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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Radiofrequenzimetro amatoriale. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Tecnologia di misurazione Ai lettori viene offerta una descrizione di un frequenzimetro amatoriale sul microcontrollore AT89C52-24JC e due accessori, con i quali, oltre a misurare la frequenza e la durata degli impulsi, è possibile misurare la capacità e l'induttanza dei componenti. Negli ultimi anni nella letteratura periodica sono apparse diverse pubblicazioni dedicate alla descrizione dei misuratori di radiofrequenza amatoriali costruiti sulla base di microcomputer a chip singolo. I vantaggi di tali progetti sono evidenti: il numero di microcircuiti utilizzati è ridotto e, di conseguenza, le dimensioni e il consumo energetico sono ridotti, il dispositivo è facile da assemblare e regolare e può essere ripetuto anche dai radioamatori alle prime armi. Inoltre, diventa possibile modernizzare e aumentare le funzioni di servizio solo modificando il programma di controllo. Il frequenzimetro è destinato all'uso nella pratica radioamatoriale. Permette di misurare:
Il frequenzimetro può essere utilizzato anche come bilancia digitale per apparecchiature di ricezione radio. Utilizzando accessori aggiuntivi, il frequenzimetro può misurare la capacità dei condensatori e l'induttanza di induttanze e bobine. Principali caratteristiche tecniche
Il frequenzimetro (il suo diagramma è mostrato in Fig. 1) è costituito da un comparatore di segnale, un interruttore della modalità operativa, un sincronizzatore del ciclo di misurazione, un contatore di impulsi, un microcontrollore, una tastiera, un indicatore a cristalli liquidi e uno stabilizzatore di potenza.
Lo stadio di ingresso è costruito su un comparatore di Analog Devices AD8561AR (DA1). Questo comparatore ha una latenza tipica di circa 7 ns. Il segnale di ingresso arriva al connettore XP1 e va al circuito di protezione R1VD1VD2 e al comparatore DA1. I resistori R4, R5 formano un'isteresi del comparatore per eliminare la comparsa di rimbalzi con segnali che cambiano lentamente. All'uscita del comparatore, il segnale è rappresentato da una coppia di livelli logici antifase, abbinati ai livelli dei chip logici del frequenzimetro. Il cambio della modalità operativa si basa su un multiplexer digitale DD2. L'interruttore commuta i segnali in base alla modalità operativa selezionata del frequenzimetro. Il sincronizzatore (elementi DD1.2, DD1.3, DD4) genera segnali per l'inizio e la fine del ciclo di misurazione. Il contatore di impulsi (DD3) conta il numero di impulsi nel segnale di ingresso o di riempimento durante la misurazione dell'ampiezza dell'impulso. Il microcontrollore (DD5) di ATMEL AT89C52-24JC controlla tutti gli elementi del dispositivo: interruttore della modalità operativa, indicatore, tastiera. La frequenza di clock di 10 MHz per il microcontrollore è impostata dal risonatore al quarzo BQ1. Durante l'impostazione e il controllo del frequenzimetro, la frequenza dell'orologio del microcontrollore viene regolata con il condensatore C6 su un valore esattamente di 10 MHz utilizzando un frequenzimetro industriale. Per misurare la durata dell'impulso viene utilizzato anche il segnale del risonatore al quarzo del microcontrollore (segnale BF). In questo caso il periodo di ripetizione degli impulsi di riempimento è di 100 ns. Pertanto, anche l'errore nella misurazione della durata dell'impulso non supera questo valore. Il microcontrollore funziona utilizzando la memoria di programma interna (il pin 35 di DD5 è collegato al bus +5V). Quando il frequenzimetro è acceso, il microcontrollore viene riportato al suo stato iniziale da una caduta di tensione trasmessa dal condensatore C5. La tastiera (pulsanti SB1, SB2) viene utilizzata per selezionare le