Резонансные частотомеры

Размещено на http://www.allbest.ru/

• Введение

Важнейшей характеристикой периодических процессов является частота, которая определяется числом полных циклов (периодов) колебаний за единичный интервал времени. Необходимость в измерении частоты возникает во многих областях науки и техники и особенно часто - в радиоэлектронике, которая охватывает обширную область электрических колебаний от инфранизких до сверхвысоких частот включительно.

Для измерения частоты источников питания электрорадиоустройств применяют электромагнитные, электро- и ферродинамические частотомеры с непосредственной оценкой по шкале логометрического измерителя, а также камертонные частотомеры. Эти приборы имеют узкие пределы измерений, обычно в пределах +-10% одной из номинальных частот.

Очень низкие частоты (менее 5 Гц) можно приближённо определить подсчётом числа полных периодов колебаний за фиксированный промежуток времени, например, с помощью магнитоэлектрического прибора, включённого в исследуемую цепь, и секундомера; искомая частота равна среднему числу периодов колебаний стрелки прибора в 1 с. Низкие частоты могут измеряться методом вольтметра, мостовым методом, а также методами сравнения с опорной частотой посредством акустических биений или электроннолучевого осциллографа. В широком диапазоне низких и высоких частот работают частотомеры, основанные на методах заряда - разряда конденсатора и дискретного счёта. Для измерения высоких и сверхвысоких частот (от 50 кГц и выше) применяются частотомеры, базирующиеся на резонансном и гетеродинном методах. На СВЧ (от 100 МГц и выше) широко применяется метод непосредственной оценки длины волны электромагнитных колебаний при помощи измерительных линий.

Современная измерительная техника позволяет измерять высокие частоты с относительной погрешностью до 10-11; это означает, что частота примерно 10 МГц может быть определена с ошибкой не более 0,0001 Гц. В качестве источников высокостабильных образцовых частот используют кварцевые, молекулярные и атомные генераторы, а в области низких частот - камертонные генераторы. Методы стабилизации частоты, применяемые на радиовещательных станциях, позволяют поддерживать частоту с относительной погрешностью не более 10-6, поэтому их несущие частоты можно успешно использовать в качестве опорных при частотных измерениях.

1.Обзор литературных источников

1.1 Частотомер - цифровая шкала

Прибор работает в режиме частотомера или цифровой шкалы приемника или трансивера [2]. Максимальный диапазон измерения до 50 МГц. Индикация пятиразрядная с автоматическим выбором предела измерения. Выбор предела измерения сопровождается перемещением десятичной запятой. Индикация может быть как в «МГц» так и в «кГц». При индикации в «кГц» децимальная запятая мигает, при индикации в «МГц» - горит постоянно.

В режиме цифровой шкалы прибор может измерить значение промежуточной частоты, например, по измерению частоты опорного генератора SSB-формирователя или SSB-демодулятора. Затем это значение запоминается и может либо вычитаться из результата измерения частоты генератора плавного диапазона, либо складываться с ним. При работе с приемником прямого преобразования - режим работы как у простого частотомера.

Рисунок1. Принципиальная схема частотомера

Принципиальная схема показана на рис1. Входной сигнал поступает на предварительный усилитель на VT1 и VT2. Полевой транзистор VT1 дает большое входное сопротивление, поэтому частоту можно подавать даже с колебательного контура генератора, -влияние минимально. Каскад на VT2 дает усиление по напряжению. Усилитель требует налаживания, - нужно чтобы напряжение на коллекторе VT2 было равно 2,5V. Его выставляют подбором сопротивления R3. При работе в качестве лабораторного частотомера нужно на входе поставить дополнительный диодный ограничитель.

Прибор сделан на основе микроконтроллера PIC16F628. Индикация осуществляется на пятиразрядном дисплее из пяти одноцифровых семисегментных светодиодных индикаторов с общим катодом. Индикация динамическая. Семисегментные коды с портов RB поступают на соединенные вместе сегментные выводы пяти индикаторов. Динамический опрос осуществляется с четырех портов RA0-RA3. Из-за недостатка портов дополнительный вывод на пятый индикатор образован при помощи транзистора VT3, резистора R6 и диодов VD1-VD4 , логика работы такова, что когда ни на одном из выходов RA0-RA3 не будет лог.0, , то есть, тогда, когда на всех портах RA0-RA3 есть логические единицы будет работать 5 индикатор.

Порт RA4 настроен как вход. Входом является и порт RA5, но это вход управления. Там подключена кнопка S1 при помощи которой осуществляется ввод частоты, которую нужно вычитать или складывать с результатом измерения. При работе чисто как частотомер эту кнопку можно исключить.

При работе в качестве цифровой шкалы требуется ввод значения ПЧ, на которую нужно делать поправку. Сначала нужно нажать кнопку S1 и удерживать её до тех пор пока не появится на дисплее «PROG». Затем отпустить кнопку. Управление меню осуществляется быстрыми (перемещение по меню) и продолжительными (выбор) нажатиями этой кнопки.

Есть несколько разделов меню: «OUT» - при его выборе прибор выходит из меню без изменений.

«ADD» - сохранение измеренной частоты на сложение.

«SUB» - сохранение измеренной частоты на вычитание.

«ZERO» - сброс частоты, прибор будет показывать частоту без коррекции на ПЧ.

И так, чтобы сделать коррекцию на ПЧ нужно сначала измерить эту ПЧ. То есть, подаете на вход прибора именно такую частоту, например, с опорного генератора или может быть с лабораторного генератора, на котором нужно установить частоту равную частоте ПЧ конкретного аппарата, в котором шкала будет работать.

И так, чтобы сделать коррекцию на ПЧ нужно сначала измерить эту ПЧ. То есть, подаете на вход прибора именно такую частоту, например, с опорного генератора или может быть с лабораторного генератора, на котором нужно установить частоту равную частоте ПЧ конкретного аппарата, в котором шкала будет работать.

Затем, нажимаете S1 продолжительно пока не появится «PROG». Далее короткими нажатиями переходите на «ADD» если данную частоту нужно прибавлять или на «SUB» если данную частоту нужно вычитывать. Длинным нажатием подтверждаете свой выбор. Вот и все. Теперь прибор при измерении будет делать поправку на ПЧ, которую вы задали.

