Частотомер - цифровая шкала на PIC16CE625 (PIC16F84)
         

Частотомер - цифровая шкала на PIC16CE625 (PIC16F84).


Диапазон измеряемых частот 1 Гц ... 40 МГц
Чувствительность 100...200 mV
Количество разрядов индикатора 8
Время измерения  0,1 - 1 - 10 сек
Дискретность отсчета 100 - 1 - 0,1 Гц
Предлагаемая конструкция предназначена для использования на малых предприятиях, занимающихся ремонтом и разработкой радиоэлектронной аппаратуры, а также в домашних условиях в качестве частотомера или цифровой шкалы связной и радиоприемной аппаратуры всех типов. Несмотря на очень простую схему прибор имеет достаточно высокие параметры.



Частоты более 40МГц можно измерять, используя внешний СВЧ делитель с любым коэффициентом деления в диапазоне 2...255. Схему СВЧ делителя на 10 можно взять из другой конструкции автора - Частотомер на однокристальном микроконтроллере.

 При использовании прибора в качестве цифровой шкалы в его энергонезависимую память можно записать до 15 значений промежуточных частот в диапазоне от 0 до 99 999 999 Гц. При этом показания индикатора будут определяться формулой:

[Fвх*Кд +/- Fпч], где
Fвх - входная частота;
Кд - коэффициент деления внешнего делителя;
Fпч - промежуточная частота.

Вычитание осуществляется по абсолютной величине, т.е. из большего значения вычитается меньшее. При использовании прибора в качестве цифровой шкалы время измерения может быть 0,1сек или 1сек. Предел 10сек предназначен для проведения точных измерений относительно низких частот. Для цифровой шкалы такая точность не нужна, поэтому показания на пределе 10сек определяются формулой: [Fвх*Кд].

В частотомере предусмотрена возможность программной калибровки, что позволяет использовать любые кварцевые резонаторы в диапазоне 3,9 ... 4,1МГц. Значения всех промежуточных частот, коэффициент деления используемого внешнего делителя, а также калибровочные константы могут изменяться пользователем без применения каких-либо дополнительных устройств. Они хранятся в энергонезависимой памяти PIC контроллера. Принцип действия частотомера - классический: измерение количества импульсов входного сигнала за определенный интервал времени.


Принципиальная схема прибора показана на рис.1. Импульсы измеряемой частоты подаются на входной формирователь, выполненный на VT1 и DD1. Диоды VD1 и VD2 ограничивают амплитуду входного сигнала на уровне 1в. Для синусоидального входного сигнала нижняя граница измеряемых частот определяется емкостью C4 и C5, при указанном на схеме значении она равна 10Гц. С выхода DD1 сформированные импульсы поступают на PIC контроллер PIC16CE625. Достаточно высокая нагрузочная способность его выходов позволила непосредственно подключить к нему катоды индикаторов. Аноды подключены через составные эмиттерные повторители на VT2...VT17 к выходам счетчика DD3 типа К561ИЕ8, который осуществляет сканирование разрядов. Такая схема позволяет питать индикатор не стабилизированным напряжением, что существенно облегчает тепловой режим стабилизатора DA1 и практически устраняет влияние бросков тока при коммутации разрядов индикатора на работу входного формирователя.
Входное сопротивление формирователя довольно низкое, поэтому для расширения возможностей прибора и устранения влияния емкости кабеля к нему подключается выносной пробник. Его схема показана на рис.2. Благодаря применению полевого транзистора входное сопртивление пробника около 500ком, выходное - 50 ... 100ом. Коэффициент усиления - около 2, а полоса пропускания - до 100...150МГц. Диоды VD1, VD2 защищают полевой транзистор от выхода из строя при попадании на вход высокого напряжения.

Управление прибором осуществляется с помощью 3-х кнопок, выведенных на переднюю панель и 5-и переключателей. Кнопки SB1 ... SB3 (рис.1) служат для переключения времени измерения. При нажатии на SB1 включается предел 0,1сек, а при нажатии на SB2 или SB3 - 1cек или 10сек соответственно. Новое значение на индикаторе появится через 0,1; 1 или 10сек после отпускания SB1, SB2 или SB3. Если нажать и удерживать одну из этих кнопок, текущее значение частоты зафиксируется на индикаторе. Замкнутое состояние переключателя SA1 соответствует работе прибора с внешним СВЧ делителем, а разомкнутое - без. При использовании делителя меняется цена младшего разряда. Если его коэффициент деления находится в пределах от 3-х до 20, цена разряда уменьшается в 10 раз, если Кд выше 20, то - в 100 раз при любом времени измерения. Если Кд = 2, цена разряда не изменяется.

