Сегодня радиолюбители для своих проектов используют самые разные приборы, среди которых одно из центральных мест по праву занимает частотомер. Позволяя контролировать частотные характеристики, анализировать входные сигналы, он является незаменимым инструментом при настройке и ремонте радиоаппаратуры. Универсальный частотомер на PIC16F628a отличается простотой схемы, доступной себестоимостью и при этом позволяет точно измерять частоту.
Основные типы частотомеров
Существует несколько основных типов частотомеров:
- Аналоговые и цифровые частотомеры
- Электронно-счетные частотомеры
- Время-импульсные частотомеры
Аналоговые частотомеры используют аналоговые схемы для измерения частоты. Они просты, но имеют погрешность измерений и сильно зависят от температуры. Цифровые частотомеры на основе микроконтроллеров значительно точнее, удобнее в работе и позволяют реализовать различные дополнительные функции.
В электронно-счетных частотомерах подсчитывается количество периодов входного сигнала за фиксированный отрезок времени, обычно 1 или 10 секунд. Этот метод прост и надежен, но не позволяет измерять низкие частоты с высокой точностью. Время-импульсные частотомеры работают по-другому: они измеряют промежуток времени, соответствующий целому числу периодов входной частоты. Это позволяет достичь очень высокой точности на низких частотах.
Диапазон измеряемых частот у разных частотомеров может сильно отличаться. Простые бытовые частотомеры позволяют измерять частоту от единиц до сотен МГц. Специализированные лабораторные частотомеры способны работать от миллигерц до десятков гигагерц с невероятной для бытовой техники точностью.
Принцип действия частотомера на PIC16F628a
Рассмотрим теперь устройство и принцип работы частотомера на микроконтроллере PIC16F628a.
Этот 8-разрядный RISC микроконтроллер с рабочей частотой до 20 МГц является оптимальным решением для построения простого частотомера. PIC16F628a имеет встроенный аналого-цифровой преобразователь, аппаратный таймер-счетчик, модули захвата и сравнения, что позволяет точно измерять частотные параметры аналоговых сигналов простыми программными средствами.
Благодаря минимуму внешних компонентов, частотомер на PIC16F628a отличается простотой и надежностью. В простейшем варианте, помимо самого микроконтроллера, потребуется только кварцевый резонатор, оптрон для развязки со входным сигналом и индикатор для отображения результата.
Программа для PIC16F628a выполняет следующие функции:
- Настройка режимов работы таймера TMR0
- Запуск и остановка счета при наличии входных импульсов
- Вычисление частоты или периода по показаниям таймера
- Вывод значения частоты или периода на индикатор
Таким образом, входной периодический сигнал через оптрон поступает на вход таймера TMR0 микроконтроллера PIC16F628a. Программа производит подсчет количества импульсов или измеряет длительность отдельных периодов. Далее вычисляется частота или период и результат отображается на подключенном семисегментном индикаторе.
Схема частотомера на PIC16F628a
Рассмотрим типовую принципиальную схему частотомера на микроконтроллере PIC16F628a. Основу схемы составляет микроконтроллер DD1, к которому подключены необходимые внешние компоненты:
- Стабилизатор напряжения DA1 для питания схемы
- Кварцевый резонатор Z1 с двумя конденсаторами для задания тактовой частоты PIC
- Транзисторный ключ VT1 для включения/выключения питания
- Оптронный разделитель наДД2 для гальванической развязки входного сигнала
- Цифровой индикатор DD3 для отображения результата
- Кнопки S1, S2 для управления режимами работы
Вход и выход частотомера выполнены на разъемах X1 и X2. Для удобства подключения к измеряемым цепям используются гнезда типа BNC. Питание осуществляется от стабилизированного источника =15В через гнездо X3.
К сожалению, приведенная схема имеет ряд недостатков:
- Отсутствует защита входных цепей от перенапряжения
- Используется дешевый нестабильный кварцевый резонатор
- Низкая яркость индикатора из-за ограничения тока сегментов
Для устранения этих недостатков можно внести следующие улучшения:
- Добавить транзорберы или варисторы для защиты от перенапряжений
- Установить термокомпенсированный кварцевый резонатор с минимальным дрейфом частоты
- Подключить индикатор к более мощному драйверу или усилителю яркости
В целом же, приведенная схема частотомера на PIC16F628a является простой и надежной, пригодной для использования в любительских условиях.
Макетная плата частотомера на PIC16F628a
Перед изготовлением частотомера в корпусе имеет смысл сначала собрать и протестировать макетный вариант на монтажной плате или универсальной макетной плате.
Перед изготовлением частотомера в корпусе имеет смысл сначала собрать и протестировать макетный вариант на монтажной плате или универсальной макетной плате.