Индикаторы можно применить любые, которые имеются в наличии. Нужны светодиодные семисегментные цифровые индикаторы с общим катодом. Резисторы R7-R14 необходимо подобрать по требуемой яркости индикаторов.

С резисторами R7-R14 390 Ом устройство потребляет ток около 40 мА. С резисторами R7-R14 1 кОм (как указано на схеме) устройство потребляет менее 20 мА (Индикаторы SC39-11). Сам микроконтроллер потребляет около 4 мА.

1.2 Частотомер на микроконтроллере

Принцип работы описываемого прибора (как и других частотомеров) заключается в подсчете пришедших на его вход импульсов за фиксированный промежуток времени [3]. Вот его основные технические характеристики: интервал измеряемой частоты сигнала - от 1 Гц до 50 МГц при минимальном напряжении входного сигнала 0,5 В. Разрядность индикатора - 8, что позволяет измерять высокочастотные сигналы с точностью до 1 Гц. Напряжение питания -- 9 В, а потребляемый ток зависит от используемых индикаторов.

Рисунок 2. Частотомер на контроллере схема принципиальная

На рис. 2 показана схема частотомера. В используемом микроконтроллере КР1878ВЕ1 шестнадцатиразрядный таймер-счетчик имеет восьмибитный предделитель и трехбитный счетчик переполнений, что в сумме составляет 27 разрядов. Таким образом, счетчик может считать до 134217727. Быстродействие микроконтроллера ограничено частотой 50 МГц. Это значение является максимальной измеряемой частотой сигнала. Секундный интервал отсчитывают с помощью программно организованных циклов, в которые также введена динамическая индикация показаний.

По окончании счета получить значение измеренной частоты простым опросом регистров можно только из шестнадцатиразрядного таймера-счетчика и трехразрядного счетчика переполнений. Данные, находящиеся в восьмиразрядном предцелителе, извлекают методом досчета. На вход пред-делителя подают одиночные импульсы и, когда фиксируют его переполнение (во всех разрядах - нули), вычисляют записанное в нем значение, равное 256 за вычетом числа поданных импульсов. После этого двоичное число преобразуют в двоично-десятичное, а затем -- в код семиэлементного индикатора. В нем гасят незначащие нули и при следующем измерении выводят на табло.

В устройстве применены три трехразрядных светодиодных индикатора повышенной яркости от АОНа. При их отсутствии можно применить любые другие светодиодные индикаторы на необходимое число разрядов, например, серии АЛС318. Аноды индикаторов через токоограничительные резисторы R8-R15 подключены к порту В микроконтроллера. Катоды соединены с выходами дешифратора DD3 К555ИД10, выходной ток которых в состоянии лог. О может достигать 24 мА. Индикация идет справа налево, т. е. первый разряд - правый по схеме. Девятый разряд не подключен, однако при необходимости его можно использовать для вывода какой-либо служебной информации.

Для повышения стабильности генератор образцовой частоты выполнен на элементах DD1.1 - DD1.3, питаемых от отдельного стабилизатора DA1. Программный способ отсчета времени измерения позволяет применять кварцевые резонаторы на любую частоту. Следует лишь изменить программные циклы, а это весьма просто, так как все инструкции в микроконтроллере выполняются за два такта. Верхнее значение образцовой частоты составляет 8 МГц, нижнее определяется тем, что выходной сигнал предделителя синхронизируется сигналом тактовой частоты процессора и не может быть выше 1/4...1/12 ее значения в зависимости от типа процессора. К сожалению, в документации на микроконтроллер эти параметры не указаны. У похожего контроллера фирмы Microchip длительность входного сигнала не должна быть меньше четырех тактов процессора. Учитывая восьмиразрядный асинхронный предделитель, определим минимальную образцовую частоту: 50 000x4/256 = 781,25 кГц.

Правильно собранный частотомер после включения должен показать на табло число 87654321 и затем перейти в режим счета, индицируя при отсутствии входного сигнала ноль в первом разряде. Если индикация отсутствует, следует проверить наличие сигнала образцовой частоты. Затем необходимо убедиться, что на входы дешифратора подается сканирующий код. Вход 8 микросхемы DD3 должен быть соединен с общим проводом, иначе ее выходы будут закрыты. Кроме того, можно попытаться выполнить внешний сброс, замкнув на время выводы конденсатора С3.

Для проверки можно подать на вход микроконтроллера сигнал с генератора образцовой частоты, соединив выход элемента DD1.3 с входом DD1.4. На индикаторе высветится его частота, в нашем случае - 4 МГц. Калибруют частотомер с помощью внешнего генератора.

Нельзя подавать измеряемый сигнал непосредственно на вывод таймера микроконтроллера (PA4/TCLC), так как на этот вывод подается сигнал до-счета. Чтобы предотвратить перегрузку и возможную порчу элементов устройства, включен токоограничительный резистор R6.

1.3 Частотомер

Характеристики:

Диапазон измерений 1 Гц..20 МГц; 1 МГц..200 МГц; 1 МГц..200 МГц; Дискретность 1Гц; 10 Гц; 100 Гц;

Чувствительность 40 мВ; 100 мВ; 100 мВ;

Данный частотомер обладает целым рядом преимуществ по сравнению с предшествующими:

- современная дешевая и легко доступная элементная база;

- максимальная измеряемая частота - 200 МГц;

- совмещение в одном приборе частотомера и цифровой шкалы;

- вероятность увеличения максимальной измеряемой частоты до 1,2 ГГц при незначительной доработке входной части прибора;

- вероятность коммутации в час работы до 4 ПЧ.

Измерение частоты осуществляется классическим способом: подсчет количества импульсов за фиксированный интервал времени.

Принципиальная схема представлена на рисунке 3.

Входной сигнал через конденсатор С4 поступает на базу транзистора VT1, который усиливает входной сигнал до уровня, необходимого для нормальной работы микросхемы DD2. Микросхема DD2 193ИЕЗ представляет собой высокочастотный делитель частоты, коэффициент деления которого равен 10. Ввиду того что в используемое микроконтроллере К1816ВЕ31 максимальная частота счетного входа Т1 f=Fкв/24, где Fкв - частота используемого кварца, а в частотомере Fкв=8,8672 МГц, сигнал с высокочастотного делителя поступает на прибавочный делитель частоты, представляющий собой десятичный счетчик DD3. Процесс измерения частоты начинается с обнуления делителя DD3, сигнал сброса которого поступает с вывода 12 микроконтроллера DD4. Сигнал разрешения прохождения измеряемого сигнала на десятичный делитель поступает с вывода 13 DD4 через инвертор DD1.1 на вывод 12 DD1.3.