SA2 ... SA5 служат для выбора одного из 15 заранее запрограммированных значений ПЧ. Соответствующий номер ПЧ набирается в коде 1-2-4-8. Если переключатели SA2 ... SA5 разомкнуты, ПЧ = 0 (режим частотомера). Выводы SA1 можно вывести на свободные контакты разъема, в который включается СВЧ делитель. На ответной части разъема между этими контактами следует установить перемычку. Таким образом будет автоматически определяться подключение делителя. Если номер ПЧ необходимо изменять дистанционно, например при переключении диапазонов приемника, то в качестве SA2 - SA5 лучше использовать электромагнитные реле или оптроны.

Транзисторы VT10...VT17 KT209 или КТ502 с допустимым током 300мА. Индикатор - 8-и разрядный светодиодный любого типа с общим анодом, справа от цифры должна быть точка. Более экономичны индикаторы красного цвета. VT1 - КТ316, КТ368 и др. с граничной частотой не менее 600МГц. DD1 - КР1554ТЛ2 можно заменить на КР1554ТЛ3. При этом потребуется подкорректировать рисунок печатной платы. Неиспользуемые входы всех элементов следует подключить к +5в. Применение ТТЛ аналогов в данной схеме нежелательно, т.к. это резко снижает верхнюю границу рабочих частот (до 10 ... 20МГц).

Транзистор VT1 выносного пробника - полевой с изолированным затвором, каналом n-типа и напряжением затвор-исток 0...2в при токе стока 5ма - КП305А,Б,В; КП313А,Б; VT2 - с граничной частотой не менее 600МГц. Резистор R1 монтируется непосредственно в штыревой части разъема XP1.



Чертежи печатных плат частотомера и пробника показаны на рисунках. Пробник должен быть смонтирован в металлической коробочке. Сам частотомер также желательно экранировать, особенно если прибор будет использоваться в качестве цифровой шкалы совместно с приемником. В качестве блока питания можно использовать любой нестабилизированный источник напряжением 7,5...14в и током до 150ма. Достаточно понижающего трансформатора и выпрямительного моста, роль сглаживающего фильтра выполняет C12 (рис.1). Бестрансформаторный блок питания применять не рекомендуется.

При налаживании частотомера резистором R2 добиваются максимальной чувствительности прибора на высоких частотах. Напряжение на коллекторе VT1 должно быть при этом около 2,5в. Налаживание выносного пробника заключается в установке тока каждого транзистора около 5ма. Их выставляют, подбирая R3. Напряжение на коллекторе VT2 должно быть +4в.

После изготовления и проверки работоспособности частотомера необходимо выставить все необходимые значения его параметров. Они устанавливаются в сервисном режиме кнопками SB1 - SB3. Для входа в этот режим следует нажать эти 3 кнопки одновременно. При этом на индикаторе появится значение времени измерения, которое будет выбираться по умолчанию при включении прибора. Нажимая на кнопку SB1 или SB2 можно выбрать одно из 3-х значений - 0,1с; 1с или 10с. После этого следует нажать SB3. При этом выбранное значение заносится в энергонезависимую память, а на индикаторе появляется значение коэффициента деления СВЧ делителя, который будет использоваться с прибором. Изменить его значение можно, нажимая SB1 или SB2, а затем подтвердить выбор, нажав SB3. Если один или несколько из переключателей SA2 ... SA5 замкнуты, на индикаторе появляется номер включенной ПЧ и ее знак (стилизованный + или -). Выбор знака производится SB1 или SB2, нажатие SB3 подтверждает выбор и на индикаторе появляется значение ПЧ, которое можно изменять, нажимая опять же SB1 или SB2. Скорость изменения будет увеличиваться в зависимости от времени нажатия на кнопку, т.е. чем дольше держать нажатой кнопку, тем быстрее будут изменяться показания. Цена младшего разряда 1Гц. Подтверждение выбора аналогично предыдущим режимам - нажатие SB3. После этого на индикаторе появляется надпись "SETUP". Если не нажимать ни одну из кнопок, примерно через 3 сек прибор перейдет в режим измерения с вновь выбранными параметрами.

