Цифровой частотомер

Приднестровский государственный  университет им. Т.Г. Шевченко

Инженерно-технический институт

Кафедра информационных технологий и  автоматизированного управления

производственными процессами

Утверждаю

зав. кафедрой ИТиАУПП,

д.т.н., профессор

                                                                                                                             Ю.А. Долгов

«____» ______  _____ 2012 г.

ЗАДАНИЕ

НА ВЫПУСКНУЮ  КВАЛИФИКАЦИОННУЮ РАБОТУ БАКАЛАВРА

Студенту  Волошиной Виктории Григорьевне

Тема ВКР: «Цифровой частотомер»

утверждена приказом по университету № 432-ОД от «___» ___________ 2012г.

Срок сдачи  расчетно-пояснительной записки  на кафедру «___»______ 2012г.

Исходные данные к работе:

Перечень подлежащих разработке вопросов:

Перечень дополнительных вопросов: произвести расчет затрат на выполнение данной работы, рассмотрения вопросов охраны труда.

Дата выдачи задания  «____» ________ 2012 г.

Научный руководитель, уч. степень, уч. звание _____________/ФИО/

Задание принял к исполнению                          _____________/ФИО/                            

Аннотация

В этой работе была решена  проблема создания цифрового частотомера с использованием микроконтроллера. Описана структурная и принципиальная схемы. Выбран и подробно расписан используемый микроконтроллер.

Описан процесс реализации устройства, программирования микроконтроллера, выбрана элементная база и корпус устройства.

В дальнейшем данный частотомер будет  использоваться в образовательных целях в лаборатории университета.

ABSTRACT

In this work the problem of creating a digital frequency meter was decided with the use of microcontroller. It was described structural and fundamental schemes. A microcontroller is chosen and described in detail.

The process of realization of the device, programming of microcontroller, and choiced element base and corps of device.

In the future, this frequency will be used for educational aims in the laboratory of the university.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

В современном  обществе по мере познания природных  явлений все больше возрастает роль измерений. Соответственно непрерывно увеличивается объем измерительной информации, повышаются требования к качеству, точности и способам ее обработки для дальнейшего использования. Наибольшее распространение в связи с развитием цифровой техники получают цифровые измерительные приборы.

Основные требования, предъявляемые к средствам измерений - это высокая точность, быстродействие, возможность автоматизации процесса измерений; представление результатов  измерений в понятной форме, удобной для обработки, малые габариты и вес, высокая надежность и многое другое. Разрешить проблему сочетания точности и быстродействия позволили цифровые приборы.

 Цифровыми измерительными приборами называются приборы, осуществляющие автоматически в процессе измерения операции квантования измеряемой величины, ее цифровое кодирование и представление результатов измерения в цифровой форме непосредственно в виде числа или кода.

Измерение временных  параметров электрических сигналов имеет особое  значение при настройке и ремонте готового электронного оборудования, контроле его состояния, а также при исследованиях, связанных с разработкой новых приборов. Одним из важных параметров является частота.

Частота это физическая величина, характеристика периодического процесса, которая равна числу полных циклов (колебаний), совершённых за единицу времени. Для измерения частоты все чаще используются частотомеры. Наиболее широкое применение получили цифровые частотомеры, принцип действия которых заключается в подсчёте числа периодов измеряемых колебаний за определённый промежуток времени.

Частотомер позволяет измерять частоту синусоидальных, гармонических  и импульсных электрических колебаний в достаточно широких диапазонах, а так же позволяет производить счет числа импульсов сигнала.

Цифровые частотомеры представляют, самую многочисленную группу среди  цифровых измерительных приборов. Эти  приборы являются высокоточными, многофункциональными измерительными приборами.

Современные цифровые частотомеры работают в диапазоне частот от 10^-2 до 10^-10 Гц. Такие частотомеры используются преимущественно при испытаниях радиоаппаратуры, на промышленных предприятиях, электротехнических лабораториях, домашних условиях.

Отсутствие в устройстве подвижных частей в устройстве позволяет увеличить его надежность, удобство и долговечность. Представление измерительной информации в цифровой форме дает возможность обработки ее в ЭВМ [1].

Основной целью данной работы является создание цифрового портативного частотомера со сниженными массогабаритными характеристиками, уменьшение его стоимости, повышенной надёжности и эффективности, а также удовлетворяющего требованиям настоящего технического задания.

