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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Frequenzmesser - Digitalwaage auf PIC16CE625. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Messtechnik Das vorgeschlagene Gerät setzt eine Reihe von Amateurentwicklungen auf dem Gebiet der Mikroprozessoren fort und kann als Frequenzmesser in einem Heimlabor oder als digitale Waage für Kommunikations- und Funkempfangsgeräte aller Art verwendet werden. Trotz des einfachen Designs unterscheidet sich das Gerät von zuvor veröffentlichten Designs durch die Fähigkeit, Frequenzen bis zum Mikrowellenbereich zu messen, eine hohe Auflösung und die Möglichkeit, Werte mehrerer Zwischenfrequenzen in den Speicher des Controllers einzugeben. Mit dem Gerät können Sie die Signalfrequenz im Bereich von 0,1 Hz bis 40 MHz messen. Der Eingangssignalpegel kann im Bereich von 100...200 mV liegen. Die Auflösung des Geräts beträgt 100,1, 0,1 Hz bei einer Messzeit von 0,1, 1, 10 s. Die Anzahl der Anzeigeziffern beträgt 8. Die Versorgungsspannung des Geräts beträgt 7,5...14 V und die Stromaufnahme hängt von der Anzahl der Betriebssegmente ab, überschreitet jedoch 130 mA nicht. Mit einem externen Mikrowellenteiler mit einem Teilungsfaktor von 1 bis 255 können Frequenzen über 40 MHz gemessen werden. Das Funktionsprinzip des Frequenzmessers ist klassisch: Messung der Anzahl der Impulse des Eingangssignals über ein bestimmtes Zeitintervall. Die 10-s-Grenze soll genaue Niederfrequenzmessungen ermöglichen. Im digitalen Waagenmodus beträgt die Messzeit des Geräts 0,1 oder 1 s. Im nichtflüchtigen Speicher der Digitalwaage können bis zu 15 Zwischenfrequenzwerte im Bereich von 0 bis 99 Hz gespeichert werden. In diesem Fall werden die Indikatorwerte durch die Formel bestimmt
wo Fin - Eingangsfrequenz; Kd – Teilungskoeffizient des externen Teilers; Ff – Zwischenfrequenz. Die Subtraktion erfolgt betragsmäßig, d. h. ein kleinerer Wert wird von einem größeren Wert subtrahiert. Die Werte der Zwischenfrequenzen, der Teilungskoeffizient des verwendeten externen Teilers sowie Kalibrierkonstanten können vom Anwender ohne den Einsatz zusätzlicher Geräte eingestellt und geändert werden. Alle diese Daten werden im nichtflüchtigen Speicher des PIC-Controllers gespeichert. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit einer Software-Frequenzkalibrierung, die den Einsatz eines Referenzquarzresonators im Gerät im Frequenzbereich von 3,9...4,1 MHz ermöglicht. Das schematische Diagramm des Geräts ist in Abb. 1 dargestellt.
Das Signal der gemessenen Frequenz wird dem Eingangstreiber zugeführt, der über den Transistor VT1 und das Mikroschaltungselement DD1 erfolgt. Die Dioden VD1 und VD2 begrenzen die Amplitude des Eingangssignals auf 0,7 V. Bei einem sinusförmigen Eingangssignal wird die untere Grenze der gemessenen Frequenzen durch die Kapazität der Kondensatoren C4 und C5 bestimmt und mit den in der angegebenen Werte angegeben Im Diagramm beträgt sie 10 Hz. Vom Ausgang des DDI-Chips werden die erzeugten Impulse an den PIC-Controller DD2 gesendet. Die ausreichend hohe Belastbarkeit seiner Ausgänge ermöglichte den direkten Anschluss der Kathoden des HG1-Indikators daran. Die Anzeigeanoden sind über zusammengesetzte Emitterfolger an den Transistoren VT2-VT17 mit den Ausgängen des DD3-Zählers verbunden, der die Entladungen abtastet. Diese Schaltung ermöglicht die Versorgung des Indikators mit einer instabilen Spannung, was das thermische Regime des DA1-Mikroschaltkreises erheblich erleichtert und den Einfluss von Stromstößen beim Umschalten der Indikatorbits auf den Betrieb des Eingangstreibers praktisch eliminiert. Die Eingangsimpedanz des Treibers ist niedrig. Um die Fähigkeiten des Geräts zu erweitern und den Einfluss der Kabelkapazität zu eliminieren, ist daher eine externe Sonde daran angeschlossen. Sein Diagramm ist in Abb. dargestellt. 2.
