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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Frequenzimetro multifunzionale. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Tecnologia di misurazione Il dispositivo proposto, oltre alla consueta misurazione della frequenza dei segnali, può misurare il loro periodo, nonché la durata degli impulsi positivi e negativi. Inoltre, la frequenza di segnali inferiori a 1 kHz viene calcolata come reciproco del loro periodo e il periodo di ripetizione di segnali inferiori a 1000 μs viene calcolato come reciproco della loro frequenza. Ciò migliora la precisione della misurazione. Una volta ho assemblato un frequenzimetro Denisov molto popolare [1], o meglio, la sua versione [2] sul microcontrollore PIC16F628A e l'indicatore LED ALS318. Dopo molti anni, ha nuovamente attirato la mia attenzione. Questo dispositivo misura la frequenza regolarmente, ma è dolorosamente primitivo e le letture tremolano costantemente. Sulla stessa base è stato deciso (modificando la connessione di due uscite del microcontrollore, circuiti di ingresso e circuiti di alimentazione) di creare un dispositivo privo delle carenze del suo prototipo, oltre che integrato con nuove funzioni e modalità. Lo strumento descritto di seguito ha le seguenti capacità: misura di frequenza "normale" contando il numero di impulsi in un secondo; misurare la frequenza dei segnali a bassa frequenza come reciproco del suo periodo; misurare il periodo del segnale, in cui il periodo dei segnali ad alta frequenza è calcolato come il reciproco della sua frequenza; misurare la durata degli impulsi di polarità sia positiva che negativa. È inoltre possibile memorizzare nella memoria non volatile del microcontrollore un valore del valore misurato in ciascuna modalità con la loro successiva visualizzazione se necessario. È possibile modificare rapidamente le impostazioni del dispositivo e spegnerlo automaticamente in assenza di influenze esterne per un certo tempo. Principali caratteristiche tecniche
Lo schema del frequenzimetro è mostrato in fig. 1. Il microcontrollore PIC16F628A (DD1) controlla gli anodi degli elementi indicatori HG3 e HG0 attraverso i resistori di limitazione R2-R4 con i segnali generati alle uscite RA7, RB10-RB17, RB1-RB2, che vengono utilizzate come due indicatori LED a sette elementi a quattro cifre con catodi comuni degli elementi di ciascuna cifra FYQ-3641AHR-11. I segnali che controllano i catodi degli scarichi dell'indicatore provengono dalle uscite del decodificatore 74HC138N (DD2), ai cui ingressi i segnali provengono dalle linee RAO-RA2 del microcontrollore operante in modalità di uscita. Utilizzando le stesse righe, lavorando in modalità input, il programma verifica lo stato dei pulsanti di comando SB1 e SB2. I resistori R1-R4 impostano i potenziali desiderati sugli ingressi quando i pulsanti vengono premuti e rilasciati.
Il microcontrollore è sincronizzato dal suo oscillatore interno, la cui frequenza è di 16 MHz, impostata da un risonatore al quarzo esterno ZQ1. Il pin MCLR non viene utilizzato ed è collegato alla tensione positiva del microcontrollore per evitare guasti. Il programma esegue operazioni relative all'indicazione dinamica nella procedura di elaborazione delle richieste di interrupt dal timer TMR2, seguite da un periodo di 2 ms. Pertanto, le informazioni sull'indicatore a otto cifre vengono aggiornate con una frequenza di 1/(8x0,002) = 62,5 Hz. Ciò garantisce l'invisibilità dello sfarfallio dell'indicatore in tutte le modalità operative del dispositivo. Il segnale dall'amplificatore-formatore di ingresso va alle linee combinate RA4 e RB3 (pin 3 e 9 del microcontrollore, rispettivamente, aventi funzioni alternative T0CKI e CCP1). Nella modalità di un frequenzimetro convenzionale, T0CKI è l'ingresso del contatore di impulsi e la linea RB3, che opera nelle modalità di ingresso e uscita, viene utilizzata per aprire e chiudere programmaticamente l'ingresso del contatore e quindi "contare". Quando si misura il periodo e la durata, entrambe le linee funzionano come ingressi T0CKI e CCP1. In questo caso, viene utilizzato un algoritmo per acquisire lo stato del registro TMR1 nei momenti di caduta del segnale e calcolare gli intervalli di tempo tra questi momenti, nonché per controllare la correttezza del risultato analizzando il contenuto del registro TMR0. L'idea è che il segnale misurato venga inviato agli ingressi combinati di conteggio e acquisizione dei timer del microcontrollore. Ciò consente di giudicare in base al numero di transizioni contate dal timer TMR0 se le transizioni necessarie vengono perse dall'unità di acquisizione del timer TMR1 a causa di prestazioni insufficienti del microcontrollore. L'amplificatore