Разрабатываемый в дальнейшем универсальный частотомер будет  ориентирован в первую очередь на применение в области цифровой техники при лаборатории университета, где его функциональные возможности, технические характеристики и параметры являются приемлемыми.

Использование в конструкции  прибора однокристального микроконтроллера позволит за счет применения программного управления узлами значительно уменьшить  его схемотехническую сложность, добиться улучшения функциональных возможностей, обеспечить возможность модернизации путем замены внутреннего программного обеспечения.

Частотомер может использоваться для настройки и диагностики различного электронного оборудования, использоваться в образовательных целях.

1 ИССЛЕДОВАНИЕ И АНАЛИЗ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ

1.1 Принципы и методы измерения частоты

Частота это физическая величина, характеристика периодического процесса, которая равна числу полных циклов (колебаний), совершённых за единицу времени t.

,                                                  (1.1)

где t - время существования п колебаний.

В случае гармонических колебаний частота будет равна:

                                                       ,                                                    (1.2)

 где Т - период колебаний.

Период это наименьший промежуток времени, за который система совершает одно полное колебание (то есть возвращается в то же состояние, в котором он находилось в первоначальный момент).

Стандартное обозначение  в формулах  f или F. Единицей частоты в системе единиц (СИ) является Герц (Гц, Hz), который определяется как одно колебание в одну секунду. Из чего нужно сделать вывод, что частота и время неразрывно связаны между собой.

Выбор метода измерения  частоты определяется её диапазоном, необходимой точностью измерения, формой сигнала, мощностью источника  сигнала и другими факторами. Сигналы бывают следующих форм:

• Синусоидальная форма;
• Квадратная и прямоугольная формы;
• Треугольная и зубчатая формы сигнала;
• Ступенчатая и импульсная формы сигнала.

Частота электрических  сигналов может измеряется различными методами, основанных на различных физических явлениях:

1. Метод дискретного счета основан на счете числа периодов измеряемой частоты за калиброванный интервал времени. Частотомеры, работающие по данному принципу, являются цифровыми измерительными приборами. Метод является наиболее точным и перспективным. Применяется в диапазоне от десятка герц до сотен мегагерц.
2. Метод заряда и разряда конденсатора основан на измерении среднего тока разряда или заряда образцового конденсатора, переключаемого с заряда на разряд с измеряемой частотой. Метод применяется на частотах от 10…20 Гц до сотен килогерц.
3. Метод измерения, основанный на сравнении с образцовой частотой, применяется в диапазоне частот 100 кГц…100 ГГц и обеспечивает высокую точность, которая зависит от погрешности, с которой известна образцовая частота. Частотомеры, построенные по принципу сравнения частот - гетеродинные частотомеры. Они прекрасно дополняют электронно-счетные частотомеры на сверхвысоких частотах и в миллиметровом диапазоне.
4. Резонансный метод состоит в настройке резонансной колебательной цепи, предварительно прокалиброванной по образцовому генератору и частотомеру, на измеряемую частоту и отсчете ее значения по шкале, связанной с элементом настройки.[2]

1.2 Классификация частотомеров

Классификацию частотомеров можно привести по нескольким параметрам, далее будет представлены некоторые из классификаций.

1. По методу измерения частотомеры делятся на:

• приборы непосредственной оценки (аналоговые);

• приборы сравнения (резонансные, гетеродинные, электронно-счетные).

2. По физическому смыслу измеряемой величины:

• для измерения частоты синусоидальных колебаний;
• измерения частот гармонических составляющих;
• измерения частоты дискретных событий.

3. По исполнению конструкции: щитовые, переносные и стационарные.

4. По области применения частотомеры делятся на:

• Резонансные частотомеры -  принцип действия основан на сравнении частоты входного сигнала с собственной резонансной частотой перестраиваемого резонатора. В качестве резонатора может быть использован колебательный контур, отрезок волновода (объемный резонатор) или четвертьволновой отрезок линии. Контролируемый сигнал через входные цепи поступает на резонатор, с резонатора сигнал через детектор подается на индикаторное устройство (гальванометр);

