Оценка методов измерения низких частот на Arduino. Технические характеристики частотомера

Главная особенность данного частотомера:
применён высокостабильный TCXO (Термо-Компенсированный Опорный Генератор). Применение технологии TCXO, позволяет сразу, без предварительного прогрева, обеспечивать заявленную точность измерения частот.

Технические характеристики частотомера FC1100-M2:

Отличительные особенности частотомеров линейки FC1100 и FC1100-M2 в частности:

Габариты печатной платы прибора FC1100-M2: 83мм*46мм.
Дисплей цветной TFT LCD с подсветкой (диагональ 1,44" = 3,65см).
* Чувствительность по DataSheet MB501L (параметр "Input Signal Amplitude": -4,4dBm = 135 мВ@50 Ом соответственно).
** Верхний предел входного сигнала ограничен мощностью рассеивания защитных диодов B5819WS (0,2 Вт*2 шт).

Обратная сторона частотомера FC1100-M2

Схема компаратора/формирователя входного сигнала 0...50 МГц.

Схема делителя частоты входного сигнала 1...1100 МГц.

Краткое описание частотомера FC1100-M2:

Частотомер FC1100-M2 имеет два раздельных канала измерения частоты.
Оба канала частотомера FC1100-M2 работают независимо друг от друга, и могут использоваться для измерения двух различных частот одновременно.
При этом, оба значения измеренной частоты одновременно отображаются на дисплее.
"Вход A" - (Тип разъёма SMA-FEMALE) Предназначен для измерения относительно высокочастотных сигналов, от 1 МГц до 1100 МГц. Нижний порог чувствительности этого входа составляет чуть менее 0,2 В., а верхний порог - ограничивается на уровне 0,5...0,6 В. защитными диодами, включенными встречно-параллельно. Нет смысла подавать на этот вход значительные напряжения, ибо напряжения, выше порога открывания защитных диодов будут ограничиваться.
Примененные диоды позволяют рассеивать мощность не более 200 мВт., защищая вход микросхемы делителя MB501L. Не подключайте этот вход непосредственно к выходу передатчиков значительной мощности (более 100 мВт). Для измерения частоты источников сигнала амплитудой более 5 В., или значительной мощности - используйте внешний делитель напряжения (аттенюатор) или переходной конденсатор малой ёмкости (единицы пикофарад), включенный последовательно. При необходимости измерения частоты передатчика - обычно достаточно короткого отрезка провода в качестве антенны, включенного в разъём частотомера, и расположенного на небольшом расстоянии от антенны передатчика или можно использовать подходящую антенну "резинка" от портативных радиостанций, подключенную к разъёму SMA.

"Вход B" - (Тип разъёма SMA-FEMALE) Предназначен для измерения относительно низкочастотных сигналов, от 1 Гц до 50 МГц. Нижний порог чувствительности этого входа ниже, чем у "Входа A", и составляет 0,6 В., а верхний порог - ограничивается защитными диодами на уровне 5 В.
При необходимости измерения частоты сигналов, амплитудой более 5 В., используйте внешний делитель напряжения (аттенюатор). На этом входе использован высокоскоростной компаратор MAX999.
Входной сигнал подается на неинвертирующий вход компаратора, и сюда же подключен резистор R42, увеличивающий аппаратный гистерезис компаратора MAX999 до уровня 0,6 В. На инвертирующий вход компаратора MAX999, с переменного резистора R35, подается напряжение смещения, задающее уровень срабатывания компаратора. При измерении частоты зашумленных сигналов, необходимо вращением ручки переменного резистора R35 - добиться устойчивых показаний частотомера. Наибольшая чувствительность частотомера реализуется в среднем положении ручки переменного резистора R35. Вращение против часовой стрелки - снижает, а по часовой стрелке - увеличивает пороговое напряжение срабатывания компаратора, позволяя сдвигать порог срабатывания компаратора на незашумленный участок измеряемого сигнала.

Кнопкой "Управление", осуществляется переключение между режимом измерения частоты "Вход B" и режимом тестирования кварцевых резонаторов.
В режиме тестирования кварцевых резонаторов, к крайним контактам панели "Кварц Тест" - необходимо подключить тестируемый кварцевый резонатор, с частотой от 1 МГц до 25 МГц. Средний контакт этой панели - можно не подключать, он соединён с "общим" проводом прибора.

Обратите внимание, что в режиме тестирования кварцевых резонаторов, при отсутствии тестируемого кварца в панели, наблюдается постоянная генерация на относительной высокой частоте (от 35 до 50 МГц).
Также, следует заметить, что при подключении исследуемого кварцевого резонатора, частота генерации будет несколько выше его типовой частоты (в пределах единиц килогерц). Это определяется параллельным режимом возбуждения кварцевого резонатора.
Режим тестирования кварцевых резонаторов с успехом можно использовать для подбора одинаковых кварцевых резонаторов для лестничных многокристальных кварцевых фильтров. При этом, основной критерий подбора кварцевых резонаторов - максимально близкая частота генерации подбираемых кварцев.

Разъёмы, применяемые в частотомере FC1100-M2:

Источник питания для Частотомера FC1100-M2:

Частотомер FC1100-M2 оборудован стандартным разъёмом Mini-USB с напряжением питания +5,0 Вольт.
Потребляемый ток (не более 300 мА) - обеспечивает совместимость с большинством источников питания напряжения USB.
В комплекте имеется кабель "Mini-USB" <> "USB A", который позволяет питать частотомер от любого устройства, обладающего таким разъёмом (Персональный Компьютер, Ноутбук, USB-HUB, Блок Питания USB, Сетевое Зарядное Устройство USB) и так далее.

Для автономного питания Частотомера FC1100-M2 - оптимально подходят широко-распространенные батареи "Power Bank", со встроенными Литий-Полимерными аккумуляторами, используемые обычно для питания аппаратуры, обладающей разъёмами USB. В этом случае, помимо явного удобства, бонусом вы получаете гальваническую развязку от сети и/или питающего устройства, что немаловажно.

Конструктивно прибор состоит из дисплея, образованного семью 7-сегментными светодиодными индикаторами, микроконтроллера и нескольких транзисторов и резисторов. Микроконтроллер выполняет все необходимые функции, поэтому применение каких-либо дополнительных микросхем не требуется.

Принципиальная схема прибора достаточно проста и изображена на Рисунке 2. Проект в формате Eagle (принципиальная схема и печатная плата) доступен для скачивания в секции загрузок.

Выполняемые микроконтроллером задачи просты и очевидны: подсчет количества импульсов на входе за 1 секунду и отображение результата на 7-разрядном индикаторе. Самый важный момент здесь - это точность задающего генератора (временная база), которая обеспечивается встроенным 16-разрядным таймером Timer1 в режиме очистки по совпадению (CTC mode). Второй, 8-разрядный, таймер-счетчик работает в режиме подсчета количества импульсов на своем входе T0. Каждые 256 импульсов вызывают прерывание, обработчик которого инкрементирует значение коэффициента. Когда с помощью 16-разрядного таймера достигается длительность 1 с, происходит прерывание, но в этом случае в обработчике прерывания коэффициент умножается на 256 (сдвиг влево на 8 бит). Остальное количество импульсов, зарегестрированное счетчиком, добавляется к результату умножения. Полученное значение затем разбивается на отдельные цифры, которые отображаются на отдельном индикаторе в соответствующем разряде. После этого, непосредственно перед выходом из обработчика прерывания, оба счетчика одновременно сбрасываются и цикл измерения повторяется. В «свободное время» микроконтроллер занимается выводом информации на индикатор методом мультиплексирования. В исходном коде программы микроконтроллера автор дал дополнительные комментарии, которые помогут детально разобраться в алгоритме работы микроконтроллера.

