Этот простой и удобный частотомер может измерять частоты FM диапазона и имеет автономное питание. Большинство аналогичных устройств имеет ЖК дисплеи со встроенным контроллером, что увеличивает общий ток потребления прибора . Также, многие высокочастотные частотомеры используют микросхемы с большим током потребления. Данное же устройство построено на современных экономичных микросхемак, что позволяет питать его от одной батарейки размера АА.
Характеристики частотмера
- Диапазон частот: 1Гц - 150MГц
- Диапазон амплитуд входного сигнала: 250mV - 5V
- Разрешение: до 5 знаков
- Точность: 4 знака
- Время измерения: 0.1 сек или 1сек; автоматический выбор
- Полностью автоматическая работа
- Работает от одной батарейки AA; потребляемый ток < 15mA
О точности измерений
В частотомере использован кварц на частоту f0=100KГц и допуском Δf/f0 = ±30ppm. Это означает, что реальная частота лежит в диапазоне 100KГц·(1 ± 3·10-5). То есть максимальное отклонение от 100KГц составляет 3Гц. Как это влияет на точность измерений?
Частотомер считает количество периодов, прошедших за интервал 0.1 сек. Таким образом, точность определяется точностью измерения этого интервала. В этом частотомере этот интервал устанавливается как скважность ШИМ модуля контроллера. Формула для скважности такова: (CCPR1L:CCP1CON<5:4>)·Tosc·(TMR2 prescale value) = 625·Tosc·16, гдеTosc = 1/f0 = 10-5 сек. Приводя к точности кварца, получаем разброс: 104·10-5(1± 3·10-5)= 0.1± 3·10-6сек. Другими словами, точность отсчета временных интервалов зависит от точности кварцевого резонатора.
Возьмем крайний случай - временной интервал равен 0.1+3·10-6 сек. Пусть входная частота равна N герц (=периодов в секунду). Тогда измеренное значение будет N·(0.1+3·10-6) = N/10 + (N/10)·3·10-5. В 0.1 секундном мы получаем значение частоты N/10 периодов, поэтому разница между измеренным и реальным значением N/10 будет (N/10)·3·10-5. Для частот больше, чем 333 KГц (3.33·105Гц) разница превышает 1, так что для этих частот наш счетчик будет показывать неправильное значение N/10. Важным следствием этих соображений является то, что можно гарантировать только 4 старших разряда измеренной частоты N/10, иногда 5 разрядов.
Расчеты показывают, что при использовании кварцев с допуском несколько десятков ppm невозможно гарантировать точность в 6 или более знаков. А так как мы не можем гарантировать точность младших разрядов, то и нет смысла их отображать. Поэтому в частотомере отображается только 5 старших разрядов частоты, игнорируя остальные разряды.
Но на точность измерений влияет не только точность кварца, но и эффект его старения и рабочая температура. Однако, при температурах 10°C - 40°C влияние температуры на общую точность составляет не более ±10ppm, так что мы все равно можем гарантировать 4 - 5 ти значную точность.
Форматирование вывода
На индикаторе, используемом в частотомере есть только восемь 7-сегментных символов, поэтому применена специальная схема отображения диапазонов частот. Схема показана в таблице ниже. Незначащие нули не отображаются и показаны серым цветом. Диапазон отображается справа в экспоненциальной системе. Где символ E представляет 10 а число - степень 10ти.