Der Eingangswiderstand der Sonde beträgt ca. 500 kOhm, der Ausgangswiderstand beträgt 50...100 Ohm. Der Gewinn beträgt etwa 2 und die Obergrenze der Bandbreite liegt bei 100...150 MHz. Die Dioden VD1, VD2 schützen den Feldeffekttransistor vor einem Ausfall, wenn am Eingang Hochspannung anliegt. Die Steuerung des Geräts erfolgt über drei Tasten auf der Vorderseite und fünf Schalter. Wählen Sie mit den Tasten SB1, SB2, SB3 die Messzeit von 0,1, 1 oder 10 s aus. Der neue Frequenzwert wird im ausgewählten Intervall nach dem Loslassen der Taste auf der Anzeige angezeigt. Wenn Sie eine dieser Tasten gedrückt halten, wird der aktuelle Frequenzwert auf der Anzeige fixiert. Bei Verwendung eines externen Teilers ändert sich der Preis der niederwertigsten Stelle des Frequenzmessers. Liegt sein Teilungskoeffizient im Bereich von 3 bis 20, reduzieren sich die Kosten der Entladung um das Zehnfache, liegt Kd über 10, dann um das Hundertfache zu jedem Messzeitpunkt. Bei Kd = 20 ändert sich der Preis der Entladung nicht. Der geschlossene Zustand des Schalters SA1 entspricht dem Betrieb des Geräts mit externem Mikrowellenteiler, der geöffnete Zustand entspricht dem Betrieb ohne diesen. Mit den Schaltern SA2-SA5 wird einer von 15 vorprogrammierten IF-Werten ausgewählt. Die entsprechende Laufwerksnummer wird im Binärcode (1-2-4-8) gewählt. Wenn die Schalter SA2-SA5 geöffnet sind, ist IF = 0 (Frequenzmessermodus). Die Ausgänge des Schalters SA1 können mit den freien Kontakten des Steckers verbunden werden, an den der Mikrowellenteiler angeschlossen ist. Zwischen diesen Kontakten sollte am passenden Teil des Steckers eine Brücke installiert werden. Auf diese Weise wird die Teilerverbindung automatisch erkannt. Wenn die ZF-Nummer aus der Ferne geändert werden muss, beispielsweise beim Umschalten des Empfängerbereichs, können elektromagnetische Relais wie SA2-SA5 verwendet werden. Der Frequenzmesser ist auf einer 107x46 mm großen Leiterplatte aus einseitiger Glasfaserfolie montiert. Die Verkabelung und Anordnung der Teile auf der Platine ist in Abb. dargestellt. 3.
Alle Festwiderstände sind MLT 0,125, Trimmer - SPZ-19a. Permanentkondensatoren - KM, Trimmer - KT4-21, Oxidkondensatoren - K50-35. Der Transistor VT1 ist ein beliebiger NPN-Transistor mit einer Grenzfrequenz von mindestens 600 MHz. Transistoren VT10 - VT17 mit einem zulässigen Strom von mindestens 300 mA. Die HG1-Anzeige ist eine achtstellige LED mit Dezimalpunkten rechts von den Zahlen. Sein Aufbau kann beliebig sein, beispielsweise aus einstelligen Indikatoren mit gemeinsamer Anode bestehen. Der DD1 KR1554TL2-Chip kann durch einen KR1554TLZ ersetzt werden, hierfür sind jedoch Anpassungen am Leiterplattendesign erforderlich. Nicht verwendete Pins der Mikroschaltungselemente sollten an den +5-V-Strombus angeschlossen werden. Die Verwendung von TTL-Analoga in dieser Schaltung reduziert die Obergrenze der Betriebsfrequenzen des Geräts auf 10-60 MHz. Transistor VT1 der Fernsonde - Feldeffekt mit isoliertem Gate, n-Typ-Kanal und Gate-Source-Spannung 0...2 V bei einem Drainstrom von 5 mA - KP305A, B, V; KP313A, B; VT2 – mit einer Grenzfrequenz von mindestens 600 MHz. Der Widerstand R1 ist direkt im Stiftteil des XP1-Steckers montiert. Eine Zeichnung der Sondenplatine und die Lage der Teile sind in Abb. 4 dargestellt. vier.
