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 -
Первой конструкцией на цифровых ИС,
которую изготовляли радиолюбители в 80-90 годах, как правило, были
электронные часы или частотомер.
Такой частотомер и сегодня можно
применять при градировке приборов, или использовать в качестве
отсчетного устройства в генераторах и любительских передатчиках, при
налаживании различных радиоэлектронных устройств. Прибор может
заинтересовать тех, у кого без дела лежат микросхемы серии К155, либо
начинающих знакомиться с устройствами автоматики и вычислительной
техники.
Описываемый прибор позволяет измерять частоту электрических колебаний, период и длительность импульсов, а также может работать как счетчик импульсов. Рабочая частота от единиц Герц до нескольких десятков МГц при входном напряжении до 50 мВ. Предельная частота работы счетчиков на интегральных микросхемах К155ИЕ2 - около 15 МГц. Однако следует иметь в виду, что фактическое быстродействие триггеров и счетчиков превышает указанное значение 1,5... 2 раза, поэтому отдельные экземпляры TTL микросхем допускают работу на более высоких частотах.
Минимальная
цена
младшего разряда составляет 0,1 Гц при измерении частоты и 0,1 мкс при
измерении периода и длительности.
Принцип действия частотомера основан
на
измерении числа импульсов, поступающих на вход счетчика в течение
строго
определенного времени.
Принципиальная
схема показана на рис.1
Исследуемый
сигнал
через разъем X1 и конденсатор С1 поступает на вход формирователя
прямоугольных
импульсов.
Широкополосный усилитель-ограничитель собран на транзисторах V1, V2 и V3. Полевой транзистор V1 обеспечивает прибору высокое входное сопротивление. Диоды V1 и V2 предохраняют транзистор V1 от повреждения при случайном попадании на вход прибора высокого напряжения. Цепочкой C2-R2 осуществляют частотную коррекцию входа усилителя.
Транзистор
V4,
включенный как эмитерный повторитель, согласует выход
усилителя-ограничителя с
входом логического элемента D6,1 микросхемы D6, обеспечивающей
дальнейшее
формирование прямоугольных импульсов, которые через электронный ключ
поступают
на устройство управления на микросхеме D9, сюда же поступают и импульсы
образцовой частоты, открывающие ключ на определенное время. На выходе
этого ключа
появляется пачка импульсов. Число импульсов в пачке подсчитывает
двоично-десятичный счетчик, его состояние после закрывания ключа
отображает
блок цифровой индикации.
В режиме счета импульсов управляющее устройство блокирует источник образцовой частоты, двоично-десятичный счетчик ведет непрерывный счет поступающих на его вход импульсов, а блок цифровой индикации отображает результаты счета. Показания счетчика сбрасываются нажатием кнопки «Сброс».
Задающий тактовый генератор собран на микросхеме D1 (ЛА3) и кварцевом резонаторе Z1 на частоту 1024 кГц. Делитель частоты собран на микросхемах К155ИЕ8; К155ИЕ5 и четырех К155ИЕ1. В режиме измерения точность установки «МГц», «кГц» и «Гц» задается кнопочными переключателямиSA4 и SA5.
Блок питания частотомера (рис.3) состоит из трансформатора Т1, с обмотки II которого после выпрямителя VDS1, стабилизатора напряжения на микросхеме DА1 и фильтра на конденсаторах С4 – С11, напряжение +5V подается для питания микросхем.
Напряжение 170V с обмотки III трансформатора Тр1 через диод VD5 используется для питания газоразрядных цифровых индикаторов Н1..H6.
В формирователе импульсов полевой транзистор КП303Д (V3) можно заменить на КП303 или КП307 с любым буквенным индексом, транзистор КТ347 (V5) -на КТ326, а КТ368 (V6, V7) - на КТ306.
Дроссель L1 типа Д-0,1 или самодельный - 45 витков провода ПЭВ-2 0,17, намотанных на каркасе диаметром 8 мм. Все переключатели типа П2К.
Налаживание
прибора сводится к проверке правильности монтажа и измерении питающих
напряжений. Правильно собранный частотомер уверенно выполняет свои
функции,
«капризным» узлом является лишь входной формирователь, настройке
которого надо
уделить максимум старания. Заменив R3 и R4 переменными резисторами 2,2
кОм и
100 Ом, надо на резисторе R5 установить напряжение примерно 0,1...0,2V.
