ЧАСТОТОМЕР - ЦИФРОВАЯ ШКАЛА НА Р1С16СЕ625
Николай ХЛЮПИН (RA4NAL)
Предлагаемое устройство продолжает ряд любительских разработок на микропроцессорах и может быть использовано как частотомер домашней лаборатории или цифровая шкала связной и радиоприемной аппаратуры всех типов. Несмотря на простую схему, прибор отличается от ранее опубликованных конструкций возможностью измерения частот вплоть до СВЧ диапазона, высокой разрешающей способностью, а также возможностью введения в память контроллера значений нескольких промежуточных частот.
Прибор позволяет измерять частоту сигнала в интервале 0,1 Гц до 40 МГц. Уровень входного сигнала может находиться в пределах 100...200 мВ. Разрешающая способность прибора - 100, 1, 0,1 Гц при времени измерения 0,1, 1, 10с соответственно. Количество разрядов индикатора - 8. Напряжение питания устройства - 7,5...14 В, а потребляемый ток зависит от числа работающих сегментов, но не превышает 130 мА. Используя внешний СВЧ делитель с коэффициентом деления в пределах от 1 до 255, можно измерять частоты более 40 МГц.
Принцип действия частотомера - классический: измерение числа импульсов входного сигнала за определенный интервал времени. Предел 10 с предназначен для проведения точных измерений низких частот. В режиме цифровой шкалы время измерения прибора 0,1 или 1 с.
В энергонезависимую память цифровой шкалы можно записать до 15 значений промежуточных частот в диапазоне от 0 до 99 999 999 Гц. При этом показания индикатора будут определяться формулой
Fвх/Kд+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.
Значения промежуточных частот, коэффициент деления используемого внешнего делителя, а также калибровочные константы могут быть установлены и изменены пользователем без применения каких-либо дополнительных устройств. Все эти данные хранятся в энергонезависимой памяти PIC контроллера.
Также предусмотрена возможность программной калибровки частоты, что позволяет использовать в приборе опорный кварцевый резонатор в диапазоне частот 3,9...4,1 МГц.
Принципиальная схема прибора показана на рис.1. Сигнал измеряемой частоты подается на входной формирователь, выполненный на транзисторе VT1 и элементе микросхемы DD1. Диоды VD1 и VD2 ограничивают амплитуду входного сигнала на уровне 0,7 В. Для синусоидального входного сигнала нижняя граница измеряемых частот оп
Puc.1
ределяется емкостью конденсаторов С4 и С5 и при указанных на схеме номиналах она равна 10 Гц. С выхода микросхемы DD1 сформированные импульсы поступают на PIC контроллер DD2. Достаточно высокая нагрузочная способность ее выходов позволила подключить к ней катоды индикатора HG1 непосредственно. Аноды индикатора подключены через составные эмиттерные повторители на транзисторах VT2- VT17 к выходам счетчика DD3, который осуществляет сканирование разрядов. Такая схема позволяет питать индикатор нестабилизированным напряжением, что существенно облегчает тепловой режим микросхемы DA1 и практически устраняет влияние бросков тока при коммутации разрядов индикатора на работу входного формирователя.
Входное сопротивление формирователя низкое, поэтому для расширения возможностей прибора и устранения влияния емкости кабеля к нему подключается выносной пробник. Его схема показана на рис. 2. Входное сопротивление пробника - около 500 кОм, выходное - 50...100 Ом. Коэффициент усиления - около 2, а верхняя граница полосы пропускания - 100...150 МГц. Диоды VD1, VD2 защищают полевой транзистор от выхода из строя при попадании на вход высокого напряжения.
Puc.2
Управление прибором осуществляется с помощью трех кнопок, выведенных на переднюю панель, и пяти переключателей. Кнопками SB1, SB2, SB3 выбирают время измерения 0,1, 1 или 10 с соответственно. Новое значение частоты на индикаторе появится на индикаторе через выбранный интервал после отпускания кнопки. Если нажать и удерживать одну из этих кнопок, текущее значение частоты зафиксируется на индикаторе.