По окончании фиксированного интервала времени измерения на выводе 13 DD4 появляется большой уровень, который через инвертор DD1.1 запрещает прохождение измеряемого сигнала на делитель DD3, и начинается процесс преобразования накопленных импульсов времени в частоту, а также подготовка данных для вывода на индикацию.



Рисунок 3. Частотомер

Данный прибор имеет вероятность работы как в высокочастотном, так и в низкочастотном диапазонах. При работе в низкочастотном диапазоне переключатель S1 нужно установить в верхнее положение и сигнал подавать на вход 2 (вывод 9) платы частотомера. Для измерения частоты от 1 Гц до 20 МГц нужно использовать формирователь.

Программа работы микроконтроллера пребывает в ПЗУ DD8, микросхема DD5 используется для мультиплексирования адресов микроконтроллера.

Для получения максимальной эффективности использования микроконтроллера в приборе применена динамическая индикация. При использовании данного прибора в качестве цифровой шкалы на вывод 22 DD8 нужно с помощью переключателя S2.3 подать большой уровень. Выбор значения ПЧ производится путем соединения выводов 10,11 микросхемы DD4 с землей. Вход 3 (вывод 5) платы частотомера предназначен для включения выбранной промежуточной частоты (например при переходе с приема на передачу). Во время работы прибора в режиме цифровой шкалы младшие разряды индикатора показывают сотни герц. Работе прибора в режиме цифровой шкалы соответствует иная прошивка ПЗУ.

Для питания частотомера можно использовать блок питания. Нужно только увеличить напряжение от -20 В до -30 В и напряжение накала - до 4,8 В при использовании индикатора ИВ-18. В указанной схеме блока питания желательно диод КД503 заместить на стабилитрон КС133, что исключает ложную подсветку сегментов индикатора.

Наладку частотомера следует начинать с проверки на обрыв всех без исключения соединительных проводников печатной платы, далее проверить на отсутствие замыкания соседних на печатной плате соединительных проводников. Сразу же после подачи питания на частотомер проконтролируйте ток потребления по напряжению +5 В. Он не должен превышать 250 мА. Затем измерьте напряжение на коллекторе VT1, оно должно находиться в пределах 2,0 В...3,0 В.

2.Выбор и описание прототипов разрабатываемого устройства

2.1 Частотомер - цифровая шкала на PIC контроллере

Характеристики:

Диапазон измеряемых частот 1 Гц ... 40 МГц

Чувствительность 100...200 mV

Количество разрядов индикатора 8

Время измерения 0,1 - 1 - 10 сек

Дискретность отсчета 100 - 1 - 0,1 Гц

Предлагаемая конструкция предназначена для использования на малых предприятиях, занимающихся ремонтом и разработкой радиоэлектронной аппаратуры, а также в домашних условиях в качестве частотомера или цифровой шкалы связной и радиоприемной аппаратуры всех типов. Несмотря на очень простую схему прибор имеет достаточно высокие параметры. Частоты более 40МГц можно измерять, используя внешний СВЧ делитель с любым коэффициентом деления в диапазоне 2...255.

При использовании прибора в качестве цифровой шкалы в его энергонезависимую память можно записать до 15 значений промежуточных частот в диапазоне от 0 до 99 999 999 Гц. При этом показания индикатора будут определяться формулой:

Fвх*Кд +/- Fпч

где Fвх - входная частота; Кд - коэффициент деления внешнего делителя; Fпч - промежуточная частота.

Вычитание осуществляется по абсолютной величине, т.е. из большего значения вычитается меньшее. При использовании прибора в качестве цифровой шкалы время измерения может быть 0,1сек или 1сек. Предел 10сек предназначен для проведения точных измерений относительно низких частот. Для цифровой шкалы такая точность не нужна, поэтому показания на пределе 10сек определяются формулой: [Fвх*Кд].

В частотомере предусмотрена возможность программной калибровки, что позволяет использовать любые кварцевые резонаторы в диапазоне 3,9 ... 4,1МГц. Значения всех промежуточных частот, коэффициент деления используемого внешнего делителя, а также калибровочные константы могут изменяться пользователем без применения каких-либо дополнительных устройств. Они хранятся в энергонезависимой памяти PIC контроллера. Принцип действия частотомера - классический: измерение количества импульсов входного сигнала за определенный интервал времени.

Рисунок 4. Принципиальная схема частотомера

Принципиальная схема прибора показана на рис.4. Импульсы измеряемой частоты подаются на входной формирователь, выполненный на VT1 и DD1. Диоды VD1 и VD2 ограничивают амплитуду входного сигнала на уровне 1в. Для синусоидального входного сигнала нижняя граница измеряемых частот определяется емкостью C4 и C5, при указанном на схеме значении она равна 10Гц. С выхода DD1 сформированные импульсы поступают на PIC контроллер PIC16CE625. Достаточно высокая нагрузочная способность его выходов позволила непосредственно подключить к нему катоды индикаторов. Аноды подключены через составные эмиттерные повторители на VT2...VT17 к выходам счетчика DD3 типа К561ИЕ8, который осуществляет сканирование разрядов. Такая схема позволяет питать индикатор не стабилизированным напряжением, что существенно облегчает тепловой режим стабилизатора DA1 и практически устраняет влияние бросков тока при коммутации разрядов индикатора на работу входного формирователя.

Рисунок 5. Принципиальная схема выносного пробника

Входное сопротивление формирователя довольно низкое, поэтому для расширения возможностей прибора и устранения влияния емкости кабеля к нему подключается выносной пробник. Его схема показана на рис.2. Благодаря применению полевого транзистора входное сопртивление пробника около 500ком, выходное - 50 ... 100ом. Коэффициент усиления - около 2, а полоса пропускания - до 100...150МГц. Диоды VD1, VD2 защищают полевой транзистор от выхода из строя при попадании на вход высокого напряжения.