Die Sonde ist in einem Metallgehäuse montiert. Es empfiehlt sich außerdem, den Frequenzmesser abzuschirmen, insbesondere wenn das Gerät als Digitalwaage verwendet wird. Als Netzteil kann ein beliebiges unstabilisiertes Netzteil mit einer Ausgangsspannung von 7,5...14 V und einem Laststrom von bis zu 150 mA verwendet werden. Beim Einrichten eines Frequenzmessers wird durch Einstellen des Widerstands R2 die maximale Empfindlichkeit des Geräts bei hohen Frequenzen erreicht. Die Spannung am Kollektor des Transistors VT1 sollte etwa 2,5 V betragen. Zum Einrichten einer Fernsonde muss der Strom jedes Transistors auf etwa 5 mA eingestellt werden. Sie werden freigelegt, indem man R3 aufnimmt. Die Spannung am VT2-Kollektor sollte 4 V betragen. Anschließend stellen Sie im Servicemodus mit den Tasten SB1-SB3 die gewünschten Werte der Frequenzmesser-Parameter ein. Um in diesen Modus zu gelangen, drücken Sie gleichzeitig drei Tasten. In diesem Fall zeigt die Anzeige den Messzeitwert an, der beim Einschalten des Geräts standardmäßig ausgewählt wird. Durch Drücken der Taste SB1 oder SB2 können Sie einen von drei Werten auswählen – 0,1 s, 1 s oder 10 s. Drücken Sie anschließend die SB3-Taste. In diesem Fall wird der ausgewählte Wert in den nichtflüchtigen Speicher eingegeben und der Wert des Teilungskoeffizienten des Mikrowellenteilers, der mit dem Gerät verwendet wird, erscheint auf der Anzeige. Sie können den Wert durch Drücken von SB1 oder SB2 ändern und die Auswahl anschließend durch Drücken von SB3 bestätigen. Wenn einer oder mehrere der Schalter SA2-SA5 geschlossen sind, erscheint auf der Anzeige die Nummer des eingeschalteten Wechselrichters und sein Vorzeichen (stilisiertes + oder -). Das Vorzeichen wird durch Drücken der Taste SB1 oder SB2 ausgewählt, durch Drücken von SB3 wird die Auswahl bestätigt und auf der Anzeige erscheint der IF-Wert, der durch erneutes Drücken von SB1 oder SB2 geändert werden kann. Je länger Sie die Taste gedrückt halten, desto schneller ändern sich die Messwerte. Der Preis der niedrigstwertigen Ziffer beträgt 1 Hz. Das Bestätigen der Auswahl erfolgt ähnlich wie in den vorherigen Modi – Drücken von SB3. Danach erscheint „SETUP“ auf der Anzeige. Wenn Sie keine der Tasten drücken, wechselt das Gerät nach ca. 3 s in den Messmodus mit den neu gewählten Parametern. Um „SETUP“ aufzurufen, drücken Sie SB3. In diesem Modus wird eine Softwarekalibrierung des Geräts für den jeweils verwendeten Resonator durchgeführt. Dies kann notwendig sein, da in dieser Schaltung mit der Parallelresonanzfrequenz angeregt wird und die Resonatoren meist die Serienfrequenz anzeigen, die sich um mehrere Kilohertz unterscheiden kann. Die Kalibrierung erfolgt durch Auswahl von neun Konstanten, die die Länge der Messintervalle bestimmen. Die Konstanten C1, C2 und C3 definieren das Intervall von 0,1 s; C4, C5 und C6 – 1 s und C7, C8 und C9 – 10 s. C1, C4, C7 sind für eine präzise Intervallkalibrierung ausgelegt; C2, C5 und C8 – für Mitte; C3, C6 und C9 – für grob. C1, C4 und C7 können zwischen 0 und 17 liegen. Durch Erhöhen oder Verringern um eins wird das entsprechende Intervall um 1 μs (um einen Maschinenzyklus) erhöht oder verringert. C2, C5 und C8 nehmen Werte von 0 bis 255 an. Wenn