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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Medidor de frequência multifuncional. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Tecnologia de medição O dispositivo proposto, além da medição usual da frequência dos sinais, pode medir o seu período, bem como a duração dos pulsos positivos e negativos. Além disso, a frequência de sinais inferiores a 1 kHz é calculada como o inverso do seu período, e o período de repetição de sinais inferiores a 1000 μs é calculado como o inverso da sua frequência. Isso melhora a precisão da medição. Era uma vez um frequencímetro Denisov [1], muito popular na época, ou melhor, sua versão [2] em um microcontrolador PIC16F628A e um indicador LED ALS318. Muitos anos depois, ele chamou minha atenção novamente. Este dispositivo mede a frequência corretamente, mas é muito primitivo e as leituras piscam constantemente. Decidiu-se na mesma base (alterando a conexão de dois pinos do microcontrolador, circuitos de entrada e circuitos de potência) criar um dispositivo desprovido das deficiências de seu protótipo, e também complementado com novas funções e modos. O dispositivo descrito abaixo possui as seguintes capacidades: medição de frequência “normal” contando o número de pulsos em um segundo; medir a frequência de sinais de baixa frequência como o recíproco do seu período; medir o período de um sinal, em que o período de sinais de alta frequência é calculado como o recíproco da sua frequência; medição da duração do pulso de polaridade positiva e negativa. Também é possível salvar um valor medido em cada modo na memória não volátil do microcontrolador e visualizá-los se necessário. É possível alterar rapidamente as configurações do dispositivo e desligá-lo automaticamente na ausência de influências externas por um determinado tempo. Principais características técnicas
O diagrama do medidor de frequência é mostrado na Fig. 1. O microcontrolador PIC16F628A (DD1) controla os ânodos dos elementos indicadores HG3 e HG0 através dos resistores limitadores R2-R4 utilizando os sinais gerados nas saídas RA7, RB10-RB17, RB1-RB2, que são utilizadas como dois sete de quatro dígitos -indicadores LED de elemento com cátodos comuns dos elementos de cada categoria FYQ-3641AHR-11. Os sinais que controlam os cátodos dos bits indicadores vêm das saídas do decodificador 74HC138N (DD2), cujas entradas recebem sinais das linhas RAO-RA2 do microcontrolador operando em modo de saída. Utilizando as mesmas linhas, operando em modo de entrada, o programa verifica o estado dos botões de controle SB1 e SB2. Os resistores R1-R4 definem os potenciais necessários nas entradas quando os botões são pressionados e liberados.
O microcontrolador é sincronizado a partir de seu oscilador interno, cuja frequência é de 16 MHz definida por um ressonador de quartzo externo ZQ1. O pino MCLR não é utilizado e, para evitar falhas, é conectado à tensão de alimentação positiva do microcontrolador. O programa realiza operações relacionadas à indicação dinâmica no procedimento de processamento de solicitações de interrupção do temporizador TMR2, seguindo com um período de 2 ms. Portanto, as informações do indicador de oito dígitos são atualizadas com frequência de 1/(8x0,002) = 62,5 Hz. Isso garante que o indicador pisque despercebido em todos os modos de operação do dispositivo. O sinal do formador-amplificador de entrada é fornecido às linhas combinadas RA4 e RB3 (pinos 3 e 9 do microcontrolador, respectivamente, possuindo funções alternativas T0CKI e CCP1). No modo frequencímetro convencional, T0CKI é a entrada do contador de pulsos, e a linha RB3, operando nos modos de entrada e saída, é utilizada para abertura e fechamento programático da entrada do contador e posterior “contagem adicional”. Na medição de período e duração, ambas as linhas funcionam como entradas T0CKI e CCP1. Neste caso, é utilizado um algoritmo que captura o estado do registro TMR1 nos momentos de queda do sinal e calcula os intervalos de tempo entre esses momentos, além de monitorar a correção do resultado analisando o conteúdo do registro TMR0. A ideia é que o sinal medido seja alimentado nas entradas combinadas de contagem e captura do temporizador do microcontrolador. Isto permite avaliar, a partir do número de gotas contadas pelo temporizador TMR0, se as gotas necessárias foram perdidas pela unidade de captura do temporizador TMR1 devido ao