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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Multifunktionaler Frequenzmesser. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Messtechnik Das vorgeschlagene Gerät kann zusätzlich zur üblichen Messung der Frequenz von Signalen auch deren Periode sowie die Dauer positiver und negativer Impulse messen. Darüber hinaus wird die Frequenz von Signalen unter 1 kHz als Kehrwert ihrer Periode berechnet, und die Wiederholungsperiode von Signalen unter 1000 μs wird als Kehrwert ihrer Frequenz berechnet. Dadurch wird die Messgenauigkeit verbessert. Es war einmal, als ich einen damals sehr beliebten Denisov-Frequenzmesser [1] bzw. dessen Version [2] auf einem PIC16F628A-Mikrocontroller und einer ALS318-LED-Anzeige zusammenbaute. Viele Jahre später fiel er mir erneut ins Auge. Dieses Gerät misst die Frequenz einwandfrei, ist aber zu primitiv und die Messwerte flackern ständig. Auf der gleichen Grundlage wurde beschlossen (durch Änderung der Verbindung zweier Pins des Mikrocontrollers, der Eingangskreise und der Stromkreise), ein Gerät zu schaffen, das die Mängel seines Prototyps nicht aufweist und außerdem um neue Funktionen und Modi ergänzt wird. Das nachfolgend beschriebene Gerät verfügt über folgende Fähigkeiten: „normale“ Frequenzmessung durch Zählen der Anzahl der Impulse innerhalb einer Sekunde; Messen der Frequenz niederfrequenter Signale als Kehrwert ihrer Periode; Messen der Periode eines Signals, wobei die Periode von Hochfrequenzsignalen als Kehrwert ihrer Frequenz berechnet wird; Messung der Impulsdauer sowohl positiver als auch negativer Polarität. Es besteht auch die Möglichkeit, in jedem Modus einen Messwert im nichtflüchtigen Speicher des Mikrocontrollers zu speichern und ihn dann bei Bedarf anzuzeigen. Es ist möglich, die Geräteeinstellungen schnell zu ändern und es bei fehlenden äußeren Einflüssen für eine bestimmte Zeit automatisch auszuschalten. Wichtigste technische Merkmale
Das Frequenzmesserdiagramm ist in Abb. dargestellt. 1. Der Mikrocontroller PIC16F628A (DD1) steuert die Anoden der Anzeigeelemente HG3 und HG0 über die Begrenzungswiderstände R2-R4 unter Verwendung der an den Ausgängen RA7, RB10-RB17, RB1-RB2 erzeugten Signale, die als zwei vierstellige Sieben verwendet werden -Element-LED-Anzeigen mit gemeinsamen Kathoden der Elemente jeder Kategorie FYQ-3641AHR-11. Die Signale, die die Kathoden der Anzeigebits steuern, kommen von den Ausgängen des 74HC138N (DD2)-Decoders, dessen Eingänge Signale von den RAO-RA2-Leitungen des im Ausgabemodus arbeitenden Mikrocontrollers empfangen. Über die gleichen Leitungen prüft das Programm im Eingabemodus den Status der Steuertasten SB1 und SB2. Die Widerstände R1-R4 stellen beim Drücken und Loslassen der Tasten die erforderlichen Potentiale an den Eingängen ein.