di ingresso sui transistor VT1 e VT2 è assemblato secondo uno schema ben noto e consolidato. La capacità relativamente grande dei condensatori C1 e C9 è spiegata dalla necessità di garantire che il limite inferiore della larghezza di banda non sia superiore a 1 Hz (per questo viene utilizzato il resistore R20, che aumenta la resistenza di ingresso del gradino sul transistor VT2). Gli elementi C8, C10, C11, L1 aumentano il guadagno dell'amplificatore driver per segnali vicini alla massima frequenza misurabile. Il resistore R5 e i diodi VD1, VD2 proteggono il transistor VT1 dalla rottura del segnale di ingresso. L'amplificatore di modellazione consuma una corrente significativa (circa 5 mA), quindi per risparmiare energia nella modalità di sospensione del dispositivo, è stato necessario scollegarlo dall'amplificatore utilizzando un interruttore su un transistor ad effetto di campo VT3 con un canale di tipo p. A causa della mancanza di uscite libere, il microcontrollore controlla questo tasto con un segnale dall'uscita RA2, che viene utilizzato anche per controllare il decoder DD2. In modalità operativa, il segnale su questo pin è un impulso rettangolare con una frequenza di ripetizione di 125 Hz. Quando il livello logico di questo segnale è basso, il condensatore C13 viene caricato attraverso il circuito VD3R23 e il transistor VT3 si apre con una tensione di gate negativa rispetto al source. Ad un livello di segnale elevato, il diodo VD3 impedisce al condensatore di scaricarsi attraverso la resistenza relativamente piccola del resistore R23. La costante di tempo del circuito C13R24 è scelta abbastanza grande da impedire che interferenze con una frequenza di 125 Hz entrino nel modellatore dell'amplificatore di ingresso. In modalità sleep, il microcontrollore imposta l'uscita RA2 su un livello logico alto costante. Il condensatore C13 viene scaricato attraverso il resistore R24 e dopo circa 3 ... 5 s, il transistor VT3 si chiude e disconnette completamente l'amplificatore del driver dalla fonte di alimentazione. Di conseguenza, la corrente consumata dal dispositivo in modalità sleep non supera i 10 μA, il che, se lo si desidera, consente di abbandonare l'interruttore di alimentazione meccanico. Le linee RA0 e RA1 del microcontrollore in sleep mode sono configurate come ingressi, e su di esse (oltre che sugli ingressi 1 e 2 del decoder), al rilascio dei pulsanti SB1 e SB2, grazie alle resistenze R1 e R3, viene impostato un livello di tensione logica alto. Un livello alto opera anche all'ingresso di 4 decoder. Tale combinazione di livelli ai suoi ingressi corrisponde ad un livello basso all'uscita 7, che, attraverso il resistore R21, entra nella linea RB7 del microcontrollore, che in questo caso funge da ingresso. Quando si preme un pulsante qualsiasi, il codice agli ingressi del decoder cambia, quindi, alla sua uscita 7, il livello basso viene sostituito da uno alto, che viene trasmesso attraverso il resistore R21 all'ingresso RB7 del microcontrollore. In modalità sleep, è abilitato un interrupt per un cambio di livello su questo ingresso, quindi premendo un pulsante qualsiasi si riporta il microcontrollore alla modalità attiva. Il dispositivo è alimentato da una tensione di 5 V da un regolatore di tensione integrato NCP551SN50 (DA1). Questo microcircuito è caratterizzato da una piccola differenza consentita tra la tensione di ingresso e quella di uscita e un consumo di corrente estremamente basso (valore tipico - 4 μA). L'uso di uno stabilizzatore 78L05 convenzionale al suo posto è possibile, ma annullerà il significato della modalità sleep a causa del grande consumo di corrente intrinseco dello stabilizzatore - circa 3 mA. Tutte le parti del dispositivo sono posizionate su un circuito stampato di dimensioni 63x65 mm realizzato in fibra di vetro laminata su un lato. Il disegno dei conduttori stampati della scheda è mostrato in fig. 2. La posizione delle parti sui suoi due lati - in fig. 3. Le dimensioni della scheda sono scelte in modo tale da poter essere comodamente riposte in una custodia da un multimetro DT-830, avendo precedentemente tagliato i supporti di plastica al suo interno. Allo stesso tempo, c'è spazio sufficiente per varie opzioni di batteria: dalla batteria Krona a cinque o sei batterie AAA galvaniche o ricaricabili. Il fatto che tutte le parti, inclusi i pulsanti, il connettore di ingresso e il blocco a vite per l'alimentazione della tensione, siano posizionate in modo compatto sulla scheda, consente di utilizzare il dispositivo anche senza custodia. Si prega di notare che gli indicatori si trovano nella parte inferiore del tabellone. Questa disposizione è alquanto insolita, ma fornisce un angolo di visione maggiore dell'indicatore.