Для входа в "SETUP" следует нажать SB3. В этом режиме осуществляется программная калибровка прибора под конкретный используемый кварц. Это может оказаться необходимо, т.к. в данной схеме он возбуждается на частоте параллельного резонанса, а на кварцах обычно указывается частота последовательного резонанса, которая может отличаться на несколько килогерц. Калибровка осуществляется выбором 9 констант, которые определяют длительность интервалов измерения. Константы C1, C2 и C3 определяют интервал 0,1сек; C4, C5 и C6 - 1сек, а C7, C8 и C9 - 10сек.

C1, C4, C7 предназначены для точной калибровки интервала;
C2, C5 и C8 - для средней;
C3, C6 и C9 - для грубой.

C1, C4 и C7 могут изменяться от 0 до 17. Их увеличение или уменьшение на 1 увеличивает или уменьшает соответствующий интервал на 1мкс (на 1 машинный цикл). C2, C5 и C8 принимают значение от 0 до 255. Их изменение на 1 изменяет интервал на 18мкс. C3, C6 и C9 также могут быть от 0 до 255 и осуществляют еще более грубое изменение интервала. Значения всех констант вводятся последовательно, аналогично предыдущим режимам. После ввода C9 прибор переходит в режим измерения.

Если частота генерации кварца равна точно 4МГц, константы должны иметь следующие значения:
C1=9, C2=99, C3=2, C4=13, C5=17, C6=199, C7=17, C8=215, C9=117

В авторском варианте частота кварца 4 001 120 Гц и константы несколько иные:
C1=1, C2=101, C3=2, C4=5, C5=33, C6=199, C7=5, C8=117, C9=118

Вы можете загрузить также файл fr_const.zip (10кб) содержащий методику и пример рассчета констант для других частот.

Для калибровки прибора необходимо иметь образцовый частотомер и генератор. В начале следует с помощью образцового прибора измерить частоту генерации кварца в приборе. При этом конденсатор С7 должен быть в среднем положении. Частотомер подключается в точку XN1. Измеренное значение округляется до ближайшего, кратного 40Гц, например, 4 000 000, 4 000 040, 4 000 080 и т.д. Затем выносной пробник прибора подключают к точке XN1 и записывают показания на всех 3-х пределах. Если показания отличаются от измеренного значения, следует войти в сервисный режим, затем в "SETUP" и изменить значения констант. При этом следует придерживаться правила - изменяя длительность интервала 0,1сек на 1мкс, длительность интервала 1сек следует изменить на 10мкс, а 10сек - на 100мкс. В противном случае показания прибора на разных пределах могут не соответствовать друг другу. После нескольких проб и ошибок становится понятным влияние констант на показания. Таким образом добиваются показаний истинной частоты генерации кварца. Как указывалось выше, она должна быть обязательно кратна 40Гц. В авторском варианте показания прибора с интервалом измерения 10с - 4.001.120.0; с интервалом 1с - 4.001.120; а с интервалом 0,1с - 4.001.1

После такой калибровки следует подключить данный прибор и образцовый частотомер к генератору сигналов частотой 20 ... 40 МГц и амплитудой 0,2 ... 0,5В и сравнить показания на всех пределах. Если на разных пределах показания не будут соответствовать друг другу, значит при вводе констант была допущена ошибка и эту операцию следует повторить. Окончательно точного соответствия показаний частоте добиваются вращением С7. Если диапазона его изменения не хватает, следует подкорректировать константы, как было описано выше.

Процесс калибровки достаточно сложен, но необходимость в его проведении может возникнуть только 1 раз после изготовления прибора. Авторские значения всех констант и параметров в энергонезависимой памяти при необходимости можно восстановить набрав значение C3 в пределах от 128 до 255.

Прошивка для PIC16CE625 (3кб.)

Ограничив количество промежуточных частот до 13-и и отказавшись от функции восстановления авторских значений констант, удалось разместить программу в памяти более распространенного PIC16F84.

Трудно найти прибор, превосходящий этот частотомер по соотношению цена/качество, поэтому интерес к нему со стороны радиолюбителей не ослабевает. Вы можете загрузить несколько вариантов чертежей печатных плат в формате Sprint Layout 3.0, разработанных в последнее время радиолюбителями: