Схема. Автоматический частотомер на микроконтроллере с автономным питанием
В предлагаемом устройстве применен микроконтроллер, который используется одновременно для измерения частоты и для управления четырехразрядным ЖК индикатором, а вместе они потребляют ток не более 1 мА. В устройстве реализовано несколько различных режимов работы. Один из самых распространенных способов измерения основан на подсчете числа импульсов за определенный временной интервал. Например, число импульсов, поступивших на вход счетчика за 1 с, численно равно частоте сигнала в герцах. Помимо очевидного преимущества — получения готового значения частоты, недостатком этого способа является довольно продолжительный интервал измерения, особенно на низких частотах, что ощутимо замедляет работу, например, при контроле выходной частоты перестраиваемого генератора.
Применение микроконтроллера позволяет взамен подсчета числа импульсов сравнительно просто и точно измерить период сигнала. Однако на высоких частотах необходимо увеличивать тактовую частоту микроконтроллера, что не всегда реализуемо. Дело в том, что период сигнала измеряется микроконтроллером в единицах некоторой образцовой частоты, и для получения высокого разрешения следует выбирать эту частоту как можно большей. В целях упрощения в предлагаемом устройстве в качестве эталонной используется тактовая частота микроконтроллера. Его генератор работает на максимальной паспортной частоте — 20 МГц, а образцовая частота равна тактовой — 5 МГц.
На частотах ниже 7 кГц измеряется период колебаний, а выше — производится счет импульсов, поступивших на вход за 0,1 с, при этом режим измерения выбирается автоматически.
Основные технические характеристики
Диапазон входных частот,
Гц ………………..10…15*106
Амплитуда входного напряжения, В ……………..0,2…15
Выбор пределов измерения ………………….автоматический
Период повторения измерений, с……………….0,1 или 1
(автоматический или ручной)
Встроенный источник питания ………………..гальванический элемент типоразмера АА Напряжение внешнего источника питания, В………..7…9
Потребляемый ток от элемента 1,5 В, мА…………….75
Потребляемый ток от внешнего источника питания, мА…..12
Основой устройства (рис. 1) является микроконтроллер DD1 (PIC16F913). Его выбор обусловлен наличием в нем встроенного узла управления четырехразрядным ЖК индикатором. Оно осуществляется в мультиплексном режиме с использованием трех различных напряжений, которые формируются резистивным делителем R9R11—R13 и поступают на входы RCO, RC1, RC2 микроконтроллера DD1. Большинство выходов микроконтроллера задействовано для управления ЖК индикатором, выход RC4 — для управления компаратором DA3, RC3 — для управления светодиодом HL1, RA5 — для управления полевым переключательным транзистором VT1.
На полевом транзисторе VT2 и компараторе DA3 собран формирователь импульсов. Полевой транзистор VT2 повышает входное сопротивление устройства, а компаратор обеспечивает преобразование усиленного сигнала в прямоугольные импульсы с логическими уровнями. Когда напряжение входного сигнала превышает 2…3 В, через затвор транзистора VT2 начинает протекать прямой ток, который создает на резисторе R2 закрывающее напряжение для затвора, выполненного на основе р-n перехода. Поэтому при входных напряжениях 3…15В через канал транзистора VT1 протекают импульсы тока в момент, когда оно равно или превышает напряжение на резисторе R2. Поскольку допустимые значения напряжений затвор-исток и затвор-сток примененного транзистора составляют 25 В, амплитуда входного напряжения может достигать 15В.
Напряжение на инвертирующем входе компаратора DA3 на 50… 100 мВ меньше напряжения на его неинвертирующем входе, что определяет чувствительность устройства — 100…200 мВ во всем диапазоне рабочих частот. Выбранный компаратор имеет высокую частоту переключения (около 60 МГц) и гистерезис переключения около 4 мВ, которого, как показал опыт, недостаточно для подавления его самовозбуждения при работе на частотах ниже нескольких килогерц. Этот недостаток устранен за счет введения положительной обратной связи через резистор R7, что увеличило гистерезис до нескольких десятков милливольт, и установки конденсатора С6.