Der Mikrocontroller wird von seinem internen Oszillator getaktet, dessen Frequenz 16 MHz beträgt und durch einen externen Quarzresonator ZQ1 eingestellt wird. Der MCLR-Pin wird nicht verwendet und ist zur Vermeidung von Ausfällen an die positive Versorgungsspannung des Mikrocontrollers angeschlossen. Das Programm führt Vorgänge im Zusammenhang mit der dynamischen Anzeige im Verfahren zur Verarbeitung von Interrupt-Anfragen vom TMR2-Timer aus, gefolgt von einer Periode von 2 ms. Daher werden die Informationen zum achtstelligen Indikator mit einer Frequenz von 1/(8x0,002) = 62,5 Hz aktualisiert. Dadurch wird gewährleistet, dass die Anzeige in allen Betriebsmodi des Gerätes unbemerkt flackert. Das Signal vom Eingangsverstärker-Former wird den kombinierten Leitungen RA4 und RB3 zugeführt (Pins 3 und 9 des Mikrocontrollers mit alternativen Funktionen T0CKI und CCP1). Im Modus eines herkömmlichen Frequenzmessers ist T0CKI der Impulszählereingang, und die RB3-Leitung, die im Eingangs- und Ausgangsmodus arbeitet, wird zum programmatischen Öffnen und Schließen des Zählereingangs und der anschließenden „zusätzlichen Zählung“ verwendet. Bei der Messung von Periode und Dauer fungieren beide Leitungen als Eingänge T0CKI und CCP1. In diesem Fall wird ein Algorithmus verwendet, der den Zustand des TMR1-Registers zum Zeitpunkt des Signalabfalls erfasst, die Zeitintervalle zwischen diesen Zeitpunkten berechnet und die Richtigkeit des Ergebnisses durch Analyse des Inhalts des TMR0-Registers überwacht. Die Idee besteht darin, dass das gemessene Signal den kombinierten Zähl- und Timer-Erfassungseingängen des Mikrocontrollers zugeführt wird. Dadurch können Sie anhand der Anzahl der vom Timer TMR0 gezählten Tropfen beurteilen, ob die erforderlichen Tropfen von der TMR1-Timer-Erfassungseinheit aufgrund unzureichender Leistung des Mikrocontrollers übersehen wurden. Der Eingangsverstärker-Former an den Transistoren VT1 und VT2 ist nach einer bekannten und bewährten Schaltung aufgebaut. Die relativ große Kapazität der Kondensatoren C1 und C9 erklärt sich aus der Notwendigkeit, eine untere Grenze des Durchlassbereichs von nicht mehr als 1 Hz bereitzustellen (zu diesem Zweck wird der Widerstand R20 verwendet, der den Eingangswiderstand der Stufe am Transistor VT2 erhöht). . Die Elemente C8, C10, C11, L1 erhöhen den Übertragungskoeffizienten des Shaper-Verstärkers für Signale nahe der maximal gemessenen Frequenz. Der Widerstand R5 und die Dioden VD1, VD2 schützen den Transistor VT1 vor einem Durchbruch durch das Eingangssignal. Der Shaper-Verstärker verbraucht erheblichen Strom (ca. 5 mA). Um im Ruhemodus des Geräts Strom zu sparen, war es daher erforderlich, ihn über einen Schalter am VT3-Feldeffekttransistor mit p-Typ-Kanal vom Verstärker zu trennen. Da keine freien Pins vorhanden sind, steuert der Mikrocontroller diese Taste mit einem Signal vom Ausgang RA2, der auch zur Steuerung des Decoders DD2 verwendet wird. Im Betriebsmodus handelt es sich bei dem Signal an diesem Pin um Rechteckimpulse mit einer Folgefrequenz von 125 Hz. Wenn der Logikpegel dieses Signals niedrig ist, wird der Kondensator C13 über die Schaltung VD3R23 geladen und der Transistor VT3 wird mit einer gegenüber der Quelle negativen Gate-Spannung geöffnet. Bei einem hohen Signalpegel verhindert die Diode VD3, dass sich der Kondensator über den relativ kleinen Widerstandswert des Widerstands R23 entlädt. Die Zeitkonstante der C13R24-Schaltung ist so groß gewählt, dass Störungen mit einer Frequenz von 125 Hz nicht in den Eingangsverstärker-Former gelangen. Im