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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Funkamateur-Frequenzzähler. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Messtechnik Den Lesern wird eine Beschreibung eines Amateurfrequenzmessers auf dem Mikrocontroller AT89C52-24JC und zwei Aufsätzen angeboten, mit denen Sie neben der Messung der Frequenz und Dauer von Impulsen auch die Kapazität und Induktivität von Komponenten messen können. In den letzten Jahren sind in der Fachliteratur mehrere Veröffentlichungen erschienen, die sich mit der Beschreibung von Amateurfunkfrequenzmessgeräten befassen, die auf der Basis von Einzelchip-Mikrocomputern aufgebaut sind. Die Vorteile solcher Konstruktionen liegen auf der Hand: Die Anzahl der verwendeten Mikroschaltungen wird reduziert und dementsprechend verringern sich die Abmessungen und der Stromverbrauch, das Gerät ist einfach zu montieren und einzustellen und kann auch von unerfahrenen Funkamateuren wiederholt werden. Darüber hinaus wird es möglich, Servicefunktionen nur durch Änderung des Steuerungsprogramms zu modernisieren und zu erweitern. Der Frequenzmesser ist für den Einsatz in der Amateurfunkpraxis bestimmt. Damit können Sie Folgendes messen:
Der Frequenzmesser kann auch als digitale Waage für Funkempfangsgeräte verwendet werden. Mit zusätzlichen Aufsätzen kann der Frequenzmesser die Kapazität von Kondensatoren und die Induktivität von Drosseln und Spulen messen. Wichtigste technische Merkmale
Der Frequenzmesser (sein Diagramm ist in Abb. 1 dargestellt) besteht aus einem Signalkomparator, einem Betriebsartenschalter, einem Messzyklus-Synchronisator, einem Impulszähler, einem Mikrocontroller, einer Tastatur, einer Flüssigkristallanzeige und einem Leistungsstabilisator.
Die Eingangsstufe basiert auf einem Komparator von Analog Devices AD8561AR (DA1). Dieser Komparator hat eine typische Latenz von etwa 7 ns. Das Eingangssignal kommt am XP1-Anschluss an und gelangt zur Schutzschaltung R1VD1VD2 und zum Komparator DA1. Die Widerstände R4, R5 bilden eine Komparatorhysterese, um das Auftreten von Sprüngen bei sich langsam ändernden Signalen zu verhindern. Am Ausgang des Komparators wird das Signal durch ein Paar gegenphasiger logischer Pegel dargestellt, die mit den Pegeln der logischen Chips des Frequenzmessers übereinstimmen. Der Betriebsartenschalter basiert auf einem digitalen Multiplexer DD2. Der Schalter schaltet Signale entsprechend der gewählten Betriebsart des Frequenzmessers. Der Synchronisator (Elemente DD1.2, DD1.3, DD4) erzeugt Signale für den Beginn und das Ende des Messzyklus. Der Impulszähler (DD3) zählt die Anzahl der Impulse im Eingangssignal oder Füllimpulse bei der Messung der Impulsbreite. Der Mikrocontroller (DD5) von ATMEL AT89C52-24JC steuert alle Elemente des Geräts: Betriebsartenschalter, Anzeige, Tastatur. Die Taktfrequenz von 10 MHz für den Mikrocontroller wird durch den Quarzresonator BQ1 eingestellt. Beim Einrichten und Überprüfen des Frequenzmessers wird die Taktfrequenz des Mikrocontrollers mit dem Kondensator C6 mithilfe eines industriellen Frequenzmessers auf einen Wert von genau 10 MHz eingestellt. Zur Messung der Pulsdauer wird auch das Signal des Quarzresonators des Mikrocontrollers (BF-Signal) verwendet. In diesem Fall beträgt die Wiederholperiode der Füllimpulse 100 ns. Somit überschreitet auch der Fehler bei der Messung der Pulsdauer diesen Wert nicht. Der Mikrocontroller arbeitet mit dem internen Programmspeicher (Pin 35 von DD5 ist mit dem +5V-Bus verbunden). Beim Einschalten des Frequenzmessers wird der Mikrocontroller durch