Самодельный частотомер на ATTINY2313. Самодельный частотомер на ATTINY2313 Метод измерения частоты
Этот самодельный частотомер на ATTINY2313 предназначен для измерения частоты в диапазоне примерно от 4МГц до более 160МГц. Его можно использовать как измеритель частот или в качестве устройства ввода-вывода TRX, например, на диапазон 144МГц (2м).
Технические характеристики частотомера:
- измерение частоты в диапазоне 4-160 Мгц
- отображение измерений на ЖК-дисплее
- чувствительность 700мВ
- входное напряжение, макс < 30В
- питание: 8-15В
- очень простая плата, минимальное количество
элементов, быстрый запуск - размеры платы: 37х80мм
Схема прекрасно отработала в диапазоне от 3,8МГц до 162МГц. Основой схемы является микроконтроллер ATTINY2313. Его преимуществом является возможность работать на частотах до 20МГц. В схеме использован кварц на 16МГц, таким образом, сам процессор теоретически должен правильно измерять частоты до 8МГц.
Зачастую оказывается, что диапазон до 8МГц слишком мал. Увеличение верхнего диапазона можно получить, используя делитель частоты (прескалер). В схеме задействован прескалер LB3500, который позволяет измерять до 150 Мгц.
Краткая информация о LB3500:
- напряжение питания — 4,5…5,5В
- потребляемый ток — l6мА-24мА
- входное напряжение — 100мВ-600мВ
- выходное напряжение — 0,9 Vpp
- делитель — 8
Без применения дополнительного делителя схема способна измерять частоты до 64МГц. Добавление дополнительного делителя в виде двоичного счетчика 74LS293 (ICl) позволяет увеличить диапазон измерений до 150 Мгц (макс. для LB3500).
ICl делит частоту на 4. Таким образом, вся система прескалера (ICl и IC4) делит входную частоту на 32. Транзистор Tl с элементами C7, R2, R3 обеспечивает высокое входное сопротивление.
Входной сигнал после разделения попадает на вход микросхемы LB3500. На выходе в 9 IC4 сигнал получается в 8 раз меньшей частоты, чем на входе. К сожалению, выходной сигнал микросхемы LB3500 не согласовывается с TTL уровнями. Для устранения этого недостатка в схему добавлен транзистор Т2, который предназначен для согласования. Потенциометр PRI обеспечивает точное соответствие.
Представленный в данной статье частотомер позволяет измерять частоту от 10 Гц до 60 МГц с точностью 10 Гц. Это позволяет использовать данный прибор для самого широкого применения, например измерять частоту задающего генератора, радио приёмника и передатчика, функционального генератора, кварцевого резонатора и др. Частотомер обеспечивает хорошие параметры и обладает хорошей входной чувствительностью, благодаря наличию усилителя и TTL-преобразователя. Это позволяет измерять частоту кварцевых резонаторов. Если использовать дополнительный делитель частоты, максимальная частота измерения может достигать 1 ГГц и выше.
Идея частотомера на микроконтроллере PIC, возникла у меня после прочтения апнота AN592 фирмы Microchip, где описывается измерение частоты на PIC и представлена программа. Я разработал схему и написал программу, в которой улучшил точность измерения, а значение частоты отображается на LCD-экранчике. Получился довольно простой и эффективный частотомер.
Схема частотомера довольно простая, большинство функций выполняет микроконтроллер. Единственное, для микроконтроллера необходим усилительный каскад, чтобы увеличить входное напряжения с 200-300 мВ до 3 В. Транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, обеспечивает псевдо-TTL сигнал, поступающий на вход микроконтроллера.
В качестве транзистора необходим какой-нибудь "быстрый" транзистор, я применил BFR91 (отечественный аналог КТ3198В).
Напряжение V кэ устанавливается на уровне 1.8-2.2 вольта резистором R3* на схеме. У меня это 10 кОм, однако может потребоваться корректировка. Напряжение с коллектора транзистора прикладывается к входу счетчика/таймера микроконтроллера PIC, через последовательное сопротивление 470 Ом. Для выключения измерения, в PIC задействываются встроенные pull-down резисторы.
В PIC реализован 32-битный счетчик, частично аппаратно, частично софтово. Подсчет начинается после того, как выключаются встроенные pull-down резисторы микроконтроллера, продолжительность составляет точно 0.4 секунды. По истечении этого времени, PIC делит полученное число на 4, после чего прибавляет или отнимает соответствующую промежуточную частоту, для получения реальной частоты. Полученная частота конвертируется для отображения на дисплее.
Калибровка
Для того, чтобы частотомер работал правильно, его необходимо откалибровать. Проще всего это сделать так: подключить источник импульсов с заранее точно известной частотой и вращая подстроечный конденсатор выставить необходимые показания.
Если данный метод не подходит, то можно воспользоваться "грубой калибровкой". Для этого, выключите питание прибора, а 10 ножку микроконтроллера подсоедините на GND. Затем, включите питание. МК будет измерять и отображать внутреннюю частоту. Если вы не можете подстроить отображаемую частоту (путем подстройки конденсатора 33 пФ), то кратковременно подсоедините вывод 12 или 13 МК к GND. Возможно, что это нужно будет сделать несколько раз, т.к. программа проверяет эти выводы только один раз за каждое измерение (0.4 сек). После калибровки, отключите 10 ногу микроконтроллера от GND, не выключая при этом питания прибора, чтобы сохранить данные в энергонезависимой памяти МК.
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| МК PIC 8-бит | PIC18F84J11 | 1 | В блокнот | |||
| Линейный регулятор | LM7805 | 1 | В блокнот | |||
| Транзистор | BFR91 | 1 | В блокнот | |||
| Выпрямительный диод | 1N4007 | 1 | В блокнот | |||
| Конденсатор | 1 мкФ | 1 | В блокнот | |||
| 10 мкФ | 1 | В блокнот | ||||
| Электролитический конденсатор | 1 мкФ | 1 | В блокнот | |||
| Конденсатор | 0.1 мкФ | 1 | В блокнот | |||
| Конденсатор | 33 пФ | 1 | В блокнот | |||
| Конденсатор подстроечный | 33 пФ | 1 | В блокнот | |||
| Резистор | 470 Ом | 2 | В блокнот | |||
| Резистор | 10 кОм | 1 | Подбор | В блокнот | ||
| Резистор | 10 кОм | 1 | В блокнот | |||
| Переменный резистор | 10 кОм | 2 |
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 -
В статье мы рассмотрим, как построить маленький, дешевый и простой частотомер, способный измерять частоту до 40 МГц с ошибкой ниже 1%. Подобной точности вполне достаточно для отладки большинства собственных аналоговых и цифровых устройств. Прибор позволит Вам проанализировать многие аспекты работы схем.
Принципиальная схема частотомера изображена на рисунке 1.
Рис.1. Принципиальная схема прибора
Частотомер собран на макетной плате, основой является микроконтроллер ATmega16 компании Atmel, источником тактовой частоты является внутренний RC осциллятор 8 МГц (это необходимо помнить при программировании микроконтроллера). Дополнительно, во входной части используется 4-битный счетчик 74HC191 в качестве делителя измеряемой частоты на 16 до подачи ее на вход микроконтроллера. Как видно, используется только выход Q3 счетчика, частота на этом выходе будет равна входной частоте деленной на 16.
Вход прибора (щуп) – точка W1, которая напрямую подключена к порту микроконтроллера PB0 и, через делитель, к порту PB1.
Для отображения значения измеренной частоты используется 4-разрядный семисегментный светодиодный индикатор с общим анодом. Такое решение сокращает количество проводников для подключения индикатора. В случае отсутствия дисплея указанного типа, возможно применение различных типов семисегментных индикаторов, однако потребуется адаптация программного обеспечения микроконтроллера.
Схема расположения и назначение выводов примененного индикатора изображена на рисунке 2.
Рис.2. Расположение и назначение выводов примененного 4 разрядного светодиодного индикатора
.
Выводы E1…E4 используются для включения соответствующих разрядов (E1 – для включения правого младшего разряда).
Каждая линия ввода/вывода микроконтроллера ATmega16 может обеспечить выходной ток до 40 мА, поэтому нам нет необходимости использовать транзисторы и сигналы управления дисплеем (E1…E4) подключены непосредственно к порту микроконтроллера.
Коннектор для внутрисхемного программирования микроконтроллера J1. После сборки и программирования микроконтроллера Вам потребуется калибровка прибора, настройка некоторых переменных (например, для увеличения яркости дисплея, уменьшения мерцания дисплея). Другими словами Вам потребуется обновление ПО микроконтроллера, и поэтому указанный коннектор необходимо установить на плату.
Алгоритм измерения частоты
Все мы знаем, что частота – это количество повторяющихся импульсов за единицу времени. Однако, измерение частоты с помощью цифровых приборов, например, с помощью микроконтроллера, который имеет свои ограничения, требует некоторых исследований для достижения необходимых результатов.
Максимальная частота, которая может быть обработана счетчиком микроконтроллера ATmega16, не может превышать тактовую частоту, деленную на 2.5. Обозначим максимальную частоту – F max . Тактовая частота для нашего микроконтроллера – 8 МГц, следовательно напрямую мы можем измерять сигналы с частотой до 3.2 МГц. Для измерения частоты выше этого уровня мы используем 4-битный счетчик в качестве делителя входной частоты. Теперь мы можем измерять частоты в 16 раз превышающие F max , но здесь накладывается ограничение со стороны счетчика 74191 и фактическая максимальная измеряемая частота не превышает 40 МГц.