• Гетеродинные частотомеры - принцип действия основан на сравнении частоты входного сигнала с частотой перестраиваемого вспомогательного генератора с помощью метода нулевых биений, порядок работы аналогичен работе с резонансными частотомерами;
• Конденсаторные частотомеры - принцип таких частотомеров основывается на попеременном заряде конденсаторов от батареи с последующим его разрядом через магнитоэлектрический механизм. Этот процесс осуществляется с частотой, равной измеряемой частоте, поскольку переключение производится под воздействием исследуемого напряжения;
• Вибрационные (язычковые) частотомеры - Представляет собой прибор с подвижной частью в виде набора упругих Элементов (пластинок, язычков), приводимых в резонансные колебания при воздействии переменного магнитного или электрического поля;
• Аналоговые стрелочные частотомеры - по применяемому измерительному механизму бывают электромагнитной, электродинамической и магнитоэлектрической систем. В основе работы их лежит использование частотозависимой цепи, модуль полного сопротивления которой зависит от частоты. Измерительным механизмом, как правило, является логометр, на одно плечо которого подается измеряемый сигнал через частотонезависимую цепь, а на другое - через частотозависимую, ротор логометра со стрелкой в результате взаимодействия магнитных потоков устанавливается в положение, зависящее от токов в обмотках;
• Электронно-счетные (цифровые)  частотомеры - принцип действия электронно-счетных частотомеров  основан на подсчете количества импульсов, сформированных входными цепями из периодического сигнала произвольной формы, за определенный интервал времени. Интервал времени измерения также задается методом подсчета импульсов, взятых с внутреннего кварцевого генератора или из внешнего источника.

  Таким образом,  электронно-счетный частотомер является  прибором сравнения, точность  измерения которого зависит от точности эталонной частоты. Электронно-счетный частотомер является наиболее распространенным видом частотомеров благодаря своей универсальности, широкому диапазону частот (от долей герца до десятков мегагерц) и высокой точности. Для повышения диапазона до сотен мегагерц - десятков гигагерц используются дополнительные блоки - делители частоты.

Работа частотомера  основывается на принципе измерения  частоты, смысл которого состоит  в том, чтобы переменное напряжение, частоту которого нужно измерить, преобразуют в последовательность коротких однополярных импульсов с определенной частотой следования. Если сосчитать число этих импульсов за известный интервал времени, то можно определить частоту:

                                                                (1.3)

Эта идея является основой  метода измерения частоты. [3]

1.3 Варианты схем цифровых частотомеров

1. Частотомер на счётчиках HCF4026BEY с диапазоном измерений от 1 до 9999999 Гц.

Микросхема HCF4026BEY является представителем высокоскоростной КМОП логики. HCF4026BEY содержит десятичный счетчик и дешифратор для работы со светодиодным семисегментным индикатором с общим катодом.

Рисунок 1 - Частотомер на  счётчиках HCF4026BEY

Входные импульсы нужно  подавать на вход С. Важная особенность данного входа в наличии на нем триггера Шмитта, что, в случае с частотомером, позволяет значительно упростить схему входного усилителя формирователя, исключив из него схему триггера Шмитта. Частотомер может измерять частоту от 1Гц до 10МГц (до 9999999Гц). При питании от источника 12В это максимальная входная частота для HCF4026BEY. Входной усилитель выполнен на транзисторе VT1 по схеме ключа. Он преобразует входной сигнал в импульсы произвольной формы.

Прямоугольность импульсам  придает триггер Шмитта, имеющийся  на входе С внутри микросхемы D4. Диоды VD1- VD4 ограничивают величину амплитуды входного сигнала, частоту которого нужно измерить. Нагружен ключ VT1 на резистор R3, с которого усиленный и ограниченный сигнал поступает на вход семидекадного измерительного счетчика D4 - D10. Генератор опорных импульсов сделан на микросхеме D1 - CD4060B. Это хорошо известная микросхема, состоящая из многоразрядного двоичного счетчика и инверторов для построения мультивибратора на RC-цепи или на кварцевом резонаторе.

В данном случае используется резонатор  на 32768 Гц - стандартный часовой резонатор. При делении его частоты на 8192 на выводе D1 получается частота 4 Гц. Эта частота поступает на схему управления, состоящую из десятичного счетчика D2 и двух RS-триггеров на микросхеме D3.