Schlafmodus setzt der Mikrocontroller den RA2-Ausgang auf einen konstant hohen Logikpegel. Der Kondensator C13 wird über den Widerstand R24 entladen und nach etwa 3...5 s schließt der Transistor VT3 und trennt den Treiberverstärker vollständig von der Stromquelle. Dadurch überschreitet der vom Gerät im Ruhemodus verbrauchte Strom nicht mehr als 10 μA, wodurch Sie auf Wunsch auf einen mechanischen Netzschalter verzichten können. Die Leitungen RA0 und RA1 des Mikrocontrollers im Schlafmodus sind als Eingänge konfiguriert und an ihnen (sowie an den Eingängen 1 und 2 des Decoders) wird beim Loslassen der Tasten SB1 und SB2 dank der Widerstände R1 ein hoher logischer Spannungspegel eingestellt und R3. Der High-Pegel wirkt auch am Eingang 4 des Decoders. Diese Pegelkombination an seinen Eingängen entspricht einem Low-Pegel am Ausgang 7, der über den Widerstand R21 der Leitung RB7 des Mikrocontrollers zugeführt wird, der in diesem Fall als Eingang dient. Wenn Sie eine beliebige Taste drücken, ändert sich der Code an den Eingängen des Decoders, sodass an seinem Ausgang 7 der niedrige Pegel durch einen hohen Pegel ersetzt wird, der über den Widerstand R21 an den Eingang RB7 des Mikrocontrollers übertragen wird. Im Schlafmodus wird ein Interrupt aktiviert, wenn sich der Pegel an diesem Eingang ändert. Wenn Sie also eine beliebige Taste drücken, kehrt der Mikrocontroller in den aktiven Modus zurück. Das Gerät wird mit einer Spannung von 5 V vom integrierten Spannungsstabilisator NCP551SN50 (DA1) versorgt. Diese Mikroschaltung zeichnet sich durch eine geringe zulässige Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung und einen äußerst geringen Eigenstromverbrauch (typischer Wert - 4 μA) aus. Die Verwendung eines herkömmlichen 78L05-Stabilisators ist stattdessen möglich, macht jedoch aufgrund des hohen internen Stromverbrauchs des Stabilisators (ca. 3 mA) die Bedeutung des Schlafmodus zunichte. Alle Geräteteile sind auf einer 63x65 mm großen Leiterplatte aus einseitiger Glasfaserfolie untergebracht. Eine Zeichnung der Leiterplattenleiter ist in Abb. dargestellt. 2. Die Lage der Teile auf den beiden Seiten ist in Abb. dargestellt. 3. Die Abmessungen der Platine sind so gewählt, dass sie bequem im Gehäuse des Multimeters DT-830 platziert werden kann, nachdem zuvor die Kunststoffständer darin abgeschnitten wurden. Gleichzeitig ist genügend Platz für verschiedene Batterieoptionen – von einer Krona-Batterie bis hin zu fünf oder sechs galvanischen oder AAA-Batteriezellen. Dadurch, dass alle Teile, inklusive Tasten, Eingangsstecker und Schraubblock zur Spannungsversorgung, kompakt auf der Platine untergebracht sind, können Sie das Gerät auch ohne Gehäuse nutzen. Bitte beachten Sie, dass sich die Anzeigen unten auf der Platine befinden. Diese Anordnung ist etwas ungewöhnlich, bietet aber einen größeren Betrachtungswinkel für den Indikator.
FYQ-3641AHR-11-Indikatoren können durch andere mit gemeinsamen Kathoden ersetzt werden, zum Beispiel CPD-03641. Wenn Sie anstelle des 74HC138N-Decoders den 74AC138N einbauen, können Sie bei Bedarf den Strom und damit die Helligkeit der Anzeigen um das Zweifache erhöhen, indem Sie den Widerstand der Widerstände R10-R17 auf 390 Ohm reduzieren. Dann erhöht sich jedoch der vom Gerät im Betriebsmodus verbrauchte Strom proportional. Meiner Meinung nach ist die Helligkeit der Anzeigen auch bei den im Diagramm angegebenen Werten dieser Widerstände ausreichend. Ein Quarzresonator kann nicht nur bei einer Frequenz von 16 MHz, sondern auch bei 4 MHz eingesetzt werden, allerdings erhöht