Разрешение и точность измерений

Точность измерений зависит от источника тактовой частоты для микроконтроллера. Сам по себе программный код может вносить погрешность (добавление одного импульса) на высоких частотах, но это практически не влияет на результат измерений. Кварцевый резонатор, который используется в приборе, должен быть хорошего качества и иметь минимальную погрешность. Наилучшим выбором будет резонатор, частота которого делится на 1024, например 16 МГц или 22.1184 МГц. Чтобы получить диапазон измерения до 10 МГц необходимо использовать кварцевый резонатор на частоту 21 МГц и выше (для 16 МГц, как на схеме, диапазон измерений становится немного ниже 8 МГц). Кварцевый резонатор на частоту 22.1184 МГц идеально подходит для нашего прибора, однако приобретение именно такого с минимальной погрешностью для многих радиолюбителей будет сложной задачей. В таком случае можно использовать кварцевый резонатор на другую частоту (например, 25 МГц), но необходимо выполнить процедуру калибровки задающего генератора с помощью осциллографа с поддержкой аппаратных измерений и подстроечного конденсатора в цепи кварцевого резонатора (Рисунок 3, 4).

В секции загрузок доступны для скачивания несколько вариантов прошивок для различных кварцевых резонаторов, но пользователи могут скомпилировать прошивку под имеющийся кварцевый резонатор самостоятельно (см. комментарии в исходном коде).

Входной сигнал

В общем случае на вход прибора может подаваться сигнал любой формы с амплитудой 0 … 5 В, а не только прямоугольные импульсы. Можно подавать синусоидальный или треугольный сигнал; импульс определяется по спадающему фронту на уровне 0.8 В. Обратите внимание: вход частотомера не защищен от высокого напряжения и не подтянут к питанию, это вход с высоким сопротивлением, не нагружающим исследуемую цепь. Диапазон измерений может быть расширен до 100 МГц с разрешением 10 Гц, если применить на входе соответствующий высокоскоростной делитель частоты.

Дисплей

В приборе в качестве дисплея используются семь светодиодных 7-сегментных индикаторов с общим анодом. Если яркость свечения индикаторов будет недостаточной, можно изменить номинал резисторов, ограничивающих ток через сегменты. Однако не забывайте, что величина импульсного тока для каждого вывода микроконтроллера не должна превышать 40 мА (индикаторы тоже имеют свой рабочий ток, о его величине не стоит забывать). На схеме автор указал номинал этих резисторов 100 Ом. Незначимые нули при отображении результата измерения гасятся, что делает считывание показаний более комфортным.

Печатная плата

Двухсторонняя печатная плата имеет размеры 109 × 23 мм. В бесплатной версии среды проектирования печатных плат Eagle в библиотеке компонентов отсутствуют семисегментные светодиодные индикаторы, поэтому они были нарисованы автором вручную. Как видно на фотографиях (Рисунки 5, 6, 7) авторского варианта печатной платы, дополнительно необходимо выполнить несколько соединений монтажным проводом. Одно соединение на лицевой стороне платы - питание на вывод Vcc микроконтроллера (через отверстие в плате). Еще два соединения на нижней стороне платы, которые используются для подключения выводов сегмента десятичной точки индикаторов в 4 и 7 разряде через резисторы 330 Ом на «землю». Для внутрисхемного программирования микроконтроллера автор использовал 6-выводный разъем (на схеме это разъем изображен в виде составного JP3 и JP4), расположенный в верхней части печатной платы. Этот разъем не обязательно припаивать к плате, микроконтроллер можно запрограммировать любым доступным способом.

Загрузки

Принципиальная схема и рисунок печтаной платы, исходный код и прошивки микроконтроллера -

Последнее время мне очень часто требуется измерять частоту, уж очень много электронных проектов я делаю и поэтому появилось нужда в измерительном приборе - частотомере. Покупать данный прибор - я ещё школьник в 8 классе учусь а такая техника очень дорогая для меня. Сильно большие частоты мне измерять пока нет необходимости, хотя в скором времени возможно будет нужно. И поэтому я решил сделать свой частотомер своими руками! Стремясь к минимализму за основу взял AVR микроконтроллер ATtiny2313 и ЖКИ 16*1. Набросал проект в , написал прошивку и нарисовал принципиальную схему:

Собственно ничего сложного, всё очень просто. Собрал всё на бредборде, кто не знает это - макетная плата с механическими контактами. Проверил, работает! Вот фото отчёт:

Ну теперь надо реализовать прибор, сделать печатную плату и поместить в корпус.

