Частотомер до 500МГц на Attiny48 и MB501

На этот раз я представлю простой малогабаритный частотомер с диапазоном измерения от 1 до 500 МГц и разрешением 100 Гц.

В настоящее время, независимо от производителя, почти все микроконтроллеры имеют так называемые счетные входы, которые специально предназначены для подсчета внешних импульсов. Используя этот вход, относительно легко спроектировать частотомер.

Однако этот счетчый вход также имеет два свойства, которые не позволяют напрямую использовать частотомер для удовлетворения более серьезных потребностей. Одна из них заключается в том, что на практике в большинстве случаев мы измеряем сигнал с амплитудой в несколько сотен мВ, который не может перемещать счетчик микроконтроллера. В зависимости от типа, для правильной работы входа требуется сигнал не менее 1-2 В. Другое заключается в том, что максимальная измеримая частота на входе микроконтроллера составляет всего несколько МГц, это зависит от архитектуры счетчика, а также от тактовой частоты процессора.

Вследствие вышесказанного необходимо иметь схему предварительного масштабирования входного сигнала, которая делит входную частоту на постоянное число и, кроме того, если требуется увеличивает амплитуду сигнала.

Для предделителя я выбрал широкодоступную микросхему MB501 фирмы Fujitsu. Из описания на микросхему выясняется, что она более чем подходит для этой задачи, хорошо работает с амплитудным сигналом 15-20 мВ, а максимальная измеряемая частота 1 ГГц с делением на 64/128.

Почему же в названии статьи присутствует частота 500 МГц, а не 1 ГГц? Причина в том, как упоминалось выше, максимальная измеряемая частота ограничена структурой счетчика микроконтроллера и тактовой частотой. Выбранным микроконтроллером является ATmega48, который тактируется от кварцевого резонатора частотой 20МГц. К сожалению, в отличие от архитектуры PIC, этот микроконтроллер не имеет асинхронного счетчика, поэтому, согласно теореме Шенона, вход счетчика может измерять максимальную частоту равную половине тактового сигнала, который в этом случае составляет 10 МГц (20 МГц / 2). Практика показала лучше не превышать значение 9 МГц, поэтому, если для MB501 установлено значение делителя 64, верхний предел измерения составляет прибл. 580 МГц (64x9 МГц). Теоретически, прибор может использоваться до 640 МГц, но точность больше не гарантируется.

Из-за простоты программного обеспечения время выборки составляет 640 мс, следовательно, разрешение измерителя частоты составляет 100 Гц, что более чем достаточно для большинства задач в любительских условиях.

Принципиальная схема показана ниже:

Двумя основными компонентами схемы являются микроконтроллер IC1 и предделитель IC2. Разъем J1 - вход для измеряемого сигнала или антенны 10-20 см. Из-за чувствительности схемы нет необходимости в гальваническом соединении между измеряемым источником сигнала и прибором. Сигналы мощных радиостанций или генераторов также могут быть легко измерены с помощью простой антенны. Однако, если требуется измерить слабый сигнал или нужна более высокая точность, рекомендуется подключать источник к входу напрямую.

Диоды D1 и D2 защищают предварительный делитель от потенциального перенапряжения и могут быть заменены на диоды типа 1N4148. Резистор R2 необходим для шунтирования входа IC2, чтобы при отсутствии измеряемого сигнала дисплей всегда отображал 0,0000 МГц. При необходимости его значение можно изменить. Выбор более высокого значения или полное его исключение может немного увеличить чувствительность схемы.

В указанном подсоединении значение делителя MB501 равно 64, то есть выходной сигнал имеет частоту 1/64, измеренную на его выходе. Этот сигнал проходит через разделительный конденсатор C6 на вход счетчика микроконтроллера.

Роль L1, индуктивность 100 мкГн, заключается в предотвращении возврата высокочастотных сигналов к питанию. При отсутствии ее можно заменить короткой перемычкой или сопротивлением 1-2 Ом, если необходимо.

Чтобы минимизировать размер прибора, дисплей используется двухстрочный, 8 символов в строке, его можно заменить однострочным 16-символьным (я не тестировал программное обеспечение на последнем). Контраст дисплея выставляется потенциометром R4.

Печатная плата

Размер печатной платы точно соответствует размеру ЖК дисплея 8x2, поэтому ее можно прикрутить в виде сэндвича с помощью проставок.

Прошивка

Существует две основных версии микроконтроллера ATMega48: ATMega48 и ATMega48P, соответственно существует две версии файлов прошивки.

Во время прошивки биты конфигурации должны быть выставлены на работу от кварцевого резонатора частотой 20 МГц!

После успешного программирования схема должна работать немедленно, при условии правильной настройки контрастности на дисплее должно отображаться 0,0000 МГц .

Настройка

Поскольку каждый кварц имеет некоторую погрешность, рекомендуется откалибровать частотомер. Для этого используют более точный, откалиброванный кварцевый генератор, выход которого можно напрямую подключить к входу частотомера. Переменный конденсатор C9 должен быть настроен так, чтобы на дисплее отображалось правильное значение измеряемой частоты, например, для генератора 10 МГц, на дисплее 10,0000 МГц. Если для этого конденсатора недостаточно точной настройки, вы также можете изменить значение C8. Идеальное значение может быть найдено между 10-68pF.

Установка значений промежуточной частоты

Прибор также обеспечивает возможность установки различных значений промежуточной частоты, например, когда измеритель частоты встроен в радиоприемник. С помощью этой функции текущее значение промежуточной частоты может быть добавлено или вычтено из текущего измеренного значения, и теперь дисплей будет скорректирован по промежуточной частоте. С помощью перемычек JP1 можно установить +/- 10,7 МГц и 455 кГц следующим образом:

JP1-1: замкнута "-" , разомкнута "+"

JP1-2: 10,7 МГц (сложение или вычитание, в зависимости от JP1-1)

JP1-3: 455 кГц (сложение или вычитание, в зависимости от JP1-1)

Если все перемычки будут разомкнуты, измеряемая цепь будет действовать как простой частотомер.

Источник: журнал Hobbielektronika