Сигнал с выхода компаратора поступает на вход RC5 (вывод 16) микроконтроллера DD1. Этот вход сконфигурирован как вход встроенного шестнадцатиразрядного счетчика таймера TMR1, который может работать как в режиме счета импульсов, так и в режиме измерения периода, и управляется программно. Следует отметить, что программно установленная максимальная измеряемая частота (15 МГц) соответствует максимальной паспортной рабочей частоте таймера (16,6 МГц). Поэтому при подаче на вход частоты более 15 МГц на ЖК индикатор HG1 выводится сообщение «HF» (High Frequency). Но на практике во многих экземплярах микропроцессоров таймеры устойчиво работают до частот 20…25 МГц. В этом случае максимальная рабочая частота частотомера может быть повышена, но при этом потребуется коррекция управляющей программы.
В соответствии с ней сначала осуществляется счет входных импульсов за 1 мс. Если полученное число не менее 10000, то оно округляется до четырех старших знаков и выводится на ЖК индикатор. В противном случае производится повторный счет числа импульсов, но уже за 10 мс. Если получится пятизначное число, оно также округляется до четырех старших знаков и выводится на ЖК индикатор. В противном случае производится еще одно измерение за 100 мс.
Преимуществом такой трехэтапной процедуры измерения является гарантированная работа микроконтроллера с относительно небольшими числами (которые не превышают 65536 и, значит, могут быть представлены шестнадцатиразрядным двоичным кодом). Это, в свою очередь, упрощает программу и исключает необходимость обработки прерываний таймера TMR1 при его переполнении, поскольку он просто не успевает переполниться за время измерения. Отсутствие прерываний во время измерения частоты способствует более точному формированию временных интервалов измерения и, как следствие, более точному измерению.
Если измеренная частота менее 7 кГц, таймер TRM1 программно переконфигурируется для измерения периода или, в зависимости от режима работы, производится еще одно измерение частоты за период 1 с. Поскольку микроконтроллер работает на тактовой частоте 5 МГц, все вычисления производятся быстро, и пришлось ввести задержку в 0,2 с после каждого измерения. Иначе, при нестабильной частоте входного сигнала, показания ЖК индикатора меняются слишком быстро для распознавания.
Для удобства считывания показаний значения герц и килогерц отделяются десятичной точкой. Аналогичным образом отделяются значения мегагерц и килогерц. Незначащие нули в начале числа программно «гасятся», например, частота 125 Гц будет индицироваться как 125, а не 0125. Рабочий диапазон частот индицируется двухцветным светодиодом HL1. Зеленый цвет свечения соответствует герцам, желтый — килогерцам, красный — мегагерцам. Для получения желтого цвета включаются оба кристалла светодиода HL1. При необходимости более точных измерений на частотах менее 10 кГц в устройстве предусмотрена возможность включения измерительного временного интервала 1 с, для чего необходимо нажать на кнопку SB2. При повторном нажатии устройство возвращается в исходный режим.
Питающее напряжение на светодиод HL1 поступает с транзисторов VT3 и VT4, на базы которых, в свою очередь, поступает сигнал с выхода RC3 (вывод 14) микроконтроллера DD1. При напряжении низкого уровня на этом выходе светит кристалл зеленого цвета свечения светодиода HL1, при напряжении высокого уровня — красного. При переводе этого вывода в высокоимпедансное состояние будут светить оба кристалла. В таблице приведены основные режимы работы устройства при измерении сигналов с различными частотами.
Номинальное рабочее напряжение 5 В микроконтроллера DD1 и компаратора DA3 при питании от гальванического элемента обеспечивается преобразователем напряжения на микросхеме DA2. Включение частотомера в этом случае производится нажатием на кнопку SB1. При этом минусовый вывод гальванического элемента через замкнутые контакты встроенного разъема питания XS1 будет соединен с общим проводом. Преобразователь напряжения запускается, и появившееся напряжение питания активизирует микроконтроллер DD1, который формирует на выходе RA5 напряжение высокого уровня, поступающее через диоды VD1, VD2 на затвор транзистора VT1, он открывается и шунтирует контакты кнопки SB1. Минимальная продолжительность нажатия должна быть не менее 0,5 с, что предотвращает нежелательные включения устройства при случайном коротком нажатии. В открытом состоянии падение напряжения на транзисторе VT1 не превышает 20 мВ.