einen vom Kondensator C5 übertragenen Spannungsabfall in seinen Ausgangszustand versetzt. Über die Tastatur (Tasten SB1, SB2) werden Betriebsarten und Frequenzmesserparameter ausgewählt. Mit der Taste SB1 („Mode“) wählen Sie den Betriebsmodus und mit der Taste SB2 („Parameter“) den Modusparameter aus. Verwenden Sie beispielsweise die Taste SB1, um den Modus „Frequenzmessung“ einzustellen, und verwenden Sie die Taste SB2, um den Wert des Parameters „Messzeit“ auszuwählen – 10 s. Ca. 1 s nach Auswahl einer Betriebsart oder eines Parameters beginnt der Frequenzmesser automatisch mit der Messung. Als Anzeige dient das alphanumerische LCD-Modul ITM1602ASR mit zwei Zeilen à 16 Zeichen. In der ersten Zeile werden der Betriebsmodus und die Parameter des Frequenzmessers angezeigt, in der zweiten Zeile der Messwert. Mit dem Trimmerwiderstand R8 können Sie den Kontrast des Anzeigebildes anpassen. Der Indikator wird an den XS3-Stecker angeschlossen und direkt auf der Platine installiert. Der über ein zusätzliches Kabel angeschlossene Indikator kann auf Wunsch des Benutzers an einem anderen Ort platziert werden. Der integrierte Stabilisator DA2 wird in der Versorgungsspannungsstabilisierungseinheit verwendet. Am XP2-Anschluss wird die Versorgungsspannung von einer externen Quelle zugeführt. Kondensatoren C15, C16 – Eingangsfilter; C13, C14 – Stabilisator-Ausgangsfilter. Die Kondensatoren C7 - C12 sind Sperrkondensatoren und werden in der Nähe der Mikroschaltungen installiert. Der Frequenzmesser verwendet inländische Mikroschaltungen der KR1533-Serie (das importierte Analogon ist 74ALS). Als Impulszähler wird die Mikroschaltung 74NS4040 mit einer maximalen Frequenz von 50 MHz verwendet, was den Frequenzmessbereich einschränkt. Betrachten Sie den Betrieb des Frequenzmessers im Modus zum Messen der Frequenz des Eingangssignals. Das Signal vom Komparator (Schaltung F1) wird dem Betriebsartenschalter (Pin 4 von DD2) zugeführt. Der Mikrocontroller setzt die logischen Signalpegel A = 0 und B = 1 und gibt dann das START-Signal (logisch 1) aus, das den Messvorgang einleitet. Der Trigger DD4.1 schaltet und lässt das Signal zum Ausgang des Schalters (Pin 7 von DD2) und zum Eingang des Impulszählers (Pin 10 von DD3) gelangen. Der Mikrocontroller generiert ein Zeitintervall von beispielsweise 1 s Dauer (TW-Signal). Während dieser Zeit kann das Eingangssignal vom Komparatorausgang zum Eingangssignalimpulszähler übertragen werden. Zählerüberlaufimpulse DD3 werden vom Timer/Zähler 1 des Mikrocontrollers gezählt. Nachdem der Mikrocontroller das angegebene Intervall eingehalten hat, verriegelt der Komparator seinen Ausgang (Pin 5 DAI – LATCH) und die Zählung der Eingangssignalimpulse stoppt. Der Mikrocontroller setzt die logischen Signalpegel A = 1, B = 1 und liest die akkumulierte Zahl aus dem Impulszähler (DD3) mithilfe von „zählenden“ Impulsen (CP-Signal). Der Mikrocontroller berechnet anhand der Formel die Gesamtzahl der Impulse im Impulszähler für das ausgewählte Zeitintervall (und dies ist die Signalfrequenz). X 1048576+ Y 4096 + Z, wobei X der Inhalt der oberen 8 Bits des Zeitgebers/Zählers 1 des Mikrocontrollers ist; Y ist der Inhalt der unteren 8 Bits des Timers/Zählers 1 des Mikrocontrollers; Z - der Inhalt des Impulszählers (DD3). Wenn die Eingangsfrequenz sehr hoch ist, kann es zu einem Überlauf des Zählers/Timers 1 des Mikrocontrollers kommen. In diesem Fall addiert der Mikrocontroller die Zahl 268435456 zum Ergebnis der vorherigen Formel. Betrachten wir die Funktionsweise eines Frequenzmessers am Beispiel der Messung der Dauer eines Impulses positiver