И так, теперь когда все детальки собраны, пора делать печатную плату. Её я сделал универсальной, добавил контактные площадки, мало-ли захочется что нибудь добавить. Чертил печатную плату я программе , найти чертёж можно в файлах к статье. Плату я делал , вот что получилось:

Самое главное это хорошо и качественно припаять микроконтроллер, ведь он в SOIC корпусе.

Не проблема, и мельче паяли! Главное не переборщить припоя и не жалеть канифоли.

Запаиваем остальные детальки, вот что получилось:

Кстати, от лишнего канифоля на плате можно избавиться с помощью технического спирта. Так намного лучше:

После сборки прошиваем микроконтроллер, я прошивал с помощью программы программатором . Вот фьюз биты:

Подключить программатор к микроконтроллеру можно проводками, подключить их к разъёму для ЖКИ:

А reset припаять:

Распиновку подключения программатора к микроконтроллера не привожу, я думаю вы её знаете. После прошивки и установки фьюз-битов, устанавливаем ЖКИ и подаём питание на устройство:

Заработало, отлично! Теперь устанавливаем устройство в корпус:

Как вы видите я свой частотомер сделал на базе своего , дело в том что я себе собрал более навороченный велокомпьютер (с большим дисплеем на Atmega32, скоро про него напишу статью) а из этого и решил сделать частотомер, только плату переделал. И конечно видео работы устройства:

На видео видно что в качестве генератора я использую компьютер и программу .

Список радиоэлементов

Построенный . Он позволяет измерять частоты до 10 МГц в четырех автоматически переключаемых диапазонах. Наименьший диапазон имеет разрешение 1 Гц.

Технические характеристики частотомера

• Диапазон 1: 9,999 кГц, разрешение 1 Гц.
• Диапазон 2: 99,99 кГц, разрешение до 10 Гц.
• Диапазон 3: 999.9 кГц, разрешение до 100 Гц.
• Диапазон 4: 9999 кГц, разрешение до 1 кГц.

Описание частотомера на микроконтроллере

Микроконтроллер Attiny2313 работает от внешнего кварцевого генератора с тактовой частотой 20 МГц (это максимально допустимая частота). Точность измерения частотомера определяется точностью данного кварца. Минимальная длина полупериода измеряемого сигнала должна быть больше, чем период кварцевого генератора (это связано с ограничениями архитектуры микроконтроллера ATtiny2313). Следовательно, 50 процентов от тактовой частоты генератора составляет 10 МГц (это максимальное значение измеряемой частоты).

Установка фьюзов (в PonyProg):

Приводится описание частотомера, измеряющего частоту до 1 МГц, построенного на основе платы Arduino UNO. Но, прежде всего, хочу напомнить, что Arduino UNO это небольшая печатнаяплата, на которой расположен микроконтроллер ATMEGA328, а так же вся его «обвязка», необходимая для его работы, включая USB-программатор и источник питания.

Стоимость Arduino UNO лежит в пределах от 200 до 1000 рублей, в зависимости от места продажи. Конечно, самое дешевое на радиорынке и китайском интернет-посылторге «Aliexpress». Описание платы Arduino UNO, а также программного обеспечения для неё, и подключения к персональному компьютеру приводится в Л.1, так что, если кто не в курсе, обязательно прочтите сначала статью в Л.1.

Принципиальная схема

Схема частотомера показана на рис. 1. Как видно из схемы, к цифровым портам D2-D7 платы Arduino UNO подключен модуль жидкокристаллического индикатора Н1 типа 1602А.

А входной сигнал поступает через вполне понятный усилитель-формирователь на транзисторе VT1 и микросхеме D1 на порт D8. Питается входной усилитель-формирователь и ЖК-индикатор от стабилизатора напряжения 5V, имеющегося на плате Arduino UNO.

Рис. 1. Принципиальная схема частотомера (до 1МГц) на платформе Arduino UNO.