Подав
от генератора сигналов на вход формирователя синусоидальное напряжение
амплитудой около 0,5V, и заменив резистор R6 переменным резистором с
номиналом
2,2 кОм, надо его подстроить так, чтобы на выходе элемента D6.1
появились
прямоугольные импульсы. Постепенно понижая входной уровень и повышая
частоту,
надо подбором элементов R6 и СЗ добиться устойчивой работы
формирователя во
всем рабочем диапазоне. Возможно, при этом придется подобрать
сопротивление
резистора R9. В процессе налаживания все переменные резисторы должны
иметь
выводы длиной не более 1...2 см.
Когда
налаживание
будет завершено, следует их выпаивать по одному и заменять постоянными
резисторами подходящего номинала, каждый раз проверяя работу
формирователя. 
В
конструкции
вместо индикаторов ИН-17 можно применить газоразрядные индикаторы
ИН-8-2, ИН-12
и т. п.
В формирователе импульсов транзисторы КТ368 можно заменить на КТ316 или ГТ311, вместо КТ347 можно использовать КТ363, ГТ313 или ГТ328. Диоды V1, V2 и V4 можно заменить на КД521, КД522.
Схема и плата в формате sPlan7 и Sprint Layout - schema.zip
*
* Данная схема была собрана мной в далеком 1988 году в одном корпусе со звуковым генератором и использовалась как цифровая шкала.
Как самостоятельный прибор оформлен недавно, поэтому возможно, где-то в схему и рисунок печатной платы могла закрасться ошибка..
Список Литературы:
В помощь радиолюбителю №084, 1983 г.
Цифровые Устройства на Интегральных Микросхемах - © Издательство «Радио и связь», 1984.
Журнал «Радио»: 1977, № 5, № 9, № 10; 1978, № 5; 1980, № 1; 1981, № 10; 1982, № 1, № 11; № 12.
Радиолюбительские цифровые устройства. - М.: Радио и связь, 1982.
Схема простого стрелочного частотомера показана на рисунке. Основу частотомера составляет триггер Шмитта и формирователь импульсов. Триггер Шмитта, будучи потенциальным реле, преобразует сигналы синусоидальной или другой формы в прямоугольные импульсы. Эти импульсы нельзя использовать для измерения, так как их длительность зависит от амплитуды входного сигнала. Их применяют для запуска формирователя импульсов на элементах DD1.3, DD1.4, которые в совокупности с R3 и одним из конденсаторов С2-С4 образуют линию задержки с фиксированной длительностью и амплитудой. Выходные импульсы подаются на прибор, отклонение стрелки которого из-за инертности подвижной системы пропорционально среднему току, протекающему через его рамку.
Схема стрелочного частотомера 20Гц-20кГц
VD1 VD2 ограничивают выходное напряжение. длительность выходного импульса формирователя определяется постоянной времени цепочки R3,C2-C4 и должна быть примерно в 5-10 раз меньше периода наивысшей измеряемой частоты. При указанных номиналах в схеме, наивысшая измеряемая частота равна 20 кГц. Подстроечные резисторы R5-R7 используются при калибровке частотомера на полное отклонение стрелки индикатора. Калибровку частотомера можно осуществлять по образцовому генератору или частотомеру. Шкала частотомера во всем диапазоне практически вся равномерная, поэтому надо только определить начальную и конечную границы шкалы.
Источник - Партин А.И. Популярно о цифровых микросхемах (1989)
- Похожие статьи
Войти с помощью:
Случайные статьи
- 22.09.2014
Принципиальная схема ус-ва показана на рис.1, ус-во предназначено для управления коллекторным электродвигателем — дрель, вентилятор и так далее. На однопереходном транзисторе VT1 собран генератор коротких положительным импульсов для управления вспомогательным тринистором VS1. Питается генератор трапецеидальным напряжением, получаемым благодаря ограничению стабилитроном VD1 положительной полуволн синусоидального напряжения(100Гц). С появлением каждой полуволны такого …
- 02.10.2014
Этот источник питания предназначен для питания различных уст-в от напряжения 25-30В при токе 70мА от бортовой сети автомобиля. Мультивибратор на транзисторах с мощным выходом вырабатывает импульсы с частотой около 10кГц. Далее импульсы проходя через С3 С4 далее выпрямляются, при этом происходит обрезка импульсов с помощью VD1 VD2 для стабилизации выходного …