Работает схема управления следующим образом. Допустим, счетчик D2 был в нулевом положении. Логические единицы с его вывода 3 обнуляет все счетчики D4- D10. Далее, с приходом очередного импульса, на его выводе 2 появляется единица. Она переключает RS триггер D3.1- D3.2 в состояние с логическим нулем на выходе D3.1. Этот нуль поступает на вывод D4 и открывает вход счетчика D4. В течение ближайших четырех импульсов, поступающих от D1 (то есть, в течение одной секунды), будет происходить счет импульсов измеряемой частоты. Затем, с приходом 4-го импульса, возникнет логическая единица на выводе 10 D2. Эта единица установит триггер D3.1- D3.2 в состояние логической единицы.

Вход счетчика D4 будет  закрыт - на этом завершится время измерения. А триггер D3.3-D3.4 будет установлен в состояние логической единицы на выходе D3.4. Эта единица поступит на выводы 3 всех микросхем D4- D10 и разрешает индикацию. Индикаторы зажигаются и показывают результат измерения.

Индикация прекращается с приходом 9-го импульса. Триггер D3.3- D3.4 возвращается в исходное положение и выключает индикацию. Затем, D2 устанавливается в ноль, и весь процесс повторяется.

Таким образом, частотомер работает по, так называемой, медленной схеме, в которой периоды измерения и индикации разнесены по времени. Период измерения составляет одну секунду, период индикации чуть больше 1,25 секунды.

Семисегментные светодиодные индикаторы можно использовать любые, важно только чтобы они были с общим катодом. Если же вы располагаете индикаторами исключительно с общим анодом, - нужно будет сделать промежуточные транзисторные ключи - инверторы. Резисторы R6-R54 можно и не устанавливать, но яркость свечения сегментов индикатора получается неравномерной. Питаться частотомер может от источника напряжением 12 В. [7]

2. Частотомер на однокристальном микроконтроллере КР1830ВЕ31.

Этот частотомер был разработан в далеком 1994 году. Принцип работы частотомера - классический: измерение количества импульсов входного сигнала за фиксированный интервал времени. Таким интервалом выбрана 1 секунда, что обеспечивает точность отсчета - 1 Герц.

Рисунок 2 - Частотомер на микроконтроллере КР1830ВЕ31

С общим проводом соединяется  вывод с вдвое меньшим номером. Питание +5v на все микросхемы подводится к выводу с максимальным номером. Между цепями питания необходимо включить 2...3 блокировочных конденсатора 0,01...0,1Мк.

Светодиод HL1 используется в качестве стабилитрона с напряжением стабилизации около 1В. Это напряжение обеспечивает надежное запирание ключевых транзисторов. Цепь C4, R1 необходима для сброса при включении сети. В настоящее время не составляет труда приобрести микроконтроллер с встроенной памятью программ 87C51 или AT89C51. В этом случае схема существенно упрощается, в нее нужно внести следующие изменения: DD5.4 исключается, вывод 11 DD3 подключается к +5В.

Между Р0.0 - Р0.7 и +5В желательно включить подтягивающие резисторы, хотя прибор нормально работает и без них.

DD2, DD4 исключаются, DD3 тоже можно исключить, если нагрузочная способность порта достаточна для управления ключами индикатора (вакуумный индикатор).

Вывод 31 DD1 отключается от "земли" и подключается к +5v. Линии dF и F (выводы 12 и 13 DD1) подсоединяются к двум кнопкам на замыкание без фиксации, установленным на лицевой панели. Вторые контакты этих кнопок подсоединяются к общему проводу. При кратковременном нажатии на кнопку dF частотомер переходит в режим измерения нестабильности частоты. При этом на индикатор выводится разность между текущим значением частоты и тем, которое было в момент перехода в этот режим.

В старшем разряде  индицируется знак отклонения частоты, поэтому диапазон измерения отклонения равен 10 МГц.

При нажатии на кнопку F прибор возвращается в режим измерения частоты. Этот режим устанавливается и при включении питания. Линия 1/10 (вывод 14 DD1) подсоединяется к свободному контакту входного разъема. Она предназначена для удобства работы при использовании внешнего СВЧ делителя на 10. На ответной части разъема распаивается перемычка между этим контактом и контактом, соединенным с общим проводом. Таким образом, при подключении внешнего делителя на 10, расширяющего диапазон измеряемых частот до 1000 МГц эта линия соединяется с общим проводом. При этом соответствующим образом изменяется расположение десятичных точек на индикаторе. При работе без СВЧ делителя, т.е. при измерении частот до 100 МГц этот контакт должен оставаться свободным. С внешним СВЧ делителем цена младшего разряда - 10 Герц.