Polarität. Signale vom Ausgang des Komparators (Signal F1 für einen positiven Impuls oder Signal F2 für einen negativen Impuls) werden an den Betriebsartenschalter (DD2) gesendet. Der Mikrocontroller stellt die logischen Pegel der Signale A – 0, B – 0 ein. Anschließend wird ein Signal ausgegeben, um den DD4.1-Trigger in den Einzelzustand zu versetzen (WR/CM-Signal). Anschließend erfolgt die Ausgabe des START-Signals (logisch 1), entsprechend dem Start der Messung. Der Mikrocontroller wartet auf die Umschaltung des DD4.2-Triggers. Der Trigger DD4.1 ermöglicht den Durchgang von Füllimpulsen vom Element DD1.1 zum Ausgang des Schalters (Pin 7 von DD2). Mit Beginn des Eingangssignalimpulses werden die Füllimpulse (BF-Signal) über das DD10-Element und den Schalter dem Eingang des Impulszählers (Pin 3 DD1.1) zugeführt. Zählerüberlaufimpulse DD3 werden vom Timer/Zähler 1 des Mikrocontrollers gezählt. Nach dem Ende des Eingangssignalimpulses wechselt der DD4.1-Trigger in den umgekehrten Zustand und die Zählung der Füllimpulse stoppt. Basierend auf dem END-Signal setzt der Mikrocontroller die Signale A = 1, B = 1 und liest den akkumulierten Wert mithilfe von Zählimpulsen (CP-Signal) aus dem Impulszähler (DD3). Die Dauer des gemessenen Impulses wird vom Mikrocontroller anhand der Formel berechnet (X 1048576 + Y 4096 + Z)x100, wobei X - Inhalt der älteren 8 Bits des Zeitgebers/Zählers des 1. Mikrocontrollers; Y - Inhalt der unteren 8 Bits des Zeitgebers/Zählers des 1. Mikrocontrollers; Z - der Inhalt des Impulszählers DD3; 100 - die Wiederholungsperiode der Füllimpulse gleich 100 ns. Bei der Messung der Pulsdauer ist das Zeittor also der Puls selbst. Um die Dauer eines negativen Impulses zu bestimmen, setzt der Mikrocontroller die logischen Signalpegel A = 1, B = 0. Die Software ist in der Sprache C für Mikrocontroller der MCS-51-Familie geschrieben. Konstruktiv ist der Frequenzmesser auf einer doppelseitigen Leiterplatte (Abb. 2) aufgebaut, auf der alle Elemente (Abb. 3) mit Ausnahme des Indikators montiert sind.
In Abb. Zwei runde Pads, üblicherweise ohne Löcher dargestellt, werden durch metallisierte Durchgangslöcher mit den entsprechenden Pads auf der Rückseite der Platine verbunden. Bei der Amateur-Leiterplattenfertigung wird die Metallisierung durch dünne Leiter ersetzt.
Abnehmbare Anschlüsse - PLS-2, PBS-14 sowie eine PLCC-44-Buchse zur Installation von DD5. Einstellen des Frequenzzählers Nach dem Zusammenbau des Frequenzmessers müssen drei Einstellvorgänge durchgeführt werden. 1. Der Anzeigekontrast wird eingestellt, nachdem der Frequenzmesser mit Strom versorgt wird, indem der Abstimmwiderstand R8 eingestellt wird. 2. Um die Frequenz des Quarzoszillators des Mikrocontrollers einzustellen, ist Zugriff auf den Frequenzeinstellkondensator erforderlich. Wenn daher die Stromversorgung des Frequenzmessers ausgeschaltet ist, entfernen Sie das Anzeigemodul von der Platine und schalten Sie dann, während Sie die Taste SB1 gedrückt halten, die Stromversorgung des Frequenzmessers ein. Bei minimaler kapazitiver Kopplung zwischen dem Eingang des Standardfrequenzmessers und Punkt BF (Abb. 3) wird durch Anpassen des Kondensators C6 die Generatorfrequenz auf genau 10 MHz eingestellt. 