sich in diesem Fall die minimal gemessene Pulsdauer um das Vierfache. Optionen für das Mikrocontroller-Programm für beide angegebenen Werte der Resonatorfrequenz sind dem Artikel beigefügt. Die Tasten SB1 und SB2 sind takteckig. Anstelle des BF998-Transistors können Sie auch den BF998R verwenden; der Unterschied besteht lediglich in der zueinander spiegelbildlichen Anordnung der Pins. Daher muss der BF988R-Transistor verkehrt herum auf der Platine montiert werden. Der KT368A-Transistor kann durch jeden ähnlichen NPN-Transistor mit geringer Leistung und einer Grenzfrequenz von mindestens 300 MHz ersetzt werden. Die Dioden 1N4148 können durch die inländischen Serien KD521, KD522 ersetzt werden. Die XW1-Eingangsbuchse nutzt einen Blockteil des Netzteilanschlusses, der für einen Stecker mit einem Durchmesser von 5,5 mm ausgelegt ist. An den Stecker wird ein 50 cm langes Stück abgeschirmtes Kabel angelötet, an dessen gegenüberliegendem Ende eine Sonde an den Mitteldraht und an dessen Geflecht eine Krokodilklemme angelötet ist. Um die Abmessungen zu reduzieren, werden Kondensatoren und Widerstände hauptsächlich für die Oberflächenmontage der Standardgröße 0805 verwendet. Der Kondensator C13 ist Tantal. Um ungewollte Kurzschlüsse auf den Leiterbahnen zu vermeiden, sind an den Stellen, an denen sie unter den oberflächenmontierbaren Elementen verlaufen, Streifen aus Papierklebeband vorgeklebt. Ausgangswiderstände werden dort eingesetzt, wo es im Hinblick auf eine komfortable Verdrahtung von Leiterbahnen sinnvoll ist. Zuerst sollten die oberflächenmontierten Elemente auf der Platine installiert werden, dann die Überbrückungsdrähte und zuletzt die Anschlusskabelelemente. Im Extremfall kann der Stabilisator NCP551SN50T1 durch den weniger seltenen LP2950CZ-5.0 ersetzt werden. Dafür gibt es auf der Platine einen Steckplatz mit der Bezeichnung DA1. Allerdings erhöht sich in diesem Fall der im Ruhemodus verbrauchte Strom auf 70...100 µA. Das Aussehen der zusammengebauten Platine ist in Abb. 4 dargestellt. vier.
Bei Verwendung der im Diagramm angegebenen Elemente und eines hochwertigen Quarzresonators sind die am Anfang des Artikels angegebenen Eigenschaften des Gerätes ohne jegliche Anpassung gewährleistet. Wenn Sie über einen genauen Standard-Frequenzmesser verfügen, ist es sinnvoll, ein Signal mit einer Frequenz von 5...30 MHz an den Eingang des Geräts anzulegen und dessen Wert mit einem Standard-Frequenzmesser zu kontrollieren, um möglichst genaue Messwerte zu erhalten hergestellten Gerät durch Anpassen mit dem Trimmkondensator C7. Wählen Sie bei Bedarf den Widerstand R19 aus, um am Kollektor des Transistors VT2 eine konstante Spannung zwischen 2 und 3 V einzustellen. Das Mikrocontroller-Programm ist in der Assemblersprache MPASM geschrieben. Die dem Artikel beigefügten HEX-Dateien zum Laden in den Speicher des Mikrocontrollers (fmeter_X16_FULL.HEX für einen 16-MHz-Quarzresonator und fmeter_X4_FULL.HEX für einen 4-MHz-Quarzresonator) wurden durch Ausstrahlen des Programms in der MPLAB-Umgebung erhalten. Um alle Fähigkeiten des Geräts voll auszunutzen, ist es vorzuziehen, einen 16-MHz-Resonator zu verwenden. Das Konfigurationswort wird bei der Übersetzung automatisch in die HEX-Datei des Programms eingetragen, sodass keine manuelle Installation der Konfiguration erforderlich ist. Wenn Sie das Gerät nach der Begrüßung einschalten, zeigt die Anzeige die Messwerte entsprechend dem zuvor ausgewählten Modus an. Wenn Sie die Taste SB1 drücken, erscheint der Name des aktuellen Modus auf der Anzeige (in den meisten