Выбор материала и типа монтажной платы
Для изготовления макетной платы частотомера можно использовать различные материалы:
- Стеклотекстолит
- Фольгированный стеклотекстолит
- Фольгированный фенолформальдегид
- Керамика
Наиболее доступным и недорогим вариантом является стеклотекстолит. Плата может быть одно- или двусторонней. Для удобства монтажа и наладки лучше использовать плату с двусторонней металлизацией.
Разводка печатной платы частотомера
При разработке монтажной платы частотомера необходимо учитывать следующие требования:
- Компактность и эргономичность расположения элементов
- Минимизация длины соединений элементов
- Наличие общей шины земли
- Группировка цепей питания и управления
- Экранирование входных и выходных цепей
Для разводки можно использовать программы автотрассировки, например EAGLE или DipTrace. Это позволит быстро прорисовать плату и сократит время на изготовление макета частотомера.
Монтаж частотомера на макетной плате
Перед установкой элементов рекомендуется тщательно протравить и промыть плату для удаления оксидов с меди.
Установку компонентов можно выполнить вручную пайкой, либо использовать монтажный автомат. Желательно сначала устанавливать пассивные элементы, далее полупроводниковые и в последнюю очередь - микросхемы.
Проверка работы макета и отладка
После завершения монтажа платы следует визуально проверить качество паек и отсутствие замыканий дорожек. Затем можно приступать к проверке работы макета частотомера на PIC16F628a.
Для контроля работоспособности устройства удобно использовать генератор, формирующий сигналы различной частоты. Подавая на вход эти сигналы, можно проверить точность показаний частотомера.
Если обнаружатся значительные погрешности, может потребоваться проведение регулировки кварцевого резонатора. Для повышения точности рекомендуется использовать термокомпенсированный резонатор с низким дрейфом.
Генератор для проверки частотомера
Нередко у радиолюбителей отсутствует готовый источник сигналов заданной частоты, необходимый для проверки частотомера. Однако такой генератор не составляет труда собрать самому.
Самый простой и недорогой вариант - генератор на микросхеме КР1006ВИ1 или аналогах. Генерируемая прибором частота будет достаточной для проверки большинства узлов частотомера и диапазон ее регулировки вполне широк.
Более совершенным решением будет генератор на микроконтроллере с дисплеем. Такое устройство позволит сразу же отсчитывать необходимую частоту без дополнительных измерительных приборов.
Более совершенным решением будет генератор на микроконтроллере с дисплеем. Такое устройство позволит сразу же отсчитывать необходимую частоту без дополнительных измерительных приборов.
Калибровка частотомера
Для повышения точности измерений частотомера он должен быть откалиброван. Процесс калибровки заключается в подаче на вход эталонных сигналов с точно известными параметрами и корректировке показаний прибора.
В качестве образцового сигнала удобно использовать сигналы точного эталонного генератора или сигналы от поверенного частотомера. Результаты измерений сравниваются, вычисляется погрешность, и затем вносятся соответствующие корректировки в микропрограмму PIC микроконтроллера.
Питание частотомера от батарей
Для использования частотомера в полевых или автономных условиях его следует снабдить батарейным блоком питания. В качестве источника питания могут быть использованы пальчиковые или аккумуляторные батареи.
Схема должна включать в себя стабилизатор напряжения, обеспечивающий напряжение питания микросхем 5В. Также требуется схема зарядки аккумуляторов с разъемом для подключения зарядного устройства.
Защита от помех
При работе с частотомером в условиях повышенного уровня помех может значительно ухудшаться точность измерений. Для обеспечения помехоустойчивости необходим ряд мер:
- Гальваническая развязка входных цепей
- Экранирование корпуса
- Фильтрация цепей питания
- Применение помехоподавляющих кабелей
Эффективной мерой также является разнесение частотомера и управляющего оборудования в пространстве, а также использование заземления.
Корпус для частотомера
После полной отладки и проверки частотомер необходимо разместить в защитном корпусе для использования в реальных условиях.
В качестве корпуса удобно использовать пластмассовый корпус от бытовой техники нужного размера. В нем смонтированная плата будет надежно защищена от внешних воздействий.
Для элементов управления и коммутации следует выполнить необходимые вырезы в корпусе. Установку платы выполнить на пластмассовых стойках или амортизирующей прокладке.
Заключение
В статье рассмотрен процесс создания простого частотомера на микроконтроллере PIC16F628a, включая построение принципиальной схемы, изготовление печатной платы, написание прошивки, сборку, отладку и калибровку прибора для получения требуемой точности измерения частоты сигналов. Уделено внимание вопросам повышения помехозащищенности конструкции частотомера, а также возможности его автономной работы от батарей.
