Частотомер "Фрегат"

Автор: mig958
Опубликовано 05.09.2017
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса "Поздравь Кота по-человечески 2017!"

Ты самый умный и умелый, Один из лучших среди нас! Я в день рожденья пожелаю — Чтобы всё в жизни было просто - Класс!

    Частотомер является одним из основных приборов радиолюбителя. Не даром этому популярному прибору посвящено столько статей. Схем радиолюбительских частотомеров, казалось бы, существует огромное множество, на любой вкус. Однако практически все они используют метод прямого счета, хотя есть достаточно простой, но значительно лучший метод обратного счета. Приятным исключением является частотомер FC-510.  Есть еще один прибор использующий почти этот метод, это Простой калибратор частоты/ частотомер/ образцовые часы  . Но ввиду малого диапазона измеряемой частоты и неудобного времени измерения, он как частотомер малопригоден. Я его кстати собрал и очень им доволен. И в FC-510 и в калибраторе применен метод обратного счета. Главным достоинством метода является то, что его относительная погрешность измерения не зависит от значения входной частоты. Вообще по методам измерения частоты у автора FC-510 есть прекрасный документ хотя он не закончен, но для начинающих радиолюбителей я лучшего изложения этого вопроса не встречал. У данного частотомера есть лишь единственный недостаток: он сложноват для начинающего, да даже и для радиолюбителя среднего уровня. К сожалению ничего подобного, но попроще, да и вообще больше ничего в сети я не нашел.
   Попавшееся на глаза объявление о конкурсе и подвигло меня задаться вопросом: почему бы не сотворить что то подобное но попроще, а сроки конкурса не позволят растянуть этот процесс, как обычно в бесконечность. Так как обдумывал я эту тему уже очень давно, то над схемой я долго не раздумывал, как и над выбором микропроцессора. Структурная схема представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема структурная

   Микропроцессор формирует сигнал управления входом D триггера (ворота), но сам подсчет импульсов начинается и заканчивается по приходу фронта измеряемого сигнала. Кстати, название Фрегат родилось от созвучия со словами free gate – свободные ворота, что как бы суть метода. Ну а далее подсчет входной и опорной частот и вычисление результата. Параметры схемы определяют возможности кварцевого генератора (VCTCXO), микропроцессора и удобства работы с прибором.

Основные характеристики частотомера:

• Диапазон измеряемых частот: 1Гц – 100МГц ( 1ГГц с предделителем на 64) ;
• Амплитуда измеряемого сигнала: 0.1 – 10в;
• Опорная частота: 20МГц;
• Время измерения: 5 сек;
• Количество значащих цифр:  8;
• Погрешность измерения * не более 10^-7;
• До 2МГц измерение методом обратного счета, свыше методом прямого счета;
• Потребляемый ток: 50 (80 с подсветкой) ма;
• Модульная конструкция с выносными формирователями сигнала.

        * При погрешности опорной частоты менее  2*10^-8.

Схема и работа:

В работе частотомере предельно прост - никаких органов управления нет.
Принципиальная схема измерительной части представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема принципиальная модуля измерения.

   Входной сигнал с формирователя поступает на триггер Шмидта DD1. В принципе без него можно и обойтись, он лишь помогает избавиться от помех. Далее схема ворот: микропроцессор формирует точный интервал 5 сек., который приходит на вход D DD2.1 и первый фронт входной частоты переключает его, разрешая подсчет входных импульсов с помощью  DD3.1 таймером TMR1, и подсчет опорной частоты с помощью DD3.2 таймером TMR0. Триггер DD2.2 делит входную частоту на 2 позволяя поднять измеряемую частоту до 100МГц (известно, что таймеры PICов работают до частот 50-60 МГц) . По окончанию 5 сек. первый фронт входной частоты переключит триггер и закончит подсчет. Микропроцессор отслеживает формирование ворот для возможности измерения от 1Гц (ожидание окончания периода может продлиться до 1,5сек.), а также исключения нештатных ситуаций. При правильном формировании ворот далее происходит подсчет импульсов с предделителей, для этого служат DD3.3 и DD3.4. Так как время измерения довольно велико оно показывается на шкале ожидания измерения. Далее вычисления и индикация. Имеется 5 битный измеритель уровня входного сигнала. Напряжение с выпрямителя входного формирователя примерно 1-1,5 в. подается на вход RA0. Резистор R5 регулирует чувствительность. Вход RA2 определяет наличие предделителя (0 предделитель включен).