В случае прекращения измерений по истечении контрольного времени на выводе RA5 микроконтроллера DD1 устанавливается напряжение низкого уровня, транзистор VT1 закрывается и отключает элемент питания, что приводит к выключению всего устройства. В таком режиме потребляемый ток составляет около 0,5 мкА и сравним с током ее саморазряда. Диоды VD1 и VD2 уменьшают нежелательное приоткрывание транзистора VT1 в этом режиме, если их исключить, потребляемый ток в выключенном режиме увеличивается примерно до 14 мкА.
При питании от внешнего источника контакты гнезда XS1 разомкнуты, преобразователь напряжения не работает и питание осуществляется от стабилизатора напряжения DA1. В этом случае частотомер включается при наличии напряжения внешнего источника и его автоматического выключения не происходит. Диод VD3 защищает устройство от неправильной полярности питающего напряжения, диод VD4 — развязывающий.
В устройстве приняты меры по минимизации энергопотребления. Основной ток потребляют компаратор DD1 (5 мА), полевой транзистор VT2 и светодиод HL1 (около 7 мА). Компаратор включается микроконтроллером за 1 мс до начала измерений и выключается сразу после этого. Таким образом, потребляемая им мощность снижается примерно вдвое.
Помимо этого, при питании от гальванического элемента частотомер автоматически выключается через 3 мин 20 с после проведения последнего измерения (если на ЖК индикаторе все нули).
Большинство деталей размещено на печатной плате из двустороннего фольгированного стеклотекстолита (рис. 2, рис. 3). Фольга на одной стороне используется в качестве общего провода, что улучшает стабильность работы устройства. Плата рассчитана на использование деталей для поверхностного монтажа, отверстия сделаны лишь для монтажа ЖК индикатора, конденсатора СЗ, кнопок, входного разъема, разъема питания, элемента питания и крепежных винтов. Все примененные резисторы и керамические конденсаторы (кроме СЗ, он — типа К10-17) типоразмеров 1206 или 0805. Оксидные конденсаторы танталовые, кроме С1, он — алюминиевый. Дроссель L1 — CRDH5D18 фирмы Sumida. Взамен указанных на схеме биполярных транзисторов можно применить любые маломощные кремниевые низкочастотные или среднечастотные транзисторы соответствующей структуры. Кварцевый резонатор — NDK NX2520SA, кнопки с самовозвратом — KSL1M311 фирмы С&К.
Плата разработана для установки в пластмассовый корпус 1593Q размерами около 110x65x28 мм фирмы Hammond. Он (рис. 4) имеет отсек для установки элемента питания типоразмера АА. На лицевой панели корпуса (рис. 5) сделаны отверстия для ЖК индикатора и толкателей двух кнопок, а на боковых — отверстия для разъема внешнего питания и входного. В качестве последнего применен низкопрофильный разъем 73100-0105, производимый фирмой Molex, он дополнительно крепится гайкой на стенке корпуса.
Налаживание устройства сводится к подборке резистора R6 для установки напряжения на нем примерно на 50 мВ больше, чем на резисторе R4. Подборка необходима из-за разброса параметров полевого транзистора VT2. Желаемую контрастность ЖК индикатора устанавливают подборкой резистора R9. В случае необходимости частотомер калибруют подборкой конденсаторов С11, С12, подав на вход сигнал от образцового генератора.
Транзистор VT1, резистор R1 и диоды VD1, VD2 могут быть исключены, но тогда кнопка SB1 должна быть с фиксацией или взамен нее следует установить выключатель — в этом случае автоматического отключения питания не будет.
Прилагаемые файлы: 11_29_10__05_06_2010.zip
С. БЕЗРУКОВ, В. АРИСТОВ, г. Москва
«Радио» №11 2008г.
Похожие статьи:
Частотомер на микроконтроллере
Лабораторный источник питания с микроконтроллерным управлением
Схема таймера на микроконтроллере с удобным управлением
Комнатный термометр с автономным питанием