Fällen sofort, manchmal müssen Sie die Taste jedoch möglicherweise bis zu 2 Sekunden lang gedrückt halten). Wenn Sie anschließend diese Taste drücken, ändern sich die Modi und ihre Namen auf der Anzeige kreisförmig: ein normaler Frequenzmesser Das Drücken der SB2-Taste während der Anzeige eines beliebigen Modus auf dem Display führt dazu, dass das Gerät in den Ausgangszustand zurückkehrt und den entsprechenden Modus wechselt. Wenn während der Wartezeit (3...10 s) keine Taste gedrückt wird, kehrt das Gerät in den Ausgangszustand im vorherigen Modus (vor dem Drücken der SB1-Taste) zurück. Wenn Sie nach dem Erscheinen des Modusnamens auf der Anzeige die Taste SB1 länger als 3 s gedrückt halten, erscheint die Aufschrift auf der Anzeige Durch Drücken der SB2-Taste, während der Text angezeigt wird Die Elemente dieses Menüs werden nacheinander durch Drücken der Taste SB1 umgeschaltet, und durch Drücken der Taste SB2 ändert sich der Wert des aktuellen Parameters, der sofort auf der Anzeige angezeigt wird. Beenden mit Speichern der eingestellten Parameterwerte – nach Ablauf der Wartezeit ohne Tastenbetätigung. Durch Drücken der SB2-Taste im Ausgangszustand (in einigen Modi muss das Drücken bis zu 2 s lang erfolgen) erscheint die Aufschrift auf der Anzeige Der Übergang in den Schlafmodus erfolgt auch, wenn 8–64 Minuten lang keine Tastenbetätigung erfolgt. Herkömmlicher Frequenzzähler Der Betrieb des Geräts in diesem Modus basiert auf der Zählung der Impulse des gemessenen Signals durch den TMR0-Mikrocontroller-Timer über ein bestimmtes Zeitintervall. Dieses Intervall (1 s) wird in der TMR3-Timer-Interrupt-Verarbeitungsprozedur gezählt und mit einer Periode von 2 ms aufgerufen. Das gleiche Verfahren führt eine dynamische Anzeige durch. Wenn die Frequenz des gemessenen Signals weniger als 10 MHz beträgt, wird das Vorzeichen angezeigt Niederfrequenzzähler Im Niederfrequenz-Frequenzmessermodus wird bei der Messung von Frequenzen bis zu 1000 Hz die Signalperiode tatsächlich gemessen und die Frequenz als Kehrwert berechnet und in Tausendstel Hertz angezeigt (in der vierten Ziffer ist ein Komma enthalten). Anzeige von rechts). Liegt die Frequenz über 1000 Hz, wird sie wie üblich gemessen. Die Rückwärtsschaltung erfolgt mit einer Frequenz von 900 Hz. Dieser Modus ermöglicht es Ihnen, mit einer kurzen Messzeit mindestens drei Dezimalstellen des Frequenzwerts nach dem Komma auf dem Indikator zu erhalten. Zeichen des Regimes - Zeichen Periodenmessung Wenn in diesem Modus die Periode des gemessenen Signals mehr als 1000 μs beträgt, erfolgt eine direkte Messung mit dem Mikrocontroller-Timer TMR1, der durch Zählen von Impulsen mit einer Frequenz von 1 MHz vom internen Oszillator getaktet wird. Bei einer kleineren Periode des Signals wird dessen Frequenz gemessen und die Periode als ihr Kehrwert berechnet. Das Ergebnis wird immer in Mikrosekunden angezeigt, im letzteren Fall mit drei Nachkommastellen. Moduszeichen - Zeichen Impulsbreitenmessung Bei positiven und negativen Impulsen unterscheidet sich dieser Modus nur dadurch, dass im ersten Fall die Zeit von der ansteigenden bis zur abfallenden Flanke des Signals gemessen wird und im zweiten Fall die Zeit von der abfallenden bis zur ansteigenden Flanke. Die Messung erfolgt durch direktes Zählen des Zeitintervalls zwischen den Tropfen durch den Mikrocontroller-Timer TMR1, der von einem internen Generator durch Impulse mit einer Periode von 0,25 μs getaktet wird. Dadurch ist eine zuverlässige Messung von Dauern ab 3 μs gewährleistet. Wenn die gemessenen Impulse kürzer als der