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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Frequenzimetro - scala digitale su PIC16CE625. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Tecnologia di misurazione Il dispositivo proposto continua una serie di sviluppi amatoriali sui microprocessori e può essere utilizzato come frequenzimetro in un laboratorio domestico o come bilancia digitale per apparecchiature di comunicazione e ricezione radio di tutti i tipi. Nonostante il design semplice, il dispositivo si differenzia dai modelli precedentemente pubblicati per la capacità di misurare frequenze fino alla gamma delle microonde, per l'alta risoluzione e per la capacità di inserire valori di diverse frequenze intermedie nella memoria del controller. Il dispositivo consente di misurare la frequenza del segnale nell'intervallo da 0,1 Hz a 40 MHz. Il livello del segnale di ingresso può essere compreso nell'intervallo 100...200 mV. La risoluzione del dispositivo è 100,1, 0,1 Hz con un tempo di misurazione rispettivamente di 0,1, 1, 10 s. Il numero di cifre dell'indicatore è 8. La tensione di alimentazione del dispositivo è 7,5... 14 V e il consumo di corrente dipende dal numero di segmenti operativi, ma non supera 130 mA. Utilizzando un divisore a microonde esterno con un fattore di divisione compreso tra 1 e 255, è possibile misurare frequenze superiori a 40 MHz. Il principio di funzionamento del frequenzimetro è classico: misurare il numero di impulsi del segnale di ingresso in un determinato intervallo di tempo. Il limite di 10 s ha lo scopo di consentire misurazioni accurate a bassa frequenza. Nella modalità bilancia digitale, il tempo di misurazione del dispositivo è 0,1 o 1 s. Nella memoria non volatile della bilancia digitale possono essere memorizzati fino a 15 valori di frequenza intermedia nell'intervallo da 0 a 99 Hz. In questo caso, le letture dell'indicatore saranno determinate dalla formula
dove Fin - frequenza di ingresso; Kd - coefficiente di divisione del divisore esterno; Ff - frequenza intermedia. La sottrazione viene eseguita in valore assoluto, ovvero da un valore maggiore viene sottratto un valore minore. I valori delle frequenze intermedie, il coefficiente di divisione del divisore esterno utilizzato, nonché le costanti di calibrazione possono essere impostati e modificati dall'utente senza l'ausilio di alcun dispositivo aggiuntivo. Tutti questi dati vengono archiviati nella memoria non volatile del controller PIC. Viene inoltre fornita la possibilità di calibrazione della frequenza tramite software, che consente l'utilizzo di un risuonatore al quarzo di riferimento nel dispositivo nell'intervallo di frequenza 3,9...4,1 MHz. Il diagramma schematico del dispositivo è mostrato in Fig.1.
Il segnale della frequenza misurata viene fornito al driver di ingresso, realizzato sul transistor VT1 e sull'elemento microcircuito DD1. I diodi VD1 e VD2 limitano l'ampiezza del segnale di ingresso a 0,7 V. Per un segnale di ingresso sinusoidale, il limite inferiore delle frequenze misurate è determinato dalla capacità dei condensatori C4 e C5 e, con i valori indicati nella figura diagramma, è pari a 10 Hz. Dall'uscita del chip DDI, gli impulsi generati vengono inviati al controller PIC DD2. La capacità di carico sufficientemente elevata delle sue uscite ha permesso di collegare direttamente ad esso i catodi dell'indicatore HG1. Gli anodi indicatori sono collegati tramite follower di emettitore compositi sui transistor VT2-VT17 alle uscite del contatore DD3, che scansiona le scariche. Questo circuito consente di alimentare l'indicatore con una tensione non stabilizzata, che facilita significativamente il regime termico del microcircuito DA1 ed elimina praticamente l'influenza dei picchi di corrente quando si commutano i bit dell'indicatore sul funzionamento del driver di ingresso. L'impedenza di ingresso del driver è bassa, pertanto, per espandere le capacità del dispositivo ed eliminare l'influenza della capacità del cavo, ad esso è collegata una sonda esterna. Il suo diagramma è mostrato in Fig. 2.