При использовании внешнего делителя меняется цена младшего разряда частотомера. Если его коэффициент деления находится в пределах от 3 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.
Замкнутое состояние переключателя SA1 соответствует работе прибора с внешним СВЧ делителем, а разомкнутое - без него. Переключатели SA2- SA5 служат для выбора одного из 15 заранее запрограммированных значений ПЧ. Соответствующий номер ПЧ набирается в двоичном коде (1-2-4-8). Если переключатели SA2-SA5 разомкнуты, ПЧ = 0 (режим частотомера). Выводы переключателя 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 можно использовать электромагнитные реле.
Частотомер собран на печатной плате размерами 107х46 мм из односторонне фольгированного стеклотекстолита. Разводка проводников и расположение деталей на плате показаны на рис.3.
Все постоянные резисторы МЛТ 0,125, подстроечный - СПЗ-19а. Постоянные конденсаторы - КМ, подстроечный - КТ4-21, оксидные - К50-35.
Транзистор VT1 любой п-р-п с граничной частотой не менее 600 МГц. Транзисторы VT10 - VT17 с допустимым током не менее 300 мА. Индикатор HG1 - восьмиразрядный светодиодный, с децимальными точками справа от цифр. Его конструкция может быть произвольной, например, составленной из одноразрядных индикаторов с общим анодом. Микросхему DD1 КР1554ТЛ2 можно заменить на КР1554ТЛЗ, но при этом потребуется корректировка рисунка печатной платы. Неиспользуемые выводы элементов микросхемы следует подключить к шине питания +5 В. Применение ТТЛ аналогов в данной схеме снижает верхнюю границу рабочих частот прибора до 10...60 МГц.
Транзистор VT1 выносного пробника - полевой с изолированным затвором, каналом п-типа и напряжением затвор-исток 0...2 В при токе стока 5 мА - КП305А, Б, В; КП313А, Б; VT2 - с граничной частотой не менее 600 МГц. Резистор R1 монтируется непосредственно в штыревой части разъема ХР1.
Чертеж печатной платы пробника и расположение деталей показаны на рис.4.
Puc.4
Пробник смонтирован в металлическом корпусе. Частотомер также желательно экранировать, особенно если прибор будет использоваться в качестве цифровой шкалы.
Блок питания может быть любой нестабилизированный с выходным напряжением 7,5... 14 В и током нагрузки до 150 мА.
При налаживании частотомера подстройкой резистора R2 добиваются максимальной чувствительности прибора на высоких частотах. Напряжение на коллекторе транзистора VT1 должно быть при этом около 2,5 В. Налаживание выносного пробника заключается в установке тока каждого транзистора около 5 мА. Их выставляют, подбирая R3. Напряжение на коллекторе VT2 должно быть 4 В.
Затем кнопками SB1-SB3 следует установить необходимые значения параметров частотомера в сервисном режиме. Для входа в этот режим следует нажать три кнопки одновременно. При этом на индикаторе появится значение времени измерения, которое будет выбираться по умолчанию при включении прибора. Нажимая на кнопку SB1 или SB2, можно выбрать одно из трех значений - 0,1 с, 1 с или 10 с. После этого следует нажать кнопку SB3. При этом выбранное значение заносится в энергонезависимую память, а на индикаторе появляется значение коэффициента деления СВЧ делителя, который будет использоваться с прибором. Изменить его значение можно, нажимая SB1 или SB2, а затем подтвердить выбор, нажав SB3. Если один или несколько из переключателей SA2-SA5 замкнуты, на индикаторе появляются номер включенной ПЧ и ее знак (стилизованный + или - ). Выбор знака производится нажатием кнопки SB1 или SB2, нажатие SB3 подтверждает выбор, и на индикаторе появляется значение ПЧ, которое можно изменять, нажимая опять же SB1 или SB2. Скорость изменения будет увеличиваться в зависимости от времени нажатия на кнопку, т. е. чем дольше держать нажатой кнопку, тем быстрее будут изменяться показания. Цена младшего разряда 1 Гц. Подтверждение выбора аналогично предыдущим режимам - нажатие SB3. После этого на индикаторе появляется надпись "SETUP". Если не нажимать ни одну из кнопок, примерно через 3 с прибор перейдет в режим измерения с вновь выбранными параметрами.