Управление прибором осуществляется с помощью 3-х кнопок, выведенных на переднюю панель и 5-и переключателей. Кнопки SB1 ... SB3 (рис.1) служат для переключения времени измерения. При нажатии на SB1 включается предел 0,1сек, а при нажатии на SB2 или SB3 - 1cек или 10сек соответственно. Новое значение на индикаторе появится через 0,1; 1 или 10сек после отпускания SB1, SB2 или SB3. Если нажать и удерживать одну из этих кнопок, текущее значение частоты зафиксируется на индикаторе. Замкнутое состояние переключателя SA1 соответствует работе прибора с внешним СВЧ делителем, а разомкнутое - без. При использовании делителя меняется цена младшего разряда. Если его коэффициент деления находится в пределах от 3-х до 20, цена разряда уменьшается в 10 раз, если Кд выше 20, то - в 100 раз при любом времени измерения. Если Кд = 2, цена разряда не изменяется. SA2 ... SA5 служат для выбора одного из 15 заранее запрограммированных значений ПЧ. Соответствующий номер ПЧ набирается в коде 1-2-4-8. Если переключатели SA2 ... SA5 разомкнуты, ПЧ = 0 (режим частотомера). Выводы SA1 можно вывести на свободные контакты разъема, в который включается СВЧ делитель. На ответной части разъема между этими контактами следует установить перемычку. Таким образом будет автоматически определяться подключение делителя. Если номер ПЧ необходимо изменять дистанционно, например при переключении диапазонов приемника, то в качестве SA2 - SA5 лучше использовать электромагнитные реле или оптроны.

Транзисторы VT10...VT17 KT209 или КТ502 с допустимым током 300мА. Индикатор - 8-и разрядный светодиодный любого типа с общим анодом, справа от цифры должна быть точка. Более экономичны индикаторы красного цвета. VT1 - КТ316, КТ368 и др. с граничной частотой не менее 600МГц. DD1 - КР1554ТЛ2 можно заменить на КР1554ТЛ3. При этом потребуется подкорректировать рисунок печатной платы. Неиспользуемые входы всех элементов следует подключить к +5в. Применение ТТЛ аналогов в данной схеме нежелательно, т.к. это резко снижает верхнюю границу рабочих частот (до 10 ... 20МГц).

Транзистор VT1 выносного пробника - полевой с изолированным затвором, каналом n-типа и напряжением затвор-исток 0...2в при токе стока 5ма - КП305А,Б,В; КП313А,Б; VT2 - с граничной частотой не менее 600МГц. Резистор R1 монтируется непосредственно в штыревой части разъема XP1.

Основным преимуществом разрабатываемого устройства в сравнении с приведенным прототипом является возможность подключения к сети с напряжением 220 В, 50 Гц.

частотомер полевой транзистор

3.Разработка структурной схемы устройства

Оценка частоты входного сигнала может производиться разными методами (метод перезаряда конденсатора, резонансный метод, метод сравнения [6]), в проектируемом же частотомере использован метод измерения частоты, заключающийся в определении количества периодов измеряемого сигнала за эталонный интервал времени. Подсчет количества импульсов будет производиться таймером/счетчиком микропроцессора, так же им будет осуществляться точный отсчет времени измерения, таким образом, для определения частоты с точностью до 1 Гц, достаточно подсчитать количество пришедших на вход импульсов за промежуток времени 1 с. Для повышения точности измерения до 0,1 Гц требуется повысить интервал времени измерения до 10 с.

Данные о частоте будут выводиться на восьми разрядный семи сегментный светодиодный индикатор, время их обновления будет зависеть от точности, с которой производиться измерение частоты (1 с. или 10 с.). Способ индикации выберем динамический, использование этого метода отображения информации позволит сократить количество используемых элементов в схеме. Суть динамической индикации заключается в следующем, информация на разряды индикатора подается не одновременно, а каждый разряд зажигается по очереди и горит на протяжении нескольких миллисекунд, из-за инерции человеческого зрения символы, зажигающиеся с высокой частотой, воспринимаются горящими постоянно.

Для установки определенной точности измерения частоты будут использоваться кнопки, по нажатия которых микропроцессор воспримет информацию с них и изменит режим работы, а свое состояние отобразит на светодиодах.

Для питания схемы используется блок питания (БП), который понижает входное напряжение с 220В до 5В,а так же преобразует переменное напряжение 50 Гц в постоянное.

Таким образом, в состав проектируемого устройства войдут следующие блоки:

1. УУ - устройство управления, в него войдет микропроцессор

2. БИ - блок индикации, состоит из восьми разрядного семи сегментного светодиодного индикатора

3. БН - блок настройки, кнопки и светодиоды

4. БП - блок питания

4. Разработка принципиальной схемы устройства

В соответствии со структурной схемой разработаем принципиальную схему, выберем компоненты для каждого из введенного блока. В качестве устройства управления выберем микропроцессор фирмы AVR удовлетворяющий следующим требованиям: количество портов ввода/вывода должно позволять подключить восьми разрядный семи сегментный светодиодный индикатор - 15 выводов; для работы с двумя кнопками и двумя светодиодами потребуется 4 вывода; 1 вывод отводится на прием входного сигнала , следовательно, общее количество портов микропроцессора должно быть не меньше 20. Подсчет количества импульсов производится таймером/счетчиком с внешним тактированием, а подсчет времени осуществляется еще одним таймером, значит, выбранный микропроцессор должен иметь в составе своей архитектуры описанные модули. Общий объем программы составляет 632 байт. Выдвинутым требованиям отвечает микропроцессор ATmega8.