Алгоритм, который был разработан, проводит измерение оригинальной (входной) частоты (обозначимF o ) и частоты получаемой с делителя (обозначим F d ). Пока соблюдается условие, что частота меньшеF max выполняется условие:
F o = 16 × F d ;
Но по мере приближении F o к F max , все больше импульсов должны быть обработаны и выражение выше примет вид:
F o < 16 × F d ;
Следовательно предел измерения микроконтроллера может быть автоматически обнаружен.
Частотомер начинает делать измерение оригинальной частоты (обработка и отображение значений на дисплее), и как только обнаруживает приближение к максимальной частоте F max (с использованием указанного выше метода), выбирает для измерения частоту после делителя.
Алгоритм суммарно изображен на диаграмме (рис. 3)
Рис.3 Алгоритм работы частотомера на микроконтроллере
Программное обеспечение микроконтроллера
Исходный код программы микроконтроллера снабжен подробными комментариями, но некоторые моменты требуют отдельного разъяснения:
- код разработан так, что измеренное значение отображается на индикаторе в «кГц». Например, если Вы видите на дисплее значение «325.8» – это означает 325.8 кГц, значение «3983» – это 3983 кГц (или 3.983 МГц).
- Таймер/счетчик 0 микроконтроллера используется для подсчета входных импульсов напрямую;
- Таймер/счетчик 1 микроконтроллера используется для подсчета входных импульсов после делителя на 16;
- Таймер/счетчик 2 сконфигурирован как таймер с предварительным делителем на 1024 (частота CPU делится на 1024). Используется для вызова алгоритма вычисления и выбора частоты каждый период T таймера. В нашем проекте Т = 1024 × 256/F cpu .
- Константа «factor», определенная в начале программы значением «31.78581», должна быть откалибрована измерением эталонной частоты. Вычисляется по выражению:
factor = F cpu /(1024 × 256)=8.E6/(1024×256)=30.51757
Функция Anti-Flickering (устранение мерцания индикатора) довольна сложна, но очень эффективна, особенно при измерении непостоянных частот. Данная функция полностью избавляет индикатор от быстрого переключения между различными значениями, продолжая отображать точное значение, и быстро изменяет показания, если измеренная частота действительно изменилась.
Примечание
Микроконтроллер ATmega16 поставляется с заводскими установками, при которых настроен на работу от внутреннего RC осциллятора 1 МГц. Необходимо с помощью последовательного программатора установить Fuse-биты CKSEL3..0 в значение «0100», что соответствует включению внутреннего RC осциллятора 8 МГц.
ПРИЛОЖЕНИЯ:
- Исходный код программы микроконтроллера
Перевод: Vadim
Данный урок будет достаточно простым. Надеюсь, вы хорошо усвоили прошлые материалы: урок по таймерам и управление кнопками.
Чтобы понять зачем нужны внешние прерывания, приведу простой пример: допустим у вас в основном цикле программы используются задержки (например, для мигания светодиодом), при этом вам кнопкой нужно перевести работу светодиода в другой режим. Если обработка кнопки находится в основном цикле, то придется ждать пока не отработают все фрагменты кода и очередь не дойдет до обработки кнопки. Иногда это не удобно.
Поэтому в микроконтроллерах придумали такую удобную вещь, как внешнее прерывание. Это значит, что при подаче сигнала на ножку микроконтроллера, основная программа остановится и начнет выполняться такой код, который вы напишите в функции прерывания. После выполнения данной функции, основная программа продолжит выполняться с места, где ее прервали.
Количество ножек, отведенных для внешних прерываний, зависит от типа микроконтроллера, например у atmega8 их 2, у atmega16 их 3. Называются они INT0, INT1 и т.п.
Срабатывать прерывание может по нарастанию сигнала Rise edge, по спаду Falling edge, по любому изменению Any change, Low level по низкому уровню. В визарде выглядит так:
Теперь рассмотрим, как пример, необычное использование внешнего прерывания — частотомер.
Допустим, на ножку настроенную на внешнее прерывание, по нарастанию фронта, подается пульсирующий сигнал. Соответственно каждый период будет срабатывать прерывание, нам остается только подсчитывать их количество за одну секунду.
Для этого настроим таймер 1 на срабатывание 1 раз в секунду, как в 5 уроке. При срабатывании прерывания таймера, обнуляем счетчик и выводим результат на дисплей.
| #include |
#include