angegebene Wert sind, hat das Timer-Erfassungsmodul manchmal keine Zeit, beide Flanken zu erfassen, wodurch es auf die Dauer eines Impulses beschränkt wird und die letzte Flanke des nächsten Impulses erfasst (oder indem es mehrere Impulse auslässt). Durch den Vergleich der Ergebnisse der Messung der Dauer und Wiederholungsperiode der Impulse identifiziert das Programm eine solche Situation und subtrahiert den Wert der Wiederholungsperiode von der gemessenen Dauer. Das Ergebnis ist in diesem Fall naturgemäß weniger zuverlässig. Wenn eine Dauer von mehr als mehreren Impulswiederholungsperioden empfangen wird, wird eine Meldung zu hoher Signalfrequenz angezeigt. Impulsdauern unter 32768 μs werden mit einer Auflösung von 0,25 μs angezeigt, längere mit 1 μs. Zeichen des Regimes - Zeichen Es ist zu beachten, dass die Asymmetrie des Eingangsteils des Geräts sowie das Vorhandensein eines Schmitt-Triggers am Eingang RB3/CCP1 (Pin 9) des Mikrocontrollers zu einem großen Fehler bei der Messung der Dauer von Impulsen mit Flat führt Tropfen. Dieser Fehler nimmt mit zunehmender Signalamplitude ab. Der Versuch, Signale mit Amplituden von weniger als 0,1 V in einem beliebigen Modus zu messen, kann zu falschen Messwerten führen. Dies gilt jedoch auch für andere ähnliche Geräte. Bei einem bekanntermaßen stabilen Eingangssignal können erhebliche Messwertschwankungen ein indirektes Zeichen für eine unzureichende Amplitude sein. Wenn die Parameter des Eingangssignals die Durchführung der Messung nicht zulassen, werden auf der Geräteanzeige folgende Meldungen angezeigt: Literatur
Das Mikrocontroller-Programm kann von ftp://ftp.radio.ru/pub/2015/05/fmeter.zip heruntergeladen werden. Autor: B. Balaev
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und wieder ein normaler Frequenzmesser.
. In diesem Fall wird das Gerät durch Drücken der SB2-Taste sowie durch Nichtbetätigen der Tasten während der Wartezeit in den Schlafmodus versetzt, der durch Drücken einer beliebigen Taste verlassen werden kann. Das Drücken der SB1-Taste in diesem Modus (natürlich nach dem Loslassen) führt zum abwechselnden Erscheinen der Beschriftungen auf dem Display 
.
- Anzeigezeitraum, s; 
- Wartezeit auf einen Tastendruck, s; 
- Zeit bis zur automatischen Abschaltung, min. Die Nullen in diesen Beschriftungen werden durch die aktuellen Werte der entsprechenden Parameter ersetzt und blinken zur besseren Sichtbarkeit.
. Das Loslassen der Taste unmittelbar nach dem Erscheinen führt zur Anzeige des zuvor im nichtflüchtigen Speicher des Mikrocontrollers gespeicherten Messwerts auf der Anzeige für 8 s und blinkt, um vom aktuellen Messwert abzuweichen. Wenn, wenn die Inschrift erscheint 
auf dem Indikator.
in der höchstwertigen Ziffer des Indikators.
in den beiden höchstwertigen Ziffern des Indikators. Bei hohen Frequenzwerten werden sie abwechselnd durch höherwertige Bits ungleich Null des Messergebnisses gelöscht.
in der höchstwertigen Ziffer (mit direkter Messung der Periode) oder Vorzeichen 
in den beiden höchstwertigen Ziffern (bei der Messung der Periode durch die Frequenz). Wie in anderen Modi werden diese Vorzeichen durch höherwertige Bits ungleich Null des Ergebnisses überschrieben.
(Messung der Dauer positiver Impulse) oder 
(Messung der Dauer negativer Impulse) in den beiden höchstwertigen Ziffern des Indikators. Wird das Ergebnis angepasst an die Dauer der Pulswiederholungsperiode erhalten, so ergibt sich das Vorzeichen 
blitzt.
- Frequenz zu hoch, 
- Zeitraum ist zu lang, 
- kein Signal.
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