Рисунок 6. Микропроцессор ATmega8

Краткие характеристики микропроцессора ATmega8: 8-разрядный высокопроизводительный AVR микроконтроллер с малым потреблением

Прогрессивная RISC архитектура

130 высокопроизводительных команд, большинство команд выполняется за один тактовый цикл

32 8-разрядных рабочих регистра общего назначения Полностью статическая работа

Приближающаяся к 16 MIPS (при тактовой частоте 16 МГц) производительность

Встроенный 2-цикловый перемножитель

Энергонезависимая память программ и данных

8 Кбайт внутрисистемно программируемой Flash памяти (In-System Self-Programmable Flash)

1 Кбайт встроенной SRAM

Встроенная периферия

Два 8-разрядных таймера/счетчика с отдельным предварительным делителем, один с режимом сравнения

Один 16-разрядный таймер/счетчик с отдельным предварительным делителем и режимами захвата и сравнения

Счетчик реального времени с отдельным генератором

Три канала PWM

6-канальный аналого-цифровой преобразователь (в корпусе PDIP)

4 канала с 10-разрядной точностью

2 канала с 8-разрядной точностью

Байт-ориентированный 2-проводный последовательный интерфейс

Программируемый последовательный USART

Последовательный интерфейс SPI (ведущий/ведомый)

Встроенный аналоговый компаратор

Специальные микроконтроллерные функции

Встроенный калиброванный RC-генератор

Внутренние и внешние источники прерываний

Выводы I/O и корпуса

23 программируемые линии ввода/вывода

28-выводной корпус PDIP, 32-выводной корпус TQFP и 32-выводной корпус MLF

Рабочие напряжения

4,5 - 5,5 В (ATmega8)

Рабочая частота

0 - 16 МГц (ATmega8)

Для изначального функционирования микроконтроллера к его выводам VCC,AVCC,GND нужно подключить питание, кварцевый резонатор ZQ1 нужно подключить к выводам XTAL1,XTAL2 и через конденсаторы С3,С4 на землю. Информационные входы индикатора (A,B,C,D,E,F,G,DP) подключены через гасящие резисторы (R12 - R19) к выводам микропроцессора (PB0-PB5, PC4,PC5 соответственно), управляющие входы (1-8) через ключи VT1-VT7 заводятся на землю. Управление ключами осуществляется микропроцессором, выводы (PD0-PD4, PD6, PD7) которого через резисторы R5-R11 подключаются на базы транзисторов, при подаче напряжения транзистор открывается и через него течет ток, в результате чего зажигается соответствующий разряд индикатора.

Управление точностью измерения частоты производится с помощью кнопок SB1,SB2, которые одним выводом подключены к портам микропроцессора (PC1,PC0), а вторым на землю, к тем же портам подключены подтягивающие резисторы (R3,R4). Определение нажатия кнопки осуществляется следующим образом: когда кнопка находится в отжатом состоянии, цепь не замкнута через кнопку на землю, и ток через резистор не течет, следовательно, на резисторе не происходи падения напряжения и на вход порта поступает логическая единица, если нажать на кнопку, то цепь замкнется, через резистор потечет значительный ток, а на порт микропроцессора поступи логический нуль. Анализируя состояния порта, определяется нажатие кнопки.

Индикация режимов работы производиться с помощью светодиодов HL1, HL2 подключенных к выводам PC3, PC2 через гасящие резисторы R1,R2. Внешний сигнал частоту, которого нужно измерить поступает на вход PD5 микропроцессора.

По техническому заданию источник питания имеет переменное напряжение 220В с частотой 50Гц, все блоки устройства запитываются постоянным напряжением 5В. Для уменьшения и выравнивания напряжения служит блок питания (БП). Блок питания состоит из понижающего трансформатора (T1), который уменьшает входное напряжения до 12В, диодного моста (набор диодов собранных по мостовой схеме VD1-VD4), преобразователя напряжения L7805CV [8]. Для фильтрации низкочастотных гармоник служат конденсаторы C1,C5(47мкФ), конденсатор C2(0,1 мкФ) отфильтровывает высокочастотные гармоники.

L7805CV -- линейный стабилизатор c фиксированным напряжением положительной полярности 5V и выходным током 1A. На вход линейного стабилизатора подаётся не стабилизированное напряжение 0 до 36V. Внешние радиокомпоненты используются для ускорения переходных процессов. L7805CV выпускается в прочном корпусе TO-220. Данные микросхемы нашли широкое применение в источниках питания логических систем, в радиоэлектронных устройствах, и измерительной технике.

Особенности:

Максимальный выходной ток: 1.5A;

Не требуются внешние компоненты;

Внутренняя термозащита, ограничение тока;

Защита выходного транзистора от КЗ;

Номинальный выходной: 1A

Максимальное входное напряжение: 40V;

Выходное напряжение: 5V;

Корпус: TO220.



Рисунок 7. Линейный стабилизатор напряжения L7805CV

5. Разработка программного обеспечения

include "m8def.inc" //подключить библиотеку

org 0

rjmp reset //перейти к началу программы

//++++++++++ таблица вектаров прерывания ++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

.org 1 nop //rjmp EXT_INT0;

.org 2 nop //rjmp EXT_INT1;

.org 3 nop //rjmp TIM2_COMP;

.org 4 rjmp TIM2_OVF;

.org 5 nop //rjmp TIM1_CAPT;

.org 6 rjmp TIM1_COMPA;

.org 7 nop //rjmp TIM1_COMPB

.org 8 nop //rjmp TIM1_OVF

.org 9 nop //rjmp TIM0_OVF;

.org 10 nop //rjmp SPI_STC;

.org 11 nop //rjmp USART_RXC;

.org 12 nop //rjmp USART_UDRE;

.org 13 nop //rjmp USART_TXC;

.org 14 nop //rjmp ADC;

.org 15 nop //rjmp EE_RDY;

.org 16 nop //rjmp ANA_COMP;

.org 17 nop //rjmp TWI;

.org 18 nop //rjmp SPM_RDY;

//+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

reset:

//************** начальные установки **********************************************

ldi r19,high(RAMEND) //определить верхний адрес стека

out sph,r19 //установить верхний адрес стека

ldi r19,low(RAMEND) //определить нижний адрес стека

out spl,r19 //установить нижний адрес стека

ldi r16,0xfc

out ddrc,r16 //установить выводы порта C

ldi r16,0xDf

out ddrd,r16 //установить выводы порта D

ldi r16,0xff

out ddrb,r16 //установить выводы порта B

ldi r16,0x04

out pinc,r16 //установить выводы порта C в еденичный уровень

ldi r16,0x01

out pinb,r16 //установить выводы порта B

ldi r17,0

mov r0,r17 //начальная установка счетного регистра едениц

mov r1,r17 //начальная установка счетного регистра десятков

mov r2,r17 //начальная установка счетного регистра сотен

mov r3,r17 //начальная установка счетного регистра тысяч

mov r4,r17 //начальная установка счетного регистра десятков тысяч

mov r5,r17 //начальная установка счетного регистра сотен тысяч

mov r6,r17 //начальная установка счетного регистра милионов

mov r7,r17 //начальная установка счетного регистра счетчика переодов времени

inc r7

ldi r19,0 //начальная установка регистра индикации десятичной доли

ldi r17,1

mov r10,r17 //начальная установка режима измерения (точность 1 Гц)