3. Die Komparatoreinstellung in der Eingangsstufe erfolgt ohne Anlegen eines Signals an den Frequenzmesseranschluss. Nachdem Sie das Gerät eingeschaltet haben, müssen Sie zunächst den Schieberegler des Widerstands R6 ganz nach links drehen und dann den Schieberegler langsam nach rechts drehen, bis „KEIN SIGNAL“ auf der Anzeige erscheint. Nachfolgend werden die Betriebsarten des Frequenzzählers beschrieben. Digitaler Waagenmodus Mit der Taste „MODE“ stellen Sie den Modus „DIGITAL SCALE“ ein. Wählen Sie mit der Schaltfläche „PARAMETER“ den Modusparameter – Frequenz des ZF-Pfades. Diese Frequenz kann aus folgenden Werten ausgewählt werden: +455 kHz; -455 kHz; +465 kHz; -465 kHz; +500 kHz; -500 kHz. Das Vorzeichen vor dem Digitalwert Ff gibt den Vorgang an, den der Frequenzmesser ausführt. Wenn das Vorzeichen „+“ ist, wird die Frequenz Ff zur gemessenen Frequenz addiert, wenn das Vorzeichen „-“ ist, wird sie subtrahiert. Die Frequenzmesszeit in diesem Modus beträgt 0,1 s. Ansicht der Frequenzmesseranzeige im Betriebsmodus: Messung der Frequenz des Eingangssignals Stellen Sie mit der Taste „MODE“ den Modus „FREQUENZ“ ein und wählen Sie mit der Taste „PARAMETER“ den Modusparameter – Messzeit. Der Parameter in Sekunden kann einen der folgenden Werte annehmen: 0,1 s, 1 s; 10 s. Ca. 1 s nach dem Loslassen der Taste wechselt das Frequenzmessgerät automatisch in den Messmodus. Durch die Auswahl eines neuen Parameters wird der aktuelle Messzyklus unterbrochen und ein neuer mit einem neuen Parameterwert gestartet. Frequenzeinheiten (Hz, kHz, MHz) werden automatisch abhängig von der Frequenz des Eingangssignals bestimmt. Ansicht der Frequenzmesseranzeige im Betriebsmodus: bei einer Eingangssignalfrequenz von bis zu 1 kHz bei Eingangssignalfrequenz bis 1 MHz bei einer Eingangssignalfrequenz gleich oder höher als 1 MHz, Das „>“-Symbol hier und unten bedeutet, dass sich der Frequenzmesser im Impulszählmodus befindet. Das heißt, das aktuell auf dem Anzeigegerät angezeigte Messergebnis bezieht sich auf den vorherigen Messzyklus. Messen der Periode des Eingangssignals Mit der Taste „MODE“ wählen Sie den Modus „SIGNALPERIODE“. Für diesen Modus müssen keine Parameter eingestellt werden. Ca. 1 s nach dem Loslassen der Taste wechselt das Frequenzmessgerät automatisch in den Messmodus. Die Periode T des Eingangssignals ist der Kehrwert seiner Frequenz F. Daher misst der Frequenzmesser zunächst die Frequenz des Eingangssignals mit einer Messzeit von 1 s und zeigt das Ergebnis nach der Berechnung auf dem Anzeigegerät an. Ansicht der Frequenzmesseranzeige im Betriebsmodus: Frequenzabweichungsmessung Mit der Taste „MODE“ wählen Sie den Modus „DEVIATION“. Für diesen Modus müssen keine Parameter eingestellt werden. Ca. 1 s nach dem Loslassen der Taste wechselt das Frequenzmessgerät automatisch in den Messmodus. Die Abweichung (oder Drift) ist definiert als die Differenz zwischen dem Strom und der Frequenz, die zu Beginn der Messung in diesem Modus herrschte. In diesem Fall kann die Frequenzdrift (Abweichung) sowohl positiv als auch negativ sein. Daher wird der Abweichungswert auf dem Indikator mit einem Vorzeichen angezeigt. Um eine neue Frequenzdriftverfolgung zu starten, müssen Sie auf die Schaltfläche „PARAMETER“ klicken. Ansicht der Frequenzmesseranzeige im Betriebsmodus: Messung der Pulsdauer positiver Polarität Mit der Taste „MODE“ wählen Sie den Modus „PULSE“. Mit der Taste „PARAMETER“ wählen Sie den Modusparameter – Impulspolarität. Für einen positiven Impuls wird seine Dauer mit „P“ und das Intervall zwischen den Impulsen mit „0“ bezeichnet. Ca. 1 s nach dem Loslassen der Taste wechselt das Frequenzmessgerät automatisch in den Messmodus. Ansicht der Frequenzmesseranzeige im Betriebsmodus: Kapazitätsmessung Wenn Sie einen Anschluss an einen Frequenzmesser haben, der die Periode misst, können Sie die Kapazität aller Kondensatoren im Bereich von 10 pF bis zu Hunderten von μF messen. Sein Diagramm ist in Abb. dargestellt. 4.