modalità operative e i parametri del frequenzimetro. Utilizzare il pulsante SB1 ("Modalità") per selezionare la modalità operativa e utilizzare il pulsante SB2 ("Parametro") per selezionare il parametro della modalità. Ad esempio, utilizzare il pulsante SB1 per impostare la modalità "Misurazione della frequenza" e utilizzare il pulsante SB2 per selezionare il valore del parametro "Tempo di misurazione" - 10 s. Circa 1 s dopo aver selezionato una modalità operativa o un parametro, il frequenzimetro inizia automaticamente la misurazione. Come indicatore viene utilizzato il modulo LCD alfanumerico ITM1602ASR con due righe da 16 caratteri. La prima riga visualizza la modalità operativa e i parametri del frequenzimetro e la seconda riga visualizza il valore misurato. Utilizzando il trimmer resistore R8 è possibile regolare il contrasto dell'immagine dell'indicatore. L'indicatore si collega al connettore XS3 e si installa direttamente sulla scheda. L'indicatore collegato tramite un cavo aggiuntivo può essere posizionato in una posizione diversa su richiesta dell'utente. Lo stabilizzatore integrato DA2 viene utilizzato nell'unità di stabilizzazione della tensione di alimentazione. La tensione di alimentazione da una fonte esterna viene fornita al connettore XP2. Condensatori C15, C16 - filtro di ingresso; C13, C14 - filtro di uscita stabilizzatore. I condensatori C7 - C12 sono condensatori di blocco; sono installati vicino ai microcircuiti. Il frequenzimetro utilizza microcircuiti domestici della serie KR1533 (l'analogo importato è 74ALS). Il microcircuito 74NS4040 con una frequenza massima di 50 MHz viene utilizzato come contatore di impulsi, che limita l'intervallo di misurazione della frequenza. Considerare il funzionamento del frequenzimetro nella modalità di misurazione della frequenza del segnale di ingresso. Il segnale dal comparatore (circuito F1) viene fornito al commutatore della modalità operativa (pin 4 di DD2). Il microcontrollore imposta i livelli del segnale logico A = 0 e B = 1, quindi emette il segnale START (logico 1), che avvia il processo di misurazione. Attiva gli interruttori DD4.1 e consente al segnale di passare all'uscita dell'interruttore (pin 7 di DD2) e all'ingresso del contatore di impulsi (pin 10 di DD3). Il microcontrollore genera un intervallo di tempo, ad esempio, della durata di 1 s (segnale TW). Durante questo tempo, il segnale di ingresso può essere trasmesso dall'uscita del comparatore al contatore di impulsi del segnale di ingresso. Gli impulsi di overflow del contatore DD3 vengono contati dal timer/contatore 1 del microcontrollore. Dopo che il microcontrollore mantiene l'intervallo specificato, il comparatore blocca la sua uscita (pin 5 DAI - LATCH) e il conteggio degli impulsi del segnale di ingresso si interrompe. Il microcontrollore imposta i livelli di segnale logico A = 1, B = 1 e legge il numero accumulato dal contatore di impulsi (DD3) utilizzando gli impulsi di “conteggio” (segnale CP). Il microcontrollore calcola il numero totale di impulsi nel contatore di impulsi per l'intervallo di tempo selezionato (e questa è la frequenza del segnale) utilizzando la formula X 1048576+ Y 4096 + Z, dove X è il contenuto degli 8 bit superiori del timer/contatore 1 del microcontrollore; Y è il contenuto degli 8 bit inferiori del timer/contatore 1 del microcontrollore; Z - il contenuto del contatore di impulsi (DD3). Se la frequenza di ingresso è molto elevata, il contatore/timer 1 del microcontrollore potrebbe andare in overflow. In questo caso il microcontrollore aggiunge al risultato ottenuto con la formula precedente il numero 268435456. Consideriamo il funzionamento di un frequenzimetro usando l'esempio della misurazione della durata di un impulso di polarità positiva. I segnali dall'uscita del comparatore (segnale F1 per un impulso positivo o segnale