значения промежуточной частоты), либо одновременным нажатием КН1 и КН2 переход в подрежим установки значения ПЧ пользователем записывается промежуточная частота (по умолчанию ПЧ=10,7МГц). При этом показания индикатора определяются формулой:  

 

(1.1) 

 

После отпускания кнопок значения фиксируются в памяти микроконтроллера.

Программа для прошивки микроконтроллера на языке ассемблер приведена в приложении А. 

 

 

 

1.4 Выбор и обоснование  конструкции изделия 

 

 

 

1.4.1 Конструктивно-технологические  требования 

 

При разработке конструкции изделия полностью удовлетворяющей поставленным требованиям, согласно технического задания учитываются:

1. - функциональное назначение изделия;
2. - объект установки изделия РЭА;

3- условия эксплуатации  и эксплуатационные требования;

1. - производственно-технологические требования;
2. - экономические показатели;
3. - надежность;
4. - преимущества и недостатки конструкции РЭА.

 

 

С конструкторской точки зрения наиболее удобной является классификация по функциональному назначению, применению и объекту установки.

Различают три класса РЭА по объекту установки: бортовая; морская; наземная.

В каждом классе различают специализированные группы в зависимости от объекта установки. Конструкция РЭА различного назначения, устанавливаемой на различные объекты, имеет особенности, вытекающие из специфики назначений и условий эксплуатации.

При конструировании радиоаппаратуры пользуются классификацией, приведенной в таблице 1. 

 

Таблица 1.1 

 

Класс РЭАГруппа аппаратуры12БортоваяСамолетная (вертолетная); Ракетная; Космическая.МорскаяСудовая (корабельная); БуйковаяНаземнаяВозимая; Носимая; Переносная; Бытовая; Стационарная.

Краткая характеристика требований к конструированию 3х классов РЭА:

Бортовая РЭА - это аппаратура, устанавливаемая на летательных объектах.

Основными задачами при конструировании такой РЭА следует считать:

1. уменьшение массы, габаритов;
2. необходимость работы РЭА в условиях пониженного атмосферного давления;
3. необходимость защиты РЭА от сложных механических воздействий (вибрационных и ударных нагрузок).

Морская РЭА - характеризуется следующими условиями:

1. морская среда требует разработки аппаратуры в тропическом исполнении;
2. коррозийная стойкость;
3. плесенестойкость;
4. влагозащищенность;
5. брызгозащищенность;
6. ударные перегрузки;
7. линейные ускорения.

Ударные перегрузки характерны для любой морской РЭА и возникают при ударах волн, а линейные перегрузки возникают при качке.

Наземная РЭА наиболее обширна и разнообразна. Общей задачей конструирования наземной РЭА является защита от вибраций и ударов, от пыли в условиях нормального атмосферного давления.

Внешние факторы, влияющие на работоспособность аппаратуры, можно классифицировать на 2 вида:

-климатические воздействия; 
-механические воздействия.

Для оценки величины каждого воздействующего фактора его сравнивают с нормальными условиями эксплуатации.

Под нормальными условиями эксплуатации понимают условия работы в закрытых отапливаемых помещениях при отсутствии в воздухе паров, газов, солей, кислот и микроорганизмов при температуре (25 5)С, относительной влажностью (65 + 15)%, атмосферном давлении (8,36 ... 10,6) 104 Па (630...800 мм.рт.ст.), при отсутствии механических воздействий.

Вывод: В результате выбора и обоснования конструкции принимаем условия эксплуатации для цифрового частотомера нормальные.

При конструировании цифрового частотомера руководствовался следующими требованиями:

- В конструкции максимально  использованы стандартизованные  и нормализованные элементы, детали. Выполнение этого требования  дает экономический эффект, так  как не тратятся средства на  разработку конструкции изделий, проектирования техпроцесса и  изготовления, специальной оснастки  и оборудования. Что позволило  сократить сроки подготовки производства  изделий РЭА. Эти изделия изготавливаются  специализированной промышленностью, где производство изделий РЭА  отлажено, механизировано и экономически  выгодно. 

 

1.4.2 Описание конструкции  частотомера цифрового 

 

В основу разработки современной РЭА положен модульный принцип конструирования, основывающийся на функционально-узловом методе проектирования.

В дипломном проекте разрабатывается конструкция первого уровня.

Технологичной следует считать конструкцию, удовлетворяющую с заданной надежностью технологическим и эксплуатационным требованиям при выбранном типе производства, изготавливаемую с применением прогрессивных технологических процессов, обеспечивающую наименьшие затраты на поиск неисправностей и ремонт при обслуживании.

Технологичность конструкции можно оценивать количественно и качественно. Качественная оценка в процессе проектирования предшествует количественной.

При анализе конструкции рассматриваем требования к технологичности сборочных единиц и деталей.

Технологичность детали оценивается следующими требованиями:

1. конструкция детали должна состоять из стандартных конструктивных элементов;
2. собираться из стандартных или унифицированных заготовок;
3. размеры и поверхность детали должны иметь оптимальную прочность и шероховатость;
4. конструкция детали должна обеспечить возможность применения типовых и стандартных технологических процессов изготовления;
5. деталь должна стремиться к простой форме.