Gli indicatori FYQ-3641AHR-11 possono essere sostituiti da altri con catodi comuni, come CPD-03641. Se installi 74AC138N invece del decoder 74HC138N, allora, se necessario, puoi aumentare la corrente fino a due volte, e quindi la luminosità degli indicatori, riducendo la resistenza dei resistori R10-R17 a 390 ohm. Ma poi la corrente consumata dal dispositivo in modalità operativa aumenterà proporzionalmente. A mio avviso la luminosità degli indicatori è sufficiente anche con i valori di questi resistori indicati nel diagramma. Un risonatore al quarzo può essere utilizzato non solo a una frequenza di 16 MHz, ma anche a 4 MHz, ma in questo caso la durata minima dell'impulso misurata aumenterà di quattro volte. Le varianti del programma del microcontrollore per entrambi i valori indicati della frequenza del risonatore sono allegate all'articolo. Pulsanti SB1 e SB2 - orologio angolare. Invece del transistor BF998, puoi usare il BF998R, la loro differenza sta solo nella disposizione dei pin reciprocamente speculari. Pertanto, il transistor BF988R dovrà essere montato sulla scheda in posizione capovolta. Il transistor KT368A è sostituito da qualsiasi transistor npn a bassa potenza simile con una frequenza di taglio di almeno 300 MHz. I diodi 1N4148 possono essere sostituiti dalle serie domestiche KD521, KD522. La parte a blocco del connettore per l'alimentazione, progettata per una spina con un diametro di 1 mm, viene utilizzata come jack di ingresso XW5,5. Alla spina è saldato un pezzo di filo schermato lungo 50 cm, all'estremità opposta della quale è saldata una sonda al filo centrale e alla sua treccia è saldata una clip a coccodrillo. Per ridurre le dimensioni, i condensatori e i resistori vengono utilizzati principalmente per il montaggio superficiale, dimensione 0805. Il condensatore C13 è tantalio. Per evitare cortocircuiti indesiderati sui conduttori stampati nei punti del loro passaggio sotto gli elementi per il montaggio superficiale, vengono preliminarmente incollate strisce di nastro adesivo di carta. I resistori di uscita vengono utilizzati dove è vantaggioso in termini di cablaggio conveniente dei conduttori stampati. Posizionare prima gli elementi a montaggio superficiale sulla scheda, quindi i fili del ponticello e infine gli elementi conduttori. Come ultima risorsa, lo stabilizzatore NCP551SN50T1 può essere sostituito dal meno raro LP2950CZ-5.0. La scheda ha uno slot contrassegnato DA1, ma in questo caso la corrente consumata in modalità sleep aumenterà a 70 ... 100 μA. L'aspetto della scheda assemblata è mostrato in fig. quattro.