   Измеряемый диапазон частот разбит на 3 части (выносных модуля):

• 1Гц – 1МГц:
• 1кГц – 100МГц:
• 70МГц – 1ГГц.

    Основной модуль: 1кГц – 100МГц. Он собран по давно отлаженной схеме и подтвердил свои высокие характеристики: реальная полоса пропускания при увеличенных проходных конденсаторах в диапазоне 0,1-10в. от 100Гц до 150МГц. Схема на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема принципиальная формирователя 1кГц – 100МГц.

    Следующие модули я не макетировал, ввиду отсутствия микросхем у меня и в магазинах. Заказал их на Али Экспресс. Но так как они тоже разработаны не мной и применяются широко, думаю особых проблем не должно быть. Впрочем схемотехника выносных модулей, их разбивка по частотам и конструкция (внешний или внутренний) может быть самая разнообразная. При измерении сигналов ТТЛ уровней можно вообще обойтись без них.

Рисунок 4. Схема принципиальная формирователя 70МГц – 1ГГц.

Рисунок 5. Схема принципиальная формирователя 0Гц – 1МГц.

Схему блока питания не привожу (Трансформатор, 4 диода и электролит, можно добавить 7809 или 7812 или ...).

 Конструкция и детали:

    Так как мне нравятся SMD компоненты (от остальных я уже давно избавился), то конструктив получился довольно компактный. Я прекрасно понимаю, что повторить один в один, маловероятно. Поэтому моя конструкция лишь один и примеров возможного решения. Ввиду незначительного энергопотребления (при отсутствии термостата), возможно изготовить его даже в виде пинцета с аккумуляторным питанием. Никаких особых требований к конструкции не предъявляется. Единственные рекомендации: ввиду высокой чувствительности к помехам, дорожки по которым проходит сигнал должны быть минимальной длинны и не использовать импульсные стабилизаторы и преобразователи для его питания.

   Что касается деталей: Заменить PIC16F876A можно на  877,886,887 в любых корпусах: DIP, SOIC, TQFP. Основным элементом, даже более значимым чем процессор является кварцевый генератор, он в конечном счете и определяет погрешность измерения. К сожалению применить другую частоту, без ухудшения параметров точности, погрешности или времени измерения нельзя. Генератор может быть типа VCTXCO (термокомпенсированный с подстройкой напряжением) или TXCO (термокомпенсированный с механической подстройкой). Выходной сигнал генератора должен быть ТТЛ или КMOП. Если будет синус понадобится триггер Шмидта, так как сигнал идет не только на МК но и на логику. Возможно и применение самодельного термостатированного генератора с обычным кварцем, собранного на логике или на транзисторе (понадобится триггер Шмидта на выходе). При очень сильном желании можно применить кварцевый генератор на другую частоту (с некоторым ухудшением погрешности), например на 10МГц. При этом разумеется будет необходимо внести исправления в программу. Вместо 74AC74 и 74AC00 можно применить другие серии например F,ACT,VHC с соответствующим изменением максимальной частоты. Возможно применение и серий К1554, К1594, К1531. Вместо 74LVC1G14 возможно применить любые триггеры Шмидта соответствующих серий, опять таки смотрите на частоту. Трансформатор питания любой на 2-5 Вт. с выпрямленным напряжением 7 - 12в.

Настройка:

     Настройку частоты кварцевого генератора  можно выполнить двумя методами:

• Измерением известной точной частоты и подстройкой генератора с помощью R4 добиться индикации такой же частоты на индикаторе.
• Измерением частоты опорного генератора частотомером имеющим нужную погрешность, ну и соответствующая подстройка частоты опорного генератора до частоты ровно 20МГц.

   Так как разработка проводилась в сжатое время, естественно не все вопросы тщательно продуманы, тем более это мой первый опыт программирования на C для PIC, буду благодарен за конструктивную критику, указанию на ошибки и неточности, другие недоработки, а также предложениям по совершенствованию прибора.

   В заключении видео работы макета после окончания отладки программы. Ну и несколько фотографий готового устройства. Прошу прощения за качество.

Подвигло меня на разработку:

[1] Интерполирующий частотомер FC-510

[2] Частотомер "Тайфун"

[3] Простой калибратор частоты/частотомер/образцовые часы

[4] Simple RF/Microwave Frequency Counter

Файлы:
Исходник. Проект на C в MPLAB X v4 компилятор XC8 v1.33
Прошивки для 876 и 886
Печатные платы в Sprint-Layout 6
Файлы Proteus v8.6. Использовался на начальном этапе разработки
Пинципиальные схемы в SPlan

Все вопросы в Форум.