Но, вернемся к ЖК-индикатору. Индикатор представляет собой плату, на которой установлен собственно ЖК-дисплей и схема для его обслуживания, выполненная на двух безкорпусных микросхемах. Индикатор 1602А стандартный, на основе контроллера HD44780. Обозначение 1602А фактически значит, что он на две строки по 16 символов в строке.

Индикатор был куплен на «Aliexpress», найден по запросу «HD44780» (цены от 81 рубля).

Питание +5V на ЖК-индикатор поступает через вывод 2 его платы. Общий минус на выводы 3 и 1. Поскольку в индикатор планируется только передавать информацию от контроллера, а не наоборот, вывод 5 (RW) соединен с нулем. Данные на ЖК-индикатор будут поступать через его выводы 11-14 (выводы 7-10 не используются).

Выводы 15 и 16 служат для подключения подсветки ЖК-индикатора. На них подается напряжение 5V. Для управления ЖК-индикатором решено было использовать порты с D2 по D7 платы Arduino UNO. В принципе, можно и другие порты, но я вот так, решил использовать именно эти.

ЖК-индикатор подключили. Но просто так он работать не станет. Для того чтобы он взаимодействовал с Arduino UNO нужно в программу загрузить подпрограмму для его управления.

Программа

Такие подпрограммы почему-то называются «библиотеками», и в программном комплекте для Arduino UNO есть много разных «библиотек».

Таблица 1. Исходный код программы.

Для работы с ЖК-индикатором на основе HD44780 нужна библиотека LiquidCrystal. Поэтому программа для нашего частотомера (таблица 1) начинается с загрузки этой библиотеки:

Эта строка дает команду загрузить в Arduino UNO данную библиотеку. Затем, нужно назначить порты Arduino UNO, которые будут работать с ЖК-инди-катором. Как я уже сказал, я выбрал порты с D2 по D7. Эти порты назначены строкой:

LiquidCrystal led(2, 3, 4, 5, 6, 7);

После чего, программа переходит собственно к работе частотомера.

Среди набора функций языка для программирования Arduino UNO есть такая функция: pulseln , перевести это можно как «входной импульс». Эта функция измеряет в микросекундах длительность положительного либо отрицательного перепада входного импульса. Так что измерение частоты здесь будет происходить через предварительное измерение периода.

Так как длительность положительного и отрицательного полупериодов в реальном входном сигнале могут различаться, если мы хотим измерить период входных импульсов нам нужно сложить длительность положительного и отрицательного полупериодов.

В программе длительность положительного полупериода обозначена Htime, длительность отрицательного полупериода - Ltime, а длительность всего периода - Ttime.

Измерение полупериодов происходит в строках:

Htime=pulseln(8,HIGH);

Ltime=pulseln(8,LOW);

Затем, производится вычисление полного периода в строке:

Ttime=Htime+Ltime ;

Вычисление частоты, учитывая, что значение периода выражено в микросекундах, происходит здесь:

frequency=1000000/Ttime;

Затем, указывается строка ЖК-индика-тора (нижняя строка, это строка 1), в которую записывается результат:

lcd.setCursor (ОД) ;

И результат записывается в ЖК-индикатор:

lcd.print("hz");

Завершается рабочий цикл частотомера индикацией результата в течение одной секунды, вернее, паузой в одну секунду, в течение которой на табло остается

измеренное значение (время выражено в миллисекундах, поэтому 1 сек = 1000): delay(1000);

Таким образом, наш частотомер, в отличие от типового, не занимается подсчетом импульсов за фиксированный временной интервал, а определяет частоту по предварительно измеренному периоду. При этом показания сменяются каждую секунду. Что, впрочем, не обязательно.

Период смены показаний (время индикации) можно установить любой величины, изменив продолжительность паузы в строке:

например, так: delay(2000);

Теперь показания будут сменяться каждые две секунды. Можно выбрать любое другое значение, как меньше 1000, так и больше, но слишком увлекаться его уменьшением не стоит, - чрезмерно частая смена показаний затрудняет зрительное восприятие. На мой взгляд, оптимально -1 секунда.