F2 per un impulso negativo) vengono inviati al commutatore della modalità operativa (DD2). Il microcontrollore imposta i livelli logici dei segnali A - 0, B - 0. Quindi viene emesso un segnale per impostare il trigger DD4.1 sullo stato singolo (segnale WR/CM). Successivamente viene emesso il segnale START (1 logico), corrispondente all'inizio della misurazione. Il microcontrollore attende la commutazione del trigger DD4.2. Il trigger DD4.1 consente agli impulsi di riempimento di passare dall'elemento DD1.1 all'uscita dell'interruttore (pin 7 di DD2). Con l'inizio dell'impulso del segnale di ingresso, gli impulsi di riempimento (segnale BF) vengono forniti all'ingresso del contatore di impulsi (pin 10 DD3) attraverso l'elemento DD1.1 e l'interruttore. Gli impulsi di overflow del contatore DD3 vengono contati dal timer/contatore 1 del microcontrollore. Al termine dell'impulso del segnale di ingresso, il trigger DD4.1 passa allo stato inverso e il conteggio degli impulsi di riempimento si interrompe. Sulla base del segnale END, il microcontrollore imposta i segnali A = 1, B = 1 e legge il valore accumulato dal contatore di impulsi (DD3) utilizzando gli impulsi di conteggio (segnale CP). La durata dell'impulso misurato viene calcolata dal microcontrollore utilizzando la formula (X 1048576 + Y 4096 + Z)x100, dove X - contenuto degli 8 bit senior del timer/contatore del 1° microcontrollore; Y - contenuto degli 8 bit inferiori del timer/contatore del 1° microcontrollore; Z - il contenuto del contatore di impulsi DD3; 100 - il periodo di ripetizione degli impulsi di riempimento, pari a 100 ns. Pertanto, quando si misura la durata dell'impulso, il cancello temporale è l'impulso stesso. Per determinare la durata di un impulso negativo, il microcontrollore imposterà i livelli del segnale logico A = 1, B = 0. Il software è scritto in linguaggio C per i microcontrollori della famiglia MCS-51. Strutturalmente, il frequenzimetro è realizzato su un circuito stampato a doppia faccia (Fig. 2), sul quale sono montati tutti gli elementi (Fig. 3), ad eccezione dell'indicatore.
Nella fig. 2 pad rotondi, convenzionalmente rappresentati senza fori, sono collegati ai corrispondenti pad presenti sul retro della scheda tramite fori passanti metallizzati. Nella produzione amatoriale di PCB, la metallizzazione viene sostituita con conduttori sottili.
Connettori rimovibili: PLS-2, PBS-14 e una presa PLCC-44 per l'installazione di DD5. Impostazione del contatore di frequenza Dopo aver assemblato il frequenzimetro è necessario effettuare tre operazioni di regolazione. 1. Il contrasto dell'indicatore viene regolato dopo aver fornito alimentazione al frequenzimetro regolando il resistore di sintonizzazione R8. 2. Per impostare la frequenza dell'oscillatore al quarzo del microcontrollore, è necessario l'accesso al condensatore di regolazione della frequenza. Pertanto, quando l'alimentazione al frequenzimetro è spenta, rimuovere il modulo indicatore dalla scheda e quindi, tenendo premuto il pulsante SB1, accendere l'alimentazione al frequenzimetro. Con un accoppiamento capacitivo minimo tra l'ingresso del frequenzimetro standard e il punto BF (Fig. 3), regolando il condensatore C6, la frequenza del generatore viene impostata esattamente su 10 MHz. 3. La regolazione del comparatore nello stadio di ingresso viene eseguita senza applicare un segnale al connettore del frequenzimetro. Dopo aver acceso il dispositivo, è necessario prima ruotare il cursore del resistore R6 nella posizione estrema sinistra, quindi ruotare lentamente il cursore verso destra finché sull'indicatore non appare "NESSUN SEGNALE". Di seguito è riportata una descrizione delle modalità di funzionamento del frequenzimetro. Modalità bilancia digitale Utilizzare il pulsante "MODE" per impostare la modalità "BILANCIA DIGITALE". Utilizzando il