desempenho insuficiente do microcontrolador. O amplificador de entrada nos transistores VT1 e VT2 é montado de acordo com um circuito bem conhecido e comprovado. A capacitância relativamente grande dos capacitores C1 e C9 é explicada pela necessidade de fornecer um limite inferior da banda passante não superior a 1 Hz (para isso é utilizado o resistor R20, que aumenta a resistência de entrada do estágio no transistor VT2) . Os elementos C8, C10, C11, L1 aumentam o coeficiente de transmissão do amplificador shaper para sinais próximos à frequência máxima medida. O resistor R5 e os diodos VD1, VD2 protegem o transistor VT1 contra quebra pelo sinal de entrada. O amplificador shaper consome uma corrente significativa (cerca de 5 mA), portanto, para economizar energia no modo sleep do dispositivo, foi necessário desconectá-lo do amplificador usando uma chave em um transistor de efeito de campo VT3 com canal tipo p. Devido à falta de pinos livres, o microcontrolador controla esta chave com um sinal da saída RA2, que também é utilizada para controlar o decodificador DD2. No modo de operação, o sinal neste pino são pulsos retangulares com frequência de repetição de 125 Hz. Quando o nível lógico deste sinal é baixo, o capacitor C13 é carregado através do circuito VD3R23 e o transistor VT3 é aberto com uma tensão de porta negativa em relação à fonte. Em um nível de sinal alto, o diodo VD3 evita que o capacitor descarregue através da resistência relativamente pequena do resistor R23. A constante de tempo do circuito C13R24 é escolhida para ser grande o suficiente para evitar que interferência com uma frequência de 125 Hz entre no formador do amplificador de entrada. No modo sleep, o microcontrolador define a saída RA2 para um nível lógico alto constante. O capacitor C13 é descarregado através do resistor R24, e após cerca de 3...5 s, o transistor VT3 fecha e desconecta completamente o amplificador driver da fonte de alimentação. Como resultado, a corrente consumida pelo dispositivo no modo sleep não excede 10 μA, o que, se desejado, permite dispensar um interruptor mecânico. As linhas RA0 e RA1 do microcontrolador em modo sleep são configuradas como entradas, e um alto nível lógico de tensão é definido nelas (assim como nas entradas 1 e 2 do decodificador) quando os botões SB1 e SB2 são liberados graças aos resistores R1 e R3. O nível alto também opera na entrada 4 do decodificador. Essa combinação de níveis em suas entradas corresponde a um nível baixo na saída 7, que é fornecido através do resistor R21 à linha RB7 do microcontrolador, que neste caso é utilizado como entrada. Ao pressionar qualquer botão, o código nas entradas do decodificador muda, então em sua saída 7 o nível baixo é substituído por um nível alto, que é transmitido através do resistor R21 para a entrada RB7 do microcontrolador. No modo sleep, uma interrupção é habilitada quando o nível muda nesta entrada, portanto, pressionar qualquer botão retorna o microcontrolador ao modo ativo. O dispositivo é alimentado por uma tensão de 5 V do estabilizador de tensão integrado NCP551SN50 (DA1). Este microcircuito é caracterizado por uma pequena diferença permitida entre as tensões de entrada e saída e um consumo de corrente intrínseco extremamente baixo (valor típico - 4 μA). É possível usar um estabilizador 78L05 convencional, mas anulará o significado do modo de suspensão devido ao grande consumo interno de corrente do estabilizador - cerca de 3 mA. Todas as partes do dispositivo são colocadas em uma placa de circuito impresso medindo 63x65 mm feita de folha de fibra de vidro em um dos lados. Um desenho dos condutores da placa de circuito impresso é mostrado na Fig. 2. A localização das peças nos dois lados é mostrada na Fig. 3. As dimensões da placa são escolhidas de forma que permitam que ela seja convenientemente colocada na caixa do multímetro DT-830, tendo previamente cortado os suportes plásticos da mesma. Ao mesmo tempo, há espaço suficiente para várias opções de bateria - desde uma bateria Krona até cinco ou seis células galvânicas ou AAA. O fato de todas as peças, incluindo botões, conector de entrada e bloco de parafusos para alimentação de tensão, estarem compactamente colocadas na placa, permite a utilização do dispositivo mesmo sem caixa. Observe que os indicadores estão localizados na parte inferior do quadro. Este arranjo é um tanto incomum, mas fornece um ângulo de visão maior para o indicador.
