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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Medidor de frequência - balança digital em PIC16CE625. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Tecnologia de medição O dispositivo proposto dá continuidade a uma série de desenvolvimentos amadores em microprocessadores e pode ser usado como medidor de frequência em um laboratório doméstico ou como balança digital para equipamentos de comunicação e recepção de rádio de todos os tipos. Apesar do design simples, o dispositivo difere dos projetos publicados anteriormente pela capacidade de medir frequências até a faixa de micro-ondas, alta resolução e capacidade de inserir valores de diversas frequências intermediárias na memória do controlador. O dispositivo permite medir a frequência do sinal na faixa de 0,1 Hz a 40 MHz. O nível do sinal de entrada pode estar na faixa de 100...200 mV. A resolução do dispositivo é de 100,1 Hz com tempo de medição de 0,1, 0,1, 1 s, respectivamente. O número de dígitos indicadores é 10. A tensão de alimentação do dispositivo é 8...7,5 V, e o consumo de corrente depende do número de segmentos operacionais, mas não excede 14 mA. Usando um divisor de micro-ondas externo com fator de divisão variando de 1 a 255, frequências acima de 40 MHz podem ser medidas. O princípio de funcionamento do frequencímetro é clássico: medir o número de pulsos do sinal de entrada durante um determinado intervalo de tempo. O limite de 10 s destina-se a permitir medições precisas de baixa frequência. No modo balança digital, o tempo de medição do dispositivo é de 0,1 ou 1 s. Até 15 valores de frequência intermediária na faixa de 0 a 99 Hz podem ser armazenados na memória não volátil da balança digital. Neste caso, as leituras do indicador serão determinadas pela fórmula
onde Fin é a frequência de entrada; Kd - coeficiente de divisão do divisor externo; Ff - frequência intermediária. A subtração é realizada em valor absoluto, ou seja, um valor menor é subtraído de um valor maior. Os valores das frequências intermediárias, o coeficiente de divisão do divisor externo utilizado, bem como as constantes de calibração podem ser definidos e alterados pelo usuário sem a utilização de quaisquer dispositivos adicionais. Todos esses dados são armazenados na memória não volátil do controlador PIC. Também é fornecida a possibilidade de calibração de frequência por software, o que permite a utilização de um ressonador de quartzo de referência no dispositivo na faixa de frequência de 3,9...4,1 MHz. O diagrama esquemático do dispositivo é mostrado na Fig.1.
O sinal da frequência medida é fornecido ao driver de entrada, feito no transistor VT1 e no elemento do microcircuito DD1. Os diodos VD1 e VD2 limitam a amplitude do sinal de entrada a 0,7 V. Para um sinal de entrada senoidal, o limite inferior das frequências medidas é determinado pela capacitância dos capacitores C4 e C5 e, com os valores indicados no diagrama, é igual a 10 Hz. Da saída do chip DDI, os pulsos gerados são enviados para o controlador PIC DD2. A capacidade de carga suficientemente elevada de suas saídas tornou possível conectar diretamente a ela os cátodos do indicador HG1. Os ânodos indicadores são conectados através de seguidores emissores compostos nos transistores VT2-VT17 às saídas do contador DD3, que varre as descargas. Este circuito permite alimentar o indicador com tensão não estabilizada, o que facilita significativamente o regime térmico do microcircuito DA1 e praticamente elimina a influência de picos de corrente ao alternar os bits do indicador no funcionamento do driver de entrada. A impedância de entrada do driver é baixa, portanto, para ampliar as capacidades do dispositivo e eliminar a influência da capacitância do cabo, uma ponta de prova externa é conectada a ele. Seu diagrama é mostrado na Fig. 2.