pulsante "PARAMETRO", selezionare il parametro della modalità - frequenza del percorso IF. Questa frequenza può essere selezionata tra i seguenti valori: +455 kHz; -455kHz; +465kHz; -465kHz; +500kHz; -500kHz. Il segno davanti al valore digitale Ff indica l'operazione che esegue il frequenzimetro. Se il segno è “+”, alla frequenza misurata viene aggiunta la frequenza Ff, se il segno è “-”, viene sottratta. Il tempo di misurazione della frequenza in questa modalità è 0,1 s. Visualizzazione dell'indicatore del frequenzimetro nella modalità operativa: Misurazione della frequenza del segnale di ingresso Utilizzando il pulsante "MODE", impostare la modalità "FREQUENZA" e utilizzando il pulsante "PARAMETRO", selezionare il parametro della modalità - tempo di misurazione. Il parametro in secondi può assumere uno dei seguenti valori: 0,1 s, 1 s; 10 secondi. Circa 1 s dopo aver rilasciato il pulsante, il frequenzimetro passerà automaticamente alla modalità di misurazione. La selezione di un nuovo parametro interrompe il ciclo di misurazione corrente e ne avvia uno nuovo con un nuovo valore di parametro. Le unità di frequenza (Hz, kHz, MHz) vengono determinate automaticamente in base alla frequenza del segnale di ingresso. Visualizzazione dell'indicatore del frequenzimetro in modalità operativa: con una frequenza del segnale di ingresso fino a 1 kHz alla frequenza del segnale in ingresso fino a 1 MHz a una frequenza del segnale di ingresso uguale o superiore a 1 MHz, Il simbolo ">" qui e sotto significa che il frequenzimetro è in modalità conteggio impulsi. Cioè, il risultato della misurazione attualmente presente sull'indicatore si riferisce al ciclo di misurazione precedente. Misurazione del periodo del segnale di ingresso Utilizzare il pulsante "MODE" per selezionare la modalità "PERIODO SEGNALE". Non ci sono parametri da impostare per questa modalità. Circa 1 s dopo aver rilasciato il pulsante, il frequenzimetro passerà automaticamente alla modalità di misurazione. Il periodo T del segnale di ingresso è il reciproco della sua frequenza F. Pertanto, il frequenzimetro misura prima la frequenza del segnale di ingresso in un tempo di misurazione di 1 s e dopo i calcoli visualizza il risultato sull'indicatore. Visualizzazione dell'indicatore del frequenzimetro nella modalità operativa: Misurazione della deviazione di frequenza Utilizzare il pulsante "MODE" per selezionare la modalità "DEVIAZIONE". Non ci sono parametri da impostare per questa modalità. Circa 1 s dopo aver rilasciato il pulsante, il frequenzimetro passerà automaticamente alla modalità di misurazione. La deviazione (o deriva) è definita come la differenza tra la corrente e la frequenza che si trovava all'inizio della misurazione in questa modalità. In questo caso, la deriva (deviazione) della frequenza può essere positiva o negativa. Pertanto, il valore della deviazione viene visualizzato sull'indicatore con un segno. Per avviare un nuovo tracciamento della deriva della frequenza, è necessario fare clic sul pulsante “PARAMETRO”. Visualizzazione dell'indicatore del frequenzimetro nella modalità operativa: Misurazione della durata dell'impulso di polarità positiva Utilizzare il pulsante "MODE" per selezionare la modalità "PULSE". Utilizzare il pulsante "PARAMETRO" per selezionare il parametro della modalità - polarità dell'impulso. Per un impulso positivo, la sua durata è indicata con “P” e l'intervallo tra gli impulsi è indicato con “0”. Circa 1 s dopo aver rilasciato il pulsante, il frequenzimetro passerà automaticamente alla modalità di misurazione. Visualizzazione dell'indicatore del frequenzimetro nella modalità operativa: Misurazione della capacità Se disponi di un frequenzimetro che misura il periodo, puoi misurare la capacità di qualsiasi condensatore da 10 pF a centinaia di μF. Il suo diagramma è mostrato in Fig. 4.
Il multivibratore, assemblato sull'amplificatore operazionale DA1, genera impulsi con un periodo proporzionale alla capacità Cx. Questo è descritto dall'espressione Тх= 2CхRэ-lп[(R4+R4')/(R4-R4')]. Qui il valore di R4' corrisponde alla resistenza della parte del resistore di regolazione tra il motore e il terminale inferiore del circuito. Se il cursore del resistore R4 è installato in modo che ln[(R4+R4')/(R4-R4')] - 0,5, allora Tx = CхRe e con Re = 1 MΩ il valore di capacità di 10 pF corrisponde alla durata di il periodo degli impulsi generati, pari a 10 μs, e con Re = 10 kOhm il valore di 1 μF corrisponde ad una durata di 10000 μs. L'accessorio contiene un condensatore di riferimento Se (3000...10000 pF), che consente di calibrare l'accessorio e misurare anche capacità inferiori a 10 pF. Si consiglia di selezionare la precisione del condensatore di riferimento con un errore non superiore a 0,5...1%. La calibrazione del set-top box consiste nell'impostare il valore del condensatore di riferimento sul frequenzimetro utilizzando il resistore di regolazione R2 (10 kOhm). Te nel frequenzimetro dovrebbe essere pari a 1 μs (Fe = 1 MHz). A causa dell'interferenza, i bit di ordine inferiore potrebbero modificare periodicamente il loro valore. Ma nella maggior parte dei casi, la precisione della misurazione della capacità è abbastanza soddisfacente. Per misurare la capacità, utilizzare il pulsante "MODE" per selezionare la modalità "CAPACITÀ". Questa modalità non ha parametri. Circa 1 s dopo aver rilasciato il pulsante, il frequenzimetro passerà automaticamente alla modalità di misurazione. Visualizzazione dell'indicatore del frequenzimetro nella modalità operativa: Misura dell'induttanza Se si dispone di un accessorio (il suo diagramma è mostrato in Fig. 5), è possibile misurare l'induttanza nell'intervallo 1 μH...2 H.
Il principio di misurazione si basa sul rapporto tra il periodo delle oscillazioni armoniche e l'induttanza e la capacità del circuito oscillatorio del generatore in allegato: T2 = LC/25330, dove T è in secondi, L è in µH, C è in pF. Pertanto, se utilizziamo una capacità del circuito pari a 25330 pF, il valore numerico dell'induttanza viene calcolato dal seguente rapporto: L \u2d T1 \u2d XNUMX / FXNUMX, dove F è la frequenza di oscillazione. Per misurare l'induttanza con un frequenzimetro dotato di accessorio, utilizzare il pulsante "MODE" per selezionare la modalità "INDUTTIBILITÀ". Circa 1 s dopo aver rilasciato il pulsante, il frequenzimetro passerà automaticamente alla modalità di misurazione. I valori numerici delle letture corrispondono all'induttanza in µH. Visualizzazione dell'indicatore del frequenzimetro nella modalità operativa: L'allegato è costituito da un generatore di misura (VT1-VT5), la cui frequenza è determinata dalla capacità dei condensatori C1, C2 (capacità totale di circa 25330 pF) e dall'induttanza collegata ai terminali di ingresso della bobina. Per generare un segnale con livello TTL, viene utilizzato un trigger Schmitt (VT6, VT7). L'ampiezza delle oscillazioni è stabilizzata da un circuito sui diodi VD1, VD2 e sui transistor VT4, VT5, collegato al generatore tramite un inseguitore di emettitore sul transistor VT3. Con il valore specificato della capacità C1, C2 e l'induttanza misurata pari a 1 μH, la frequenza di generazione sarà 1 MHz. Con un'induttanza di 2 H - 700 Hz. Per coprire questa gamma, soprattutto nella gamma delle alte frequenze, è necessario selezionare i transistor VT1, VT2 con un coefficiente di trasferimento della corrente di base di almeno 150. Condensatori C1, C2 - K73-17 o simili con un piccolo TKE. In totale, la loro capacità non dovrebbe differire da quella specificata di oltre l'1...2%. L'ampiezza del campo di misura è influenzata anche dal transistor VT5, o meglio dal suo coefficiente di trasferimento della corrente di base. I migliori risultati sono stati ottenuti utilizzando i transistor GT311 con un guadagno di 30...50. Il prefisso in genere non richiede la configurazione se vengono soddisfatti i requisiti specificati. Software per il microcontrollore Adattatore per microcontrollore AT89C52-24JC Autori: S. Zorin, N. Koroleva, Izhevsk
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