Многофункциональный частотомер из денисовского (переделка)

Как-то, давно, мне срочно понадобился частотомер и я собрал некогда  очень популярный  частотомер Денисова на  PIC16F84 и индикаторе АЛС318 , вернее, его клон на PIC16F628A авторства некоего Корабельникова. И вот, по прошествии многих лет, он попался мне на глаза. Лежит себе совершенно забытый, без дела. Признаться, с самого начала была мысль ввести в него более-менее приличный функционал и избавиться от этого раздражающего мерцания, но все руки не доходили.  И вот, на досуге, было решено переделать этот частотомер (жалко было выбрасывать, хотя, к тому времени я уже разработал и собрал многофункциональный частотомер похожей конструкции, который имеет несколько больший функционал, чем переделанный).

Эта статья рассчитана для тех, у кого есть частотомер подобной конструкции, и есть желание его усовершенствовать. Остальным рекомендую ознакомиться с подобным, но более совершенным прибором, который описан в моей ранее опубликованной статье. Итак, описание переделки.

Чтобы ввести режимы измерений периода и длительности импульсов, необходимо задействовать систему захвата (CCP) микроконтроллера (разумеется, если в приборе стоял PIC16F84, его придется поменять на PIC16F628A). Собственно, в основной схеме изменение только одно – поменяны местами всего два вывода МК – это выводы 2 (RA3) и 9 (RB3/CCP). Таким образом, в переделанной схеме входной сигнал подается на объединенные входы T0CKI и CCP1.  Запустить и проверить прибор (а для особо ленивых и остановиться на этом) можно уже после этого. Однако, для реального улучшения параметров, необходимо почти полностью заменить примитивный и схемотехнически, на мой взгляд, не совсем грамотный входной формирователь. Родной работает плохо как на очень низких, так и на высоких частотах. Для того, чтобы иметь возможность измерять длительности низкочастотных импульсов, необходим формирователь с высоким входным сопротивлением – применим достаточно хорошо себя зарекомендовавшую схему на двухзатворном транзисторе типа BF998.  Большинство деталей этого формирователя спаяны на печатной плате размерами 15х15 мм.

Для максимальной наглядности переделки привожу изначальные схему и печатную плату с первоисточника уже с нанесением всех произведенных изменений (полностью, конечная схема приведена во вложении).

И то же на печатной плате

Первым делом с платы выпаиваются зачеркнутые детали, потом в указанных местах прорезаются проводники. Вновь вводимые соединения производятся проводом МГТФ. Плата формирователя впаивается в нужные отверстия с помощью своих «выводов» изготовленных из кусков изолированного одножильного провода диаметром 0.4 мм. Входная цепочка формирователя (резистор 1 кОм и конденсатор 1 мкФ) припаяны непосредственно на входной разъем и, далее, соединены с платой формирователя экранированным проводом.

Несколько фото переделанного частотомера

Описываемый  прибор после переделки имеет следующие возможности: «обычное» измерение частоты путем счета количества импульсов в течении одной секунды; измерение частоты низкочастотных сигналов через измерение периода (F=1/T) с точностью 0.001 Гц; измерение периода сигнала, причем для высокочастотных сигналов через частоту (T=1/F); измерение длительности как положительных, так и отрицательных импульсов. 

Основные характеристики прибора:

• Пределы измерения частоты ……………………..………….   0 – 40000000 Гц
• Дискретность измерения частоты (обычный частотомер) ...   1 Гц
• Дискретность измерения частоты («спец»-частотомер) …...  0.001 Гц
• Пределы измерения периода …………………………….......   0.05 – 2000000 мкс.
• Частота смены способа измерения (периода и частоты) …..  900 - 1000 Гц
• Пределы измерения длительности импульсов
  (при периоде сигнала 8 – 2000000 мкс) ……………... 3 – 1000000 мкс.
• Амплитуда измеряемого сигнала ……..……………………… 0.1 – 100 Вольт
• Точность измерений (зависит от характеристик кварца) …..   0.00001+ед. мл. разр   
• Период индикации (длительность, период и «спец»-частота) 0.5 с
• Напряжение питания …………………………………………. 7 – 12 Вольт
• Средний ток потребления …………………… ……………….. 20 – 30 мА

Пояснения работы устройства после переделки

Прежде всего, разумеется, не могло быть и речи об использовании примененной изначально в приборе ущербной организации динамической индикации в основном цикле с одновременным отсчетом интервала измерения 1 с. 

Динамическая индикация, как говорилось выше, происходит в прерываниях от TMR2 с интервалом 2 мс так, что обновление индикатора происходит с частотой примерно 63Гц. В данном случае обеспечивается ровное без мерцаний свечение индикатора во всех режимах прибора. Отсчет интервала 1 сек. так же происходит в этих прерываниях.

Сигнал с входного усилителя поступает на объединенные выводы T0CKI и CCP1 (выводы 3 и 9 MK DD2). В режиме обычного частотомера по выводу 3 производится счет импульсов, а вывод 9 (в данном случае он установлен как вход/выход RB3) – для открытия-закрытия входа и последующего «досчета». При измерении периода и длительности эти выводы включены собственно как входы T0CKI и CCP1. При этом используется оригинальный алгоритм с «захватом» значения TMR1 по фронтам сигнала и вычислением времени между захватами, а так же контролем корректности результата путем анализа содержимого таймера TMR0. Идея здесь заключается в том, что сигнал подается на объединенные входы захвата и таймера-счетчика МК, что позволяет по числу фронтов импульсов, зарегистрированных таймером, судить, не пропущены ли системой захвата искомые перепады сигнала по причине недостатка быстродействия МК.