| Индикация | Диапазон измерений | Время счета |
|---|---|---|
| 0. 0. 0. 0. 1 0. E 0 | 0 - 9 Гц | 1 сек |
| 0. 0. 0. 1 2 0. E 0 | 10 - 99 Гц | 1 сек |
| 0. 0. 1 2 3 0. E 0 | 100 - 999 Гц | 1 сек |
| 0. 1. 2 3 4 0. E 3 | 1 - 9.999 KГц | 1 сек |
| 1 2. 3 4 5 0. E 3 | 10 - 99.999 KГц | 1 сек |
| 1 2 3. 4 5 0. E 3 | 100 - 999.99 KГц | 0.1 сек |
| 1. 2 3 4 5 0. E 6 | 1 - 9.9999 MГц | 0.1 сек |
| 1 2. 3 4 5 0. E 6 | 10 - 99.999 MГц | 0.1 сек |
| 1 2 3. 4 5 0. E 6 | 100 - 150 MГц | 0.1 сек |
Измеренная частота представлена целым числом с 1 до 8 цифр. Значения, имеющие более 5 цифр округляются до ближайшего целого цначения, имеющего 5 ненулевых цифр в старших разрядах. Например, значение 12,345,678 округляется до 12,346,000 ( на дисплее 12.346 E6 ), а 12,345,456 округляется до 12,345,000 (на дисплее 12.345 E6).
Железо
На входе схемы стоит предварительный усилитель, построенный на высокоскоростном компараторе LT1715. Согласно даташиту, он может работать на 150MГц. Входы второго компаратора, находящегося в корпусе микросхемы соединены с землей и шиной +5V для предотвращения его срабатывания и влияния на работающий компаратор. Компаратор - самое медленное устройство в схеме и он определяет верхнюю границу измерений. Резисторы по 10K сдвигают уровень на входах компаратора приблизительно до 2V. Резистор на 100 Ом добавлен для небольшого увеличения напряжения на инвертирующем входе. Поэтому в спокойном состоянии на выходе всегда 0. Разница во входных напряжениях составляет около 110мВ и определяет чувствительность предусилителя. Входное напряжение для гарантированной работы должно быть 150 мВ. Резистор 10K на выходе компаратора необязателен.
Выход компаратора соединен с 4-битным двоичным асинхронным счетчиком SN74LV161A с макимальной рабочей частотой 220MГц при питании от 5 В. Счетчик использован как предделитель для таймера TMR1. Он делит входную частоту на 16, поэтому на вход контроллера попадает максимум 10MГц, что удовлетворяет требованиям минимального периода в 60 нсек, требуемых для работы таймера TMR1 в асинхронном режиме. Все 4 выхода счетчика соединены с контроллером и на них образуются 4 старших бита измеряемых импульсов.
Сердце частотомера - контроллер PIC16F648A ( можно использовать PIC16F628A).
Контроллер PCF8562 управляет ЖК дисплеем VM-838. На плате микросхема контроллера дисплея расположена под ЖКИ.
Напряжение питания 5 В получается с помощью DC/DC преобразователя NCP1400A. Он обеспечивает 5 вольт от одной батарейки AA. Ток потребления после преобразователя около 10 мA в покое, 9 мA из которых потребляется входным компаратором. Однако ток потребления от самой батарейки будет в 5 - 7 раз больше. Максимальный измеренный ток потребления составляет 70 мА, а средний - 40 мА. От одной батарейки АА емкостью 2000 мА·Ч частотомер может работать около 40 часов.
Прибор собран на одной стороне двусторонней печатной платы, но имеет несколько перемычек на обратной стороне. Медь на другой стороне использыется как дополнительный экран. Обратная сторона имеет олько 4 компонента: входной BNC разъем, держатель батарейки AA, 4 металлические стойки, и выключатель питания AS12AH. Плата разработана под SMD резисторы и конденсаторы размера 0603, но размер 0805 тоже можно использовать. На плате есть 3 площадки, соединенные с RA0, RA1 и RA5, которые можно использовать, например, для подключения частотомера к компьютеру.
Микроконтроллер должен быть запрограммирован либо во внешнем программаторе либо на плате, но до припайки счетчика SN74LV161A, так как счетчик блокирует выводы программирования контроллера.
Некоторые ошибки разработки...
Держатель батарейки, выключатель питания и входной разъем смонтированы очень билзко друг к другу, поэтому держатель батарейки пришлось немного подточить.
Также из-за тяжелой батарейки плата не очень устойчива на столе и при подсоединенном кабеле норовит перевернуться из-за кручения кабеля.
Несмотря на то, что индикация довольно проста, она все равно трудна для понимания.