La resistenza di ingresso della sonda è di circa 500 kOhm, la resistenza di uscita è di 50...100 Ohm. Il guadagno è circa 2, ed il limite superiore della larghezza di banda è 100...150 MHz. I diodi VD1, VD2 proteggono il transistor ad effetto di campo da guasti quando all'ingresso viene applicata alta tensione. Il dispositivo è controllato tramite tre pulsanti situati sul pannello frontale e cinque interruttori. Utilizzando i pulsanti SB1, SB2, SB3, selezionare il tempo di misurazione rispettivamente di 0,1, 1 o 10 s. Il nuovo valore di frequenza apparirà sull'indicatore all'intervallo selezionato dopo aver rilasciato il pulsante. Se si tiene premuto uno di questi pulsanti, il valore della frequenza corrente verrà fissato sull'indicatore. Quando si utilizza un divisore esterno, cambia il prezzo della cifra meno significativa del frequenzimetro. Se il suo coefficiente di divisione è compreso tra 3 e 20, il costo della scarica viene ridotto di 10 volte, se Kd è superiore a 20, quindi di 100 volte in qualsiasi momento della misurazione. Se Kd = 2 il prezzo dello scarico non cambia. Lo stato chiuso dell'interruttore SA1 corrisponde al funzionamento del dispositivo con un divisore a microonde esterno, mentre lo stato aperto corrisponde al funzionamento senza di esso. Gli interruttori SA2-SA5 vengono utilizzati per selezionare uno dei 15 valori IF preprogrammati. Il numero dell'azionamento corrispondente viene composto in codice binario (1-2-4-8). Se gli interruttori SA2-SA5 sono aperti, IF = 0 (modalità frequenzimetro). Le uscite dell'interruttore SA1 possono essere collegate ai contatti liberi del connettore a cui è collegato il partitore di microonde. È necessario installare un ponticello sulla parte di accoppiamento del connettore tra questi contatti. In questo modo la connessione del divisore verrà rilevata automaticamente. Se è necessario modificare il numero IF a distanza, ad esempio quando si cambia la portata del ricevitore, è possibile utilizzare i relè elettromagnetici come SA2-SA5. Il frequenzimetro è assemblato su un circuito stampato di 107x46 mm realizzato in fibra di vetro su un lato. Il cablaggio e la disposizione delle parti sulla scheda sono mostrati in Fig. 3.
Tutti i resistori fissi sono MLT 0,125, trimmer - SPZ-19a. Condensatori permanenti - KM, trimmer - KT4-21, condensatori all'ossido - K50-35. Il transistor VT1 è qualsiasi n-p-n con una frequenza di taglio di almeno 600 MHz. Transistor VT10 - VT17 con una corrente consentita di almeno 300 mA. L'indicatore HG1 è un LED a otto cifre, con punti decimali a destra dei numeri. Il suo design può essere arbitrario, ad esempio composto da indicatori a una cifra con un anodo comune. Il chip DD1 KR1554TL2 può essere sostituito con un KR1554TLZ, ma ciò richiederà modifiche al design del circuito stampato. I pin non utilizzati degli elementi del microcircuito devono essere collegati al bus di alimentazione +5 V. L'uso di analoghi TTL in questo circuito riduce il limite superiore delle frequenze operative del dispositivo a 10-60 MHz. Transistor VT1 della sonda remota - effetto di campo con gate isolato, canale di tipo n e tensione gate-source 0...2 V con una corrente di drain di 5 mA - KP305A, B, V; KP313A, B; VT2 - con una frequenza di taglio di almeno 600 MHz. Il resistore R1 è montato direttamente nella parte pin del connettore XP1. Un disegno del PCB della sonda e la posizione delle parti sono mostrati in fig. quattro.
La sonda è montata in una custodia metallica. È consigliabile schermare anche il frequenzimetro, soprattutto se lo strumento verrà utilizzato come bilancia digitale. L'alimentatore può essere qualsiasi non stabilizzato con una tensione di uscita di 7,5...14 V e una corrente di carico fino a 150 mA. Quando si imposta un frequenzimetro, la regolazione del resistore R2 raggiunge la massima sensibilità del dispositivo alle alte frequenze. La tensione sul collettore del transistor VT1 dovrebbe essere di circa 2,5 V. La configurazione di una sonda remota comporta l'impostazione della corrente di ciascun transistor su circa 5 mA. Vengono esposti raccogliendo R3. La tensione sul collettore VT2 dovrebbe essere 4 V. Quindi utilizzare i pulsanti SB1-SB3 per impostare i valori richiesti dei parametri del frequenzimetro nella modalità di servizio. Per accedere a questa modalità, premere tre pulsanti contemporaneamente. In questo caso l'indicatore visualizzerà il valore del tempo di misurazione, che sarà selezionato per impostazione predefinita all'accensione del dispositivo. Premendo il pulsante SB1 o SB2, è possibile selezionare uno dei tre valori: 0,1 s, 1 s o 10 s. Successivamente, premere il pulsante SB3. In questo caso il valore selezionato viene inserito nella memoria non volatile e sull'indicatore appare il valore del coefficiente di divisione del divisore a microonde che verrà utilizzato con il dispositivo. È possibile modificarne il valore premendo SB1 o SB2, quindi confermare la selezione premendo SB3. Se uno o più interruttori