Os indicadores FYQ-3641AHR-11 podem ser substituídos por outros com cátodos comuns, por exemplo CPD-03641. Se você instalar o 74AC138N em vez do decodificador 74HC138N, então, se necessário, poderá aumentar a corrente em até duas vezes e, portanto, o brilho dos indicadores, reduzindo a resistência dos resistores R10-R17 para 390 Ohms. Mas então a corrente consumida pelo dispositivo no modo operacional aumentará proporcionalmente. Na minha opinião, o brilho dos indicadores é suficiente mesmo com os valores desses resistores indicados no diagrama. Um ressonador de quartzo pode ser usado não apenas na frequência de 16 MHz, mas também em 4 MHz, mas neste caso a duração mínima do pulso medida aumentará quatro vezes. As opções do programa do microcontrolador para ambos os valores especificados da frequência do ressonador estão anexadas ao artigo. Os botões SB1 e SB2 são angulares táteis. Em vez do transistor BF998, você pode usar o BF998R, a diferença está apenas no arranjo mutuamente espelhado dos pinos. Portanto, o transistor BF988R deverá ser montado na placa de cabeça para baixo. O transistor KT368A pode ser substituído por qualquer transistor npn semelhante de baixa potência com uma frequência de corte de pelo menos 300 MHz. Os diodos 1N4148 podem ser substituídos pelas séries domésticas KD521, KD522. O conector de entrada XW1 usa um bloco do conector da fonte de alimentação, projetado para um plugue com diâmetro de 5,5 mm. Um pedaço de fio blindado de 50 cm de comprimento é soldado ao plugue, na extremidade oposta do qual uma sonda é soldada ao fio central e uma pinça jacaré é soldada à sua trança. Para reduzir dimensões, capacitores e resistores são usados principalmente para montagem em superfície de tamanho padrão 0805. O capacitor C13 é de tântalo. Para evitar curtos-circuitos indesejados nos condutores impressos, tiras de fita adesiva de papel são pré-coladas nos locais por onde passam sob os elementos de montagem superficial. Os resistores de saída são usados onde for benéfico do ponto de vista da fiação conveniente dos condutores impressos. Os elementos de montagem em superfície devem ser instalados primeiro na placa, depois os fios de ligação e por último os elementos do fio condutor. Em casos extremos, o estabilizador NCP551SN50T1 pode ser substituído pelo menos escasso LP2950CZ-5.0. Existe um slot para isso na placa, designado DA1, mas neste caso a corrente consumida no modo sleep aumentará para 70...100 µA. A aparência da placa montada é mostrada na fig. quatro.