Теперь о других деталях программы.

В строке:

pinMode(8, INPUT);

порт 8 платы ARDUINO UNO назначен как цифровой вход. На него поступают импульсы, частоту которых нужно измерить.

В строке:

lcd.begin(16,2);

указано что индикатор двухстрочный, по 16 знаков в строке.

Индикатор у нас двухстрочный. Одна строка остается свободной и в неё можно записать что угодно. Здесь в верхнюю строку (верхняя строка, это строка 0) записано слово «frequency»:

lcd.setCursor(0,0);

lcd.print("frequency");

К сожалению, китайский ЖК-индикатор по-русски не понимает, поэтому писать можно только латинскими буквами. Если попробовать написать кириллицей, например, слово «частота», он начинает гнусно ругаться китайскими иероглифами. Если на вход (порт D8 ARDUINO UNO) сигнал не поступает, на ЖК-индикаторе будет мигать: «infhz». Работу частотомера можно ускорить или замедлить, изменив время индикации, как это сказано выше.

Точность частотомера весьма высокая, потому что тактовая частота микроконтроллера стабилизирована кварцевым резонатором, установленным на плате ARDUINO UNO. Однако, учитывая специфику прибора, в частности то, что он фактически измеряет период, а не частоту, а частоту только вычисляет, при сильно искаженном входном сигнале показания могут плавать.

Этот частотомер предназначен для измерения частоты входного сигнала. Но бывают и другие частотомеры, например, тахометры, спидометры, и др. которые импульсы получают от неких датчиков, а результат должны выдавать не в герцах, а в оборотах в минуту или метрах в секунду, километрах в час или других единицах. В таком случае, изменить закон перевода измеренного периода в результат можно в этой строке:

frequency=1000000/Ttime;

подставив вместо 1000000 другое значение, или вообще изменив формулу вычисления результата, соответственно той, которая необходима для конкретного случая применения прибора. Соответственно, нужно будет изменить и единицу измерения, заменив её в строке: lcd.print("hz"); И изменить заголовок в верхней строке ЖК-индикатора, изменив его в строке: lcd.print("frequency");

Напряжение питания частотомера может быть от 7 до 12V. Питание подается на соответствующее гнездо на плате ARDUINO UNO. Напряжение может быть нестабилизированным (на плате есть собственный стабилизатор на 5V), но

обязательно хорошо отфильтрованным (пульсации должны быть минимальными). Питание возможно и от источника напряжением 5V через USB-порт, но в этом случае, напряжение должно быть не только хорошо отфильтрованным, но и стабилизированным.

Схема входного усилителя состоит из собственно входного усилителя на транзисторе VТ1 и триггера Шмитта на элементах микросхемы D1. Кстати, микросхему К561ЛЕ5 или К561ЛА7 можно заменить любой КМОП-микросхемой, в которой есть не менее трех инверторов, соответственно, изменив схему.

Схему входного усилителя можно выполнить и иначе, применив другие схемные решения. Но, в любом случае, там должен быть триггер Шмитта, на выходе которого должны быть прямоуугольные импульсы размахом не менее ЗV и не более 5V.

При питании от гальванической батареи, например, «Кроны» или её аналога напряжением 9V, с целью экономии источника питания можно отключить подсветку ЖК-индикатора. Для этого нужно в разрыв его вывода 15 или 16 включить выключатель, которым включать подсветку, если она нужна. Если же подсветка вообще не требуется, выводы 15 и 16 ЖК-индикатора можно вообще не подключать.

В стационарном же режиме, когда прибор питается от сетевого источника питания, подсветку можно сделать подключенной постоянно, как это показано в схеме на рисунке 1.

Набирая программу (таблица 1) совсем не обязательно набирать то, что в строках после знака « ; » (точка с запятой). Потому что это комментарии и пояснения, никак не влияющие на работу программы.

Каравкин В. РК-12-16.

Литература:

1. Каравкин В. Ёлочная мигалка на Arduino как средство от боязни микроконтроллеров. РК-11-2016.