SA2-SA5 sono chiusi, sull'indicatore appare il numero dell'inverter acceso ed il suo segno (stilizzato + o -). Il segno si seleziona premendo il pulsante SB1 o SB2, premendo SB3 si conferma la scelta e sull'indicatore appare il valore IF, che può essere modificato premendo nuovamente SB1 o SB2. La velocità di variazione aumenterà a seconda del tempo in cui si preme il pulsante, ovvero più a lungo si tiene premuto il pulsante, più velocemente cambieranno le letture. Il prezzo della cifra meno significativa è 1 Hz. La conferma della selezione è simile alle modalità precedenti: premendo SB3. Successivamente, sull'indicatore viene visualizzato “SETUP”. Se non si preme nessuno dei pulsanti, dopo circa 3 s il dispositivo passerà alla modalità di misurazione con i parametri appena selezionati. Per accedere a "SETUP" premere SB3. In questa modalità viene effettuata la calibrazione software del dispositivo per lo specifico risonatore utilizzato. Ciò potrebbe essere necessario, poiché in questo circuito è eccitato alla frequenza di risonanza parallela e i risonatori di solito indicano la frequenza seriale, che può differire di diversi kilohertz. La calibrazione viene eseguita selezionando nove costanti che determinano la lunghezza degli intervalli di misurazione. Le costanti C1, C2 e C3 definiscono l'intervallo di 0,1 s; C4, C5 e C6 - 1 s e C7, C8 e C9 - 10 s. C1, C4, C7 sono progettati per una calibrazione precisa dell'intervallo; C2, C5 e C8 - per il centro; C3, C6 e C9 - per grossolano. C1, C4 e C7 possono variare da 0 a 17. Aumentandoli o diminuendoli di uno si aumenta o si diminuisce l'intervallo corrispondente di 1 μs (di un ciclo macchina). C2, C5 e C8 assumono valori da 0 a 255. Cambiandoli di uno cambia l'intervallo di 18 µs. C3, C6 e C9 possono anche essere compresi tra 0 e 255 ed eseguire una modifica ancora più grossolana nell'intervallo. I valori di tutte le costanti vengono immessi in sequenza, in modo simile alle modalità precedenti. Dopo aver inserito C9, il dispositivo entra in modalità di misurazione. Se la frequenza di oscillazione del risonatore al quarzo è esattamente 4 MHz, le costanti dovrebbero avere i seguenti valori: С1=9, С2=99, C3=2, С4=13, С5=17, С6=199, С7=17, С8=215, С9=117. Nella versione dell'autore, la frequenza del quarzo è 4 001 120 Hz e le costanti sono leggermente diverse: С1=1, С2=101, C3=2, С4=5, С5=33, С6=199, С7=5, С8=117, С9=118. Per calibrare il dispositivo è necessario disporre di un frequenzimetro e di un generatore di riferimento. Innanzitutto, dovresti utilizzare un dispositivo standard per misurare la frequenza di generazione del risonatore al quarzo nel dispositivo. In questo caso, il rotore del condensatore C7 dovrebbe trovarsi nella posizione centrale. Il frequenzimetro è collegato al punto X1. Il valore misurato viene arrotondato al multiplo più vicino di 40 Hz, ad esempio 4, 000, 000, ecc. Quindi la sonda remota del dispositivo viene collegata al punto X4 e le letture vengono registrate a tutti e tre i limiti. Se le letture differiscono dal valore misurato, accedere alla modalità di servizio, quindi accedere a "SETUP" e modificare i valori delle costanti. In questo caso, dovresti rispettare la regola: modificando la durata dell'intervallo di 000 s di 040 μs, la durata dell'intervallo di 4 s dovrebbe essere modificata di 000 μs e 080 s di 1 μs. In caso contrario, le letture dello strumento a limiti diversi potrebbero non corrispondere tra loro. Dopo diversi tentativi ed errori, l'influenza delle costanti sulle letture diventa chiara. In questo modo si ottengono letture della vera frequenza di generazione. Come accennato in precedenza, deve essere un multiplo di 0,1 Hz. Nella versione dell'autore le letture dello strumento con intervallo di misura di 1 s sono 1; con un intervallo di 10 s - 10; e con un intervallo di 100 s - 40. Dopo la calibrazione, è necessario collegare questo dispositivo e un frequenzimetro di riferimento a un generatore di segnale con una frequenza di 20...40 MHz e un'ampiezza di 0,2...0,5 V e confrontare le letture a tutti i limiti. Se le letture ai diversi limiti non corrispondono tra loro significa che è stato commesso un errore nell'immissione delle costanti ed è necessario ripetere l'operazione. Infine, l'esatta corrispondenza delle letture con la frequenza si ottiene regolando il condensatore C7. Se l'intervallo della sua modifica non è sufficiente, le costanti dovrebbero essere regolate come descritto sopra. Il processo di calibrazione è piuttosto complesso, ma la necessità può sorgere solo una volta dopo la produzione del dispositivo. I valori originali di tutte le costanti e parametri presenti nella memoria non volatile, se necessario, possono essere ripristinati digitando il valore C3 nell'intervallo da 128 a 255. Uno dei possibili divisori di microonde per 10 circuiti è disponibile sul sito dell’autore . Codici del programma di controllo del microcontrollore Autore: N. Khlyupin
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