A resistência de entrada da sonda é de cerca de 500 kOhm, a resistência de saída é de 50...100 Ohm. O ganho é de cerca de 2 e o limite superior da largura de banda é de 100...150 MHz. Os diodos VD1, VD2 protegem o transistor de efeito de campo contra falhas quando alta tensão é aplicada à entrada. O dispositivo é controlado por meio de três botões localizados no painel frontal e cinco interruptores. Usando os botões SB1, SB2, SB3, selecione o tempo de medição de 0,1, 1 ou 10 s, respectivamente. O novo valor de frequência aparecerá no indicador no intervalo selecionado após o botão ser liberado. Se você pressionar e segurar um desses botões, o valor da frequência atual será fixado no indicador. Ao usar um divisor externo, o preço do dígito menos significativo do frequencímetro muda. Se o seu coeficiente de divisão estiver na faixa de 3 a 20, o custo da descarga é reduzido em 10 vezes, se Kd estiver acima de 20, então em 100 vezes em qualquer momento de medição. Se Kd = 2, o preço da descarga não muda. O estado fechado da chave SA1 corresponde à operação do dispositivo com divisor de micro-ondas externo, e o estado aberto corresponde à operação sem ele. As chaves SA2-SA5 são usadas para selecionar um dos 15 valores IF pré-programados. O número do drive correspondente é discado em código binário (1-2-4-8). Se as chaves SA2-SA5 estiverem abertas, IF = 0 (modo frequencímetro). As saídas da chave SA1 podem ser conectadas aos contatos livres do conector ao qual o divisor de micro-ondas está conectado. Um jumper deve ser instalado na parte correspondente do conector entre esses contatos. Desta forma a conexão do divisor será detectada automaticamente. Se o número IF precisar ser alterado remotamente, por exemplo, ao alternar as faixas do receptor, os relés eletromagnéticos podem ser usados como SA2-SA5. O frequencímetro é montado em uma placa de circuito impresso medindo 107x46 mm em folha de fibra de vidro unilateral. A fiação e a disposição das peças na placa são mostradas na Fig. 3.
Todos os resistores fixos são MLT 0,125, trimmer - SPZ-19a. Capacitores permanentes - KM, trimmer - KT4-21, capacitores de óxido - K50-35. O transistor VT1 é qualquer n-p-n com frequência de corte de pelo menos 600 MHz. Transistores VT10 - VT17 com corrente permitida de pelo menos 300 mA. O indicador HG1 é um LED de oito dígitos, com casas decimais à direita dos números. Seu design pode ser arbitrário, por exemplo, composto por indicadores de um dígito com ânodo comum. O chip DD1 KR1554TL2 pode ser substituído por um KR1554TLZ, mas isso exigirá ajustes no design da placa de circuito impresso. Os pinos não utilizados dos elementos do microcircuito devem ser conectados ao barramento de alimentação de +5 V. O uso de análogos TTL neste circuito reduz o limite superior das frequências de operação do dispositivo para 10-60 MHz. Transistor VT1 da sonda remota - efeito de campo com porta isolada, canal tipo n e tensão porta-fonte 0...2 V com corrente de dreno de 5 mA - KP305A, B, V; KP313A,B; VT2 - com frequência de corte de pelo menos 600 MHz. O resistor R1 é montado diretamente na parte do pino do conector XP1. Um desenho da PCB da sonda e a localização das peças são mostrados na fig. quatro.
A sonda é montada em uma caixa metálica. Também é aconselhável blindar o frequencímetro, principalmente se o aparelho for utilizado como balança digital. A fonte de alimentação pode ser qualquer não estabilizada com tensão de saída de 7,5...14 V e corrente de carga de até 150 mA. Ao configurar um medidor de frequência, o ajuste do resistor R2 atinge a sensibilidade máxima do dispositivo em altas frequências. A tensão no coletor do transistor VT1 deve ser de cerca de 2,5 V. A configuração de uma sonda remota envolve definir a corrente de cada transistor para cerca de 5 mA. Eles são expostos ao pegar R3. A tensão no coletor VT2 deve ser de 4 V. Em seguida, use os botões SB1-SB3 para definir os valores necessários dos parâmetros do medidor de frequência no modo de serviço. Para entrar neste modo, pressione três botões simultaneamente. Neste caso, o indicador exibirá o valor do tempo de medição, que será selecionado por padrão quando o dispositivo for ligado. Ao pressionar o botão SB1 ou SB2, você pode selecionar um dos três valores - 0,1 s, 1 s ou 10 s. Depois disso, pressione o botão SB3. Neste caso, o valor selecionado é inserido na memória não volátil, e o valor do coeficiente de divisão do divisor de microondas que será utilizado com o dispositivo aparece no indicador. Você pode alterar seu valor pressionando SB1 ou SB2 e depois confirmar a seleção pressionando SB3. Se uma ou mais chaves SA2-SA5 estiverem fechadas, o