Der auf dem Operationsverstärker DA1 montierte Multivibrator erzeugt Impulse mit einer Periode proportional zur Kapazität Cx. Dies wird durch den Ausdruck beschrieben Тх= 2CхRэ-lп[(R4+R4')/(R4-R4')]. Hier entspricht der Wert von R4' dem Widerstand des Teils des Trimmwiderstands zwischen dem Motor und dem unteren Anschluss im Stromkreis. Wenn der Widerstandsschieber R4 so installiert ist, dass ln[(R4+R4')/(R4-R4')] – 0,5 ist, dann ist Tx = C×Re, und bei Re = 1 MΩ entspricht der Kapazitätswert von 10 pF der Dauer von Die Periode der erzeugten Impulse beträgt 10 μs, und bei Re = 10 kOhm entspricht der Wert von 1 μF einer Dauer von 10000 μs. Der Aufsatz enthält einen Referenzkondensator Se (3000...10000 pF), mit dem Sie den Aufsatz kalibrieren und auch Kapazitäten unter 10 pF messen können. Es empfiehlt sich, die Genauigkeit des Referenzkondensators mit einem Fehler von nicht mehr als 0,5...1 % zu wählen. Die Kalibrierung der Set-Top-Box besteht darin, den Wert des Referenzkondensators am Frequenzmesser mithilfe des Trimmwiderstands R2 (10 kOhm) einzustellen. Te im Frequenzmesser sollte gleich 1 μs sein (Fe = 1 MHz). Aufgrund von Störungen können niederwertige Bits periodisch ihren Wert ändern. In den meisten Fällen ist die Genauigkeit der Kapazitätsmessung jedoch durchaus zufriedenstellend. Um die Kapazität zu messen, wählen Sie mit der Taste „MODE“ den Modus „KAPAZITÄT“ aus. Dieser Modus hat keine Parameter. Ca. 1 s nach dem Loslassen der Taste wechselt das Frequenzmessgerät automatisch in den Messmodus. Ansicht der Frequenzmesseranzeige im Betriebsmodus: Messung der Induktivität Wenn Sie einen Aufsatz haben (das Diagramm ist in Abb. 5 dargestellt), können Sie die Induktivität im Bereich von 1 μH...2 H messen.
Das Messprinzip basiert auf dem Verhältnis der Periode harmonischer Schwingungen zur Induktivität und Kapazität des Schwingkreises des Generators im Anhang: T2 = LC/25330, wobei T in Sekunden, L in µH, C in pF ist. Wenn wir also eine Schaltungskapazität von 25330 pF verwenden, wird der numerische Wert der Induktivität aus dem folgenden Verhältnis berechnet: L \u2d T1 \u2d XNUMX / FXNUMX, wobei F die Schwingungsfrequenz ist. Um die Induktivität mit einem Frequenzmessgerät mit Aufsatz zu messen, wählen Sie mit der Taste „MODE“ den Modus „INDUKTIBILITÄT“ aus. Ca. 1 s nach dem Loslassen der Taste wechselt das Frequenzmessgerät automatisch in den Messmodus. Die Zahlenwerte der Messwerte entsprechen der Induktivität in µH. Ansicht der Frequenzmesseranzeige im Betriebsmodus: Der Aufsatz besteht aus einem Messgenerator (VT1-VT5), dessen Frequenz durch die Kapazität der Kondensatoren C1, C2 (Gesamtkapazität ca. 25330 pF) und die an die Eingangsklemmen der Spule angeschlossene Induktivität bestimmt wird. Um ein Signal mit TTL-Pegel zu erzeugen, wird ein Schmitt-Trigger (VT6, VT7) verwendet. Die Amplitude der Schwingungen wird durch eine Schaltung auf den Dioden VD1, VD2 und den Transistoren VT4, VT5 stabilisiert, die über einen Emitterfolger auf dem Transistor VT3 mit dem Generator verbunden ist. Mit dem angegebenen Wert der Kapazität C1, C2 und der gemessenen Induktivität von 1 μH beträgt die Erzeugungsfrequenz 1 MHz. Mit einer Induktivität von 2 H - 700 Hz. Um einen solchen Bereich abzudecken, insbesondere im Hochfrequenzbereich, ist es notwendig, die Transistoren VT1, VT2 mit einem Basisstromübertragungskoeffizienten von mindestens 150 auszuwählen. Kondensatoren C1, C2 - K73-17 oder ähnliches mit einem kleinen TKE. Insgesamt sollte ihre Kapazität um nicht mehr als 1...2 % von der angegebenen abweichen. Die Breite des Messbereichs wird auch vom VT5-Transistor bzw. seinem Basisstromübertragungskoeffizienten beeinflusst. Die besten Ergebnisse wurden bei Verwendung von GT311-Transistoren mit einer Verstärkung von 30...50 erzielt. Das Präfix muss normalerweise nicht konfiguriert werden, wenn die angegebenen Anforderungen erfüllt sind. Software für den Mikrocontroller Adapter für Mikrocontroller AT89C52-24JC Autoren: S. Zorin, N. Koroleva, Ischewsk
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