Измеритель частоты синусоидального сигнала

     Необходимая при этом частота дискретизации

     F_сч=1/(δ_fΔt₁), (5)

     где δ_f – заданная погрешность дискретности измерения.

     К примеру, при частоте следования счетных импульсов 10 МГц и длительности временных ворот 1 с (как это имеет  место в некоторых частотомерах) максимальное значение погрешности  дискретности равно ±10^-

     Таким образом, примененный в данном проекте  метод измерения позволяет проводить  измерения частоты от 1 Гц до 1МГц  без изменения пределов и метода измерения. Исключаются дополнительные операции контроля значения измеряемой частоты. 

     3.Описание  и расчёт основных  элементов схемы  электрической принципиальной  цифрового частотомера 

     Главной частью прибора является микроконтроллер, без которого крайне сложно осуществить  вычисления, диктуемые алгоритмом вычисления, и управление блоками прибора, а  также режимами его работы.

     Правильным  выбором микроконтроллера во многом определяется функциональные возможности  устройства, его цена, удобство и  стоимость настройки и программирования.

     В данной разработке предложен для  использования микроконтроллер  зарубежной фирмы “Atmel Corporation” – АТ89С2051. Он обладает рядом важных достоинств, что и обусловило его выбор.

     Во-первых, – это его функциональные возможности. В его состав входит два 16-разрядных таймера-счетчика, что позволяет отказаться от использования отдельных многоразрядных счетчиков. Присутствует и канал последовательного ввода-вывода данных (UART), который позволяет организовать интерфейс с индикатором. У него отсутствуют два порта Р0 и Р2, что позволяет уменьшить функциональную избыточность микроконтроллера.

     Во-вторых, изделия этой фирмы широко распространены как на российском, так и на мировом  рынке микроконтроллеров, что уменьшает  стоимость маркетинговых операций.

     В-третьих  – это его низкая стоимость (на сегодняшний день порядка 2 долларов), что также позволяет уменьшить  общую стоимость изделия.

     Все указанное выше позволяет утверждать о целесообразности его применения в данной разработке.

     АТ89С2051 – низковольтная, быстродействующая  КМОП (CMOS) 8-разрядная микроЭВМ. Этот контроллер, полностью программно совместимый с семейством MCS-51. Он выпускается в 20-выводном корпусе, что стало возможным вследствие отказа от использования линий портов Р0 и Р2, а также Р3.6. Буква Р во второй части наименования контроллера обозначает 20-выводный корпус PDIP.

     Контроллер  АТ89С2051 содержит электрически перепрограммируемое  ПЗУ объемом 2 Кбайт, внутреннее ОЗУ  объемом 128 байт, 15 линий ввода-вывода, два таймера-счетчика (16 бит), шесть векторов прерываний и аналоговый компаратор. Таймеры-счетчики полностью идентичны соответствующим узлам MCS51, АТ89С2051 имеет также стандартный для MCS51 последовательный порт. Поддерживаются режимы Idle и Power Down. Выводы портов – сильноточные, допускающие прохождение через них тока до 20 мА (суммарный ток через все линии порта – не более 80 мА).

     Напряжение  питания – от 4 до 6 В.

     Выводы  Р1.2 – Р1.7 и порта Р3 имеют внутренние нагрузочные резисторы. Р1.0 и Р1.1 не имеют их и используются соответственно как неинвертирующий (AIN0) и инвертирующий (AIN1) входы встроенного прецизионного компаратора. Его выход соединен линией Р3.6, не выведенной из микросхемы контроллера. Линии порта Р3.0 – Р3.5 выполняют альтернативные функции: Р3.0 – RxD, P3.1 – TxD, P3.2 – INT0, P3.3 – INT1, P3.4 – T0, P3.5 – T1.

     Из  стандартного для контроллеров семейства  MCS51 набора регистров SFR в АТ89С2051 присутствует аккумулятор, регистры B, PSW, IP, IE, TCON, TMOD, TL0, TH0, SP, PCON, DPTR, P1, P3, SCON, SBUF, TL1 и ТН1.

     В принципиальной схеме частотомера  можно выделить основные узлы, которые  несут определенную функциональную нагрузку. Это входной блок, включающий в себя разделительные конденсаторы С5-С6, токоограничивающий резистор R1, резисторы R2-R5, конденсатор С9 и операционный усилитель DA3. Отдельно можно выделить входную логику прибора, составленную на интегральных микросхемах DD1-DD2. Функции устройства контроля и управления берет на себя микроконтроллер DD3. Источником эталонных счетных импульсов является кварцевый генератор на микросхеме DA2. Регистр сдвига DD4 служит для хранения полученного результата и связи микроконтроллера с устройством отображения информации на четырех семисегментных индикаторах HG1-HG4.

     Подробнее о работе схемы.