Quando si utilizzano gli elementi indicati nello schema e un risonatore al quarzo di alta qualità, le caratteristiche del dispositivo indicate all'inizio dell'articolo sono fornite senza alcuna regolazione. Se esiste un frequenzimetro esemplare accurato, ha senso, applicando un segnale con una frequenza di 5 ... 30 MHz all'ingresso del dispositivo e controllandone il valore mediante il frequenzimetro esemplare, per ottenere il più vicino possibile alle letture del dispositivo fabbricato regolandole con un condensatore di sintonia C7. Se necessario, selezionando un resistore R19, sul collettore del transistor VT2 dovrebbe essere impostata una tensione costante compresa tra 2 ... 3 V. Il programma del microcontrollore è scritto in linguaggio assembly MPASM. I file HEX allegati all'articolo per il caricamento nella memoria del microcontrollore (fmeter_X16_FULL.HEX per un risonatore al quarzo a 16 MHz e fmeter_X4_FULL. HEX per un risonatore al quarzo a 4 MHz) sono stati ottenuti traducendo il programma in ambiente MPLAB. Per sfruttare appieno tutte le capacità del dispositivo, è preferibile utilizzare un risonatore da 16 MHz. La parola di configurazione viene inserita automaticamente nel file HEX del programma quando viene tradotta, quindi non è richiesta la configurazione manuale. Quando il dispositivo è acceso, l'indicatore dopo un saluto visualizza le letture in base alla modalità selezionata in precedenza. Quando si preme il pulsante SB1, sull'indicatore viene visualizzato il nome della modalità corrente (nella maggior parte dei casi, immediatamente, ma a volte potrebbe essere necessario tenere premuto il pulsante per un massimo di 2 s). Con i successivi clic su questo pulsante, le modalità ei loro nomi sull'indicatore cambiano in un cerchio: il solito frequenzimetro La pressione del tasto SB2 mentre una qualsiasi modalità è indicata sul display porta al passaggio del dispositivo allo stato iniziale con il corrispondente cambio di modalità. In assenza di pressione di qualsiasi pulsante durante il tempo di attesa (3 ... 10 s), il dispositivo passa allo stato originale nella modalità precedente (prima di premere il pulsante SB1). Se, dopo la comparsa del nome della modalità sull'indicatore, si tiene premuto senza rilasciare il tasto SB1 per più di 3 s, l'indicatore visualizzerà la scritta Premendo il pulsante SB2 durante la visualizzazione della scritta Le voci di questo menu vengono commutate in sequenza premendo il pulsante SB1 e premendo il pulsante SB2 si modifica il valore del parametro corrente, che viene immediatamente visualizzato sull'indicatore. Uscire salvando i valori dei parametri impostati - trascorso il tempo di attesa senza premere i pulsanti. La pressione del pulsante SB2 nello stato iniziale (in alcune modalità è richiesta la durata della pressione fino a 2 s) porterà alla comparsa della scritta sull'indicatore Il passaggio alla modalità di sospensione si verifica anche quando non viene eseguita alcuna azione sui pulsanti per 8-64 minuti. Contatore di frequenza convenzionale Il funzionamento del dispositivo in questa modalità si basa sul conteggio degli impulsi del segnale misurato dal timer TMR0 del microcontrollore per un certo intervallo di tempo. Il conto alla rovescia di questo intervallo (1 s) si verifica nella routine di interrupt del timer TMR3, richiamata con un periodo di 2 ms. Nella stessa procedura viene eseguita l'indicazione dinamica. Quando la frequenza del segnale misurato è inferiore a 10 MHz, viene visualizzato il segno Contatore a bassa frequenza Nella modalità contatore di frequenza a bassa frequenza, quando si misura la frequenza fino a 1000 Hz, il periodo del segnale viene effettivamente misurato e la frequenza viene calcolata come suo reciproco e visualizzata in millesimi di hertz (la virgola è inclusa nella quarta cifra da destra dell'indicatore). Se la frequenza è superiore a 1000 Hz, viene misurata nel solito modo. La commutazione inversa avviene a una frequenza di 900 Hz. Questa modalità permette, con un breve tempo di misura, di ottenere almeno tre cifre decimali del valore della frequenza dopo la virgola dell'indicatore. Segno del regime - segni Misurazione del periodo In questa modalità, quando il periodo del segnale misurato è superiore a 1000 µs, la misura viene eseguita direttamente dal timer TMR1 del microcontrollore, temporizzato da impulsi di conteggio con frequenza 1 MHz provenienti dal generatore interno. Con un periodo di segnale più piccolo, viene misurata la sua frequenza e