Sie sie um eins ändern, ändert sich das Intervall um 18 µs. C3, C6 und C9 können auch von 0 bis 255 liegen und eine noch gröbere Änderung im Intervall bewirken. Die Werte aller Konstanten werden nacheinander eingegeben, ähnlich wie in den vorherigen Modi. Nach Eingabe von C9 geht das Gerät in den Messmodus. Wenn die Schwingfrequenz des Quarzresonators genau 4 MHz beträgt, sollten die Konstanten folgende Werte haben: С1=9, С2=99, C3=2, С4=13, С5=17, С6=199, С7=17, С8=215, С9=117. In der Version des Autors beträgt die Quarzfrequenz 4 001 120 Hz und die Konstanten sind etwas anders: С1=1, С2=101, C3=2, С4=5, С5=33, С6=199, С7=5, С8=117, С9=118. Um das Gerät zu kalibrieren, benötigen Sie einen Referenzfrequenzmesser und -generator. Zunächst sollten Sie mit einem Standardgerät die Erzeugungsfrequenz des Quarzresonators im Gerät messen. In diesem Fall sollte sich der Rotor des Kondensators C7 in der Mittelstellung befinden. Der Frequenzmesser wird an Punkt X1 angeschlossen. Der Messwert wird auf das nächste Vielfache von 40 Hz gerundet, zum Beispiel 4, 000, 000 usw. Anschließend wird die Fernsonde des Geräts an Punkt X4 angeschlossen und die Messwerte an allen drei Grenzwerten aufgezeichnet. Wenn die Messwerte vom gemessenen Wert abweichen, rufen Sie den Servicemodus auf, geben Sie dann „SETUP“ ein und ändern Sie die Werte der Konstanten. In diesem Fall sollten Sie sich an die Regel halten: Ändern Sie die Dauer des Intervalls 000 s um 040 μs, die Dauer des Intervalls 4 s sollte um 000 μs und 080 s um 1 μs geändert werden. Andernfalls stimmen die Instrumentenwerte an verschiedenen Grenzwerten möglicherweise nicht überein. Nach mehreren Versuchen und Irrtümern wird der Einfluss der Konstanten auf die Messwerte deutlich. Auf diese Weise werden Messwerte der tatsächlichen Erzeugungsfrequenz erhalten. Wie oben erwähnt, muss es ein Vielfaches von 0,1 Hz sein. In der Version des Autors betragen die Instrumentenwerte bei einem Messintervall von 1 s 1; mit einem Intervall von 10 s - 10; und mit einem Intervall von 100 s - 40. Nach der Kalibrierung sollten Sie dieses Gerät und einen Referenzfrequenzmesser an einen Signalgenerator mit einer Frequenz von 20...40 MHz und einer Amplitude von 0,2...0,5 V anschließen und die Messwerte an allen Grenzwerten vergleichen. Wenn die Messwerte an verschiedenen Grenzwerten nicht übereinstimmen, bedeutet dies, dass bei der Eingabe der Konstanten ein Fehler gemacht wurde und dieser Vorgang wiederholt werden sollte. Schließlich wird durch die Anpassung des Kondensators C7 eine genaue Übereinstimmung der Messwerte mit der Frequenz erreicht. Wenn der Änderungsbereich nicht ausreicht, sollten die Konstanten wie oben beschrieben angepasst werden. Der Kalibrierungsprozess ist recht komplex, kann jedoch erst einmal nach der Herstellung des Geräts erforderlich sein. Die ursprünglichen Werte aller Konstanten und Parameter im nichtflüchtigen Speicher können bei Bedarf durch Eingabe des C3-Werts im Bereich von 128 bis 255 wiederhergestellt werden. Einer der möglichen Mikrowellenteiler durch 10 Schaltkreise ist auf der Website des Autors verfügbar . Codes des Steuerprogramms des Mikrocontrollers Autor: N. Khlyupin
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