     На  вход прибора подается изменяющееся напряжение, значение которого может  быть 0,5-10 вольт, а диапазон частот от 1Гц до 1МГц. Оно поступает на разделительные конденсаторы С5 – С6, которые отсекают постоянную составляющую измеряемого сигнала. При этом переменная составляющая остается без изменения. Этот сигнал полается на вход аналогового компаратора, выполненного на операционном усилителе DA3. ОУ включен без цепей обратной связи, что обеспечивает его работу в качестве компаратора. Если уровень сигнала, поступающего на его неинвертирующий вход, превышает величину напряжения, присутствующего на его инвертирующем входе, то напряжение на выходе ОУ скачком увеличится до максимально возможного. Это напряжение ненамного меньше величины его источника питания положительной полярности. И, наоборот, при условии если уровень сигнала, поступающего на его неинвертирующий вход, меньше величины напряжения, присутствующего на его инвертирующем входе, то напряжение на выходе ОУ скачком уменьшится до минимального. Минимальное значение напряжения на выходе определяется величиной его источника питания отрицательной полярности.

     В данном проекте используется прецизионный быстродействующий операционный усилитель  AD8055 – SOT-23-5 фирмы Analog Devices [10]. Это недорогая микросхема, которая может работать как с двуполярным, так и с однополярным питанием.

     Питание ОУ осуществляется однополярным источником +5 вольт. Исследуемый сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ. Для  того, чтобы он мог сравнивать как  отрицательную, так и положительную  полуволны входного сигнала, необходимо установить на обоих входах микросхемы постоянный потенциал, равный половине напряжения питания. Для этого служит делитель напряжения на резисторах R2 и R5. Это же напряжение подается на анод и катод соответствующего ограничительного диода. Входные токи операционного усилителя протекают через резисторы R3 и R4. Падение напряжения на этих диодах в результате протекания входных токов должно быть меньше напряжения ошибки. Конденсатор С9 уменьшает высокочастотные наводки.

     Максимальное  входное напряжение ОУ не должно превышать  напряжение питания +5 вольт, а минимальное  – быть меньше потенциала земли. Для  ограничения подаваемого входного сигнала служат диоды VD1-VD2. Если прикладываемое к диоду напряжение превысит порогового уровня, он открывается и поддерживает это напряжение на постоянном уровне. В качестве диодов выбран импульсный диод КД521Г.

     Таким образом, прошедшая переменная составляющая входного сигнала ограничена напряжением  пробоя (открывания) ограничительных  диодов, т. е. не превышает по абсолютной величине 1 вольта. Для ограничения  прямого тока через диоды в  пределах допустимого служит токоограничивающий резистор R1. С выхода ОУ получаем импульсную последовательность измеряемой частоты и ТТЛ-уровнями.

     Эта последовательность поступает затем  на вход временного селектора, выполненного на элементе «И-НЕ» микросхемы логики DD1.

     При включении микроконтроллера, он инициализирует свои счетчики Т0 и Т1 (соответственно выводы портов Р3.4 и Р3.5) в режиме подсчета внешних импульсов. При  перепаде уровня входного сигнала из «1» в «0» содержимое счетчика увеличивается на единицу. Максимальная частота подсчитываемых импульсов  равна 1/24 частоты тактовых импульсов  контроллера, т. е. 1 МГц. С началом  процесса измерения, на выводе линии  порта Р3.7 программно формируется  высокий логический уровень длительностью 1 с, открываются первые временные  ворота. Импульсы с выхода ОУ начинают проходить через селектор 1 (DD2.2) на вход счетчика Т0, и в 16-ти разрядном буфере счетчика TH0+TL0 фиксируется их число.

     На  элементах DD1.1-DD2.1 выполнена схема формирования вторых временных ворот. Элементы DD1.4 и DD2.1 включены по стандартной схеме RS-триггера с инверсными входами. Импульс длительностью 1 с поступает с контроллера на элемент DD1.2. Первый же импульс измеряемой частоты с операционного усилителя, подаваемый на второй вход DD1.2 изменяет состояние логического элемента, что в свою очередь приводит к смене уровня сигнала на выходе RS-триггера из «0» в «1». Открываются вторые временные ворота. Через селектор 2, выполненный на элементе DD2.3, импульсы эталонной частоты начинают поступать с выхода кварцевого генератора на вход счетчика Т1 микроконтроллера. Количество этих импульсов начинает подсчитываться.

     Кварцевый генератор счетных импульсов  выполнен на основе интегральной микросхемы генератора импульсов КР531ГГ1. Частота  работы микросхем этой серии –  не более 50 МГц, напряжение питания +5 вольт, потребляемая мощность – не более 19 мВт. Вместо конденсатора, к входам генератора подключен кварцевый  резонатор на 10 кГц, что обеспечивает высокую стабильность временных  параметров счетных импульсов.

     При смене состояния линии Р3.7 в  логический ноль, т. е. по окончании  первых временных ворот, импульсы перестают  проходить через временной селектор 1, их подсчет прекращается. В микроконтроллере фиксируется количество прошедших импульсов измеряемой частоты – n.

