Частотомер на ATmega8 для диапазона частот 1Гц - 1МГц

В данной статье я хотел бы вас познакомить с "самоделкой выходного дня" - частотомером на уже "легендарном" микроконтроллере ATmega8. Данный прибор не позиционируется как "лучший" по параметрам, да и схемотехника не претендует на оригинальность. Единственное его отличие от большинства конструкций, которое можно найти в сети - повышенная точность в диапазоне низких частот (1 - 1000Гц). Это достигается за счет различного подхода при измерении НЧ и СЧ с ВЧ. При измерении НЧ производится подсчет количества тактов микроконтроллера за некоторое количество импульсов на входе прибора. А при измерении СЧ и ВЧ, традиционно считается количество импульсов за определенный промежуток времени.

Характеристики частотомера:

• Диапазон частот с погрешностью измерения +/- 1Гц: 1000Гц - 1МГц (при погрешности +/- 20-200Гц, [> частота, > погрешность] возможно измерение частот до 10МГц без предделителя).
• Напряжение питания: 5В
• Потребляемый ток: <50мА
• Время измерения: 1с (1кГц - 1МГц) и до 10с (1Гц - 1кГц).
• Точность: 4 знака после запятой (1 - 10Гц), 3 знака после запятой (10 - 100Гц), 2 знака после запятой (100 - 1000Гц), целое число (> 1кГц).
• Время индикации: 3с

Проект был собран и протестирован в Proteus, а после и "в живую". Для создания прошивки использовался компилятор avr-gcc (он же WinAVR под Windows).

Основа схемы, как уже говорилось, микроконтроллер ATmega8. Отображение данных производится на семисегментном светодиодным (не обязательно) индикаторе на 8 знакомест с общим анодом. В моем случае был использован малогабаритный индикатор, соответственно и печатная плата была разработана небольших размеров. На схеме, как вы видите, есть контакты для подключения кнопки (J7, J8), но это "на будущее", и в данным момент они не используются. Для тактирования микроконтроллера применен кварцевый резонатор на 16МГц. Светодиод D1 отображает действия прибора - при цикле измерения он включается. Измерение длится 1 секунду. После пауза в 3 секунды, а потом снова измерение и т.д.

Для индикаторов с общим катодом необходимо следующим образом изменить транзисторные ключи:

Кроме этого, потребуется подправить программу.

В заголовочном файле "display7seg_lib.h" необходимо эту строку:

#define OK 

Заменить на

#define OA

А затем рекомпилировать проект.

К слову, библиотеку для семисегментного индикатора я делал не только для этого проекта, и возможно она вам пригодится, так как имеет несколько полезных функций (к примеру, вывод строки).

Для измерения частоты, как уже упоминалось выше, в устройстве используются два метода: счет тактов микроконтроллера за кол-во импульсов и счет поступающих на вход прибора импульсов за определенное время.

Порядок измерения следующий:

1. Производится измерение частоты посредством счета импульсов на ходе
2. Если количество импульсов более тысячи (частота более одного килогерца), то результат выводится на дисплей а устройство ожидает 1 секунду и повторяет измерение
3. Если же количество импульсов менее тысячи, то происходит дополнительно сравнение. В том случае, когда частота менее 10Гц , производится счет тактов на протяжении 20 импульсов на входе (10 < 100Гц - 10 импульсов и 100 < 1000Гц - 2 импульса). За счет этого и удается получить маленькую погрешность при измерении.

В обоих вариантах измерения частоты подсчет импульсов или тактов производится таймером Т0, так как Т1 более предпочтительно применять для определения временных промежутков с высокой точностью, чем он собственно в программе и занимается. Таймер Т2 отвечает за индикацию. При его переполнении срабатывает прерывание, в котором на светодиодный индикатор выводится 1 символ. Так как частота прерываний довольно высока, человеческий глаз не успевает уследить за сменой состояний на индикаторе и картинка воспринимается как цельная, хоть переключение знакомест происходит по очереди.

Печатная плата устройства выполнена на двухстороннем фольгированном материале. Основная сложность при ее изготовлении - развести дорожки для ножек микроконтроллера. Впрочем, если вы используете технологию ЛУТ или фоторезист, проблем с этим пунктом у вас возникнуть не должно.

Лицевая сторона:

Обратная сторона:

Расположение элементов:

Варианты замены деталей

Резисторы R1 - R8, R14 желательно использовать в диапазоне 220 - 680 Ом. Меньшего номинала брать очень нежелательно (у микроконтроллера не такая высокая нагрузочная способность на портах), а больше нет смысла так как яркость индикатора и светодиода будет крайне низкой. Конденсаторы C2 и C3 можно взять 18 - 33пФ. Конденсатор для предотвращения помех по питанию, под номером C1, желательно использовать емкостью 0,068 - 0,47мкФ. Резисторы R9 - R16 можно взять 1 - 4.7кОм .Транзисторы Q1 - Q8 заменяются на КТ315 или КТ3102, но подойдут и любые другие маломощные кремниевые структуры n-p-n. Микроконтроллер можно применить и в DIP корпусе, но придется заново разводить плату.

Небольшое послесловие

В данном приборе мной было решено вынести блок формирователя импульсов за пределы основной платы (к примеру, в виде выносного пробника).

Самый простой вариант - использовать компаратор или ОУ в режиме масштабного усиления (показано ниже) . Выгодная сторона - малый порог по напряжению. Недостаток же данной схемы - очень скромный предел по частоте. При использовании популярного ОУ LM358, максимальная частота не превышает 100кГц. Но для наладки, к примеру, звуковой аппаратуры и различных устройств, работающих на небольших частотах вполне сгодится.

Еще один вариант - использование транзистора и логического элемента, к примеру, КТ3102 + 74LS13 (шустрый аналог нашей К155ТЛ1). Этот вариант вполне жизнеспособен и на высоких частотах.

Так же схемы формирователей можно найти в интернете, главный критерий - комплиментарность с высоким и низким логическим уровнем КМОП-логики.

В архиве, прикрепленном к статье, есть файлы прошивки и для схемы с ОА так и с ОК. В прочем, как и сами схемы и печатные платы (смотрите в проектах Proteus).

Удачи вам в сборке ваших устройств

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Частотомер
• Proteus
• AVR
• Микроконтроллер