número do inversor ligado e seu sinal (estilizado + ou -) aparecem no indicador. O sinal é selecionado pressionando o botão SB1 ou SB2, pressionar SB3 confirma a escolha e o valor IF aparece no indicador, que pode ser alterado pressionando novamente SB1 ou SB2. A taxa de alteração aumentará dependendo do tempo que o botão for pressionado, ou seja, quanto mais tempo você mantiver o botão pressionado, mais rápido as leituras mudarão. O preço do dígito menos significativo é 1 Hz. A confirmação da seleção é semelhante aos modos anteriores - pressionando SB3. Depois disso, “SETUP” aparece no indicador. Se você não pressionar nenhum dos botões, após cerca de 3 s o dispositivo mudará para o modo de medição com os parâmetros recém-selecionados. Para entrar em "SETUP" pressione SB3. Neste modo, a calibração do software do dispositivo é realizada para o ressonador específico utilizado. Isso pode ser necessário, pois neste circuito ele é excitado na frequência de ressonância paralela, e os ressonadores geralmente indicam a frequência serial, que pode diferir em vários quilohertz. A calibração é realizada selecionando nove constantes que determinam a duração dos intervalos de medição. As constantes C1, C2 e C3 definem o intervalo de 0,1 s; C4, C5 e C6 - 1 s, e C7, C8 e C9 - 10 s. C1, C4, C7 são projetados para calibração de intervalo preciso; C2, C5 e C8 - para médio; C3, C6 e C9 - para grosso. C1, C4 e C7 podem variar de 0 a 17. Aumentá-los ou diminuí-los em um aumenta ou diminui o intervalo correspondente em 1 μs (em um ciclo de máquina). C2, C5 e C8 assumem valores de 0 a 255. Alterá-los em um altera o intervalo em 18 µs. C3, C6 e C9 também podem variar de 0 a 255 e realizar uma alteração ainda mais grosseira no intervalo. Os valores de todas as constantes são inseridos sequencialmente, semelhante aos modos anteriores. Após entrar em C9, o dispositivo entra no modo de medição. Se a frequência de oscilação do ressonador de quartzo for exatamente 4 MHz, as constantes deverão ter os seguintes valores: С1=9, С2=99, C3=2, С4=13, С5=17, С6=199, С7=17, С8=215, С9=117. Na versão do autor, a frequência do quartzo é 4 001 120 Hz e as constantes são um pouco diferentes: С1=1, С2=101, C3=2, С4=5, С5=33, С6=199, С7=5, С8=117, С9=118. Para calibrar o dispositivo, você deve ter um medidor de frequência de referência e um gerador. Primeiro, você deve usar um dispositivo padrão para medir a frequência de geração do ressonador de quartzo no dispositivo. Neste caso, o rotor do capacitor C7 deve estar na posição intermediária. O frequencímetro está conectado ao ponto X1. O valor medido é arredondado para o múltiplo mais próximo de 40 Hz, por exemplo, 4, 000, 000, etc. Em seguida, a sonda remota do dispositivo é conectada ao ponto X4 e as leituras são registradas em todos os três limites. Se as leituras diferirem do valor medido, entre no modo de serviço, depois entre em “SETUP” e altere os valores das constantes. Neste caso, você deve seguir a regra - alterando a duração do intervalo de 000 s em 040 μs, a duração do intervalo de 4 s deve ser alterada em 000 μs e 080 s em 1 μs. Caso contrário, as leituras do instrumento em limites diferentes poderão não corresponder entre si. Após várias tentativas e erros, a influência das constantes nas leituras fica clara. Desta forma, são obtidas leituras da verdadeira frequência de geração. Conforme mencionado acima, deve ser um múltiplo de 0,1 Hz. Na versão do autor, as leituras do instrumento com intervalo de medição de 1 s são 1; com intervalo de 10 s - 10; e com intervalo de 100 s - 40. Após a calibração, você deve conectar este dispositivo e um medidor de frequência de referência a um gerador de sinal com frequência de 20...40 MHz e amplitude de 0,2...0,5 V e comparar as leituras em todos os limites. Se as leituras nos diferentes limites não corresponderem, significa que ocorreu um erro na inserção das constantes e esta operação deve ser repetida. Finalmente, a correspondência exata das leituras com a frequência é obtida ajustando o capacitor C7. Se o intervalo de sua alteração não for suficiente, as constantes devem ser ajustadas conforme descrito acima. O processo de calibração é bastante complexo, mas a necessidade pode surgir apenas uma vez após a fabricação do dispositivo. Os valores originais de todas as constantes e parâmetros na memória não volátil, se necessário, podem ser restaurados digitando o valor C3 no intervalo de 128 a 255. Um dos possíveis divisores de microondas por 10 circuitos está disponível no site do autor . Códigos do programa de controle do microcontrolador Autor: N. Khlyupin
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