Ao utilizar os elementos indicados no diagrama e um ressonador de quartzo de alta qualidade, as características do dispositivo indicado no início do artigo são garantidas sem qualquer ajuste. Se você tiver um medidor de frequência padrão preciso, faz sentido aplicar um sinal com frequência de 5...30 MHz à entrada do dispositivo e controlar seu valor usando um medidor de frequência padrão, para obter as leituras mais próximas possíveis do dispositivo fabricado ajustando-os com o capacitor de corte C7. Se necessário, selecione o resistor R19 para definir uma tensão constante entre 2...2 V no coletor do transistor VT3. O programa do microcontrolador é escrito em linguagem assembly MPASM. Os arquivos HEX anexados ao artigo para carregamento na memória do microcontrolador (fmeter_X16_FULL.HEX para um ressonador de quartzo de 16 MHz e fmeter_X4_FULL.HEX para um ressonador de quartzo de 4 MHz) foram obtidos pela transmissão do programa no ambiente MPLAB. Para utilizar plenamente todas as capacidades do dispositivo, é preferível usar um ressonador de 16 MHz. A palavra de configuração é inserida automaticamente no arquivo HEX do programa quando ele é traduzido, portanto, a instalação manual da configuração não é necessária. Ao ligar o aparelho, após a saudação, o indicador exibe as leituras de acordo com o modo previamente selecionado. Quando você pressiona o botão SB1, o nome do modo atual aparece no indicador (na maioria dos casos, imediatamente, mas às vezes pode ser necessário manter o botão pressionado por até 2 s). Quando você pressiona este botão posteriormente, os modos e seus nomes no indicador mudam em um círculo: um medidor de frequência normal Pressionar o botão SB2 enquanto qualquer modo é indicado no display faz com que o dispositivo retorne ao seu estado inicial com uma mudança de modo correspondente. Se algum botão não for pressionado durante o tempo de espera (3...10 s), o dispositivo retorna ao seu estado inicial no modo anterior (antes de pressionar o botão SB1). Se, após o nome do modo aparecer no indicador, você mantiver pressionado o botão SB1 por mais de 3 s, a inscrição aparecerá no indicador Pressionando o botão SB2 enquanto o texto é exibido Os itens deste menu são alternados sequencialmente pressionando o botão SB1, e pressionando o botão SB2 altera o valor do parâmetro atual, que é imediatamente exibido no indicador. Saia salvando os valores dos parâmetros definidos - após o tempo de espera ter expirado sem pressionar os botões. Pressionar o botão SB2 no estado inicial (em alguns modos você precisa pressioná-lo por até 2 s) fará com que a inscrição apareça no indicador A transição para o modo de suspensão também ocorre quando não há ação nos botões por 8 a 64 minutos. Contador de frequência convencional A operação do dispositivo neste modo é baseada na contagem dos pulsos do sinal medido pelo temporizador do microcontrolador TMR0 durante um determinado intervalo de tempo. Este intervalo (1 s) é contado no procedimento de processamento de interrupções do temporizador TMR3, chamado com período de 2 ms. O mesmo procedimento executa a exibição dinâmica. Quando a frequência do sinal medido é inferior a 10 MHz, o sinal é exibido Contador de baixa frequência No modo medidor de frequência de baixa frequência, ao medir frequências de até 1000 Hz, o período do sinal é realmente medido, e a frequência é calculada como seu inverso e exibida em milésimos de hertz (uma vírgula é incluída no quarto dígito do indicador da direita). Se a frequência estiver acima de 1000 Hz, ela é medida da maneira usual. A comutação reversa ocorre a uma frequência de 900 Hz. Este modo permite obter pelo menos três casas decimais do valor da frequência após o ponto decimal no indicador com um curto tempo de medição. Sinal do regime - sinais Medição do período Neste modo, quando o período do sinal medido é superior a 1000 μs, ocorre uma medição direta com o temporizador do microcontrolador TMR1, cronometrado pela contagem de pulsos com frequência de 1 MHz do oscilador interno. Com um período menor do sinal, sua frequência é medida e o período é calculado como seu valor inverso. O resultado é sempre exibido em microssegundos, neste último caso com três casas decimais. Sinal de modo - sinal Medição de Largura de Pulso Para pulsos positivos e negativos, este modo difere apenas porque no primeiro caso é medido o tempo desde a borda ascendente até a borda descendente do sinal, e no segundo - desde a borda descendente até a borda ascendente. A medição é feita contando diretamente o intervalo de tempo entre quedas pelo temporizador do microcontrolador TMR1, cronometrado a partir de um gerador interno por pulsos com período de 0,25 μs. Isto garante uma medição confiável de durações de 3 μs ou mais. Se os pulsos medidos forem mais curtos que o valor especificado, então o módulo de captura do temporizador às vezes não tem tempo para capturar ambas as bordas, limitando-o durante um pulso e captura a borda final do próximo pulso (ou perdendo vários pulsos). Ao comparar os resultados da medição da duração e do período de repetição dos pulsos, o programa identifica tal situação e subtrai o valor do período de repetição da duração medida. O resultado neste caso é naturalmente menos confiável. Se for recebida uma duração superior a vários períodos de repetição de pulso, uma mensagem de frequência de sinal excessiva será exibida. Durações de pulso inferiores a 32768 μs são exibidas com uma resolução de 0,25 μs, as mais longas - 1 μs. Sinal do regime - sinais Ressalta-se que a assimetria da parte de entrada do dispositivo, bem como a presença de um gatilho Schmitt na entrada RB3/CCP1 (pino 9) do microcontrolador leva a um grande erro na medição da duração dos pulsos com plano gotas. Este erro diminui à medida que a amplitude do sinal aumenta. A tentativa de medir sinais com amplitudes inferiores a 0,1 V em qualquer modo pode resultar em leituras incorretas. No entanto, isto também se aplica a outros dispositivos semelhantes. Com um sinal de entrada estável conhecido, flutuações significativas nas leituras podem ser um sinal indireto de sua amplitude insuficiente. Se os parâmetros do sinal de entrada não permitirem a medição, as seguintes mensagens serão exibidas no indicador do dispositivo: Literatura
O programa do microcontrolador pode ser baixado em ftp://ftp.radio.ru/pub/2015/05/fmeter.zip. Autor: B. Balaev
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, medidor de frequência de baixa frequência 
, medição do período 
, medindo a duração dos pulsos positivos 
, medindo a duração dos pulsos negativos 
e novamente um medidor de frequência normal.
. Neste caso, pressionar o botão SB2, além de não pressionar os botões durante o tempo de espera, coloca o aparelho em modo sleep, que pode ser encerrado pressionando qualquer botão. Pressionar o botão SB1 neste modo (é claro, depois de soltá-lo primeiro) leva ao aparecimento alternado de inscrições no display 
.
- período de indicação, s; 
- tempo de espera pelo pressionamento de um botão, s; 
- tempo antes do desligamento automático, min. Os zeros nestas etiquetas serão substituídos pelos valores atuais dos parâmetros correspondentes, piscando para maior visibilidade.
. Liberar o botão imediatamente após seu aparecimento leva à exibição do valor medido previamente armazenado na memória não volátil do microcontrolador no indicador por 8 s, piscando para diferir do valor medido atual. Se, quando a inscrição aparecer 
no indicador.
no dígito mais significativo do indicador.
nos dois dígitos mais significativos do indicador. Em valores de alta frequência, eles são apagados alternadamente por bits de ordem superior diferentes de zero do resultado da medição.
no dígito mais significativo (com medição direta do período) ou sinais 
nos dois dígitos mais significativos (quando se mede o período através da frequência). Como em outros modos, esses sinais são substituídos por bits de ordem superior diferentes de zero do resultado.
(medindo a duração dos pulsos positivos) ou 
(medição da duração dos pulsos negativos) nos dois dígitos mais significativos do indicador. Se o resultado for obtido ajustado pela duração do período de repetição do pulso, então o sinal 
piscando.
- frequência muito alta, 
- o período é muito longo, 
- sem sinal.
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