il periodo viene calcolato come valore reciproco. Il risultato viene sempre visualizzato in microsecondi, in quest'ultimo caso con tre cifre decimali dopo la virgola. Segno di modalità - segno Misurazione della durata dell'impulso Per gli impulsi positivi e negativi, questa modalità differisce solo per il fatto che nel primo caso il tempo viene misurato dal fronte di salita al fronte di discesa del segnale e nel secondo dal fronte di discesa al fronte di salita. La misura viene effettuata contando direttamente l'intervallo di tempo tra le gocce dal timer TMR1 del microcontrollore, temporizzato dal generatore interno con impulsi di periodo 0,25 μs. Ciò fornisce una misurazione affidabile della durata di 3 µs o più. Se gli impulsi misurati sono più brevi del valore specificato, il modulo di acquisizione del timer a volte non ha il tempo di catturare entrambi i fronti limitandolo durante un impulso e cattura il fronte finale dell'impulso successivo (o saltando diversi impulsi). Confrontando i risultati della misurazione della durata e del periodo di ripetizione degli impulsi, il programma rileva tale situazione e sottrae il valore del periodo di ripetizione dalla durata misurata. Il risultato in questo caso, ovviamente, è meno affidabile. Se viene ricevuta una durata superiore a diversi periodi di impulso, viene visualizzato un messaggio di sovrafrequenza. La durata degli impulsi inferiori a 32768 µs viene visualizzata con una risoluzione di 0,25 µs, quelli più lunghi - 1 µs. Segno del regime - segni Va notato che l'asimmetria della parte di ingresso del dispositivo, così come la presenza di un trigger di Schmitt all'ingresso RB3/CCP1 (pin 9) del microcontrollore, porta a un grosso errore nella misurazione della durata degli impulsi con lievi cadute. Questo errore diminuisce con l'aumentare dell'ampiezza del segnale. I tentativi di misurare segnali con un'ampiezza inferiore a 0,1 V in qualsiasi modalità possono portare a false letture. Tuttavia, questo vale anche per altri dispositivi simili. Con un segnale di ingresso stabile noto, un segno indiretto della sua ampiezza insufficiente può essere fluttuazioni significative nelle letture. Se i parametri del segnale di ingresso non consentono la misura, sull'indicatore del dispositivo vengono visualizzati i seguenti messaggi: Letteratura
Il programma del microcontrollore può essere scaricato da ftp://ftp.radio.ru/pub/2015/05/fmeter.zip. Autore: B. Balaev
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, contatore a bassa frequenza 
, misurazione del periodo 
, misurando la durata degli impulsi positivi 
, misurando la durata degli impulsi negativi 
e ancora il solito frequenzimetro.
. Allo stesso tempo, la pressione del pulsante SB2, nonché l'assenza di pressioni di pulsanti durante il tempo di attesa, mette il dispositivo in modalità di sospensione, da cui si esce premendo un pulsante qualsiasi. La pressione del tasto SB1 in questa modalità (ovviamente avendolo precedentemente rilasciato) porta alla comparsa alternata delle scritte sul display 
.
- periodo di indicazione, s; 
- durata dell'attesa per la pressione dei pulsanti, s; 
- tempo allo spegnimento automatico, min. Gli zeri in queste etichette verranno sostituiti dai valori correnti dei parametri corrispondenti, lampeggianti per una maggiore visibilità.
. Rilasciando il pulsante subito dopo la sua comparsa - visualizzare sull'indicatore per 8 s il valore misurato precedentemente memorizzato nella memoria non volatile del microcontrollore, lampeggiante per discostarsi dal valore misurato corrente. Se, quando appare l'iscrizione 
sull'indicatore.
nell'ordine alto dell'indicatore.
nelle due cifre più significative dell'indicatore. A valori di alta frequenza, vengono alternativamente sovrascritti da cifre di ordine superiore diverse da zero del risultato della misurazione.
nella cifra più significativa (con misurazione diretta del periodo) o nei segni 
nelle due cifre più significative (quando si misura il periodo attraverso la frequenza). Come in altre modalità, questi caratteri vengono sovrascritti da cifre iniziali diverse da zero del risultato.
(misurazione della durata degli impulsi positivi) o 
(misurazione della durata degli impulsi negativi) nelle due cifre più significative dell'indicatore. Se il risultato viene corretto per la durata del periodo di ripetizione dell'impulso, allora il segno 
lampeggia.
- frequenza troppo alta, 
- periodo troppo lungo 
- nessun segnale.
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