Диод VD3 в блоке питания обеспечивает небольшое запирающее напряжение для исключения подсветки ненужных сегментов индикатора. Для обеспечения электромагнитной совместимости поверх первичной обмотки трансформатора желательно проложить электростатический экран из медной фольги. К частотомеру можно подключить и светодиодные индикаторы практически любого типа, у которых справа от цифры есть точка.

Важной особенностью частотомера является то, что в нем можно использовать кварцевый резонатор на любую частоту в диапазоне 5...12 МГц, но оптимальным, является значение 6...8 МГц. [6]

3. Частотомер на микроконтроллере ATMEGA16.

Частотомер собран на макетной плате, основой является микроконтроллер ATmega16 компании Atmel, источником тактовой частоты является внутренний RC осциллятор 8 МГц.

Дополнительно, во входной части  используется 4-битный счетчик 74HC191 в качестве делителя измеряемой частоты на 16 до подачи ее на вход микроконтроллера. Как видно, используется только выход Q3 счетчика, частота на этом выходе будет равна входной частоте деленной на 16.

Вход прибора - точка W1, которая напрямую подключена к порту микроконтроллера PB0 и через делитель, к порту PB1.

Для отображения значения измеренной частоты используется 4-разрядный семисегментный светодиодный индикатор с общим анодом.

Рисунок 3 - Частотомер на микроконтроллере ATMEGA16

Выводы E1…E4 используются для включения соответствующих разрядов (E1 - для включения правого младшего разряда и так далее).

Каждая линия ввода/вывода микроконтроллера ATmega16 может обеспечить выходной ток до 40 мА, поэтому нам нет необходимости использовать транзисторы и сигналы управления дисплеем (E1…E4) подключены непосредственно к порту микроконтроллера.

Максимальная частота, которая может быть обработана счетчиком  микроконтроллера ATmega16, не может превышать тактовую частоту, деленную на 2.5. Тактовая частота для этого микроконтроллера равна 8 МГц, следовательно, напрямую мы можем измерять сигналы с частотой до 3.2 МГц.

Для измерения частоты  выше этого уровня мы используем 4-битный счетчик в качестве делителя входной  частоты. Теперь мы можем измерять частоты в 16 раз превышающие максимальную, но здесь накладывается ограничение со стороны счетчика 74191 и фактическая максимальная измеряемая частота не превышает 40 МГц.  Предел измерения микроконтроллера может быть автоматически обнаружен.

Частотомер начинает измерение оригинальной частоты (обработка и отображение значений на дисплее), и как только обнаруживает, приближение к максимальной частоте   выбирает для измерения частоту после делителя. [7]

4. Частотомер на микроконтроллере PIC16F84.

Предлагается конструкция простого частотомера на микроконтроллере PIC16F84A. Рабочий диапазон 0-9999 кГц. При необходимости можно использовать предделитель на быстродействующей цифровой микросхеме.

Рисунок - Частотомер на микроконтроллере PIC16F84

Схема очень проста, необходимые комментарии даны на рисунке и в тексте программы. Транзисторы использованы КТ315, диоды КД522.

Частота измеряется два  раза в секунду, это облегчает  чтение показаний при плавании частоты, и в то же время не задерживает  работу при перестройке измеряемой частоты. По сравнению с другими конструкциями, отсутствует мерцание дисплея, так как показания обновляются очень часто.

Резистор и диоды  на входе частотомера ограничивают входной сигнал, дроссель в цепи коллектора компенсирует спад усиления на высоких частотах, для измерения низких частот его ставить не нужно. При включении питания частотомер отображает 8888 в течение 0.5 с, затем переходит в режим измерения.

Частота измеряется два  раза в секунду в течение 0.001 с, в остальное время измеренная частота отображается на дисплее. Для измерения частоты используется предделитель (он устанавливается на 256) и таймер микроконтроллера, таким образом после окончания измерения таймер содержит старший байт частоты, а предделитель - младший байт.

Поскольку прямое обращение к предделителю невозможно, его содержимое извлекается путем программной подачи импульсов на вход и подсчета их количества, необходимого для переполнения предделителя.

Двухбайтное шестнадцатеричное  число преобразуется в четырехбайтное двоично-десятичное, потом преобразуются в 7-сегментный код и отображаются на дисплее, с общим катодом.