     С приходом самого первого импульса после  окончания первых временных ворот  на вход DD1.3, триггер изменяет свое состояние. Заканчивается формирование вторых временных ворот, и счетчик Т1 микроконтроллера фиксирует число прошедших через временной селектор 2 (DD2.3) импульсов N. Основной измерительный процесс заканчивается и остается только произвести соответствующие вычисления и получить результат в виде конкретного значения частоты. Теперь весь ход работ перекидывается на микроконтроллер.

     В результате предыдущего измерительного цикла работы прибора, в памяти контроллера  находятся значения прошедших импульсов  n и N. Микроконтроллер производит ряд операций над двоичными числами n и N. В результате по формуле (1) вычисляет значение измеренной частоты в двоичном виде. Теперь это значение частоты необходимо перевести в привычный для человека вид и вывести на устройство отображения.

     Согласно  программе, производятся дальнейшие операции. Полученный результат переводится  из двоичного кода в двоично-десятичный код. Определяется предел частоты – герцы или килогерцы и выделяется значащая часть, т. е. четыре старшие цифры. Затем происходит определение места запятой в выводимом результате с учетом предела измерения. Производится преобразование полученного результата в код семисегментного индикатора. После всех операций получается результат в семисегментном коде, который занимает 4 байта (7 байт – цифра и восьмой – запятая) и два дополнительных бита – вывод предела измерения (Гц или кГц).

     Для связи микроконтроллера с устройством  отображения служит сдвиговый регистр  М5450В7 (DD4). Его информационная емкость – 34 двоичных разряда. Ввод данных производится через последовательный интерфейс побитово, причем посылка каждого бита должна сопровождаться импульсом синхронизации, который подается на вход CLK. Частота синхронизирующих импульсов не должна превышать 50 МГц. При подаче каждого бита, предыдущие биты сдвигаются в старшие Номинал резистора R7, который включен между входами +5V и Bright, определяет значение тока, протекающего через выходные контакты. Ток через этот резистор в 50 раз меньше тока выходных ключей сдвигового регистра М5450В7. В микросхеме присутствует инверсный вход разрешения выхода ОЕ, при подаче на него логического нуля введенная информация появляется на выходе регистра.

     Передача  данных от микроконтроллера к сдвигающему  регистру происходит при помощи последовательного  интерфейса, который реализован в  АТ89с2051 универсальным асинхронным  приемопередатчиком. В состав приемопередатчика, называемого часто последовательным портом, входят принимающий и передающий сдвигающий регистры, а также специальный  буферный регистр приемопередатчика. Запись байта в буфер приводит к автоматической перезаписи байта  в сдвигающий регистр передатчика  и инициирует начало передачи байта. Наличие буферного регистра приемника  позволяет совмещать операцию чтения принятого ранее байта с приемом  очередного. В данной схеме приемопередатчик работает в одном из 4-х возможных режимах. В этом режиме информация передается и принимается через вход приемника (RxD). Принимаются или передаются 8 бит данных (младшим битом вперед). Через выход приемника (TxD) выдаются импульсы сдвига, которые сопровождают каждый бит. Частота передачи бита равна 1/12 частоты кварцевого резонатора, т. е. 2 мегабита в секунду.

     Таким образом, полученный результат (34 бит) загружается последовательно по 1 байту в буфер приемопередатчика  и передается в сдвиговый регистр. После передачи всей информации на выходе порта Р1.0 микроконтроллера появляется уровень логического  нуля и таким образом разрешается  индикация результата.

     Индикация осуществляется семисегментными индикаторами АЛ316а. Это индикаторы с общим  катодом, обдающие достаточно высоким  уровнем светоотдачи сегментов, имеющие большие цифры, а также  небольшой потребляемый ток.

     Высокая точность частотомера обеспечивается стабильностью передаточных характеристик  всех звеньев аппаратуры, которые  в первую очередь зависят от стабильности питающего напряжения. Для фиксации напряжения питания данного аппаратурного  блока применяется интегральный стабилизатор напряжения. В настоящее  время для построения радиоэлектронной аппаратуры находят применение универсальные  стабилизаторы и стабилизаторы  с фиксированным выходным напряжением. Стабилизаторы с фиксированным  выходным напряжением (их иногда называют трехвыводными) имеют внутреннюю схему  делителя и настраиваются на стандартный  ряд питающих напряжений в процессе изготовления микросхемы. В серию  К142 входят стабилизаторы с фиксированным  рядом выходных напряжений, например К142ЕН5 – на 5 вольт. Входное напряжение подается на вывод 1, а выходное снимается  с вывода 3. В схеме имеется  защита от перегрузки по выходу. Получена принципиальная схема всего проектируемого устройства и описан принцип ее работы. Теперь необходимо произвести общий  расчет всех дискретных элементов присутствующих в схеме, а также произвести выбор  их типономиналов.