Настройка

При использовании указанных на схеме элементов и достаточно качественного кварцевого резонатора вышеуказанные характеристики прибора обеспечиваются без всякой регулировки. Если имеется высокоточный образцовый частотомер, имеет смысл, подав на вход прибора сигнал с частотой порядка 5-30 МГц и контролируя его значение по образцовому частотомеру, регулируя С2 добиться возможно близких показаний приборов. Так же желательно, при необходимости, подбором сопротивления R2 установить напряжение на коллекторе VT1 (нумерация элементов согласно исходной схеме) в пределах 2-3 Вольта.

Работа с устройством

При включении прибора, после вывода приветствия, на индикаторе высвечиваются показания «обычного» частотомера  (далее исходное состояние). При нажатии кнопки S1, на индикаторе появляется название текущего режима (в большинстве случаев - сразу, но редко, при измерении низкочастотных сигналов, может потребоваться удерживать кнопку до 2 с). При последующих отпускании и нажатии кнопки, названия индицируемых режимов меняются по кругу в порядке: частотомер (на индикаторе Freq_St) – спец.частотомер (Freq_SP) – измерение периода ( Period ) – измерение длительности положительного импульса (t __|^-|__) - измерение длительности отрицательного импульса (t ^--|_|^--) – частотомер … . Нажатие кнопки S2 во время индикации на дисплее какого-либо режима приводит к переходу прибора в исходное состояние с соответствующей сменой режима. В случае же отсутствия нажатия любой кнопки в течении времени ожидания – 8 сек., прибор переходит в исходное состояние с прежним (до нажатия S1) режимом.

Описание работы прибора в разных режимах

Обычный частотомер

Работа в этом режиме стандартная – подсчет импульсов таймером TMR0, следует только отметить, что отсчет времени счета (1 секунда) происходит в прерываниях от таймера TMR2 с интервалом в 2 мс, в которых так же происходит динамическая индикация. 

Во время измерения признак режима – знак “F.” в старшем разряде (не индицируется при частоте более 9999999 Гц).

Частотомер специальный

В этом режиме при измерении частоты до 1000 Гц собственно измеряется период сигнала, а частота вычисляется по формуле F=1000000000/T, где T - в микросекундах, а F – в тысячных долях герца (светится запятая в 4-м разряде справа). Если частота окажется более 1000 Гц, измерение производится аналогично обычному частотомеру (обратное переключение происходит при частоте менее 900 Гц). Данный режим позволяет для низкочастотных сигналов уменьшить дискретность измерения с 1Гц до 0.001Гц, а значит и точность (на индикаторе не менее 3-х значащих разрядов).

Признак режима – вывод “F.^- ” в старших 2-х разрядах (последовательно “затираются” индицируемым значением при измерении больших частот).

Измерение периода

Режим аналогичен специальному частотомеру. В данном режиме происходит непосредственное измерение периода (таймером TMR1, тактируемым частотой 1МГц от внутреннего генератора) для сигналов с периодом более 1000 мкс, а для меньшего периода – через измерение частоты по формуле T=1000000000/F, где F - в герцах, а T – в наносекундах. На индикаторе при этом светится запятая в 3-м разряде, что позволяет считывать показания в микросекундах в обоих случаях с тремя значащими разрядами минимум. 

Признак режима – вывод “P.” в старшем разряде (при вычислении периода через частоту – добавляется верхняя черта в следующем разряде).

Измерение длительности импульсов (положительных и отрицательных)

Эти два режима аналогичны и отличаются только полярностью измеряемых импульсов. Измерение производится путем прямого подсчета длительности таймером TMR1, тактируемым от внутреннего генератора (период 1 мкс) в течении входного импульса.  При этом, обеспечивается достоверность измерения длительностей от 12 мкс, для более коротких импульсов длительность измеряется косвенными методами и достоверность результата снижается. Данное обстоятельство (косвенное измерение длительности) индицируется путем «зажигания» точки в младшем разряде.

Признак режима – вывод “t” в старшем разряде плюс верхний или нижний сегмент следующего разряда, в зависимости от режима регистрации положительных или отрицательных импульсов.

Следует отметить, что из-за несимметричности входной части прибора, а так же наличия на входе CCP микроконтроллера триггера Шмитта, при измерении длительности сигналов с пологими фронтами может появиться значительная погрешность. Этот эффект уменьшается при увеличении амплитуды входного сигнала.  Попытка измерения сигналов с амплитудой значительно ниже 0.1 Вольт  в любом режиме, может привести к индикации показаний, не соответствующих действительности (впрочем, это относится и к другим подобным приборам). При заведомо стабильном входном сигнале, косвенным признаком недостаточной амплитуды может быть большая нестабильность показаний прибора.

В случае, если временные параметры входного сигнала не позволяют данному прибору их измерить (при измерении периода и длительности), на индикаторе отображаются следующие показания:  “F.too_hi” – слишком высокая частота, “P.too_big” – слишком большой период, “NO_SIG.” – нет сигнала.

Во вложенном файле, кроме вышеуказанной схемы, имеются: исходный код в Ассемблере, прошивка – HEX, Proteus – модель, плата формирователя в формате LAY.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Частотомер
• PIC
• Proteus
• Sprint-Layout
• Микроконтроллер