Оценка методов измерения низких частот на Arduino. Оценка методов измерения низких частот на Arduino Технические характеристики частотомера FC1100-M2

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 -

Главная особенность данного частотомера:
применён высокостабильный TCXO (Термо-Компенсированный Опорный Генератор). Применение технологии TCXO, позволяет сразу, без предварительного прогрева, обеспечивать заявленную точность измерения частот.

Технические характеристики частотомера FC1100-M2:

Отличительные особенности частотомеров линейки FC1100 и FC1100-M2 в частности:

Габариты печатной платы прибора FC1100-M2: 83мм*46мм.
Дисплей цветной TFT LCD с подсветкой (диагональ 1,44" = 3,65см).
* Чувствительность по DataSheet MB501L (параметр "Input Signal Amplitude": -4,4dBm = 135 мВ@50 Ом соответственно).
** Верхний предел входного сигнала ограничен мощностью рассеивания защитных диодов B5819WS (0,2 Вт*2 шт).

Обратная сторона частотомера FC1100-M2

Схема компаратора/формирователя входного сигнала 0...50 МГц.

Схема делителя частоты входного сигнала 1...1100 МГц.

Краткое описание частотомера FC1100-M2:

Частотомер FC1100-M2 имеет два раздельных канала измерения частоты.
Оба канала частотомера FC1100-M2 работают независимо друг от друга, и могут использоваться для измерения двух различных частот одновременно.
При этом, оба значения измеренной частоты одновременно отображаются на дисплее.
"Вход A" - (Тип разъёма SMA-FEMALE) Предназначен для измерения относительно высокочастотных сигналов, от 1 МГц до 1100 МГц. Нижний порог чувствительности этого входа составляет чуть менее 0,2 В., а верхний порог - ограничивается на уровне 0,5...0,6 В. защитными диодами, включенными встречно-параллельно. Нет смысла подавать на этот вход значительные напряжения, ибо напряжения, выше порога открывания защитных диодов будут ограничиваться.
Примененные диоды позволяют рассеивать мощность не более 200 мВт., защищая вход микросхемы делителя MB501L. Не подключайте этот вход непосредственно к выходу передатчиков значительной мощности (более 100 мВт). Для измерения частоты источников сигнала амплитудой более 5 В., или значительной мощности - используйте внешний делитель напряжения (аттенюатор) или переходной конденсатор малой ёмкости (единицы пикофарад), включенный последовательно. При необходимости измерения частоты передатчика - обычно достаточно короткого отрезка провода в качестве антенны, включенного в разъём частотомера, и расположенного на небольшом расстоянии от антенны передатчика или можно использовать подходящую антенну "резинка" от портативных радиостанций, подключенную к разъёму SMA.

"Вход B" - (Тип разъёма SMA-FEMALE) Предназначен для измерения относительно низкочастотных сигналов, от 1 Гц до 50 МГц. Нижний порог чувствительности этого входа ниже, чем у "Входа A", и составляет 0,6 В., а верхний порог - ограничивается защитными диодами на уровне 5 В.
При необходимости измерения частоты сигналов, амплитудой более 5 В., используйте внешний делитель напряжения (аттенюатор). На этом входе использован высокоскоростной компаратор MAX999.
Входной сигнал подается на неинвертирующий вход компаратора, и сюда же подключен резистор R42, увеличивающий аппаратный гистерезис компаратора MAX999 до уровня 0,6 В. На инвертирующий вход компаратора MAX999, с переменного резистора R35, подается напряжение смещения, задающее уровень срабатывания компаратора. При измерении частоты зашумленных сигналов, необходимо вращением ручки переменного резистора R35 - добиться устойчивых показаний частотомера. Наибольшая чувствительность частотомера реализуется в среднем положении ручки переменного резистора R35. Вращение против часовой стрелки - снижает, а по часовой стрелке - увеличивает пороговое напряжение срабатывания компаратора, позволяя сдвигать порог срабатывания компаратора на незашумленный участок измеряемого сигнала.

Кнопкой "Управление", осуществляется переключение между режимом измерения частоты "Вход B" и режимом тестирования кварцевых резонаторов.
В режиме тестирования кварцевых резонаторов, к крайним контактам панели "Кварц Тест" - необходимо подключить тестируемый кварцевый резонатор, с частотой от 1 МГц до 25 МГц. Средний контакт этой панели - можно не подключать, он соединён с "общим" проводом прибора.

Обратите внимание, что в режиме тестирования кварцевых резонаторов, при отсутствии тестируемого кварца в панели, наблюдается постоянная генерация на относительной высокой частоте (от 35 до 50 МГц).
Также, следует заметить, что при подключении исследуемого кварцевого резонатора, частота генерации будет несколько выше его типовой частоты (в пределах единиц килогерц). Это определяется параллельным режимом возбуждения кварцевого резонатора.
Режим тестирования кварцевых резонаторов с успехом можно использовать для подбора одинаковых кварцевых резонаторов для лестничных многокристальных кварцевых фильтров. При этом, основной критерий подбора кварцевых резонаторов - максимально близкая частота генерации подбираемых кварцев.

Разъёмы, применяемые в частотомере FC1100-M2:

Источник питания для Частотомера FC1100-M2:

Частотомер FC1100-M2 оборудован стандартным разъёмом Mini-USB с напряжением питания +5,0 Вольт.
Потребляемый ток (не более 300 мА) - обеспечивает совместимость с большинством источников питания напряжения USB.
В комплекте имеется кабель "Mini-USB" <> "USB A", который позволяет питать частотомер от любого устройства, обладающего таким разъёмом (Персональный Компьютер, Ноутбук, USB-HUB, Блок Питания USB, Сетевое Зарядное Устройство USB) и так далее.

Для автономного питания Частотомера FC1100-M2 - оптимально подходят широко-распространенные батареи "Power Bank", со встроенными Литий-Полимерными аккумуляторами, используемые обычно для питания аппаратуры, обладающей разъёмами USB. В этом случае, помимо явного удобства, бонусом вы получаете гальваническую развязку от сети и/или питающего устройства, что немаловажно.

Построенный . Он позволяет измерять частоты до 10 МГц в четырех автоматически переключаемых диапазонах. Наименьший диапазон имеет разрешение 1 Гц.

Технические характеристики частотомера

• Диапазон 1: 9,999 кГц, разрешение 1 Гц.
• Диапазон 2: 99,99 кГц, разрешение до 10 Гц.
• Диапазон 3: 999.9 кГц, разрешение до 100 Гц.
• Диапазон 4: 9999 кГц, разрешение до 1 кГц.

Описание частотомера на микроконтроллере

Микроконтроллер Attiny2313 работает от внешнего кварцевого генератора с тактовой частотой 20 МГц (это максимально допустимая частота). Точность измерения частотомера определяется точностью данного кварца. Минимальная длина полупериода измеряемого сигнала должна быть больше, чем период кварцевого генератора (это связано с ограничениями архитектуры микроконтроллера ATtiny2313). Следовательно, 50 процентов от тактовой частоты генератора составляет 10 МГц (это максимальное значение измеряемой частоты).

Установка фьюзов (в PonyProg):