Для входа в "SETUP" следует нажать SB3. В этом режиме осуществляется программная калибровка прибоpa под конкретный используемый резонатор. Это может оказаться необходимо, так как в данной схеме он возбуждается на частоте параллельного резонанса, а на резонаторах обычно указывается частота последовательного, которая может отличаться на несколько килогерц. Калибровка осуществляется выбором девяти констант, которые определяют длительность интервалов измерения. Константы С1, С2 и СЗ определяют интервал 0,1 с: С4,С5иС6-1 с,аС7,С8иС9- 10с С1, С4, С7 предназначены для точной калибровки интервала; С2, С5 иС8 -для средней; СЗ, С6 и С9 -для грубой.
С1, С4 и С7 могут изменяться от 0 до 17. Их увеличение или уменьшение на единицу увеличивает или уменьшает соответствующий интервал на 1 мкс (на один машинный цикл). С2. С5 и С8 принимают значение от 0 до 255.
Их изменение на единицу изменяет интервал на 18 мкс. СЗ, С6 и С9 также могут быть от 0 до 255 и осуществляют еще более грубое изменение интервала. Значения всех констант вводятся последовательно, аналогично предыдущим режимам. После ввода С9 прибор переходит в режим измерения.
Если частота генерации кварцевого резонатора равна точно 4 МГц, константы должны иметь следующие значения: С1=9, С2=99, С3=2, С4=13, С5=17, С6=199,С7=17,С8=215,С9=117.
В авторском варианте частота кварца 4 001 120 Гц и константы несколько иные: С1=1, С2=101, С3=2, С4=5, С5=33, С6=199, С7=5, С8=117, С9=118.
Для калибровки прибора необходимо иметь образцовый частотомер и генератор. В начале следует с помощью образцового прибора измерить частоту генерации кварцевого резонатора в приборе. При этом ротор конденсатора С7 должен быть в среднем положении. Частотомер подключается к точке Х1. Измеренное значение округляется до ближайшего, кратного 40 Гц, например, 4 000 000, 4 000 040, 4 000 080 и т.д. Затем выносной пробник прибора подключают к точке Х1 и записывают показания на всех трех пределах. Если показания отличаются от измеренного значения, следует войти в сервисный режим, затем в "SETUP" и изменить значения констант. При этом следует придерживаться правила - изменяя длительность интервала 0,1 с на 1 мкс, длительность интервала 1 с следует изменить на 10 мкс, а 10 с - на 100 мкс. В противном случае показания прибора на разных пределах могут не соответствовать друг другу. После нескольких проб и ошибок становится понятным влияние констант на показания. Таким образом добиваются показаний истинной частоты генерации. Как указывалось выше, она должна быть обязательно кратна 40 Гц. В авторском варианте показания прибора с интервалом измерения 10 с -4.001.120.0; с интервалом 1 с - 4.001.120; а с интервалом 0,1 с - 4.001.1.
После калибровки следует подключить данный прибор и образцовый частотомер к генератору сигналов частотой 20...40 МГц и амплитудой 0,2...0,5 В и сравнить показания на всех пределах. Если на разных пределах показания не будут соответствовать друг другу, значит, при вводе констант была допущена ошибка и эту операцию следует повторить. Окончательно точного соответствия показаний частоте добиваются подстройкой конденсатора С7. Если диапазона его изменения не хватает, следует подкорректировать константы, как было описано выше.
Процесс калибровки достаточно сложен, но необходимость в его проведении может возникнуть только один раз после изготовления прибора. Авторские значения всех констант и параметров в энергонезависимой памяти при необходимости можно восстановить, набрав значение СЗ в пределах от 128 до 255.
Одна из возможных схем СВЧ делителя на 10 размещена в Интернете на сайте автора (www.kirov.ru/~ra4nal).
Коды управляющей программы микроконтроллера можно найти на сервере журнала "Радио" в Интернете (ftp.paguo.ru/pub/2002/01/ra4nal).
Радио, 2002 г., № 1, с.60-62.