//******************* настройка прерывания по таймеру1 *********************************************

ldi r17,(0<<TOIE1)+(1<<OCIE1A)

out TIMSK,r17 //разрешить прерывание таймера/счетчика Т1

ldi r17,(0<<WGM11)+(0<<WGM10)+(0<<COM1A1)+(0<<COM1A0)+(0<<FOC1A)

out TCCR1A,r17 //режим работы таймера Т1 -- normal

ldi r17,(0<<WGM13)+(0<<WGM12)+(1<<CS12)+(1<<CS11)+(1<<CS10)+(0<<ICNC1)+(0<<ICES1)

out TCCR1B,r17 //тактирование производится от внешнего источника

ldi r17,0 //очистить старший байт счетчика таймера 1

out TCNT1H,r17

ldi r17,0 //очистить младший байт счетчика таймера 1

out TCNT1L,r17

ldi r17,0x00 //значения заносимые в старший байт времени срабатывания прерывания таймера Т1

out OCR1AH,r17 //установить старший байт времени срабатывания прерывания таймера Т1

ldi r17,0x09 //значения заносимые в младший байт времени срабатывания прерывания таймера Т1

out OCR1AL,r17 //установить младший байт времени срабатывания прерывания таймера Т1

sei

//*************************************************************************************************

//******************* настройка прерывания по таймеру2 *********************************************

ldi r17,(0<<TOIE2)+(1<<OCIE2)+(0<<TOIE1)+(1<<OCIE1A)

out TIMSK,r17 //разрешить прерывание таймеров/счетчиков Т2 и T1

ldi r17,(0<<WGM21)+(0<<WGM20)+(0<<COM21)+(0<<COM20)+(1<<CS22)+(1<<CS21)+(1<<CS20)+(0<<FOC2)

out TCCR2,r17 //режим работы таймера Т1 -- normal(CS),clk/1024(WGM) ,таймер отключен от OC2(COM)

ldi r17,(0<<AS2)

out ASSR,r17 //синхронный режим

ldi r17,244 //значения заносимые в байт времени срабатывания прерывания таймера Т2

out OCR2,r17 //установить байт времени срабатывания прерывания таймера Т2

ldi r17,24 //очистить счетчика таймера 2

out TCNT2,r17

sei

//*************************************************************************************************

//************ основной цикл программы ************************************************************

cycle:

ldi r16,0b10000000 //зажечь 1-ый разряд индикатора

out PORTD,r16

mov r16,r19 //занести в буфер значение десятичной доли

rcall write_symbol_7SEG //вывести значение на 7-ми сегментный индикатор

rcall delay_20ms //установить задержку

ldi r16,0b01000000 //зажечь 2-ой разряд индикатора

out PORTD,r16

mov r16,r20 //занести в буфер значение едениц

rcall write_symbol_7SEG //вывести значение на 7-ми сегментный индикатор

sbrc r10,1 //если выбрана точность 1 Гц выполнить след операцию

cbi PORTB,7 //погасить точку после разряда единиц

sbrc r10,0 //если выбрана точность 0,1 Гц выполнить след операцию

sbi PORTB,7 //зажечь точку после разряда единиц

rcall delay_20ms //установить задержку

ldi r16,0b00010000 //зажечь 3-ий разряд индикатора

out PORTD,r16

mov r16,r21 //занести в буфер значение сотен

rcall write_symbol_7SEG //вывести значение на 7-ми сегментный индикатор

rcall delay_20ms //установить задержку

ldi r16,0b00001000 //зажечь 4-ый разряд индикатора

out PORTD,r16

mov r16,r22 //занести в буфер значение тысяч

rcall write_symbol_7SEG //вывести значение на 7-ми сегментный индикатор

rcall delay_20ms //установить задержку

ldi r16,0b00000100 //зажечь 5-ый разряд индикатора

out PORTD,r16

mov r16,r23 //занести в буфер значение десятков тысяч

rcall write_symbol_7SEG //вывести значение на 7-ми сегментный индикатор

rcall delay_20ms //установить задержку

ldi r16,0b00000010 //зажечь 6-ой разряд индикатора

out PORTD,r16

mov r16,r24 //занести в буфер значение сотен тысяч

rcall write_symbol_7SEG //вывести значение на 7-ми сегментный индикатор

rcall delay_20ms //установить задержку

ldi r16,0b00000001 //зажечь 7-ой разряд индикатора

out PORTD,r16

mov r16,r25 //занести в буфер значение миллионов

rcall write_symbol_7SEG //вывести значение на 7-ми сегментный индикатор

rcall delay_20ms //установить задержку

sbis PINC,0 //проверить нажата ли кнопка1, если вывод 0 порта С = 0 -- нажата

rcall KNOPKA_1

sbis PINC,1 //проверить нажата ли кнопка2, если вывод 1 порта С = 0 -- нажата

rcall KNOPKA_2

rjmp cycle //зациклить программу

KNOPKA_1:

sbis PINC,0 //задержка выполнения подпрограммы до отжатия кнопки 1

rjmp KNOPKA_1 //зациклить

ldi r17,1 //установить точность работы частотомера 1 Гц

mov r10,r17

sbi PORTC,2 //зажечь светодиод 1

cbi PORTC,3 //погасить светодиод 2

ldi r19,0 //сбросить разряд едениц

ldi r20,0 //сбросить разряд десятков

ldi r21,0 //сбросить разряд сотен

ldi r22,0 //сбросить разряд тысяч

ldi r23,0 //сбросить разряд десятков тысяч

ldi r24,0 //сбросить разряд сотен тысяч

ldi r25,0 //сбросить разряд миллионов

ldi r26,0 //сбросить разряд

ret

KNOPKA_2:

sbis PINC,1 //задержка выполнения подпрограммы до отжатия кнопки 2

rjmp KNOPKA_2 //зациклить

ldi r17,2 //установить точность работы частотомера 0,1 Гц

mov r10,r17

sbi PORTC,3 //зажечь светодиод 2

cbi PORTC,2 //погасить светодиод 1

ldi r19,0 //сбросить разряд десятых долей

ldi r20,0 //сбросить разряд едениц

ldi r21,0 //сбросить разряд десятков

ldi r22,0 //сбросить разряд сотен

ldi r23,0 //сбросить разряд тысяч

ldi r24,0 //сбросить разряд десятков тысяч

ldi r25,0 //сбросить разряд сотен тысяч

ldi r26,0 //сбросить разряд миллионов

ret

TIM1_COMPA:

inc r0 //инкрементировать счетчик едениц

mov r17,r0

subi r17,10 //проверка переполнения разряда

brcc dec_inc //переход по переносу, C = 1

rjmp end_TIM1_COMPA //перейти на конец потпрограммы

dec_inc:

inc r1 //инкрементировать счетчик десятков

ldi r17,0

mov r0,r17 //сбросить разряд едениц

mov r17,r1

subi r17,10 //проверка переполнения разряда

brcc sot_inc //переход по переносу, C = 1

rjmp end_TIM1_COMPA //перейти на конец потпрограммы

sot_inc:

inc r2 //инкрементировать счетчик сотен

ldi r17,0

mov r1,r17 //сбросить разряд десяткав

mov r17,r2

subi r17,10 //проверка переполнения разряда

brcc tis_inc //переход по переносу, C = 1

rjmp end_TIM1_COMPA //перейти на конец потпрограммы

tis_inc:

inc r3 //инкрементировать счетчик тысяч

ldi r17,0

mov r2,r17 //сбросить разряд сотен

mov r17,r3

subi r17,10 //проверка переполнения разряда

brcc edn_tis_inc //переход по переносу, C = 1

rjmp end_TIM1_COMPA //перейти на конец потпрограммы

edn_tis_inc:

inc r4 //инкрементировать счетчик десятков тысяч

ldi r17,0

mov r3,r17 //сбросить разряд тысяч

mov r17,r4

subi r17,10 //проверка переполнения разряда

brcc dec_tis_inc //переход по переносу, C = 1

rjmp end_TIM1_COMPA //перейти на конец потпрограммы

dec_tis_inc:

inc r5 //инкрементировать счетчик сотен тысяч

ldi r17,0

mov r4,r17 //сбросить разряд десятков тысяч

mov r17,r5

subi r17,10 //проверка переполнения разряда

brcc sot_tis_inc //переход по переносу, C = 1

ldi r17,0

mov r6,r17 //сбрость разряд миллионов

rjmp end_TIM1_COMPA //перейти на конец потпрограммы

sot_tis_inc:

ldi r17,1 //установить в еденицу расряд миллионов

mov r6,r17

ldi r17,0

mov r5,r17 //сбросить разряд сотен тысяч

end_TIM1_COMPA:

ldi r17,0 //очистить старший байт счетчика таймера 1

out TCNT1H,r17

ldi r17,0 //очистить младший байт счетчика таймера 1

out TCNT1L,r17

reti

//--------

//подпрограмма обработки прерывания таймера2

TIM2_OVF:

sbrc r10,0 //если выбрана точность 1 Гц выполнить след операцию

rjmp accuracy_1Hz //перейти на код счета времени 1 с

sbrc r10,1 //если выбрана точность 0,1 Гц выполнить след операцию

rjmp accuracy_01Hz //перейти на код счета времени 10 с

accuracy_01Hz:

inc r7 //инкрементировать счетчик периодов

mov r17,r7

subi r17,160 //проверка окончания 10 с (160 периодов)

brcc save_fr01 //переход по переносу, C = 1

ldi r17,0

out TCNT2,r17 //очистить счетчика таймера 2

reti //выйти из прерывания

save_fr01:

in r19,TCNT1L //копировать значение счетчика1 в разряд дес долей

mov r20,r0 //копировать значение счетчика едениц в разряд едениц

mov r21,r1 //копировать значение счетчика десятков в разряд десятков

mov r22,r2 //копировать значение счетчика сотен в разряд сотен

mov r23,r3 //копировать значение счетчика тысяч в разряд тысяч

mov r24,r4 //копировать значение счетчика дес тыс в дес тыс

mov r25,r5 //копировать значение счетчика сотен тыс в разряд сотен тыс

mov r26,r6 //копировать значение счетчика миллионов в разряд миллионов

ldi r17,0

mov r0,r17 //начальная установка счетного регистра едениц

mov r1,r17 //начальная установка счетного регистра десятков

mov r2,r17 //начальная установка счетного регистра сотен

mov r3,r17 //начальная установка счетного регистра тысяч

mov r4,r17 //начальная установка счетного регистра десятков тысяч

mov r5,r17 //начальная установка счетного регистра сотен тысяч

mov r6,r17 //начальная установка счетного регистра милионов

mov r7,r17 //начальная установка счетного регистра счетчика переодов времени

ldi r17,244 //значения заносимые байт времени срабатывания прерывания таймера Т2

out OCR2,r17 //установить байт времени срабатывания прерывания таймера Т2

ldi r17,0 //очистить счетчика таймера 1

out TCNT1H,r17

ldi r17,0 //очистить счетчика таймера 1

out TCNT1L,r17

ldi r17,23 //занести значение в счетчик таймера2

out TCNT2,r17

reti //выйти из прерывания

accuracy_1Hz:

inc r7 //инкрементировать счетчик периодов

mov r17,r7 //проверка окончания 1 с (16 периодов)

subi r17,16

brcc save_fr1 //переход по переносу, C = 1

ldi r17,0

out TCNT2,r17 //очистить счетчика таймера 2

reti //выйти из прерывания

save_fr1:

in r19,TCNT1L //копировать значение счетчика едениц в разряд едениц

mov r20,r0 //начальная установка счетного регистра десятков

mov r21,r1 //копировать значение счетчика сотен в разряд сотен

mov r22,r2 //копировать значение счетчика тысяч в разряд тысяч

mov r23,r3 //копировать значение счетчика дес тыс в дес тыс

mov r24,r4 //копировать значение счетчика сотен тыс в разряд сотен тыс

mov r25,r5 //копировать значение счетчика миллионов в разряд миллионов

mov r26,r6

ldi r17,0

mov r0,r17 //начальная установка счетного регистра едениц

mov r1,r17 //начальная установка счетного регистра десятков

mov r2,r17 //начальная установка счетного регистра сотен

mov r3,r17 //начальная установка счетного регистра тысяч

mov r4,r17 //начальная установка счетного регистра десятков тысяч

mov r5,r17 //начальная установка счетного регистра сотен тысяч

mov r6,r17 //начальная установка счетного регистра милионов

mov r7,r17 //начальная установка счетного регистра счетчика переодов времени

ldi r17,244 //значения заносимые байт времени срабатывания прерывания таймера Т2

out OCR2,r17 //установить байт времени срабатывания прерывания таймера Т2

ldi r17,0 //очистить счетчика таймера 1

out TCNT1H,r17

ldi r17,0 //очистить счетчика таймера 1

out TCNT1L,r17

ldi r17,13 //занести значение в счетчик таймера2

out TCNT2,r17

reti

//-------------------

/////////// подпрограмма задержки на 10 циклов //////////////////////////////////////////////

delay_10:

ldi r21,10 //установить время задержки

ldi r20,0 //сбросить счетчик задержки

inc_10:

inc r20 //инкрементировать счетчик задержки

cpse r20,r21 //сравнить время и счетчик задержки

rjmp inc_10 //вернуться инкрементированию счетчика(r20<r21)

ret

////// Процедура задержки ////////

delay_100ms:

; =============================

; delay loop generator

; 1600000 cycles:

; -----------------------------

; delaying 1599999 cycles:

ldi R22, $f1

WGLOOP0_100: ldi R23, $1E

WGLOOP1_100: ldi R24, $0D

WGLOOP2_100: dec R24

brne WGLOOP2_100

dec R23

brne WGLOOP1_100

dec R22

brne WGLOOP0_100

; -----------------------------

; delaying 1 cycle:

nop

; =============================

ret

////// Процедура задержки ////////

delay_20ms:

; =============================

; delay loop generator

; 1600000 cycles:

; -----------------------------

; delaying 1599999 cycles:

ldi R27, $11

WGLOOP0_20: ldi R28, $11

WGLOOP1_20: ldi R29, $0D

WGLOOP2_20: dec R29

brne WGLOOP2_20

dec R28

brne WGLOOP1_20

dec R27

brne WGLOOP0_20

; -----------------------------

; delaying 1 cycle:

nop

; =============================

ret

/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

/////////// подпрограмма перевода шеснадцатиричного числа в двоично-десятичное //////////////

hex_to_binary_decimal:

ldi r19,0

mov r20,r18

div_10:

subi r20,10

brcs div_10_end //переход по переносу, C = 1

inc r19

rjmp div_10

div_10_end:

subi r20,246

mov r18,r20

ret

write_symbol_7SEG:

// ldi r17,0x00

ldi zl,0x00 //установить младший разряд для чтения таблицы

ldi zh,0x04 //установить старший разряд для чтения таблицы

clc //сброс флага переноса заема C = 0

adc zl,r16 //прибавить адрес текущего символа к начальному адресу таблицы

lpm r16,z //копировать код символа в буфер

out PORTB,r16 //вывести код символа в порт

ret

org 512

db 0b11000000/*0*/,0b11111001/*1*/,0b10100100/*2*/,0b10110000/*3*/,0b10011001/*4*/,0b10010010/*5*/,

0b10000010/*6*/,0b11111000/*7*/,0b10000000/*8*/,0b10010000/*9*/

6. Моделирование устройства

Моделирование устройства произведено в программе Proteus 7.7 (рисунок 8). Для упрощения моделирования из схемы исключены транзисторы. Входной сигнал поступает с генератора, с помощью осциллографа можно проконтролировать его форму.

Подобного рода моделирование является тяжелой задачей для ПК и при достаточно сложных начальных условиях сильно загружается процессор и замедляется процесс моделирования, что приводит к потере наглядности работы. Так при моделировании частотомера при частоте, подаваемой с генератора, более 20 кГц увеличивается загруженность процессора до 95%, поэтому иллюстрация работы будет производиться в пределах от 0.1 Гц до 20 кГц.

Рисунок 8. Частотомер схема моделирования

Заключение

В результате выполнения курсового проекта был спроектирован частотомер: разработаны структурная и принципиальная схемы, написана программа для микроконтроллера, произведено моделирование работы устройства. Разработанное устройство позволяет измерять частоту в пределах от 1 Гц до 1МГц, с точностью 1 Гц, либо 0,1 Гц, выбор точности производится пользователем. Текущая частота отображается на восьми разрядном семи сегментном светодиодном индикаторе, способ индикации динамический.

В процессе выполнения курсового проекта был получен практический опыт в написании программы на языке ассемблер для микропроцессора AVR.

Список использованных источников

1.Измерение частоты [Электронный ресурс]. - Электронные данные. - Режим доступа : http://zpostbox.ru/metody_i_sredstva_izmereniya_chastoty.html

2.Частотомер - цифровая шкала [Электронный ресурс]. - Электронные данные. - Режим доступа : http://radio-hobby.org/modules/news/article.php?storyid=1049

3.Частотомер на микроконтроллере [Электронный ресурс]. - Электронные данные. - Режим доступа: http://irls.narod.ru/izm/frm/fmt14.htm

4.Частотомер [Электронный ресурс]. - Электронные данные. - Режим доступа: http://electronic.vladbazar.com/raznie-shemi/135

5.Частотомер - цифровая шкала на PIC контроллере [Электронный ресурс]. - Электронные данные. - Режим доступа: http://www.qrz.ru/schemes/contribute/constr/ra4nal/ch6.shtml

6.Методы измерения частоты [Электронный ресурс]. - Электронные данные. - Режим доступа: http://www.opticstoday.com/katalog-statej/stati-na-russkom/metrologiya/metody-izmereniya-chastoty.html

7.ATmega8 [Электронный ресурс]. - Электронные данные. - Режим доступа: http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/ic/Atmel/micros/avr/atmega8.htm

8.L7805CV -- Линейный стабилизатор [Электронный ресурс]. - Электронные данные. - Режим доступа: http://www.efind.ru/forum/showthread.php?t=34688

9.Евстафеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы ATMEL; Додэка - XXI, М. 2008.

Размещено на Allbest.ru

...