Praktyczny Elektronik nr 10/95, 11/95, 12/95, 1/96, 5/96

© MHC 2001

1

Miernik częstotliwości

Pomiar częstotliwości w warsztacie elektronika zawsze budził wiele emocji. Posiadanie dobrego częstościomierza było z pewnością obiektem

marzeń niejednego amatora. Proponowany w tym artykule miernik częstotliwości, dzięki wykorzystaniu mikroprocesora, zasadniczo łączy w

sobie trzy cechy: prostotę konstrukcji, łatwość obsługi oraz bogactwo realizowanych funkcji. Lektura tego artykułu, pomoże Wam, szanowni

Czytelnicy ocenić walory tego urządzenia.

Miernik posiada następujące możliwości:

Sprzęt:

- dwa wejścia pomiarowe: 20 MHz i 200 MHz (opcjonalnie 1,2 GHz)

- możliwość współpracy z dowolnym preskalerem (rekonfigurowany współczynnik podziału);

- izolowany galwanicznie interfejs RS-232 zapewniający komunikację z komputerem (zdalną obsługę oraz akwizycję danych);

- wyjście generatora sygnałów akustycznych;

- wejście 20 MHz posiada możliwość programowego ustalenia wzmocnienia oraz oddzielenia składowej stałej badanego przebiegu;

- budowa modułowa zapewnia zwartą konstrukcję i ułatwia rozbudowę urządzenia;

- ciekłokrystaliczny wyświetlacz alfanumeryczny zapewnia wygodną komunikację otoczeniem;

- sygnalizacja dźwiękowa wspomaga obsługę, oraz odczyt wyników;

Program:
- automatyczna zmiana zakresu pomiarowego;

- pomiar czasu trwania impulsów;

- praca w trybach: czasomierz lub częstościomierz;

- monitorowanie zadanej częstotliwości sygnałem akustycznym;

- zliczanie impulsów w trybach: do góry, w dół + sygnał dźwiękowy;

- pomiar współczynnika wypełnienia impulsów;

- uśrednianie wyników większej ilości pomiarów;

- generację częstotliwości akustycznych;

- możliwość wskazywania wartości chwilowej lub średniej z zadanej ilości pomiarów;

- możliwość ustalenia częstotliwości wyświetlania wyników;

- programowa synchronizacja z mierzonym sygnałem;

Dokładne informacje dotyczące realizowanych funkcji oraz szczegółowe parametry techniczne zamieszczone zostaną w ostatniej części artykułu.

Częstościomierz został skonstruowany z łatwo dostępnych elementów. Przy projektowaniu opisywanego urządzenia brano pod uwagę dostępność

podzespołów oraz ich koszt. Pozwoliło to na zoptymalizowanie współczynnika jakość/cena, nie wpłynęło natomiast na zmniejszenie liczby funkcji

realizowanych przez częstościomierz.

W mierniku częstotliwości wykorzystano bogate możliwości mikroprocesora 80C32. Posiada on w swym wnętrzu trzy 16 bitowe liczniki/czasomierze,

256 bajtów RAM-u, rozbudowany układ przerwań oraz port komunikacji szeregowej. Odpowiednie wykorzystanie zasobów mikrokontrolera pozwoliło na

uproszczenie układów towarzyszących oraz wyposażenie częstościomierza w takie funkcje, jak chociażby pomiar współczynnika wypełnienia sygnałów

m.cz. (o częstotliwości do ok. 100 kHz).

Walory użytkowe podnosi również możliwość sprzężenia z dowolnym komputerem wyposażonym w interfejs szeregowy RS-232. Umożliwi to zdalne

kontrolowanie pracy częstościomierza oraz gromadzenie wyników pomiarów. Opis sposobu komunikacji z komputerem oraz zestaw komend

umożliwiający zdalną obsługę częstościomierza przedstawiony zostanie w trzeciej części artykułu.

Na samym wstępie, należy jednakże zaznaczyć, iż mikroprocesorowy miernik częstotliwości, opisywany w tym artykule, jest urządzeniem dość

zaawansowanym konstrukcyjnie. Dlatego z uwagi na stopień skomplikowania płytek drukowanych, montaż przedstawianego urządzenia jest godny

polecenia osobom, które mają doświadczenie w uruchamianiu układów elektronicznych oraz posługiwaniu się lutownicą.

Miernik wyposażony został w szereg użytecznych funkcji. Część z nich stanowi praktyczne — teoretyczny dorobek autora artykułu. Przykładem funkcji,

którą trudno spotkać w profesjonalnym nawet mierniku częstotliwości, jest możliwość monitorowania określonej częstotliwości. Dzięki tej opcji, po

ustawieniu częstotliwości środkowej oraz dewiacji, mamy możliwość kontrolowania, czy nasze źródło osiągnęło, czy też utraciło zadaną częstotliwość.

Wyobraźmy sobie hipotetyczny przypadek, w którym musimy ze-stroić heterodynę na odpowiednią częstotliwość. Ustawiamy odpowiednie parametry

konfiguracyjne częstościomierza i przystępujemy do strojenia. Nie musimy nawet spoglądać na wyświetlacz miernika, gdyż ten sam poinformuje nas sy-

gnałem dźwiękowym o osiągnięciu żądanej częstotliwości.

Opis konstrukcji

Miernik częstotliwości składa się z kilku części. Sposób podziału podyktowany został rozdziałem poszczególnych modułów na odpowiednie płytki. W skład

zestawu wchodzą następujące moduły: płytka mikroprocesora, płytka główna, płytka przednia, płytka wzmacniacza wejściowego oraz płytka zasilacza.

Całość łączy się przy pomocy złącz krawędziowych i po umocnieniu wspornikami w kilku miejscach, stanowi zwartą konstrukcję.

Schemat blokowy częstościomierza przedstawiony został na rys. 1. Jak widać sygnał, po wzmocnieniu we wzmacniaczu wejściowym, albo

wzmocnieniu i wstępnym podzieleniu w preskalerze dostaje się na wejście multipleksera. Tutaj następuje selekcja źródła sygnału. Wyselekcjonowany

Praktyczny Elektronik nr 10/95, 11/95, 12/95, 1/96, 5/96

© MHC 2001

2

sygnał dostaje się na wejście programowanego dzielnika wchodzącego w skład modułu mikroprocesora. Po podziale i uformowaniu sygnał dochodzi do

mikrokontrolera, sterując jego układem przerwań i licznikami. Moduł mikroprocesora odpowiedzialny jest również za odczyt klawiatury oraz sterowanie

wyświetlaczem alfanumerycznym LCD.

Rys.

1 Schemat blokowy częstościomierza mikroprocesorowego

Pierwszą część artykułu poświęcimy opisowi płytki mikroprocesorowej oraz płytki głównej.

Schemat części mikroprocesorowej przedstawiony został na rys. 2. Płytka mikroprocesora zawiera wszystkie elementy niezbędne do poprawnej pracy

mikrokontrolera. Posiada również następujące części: układ dzielnika programowanego (US4, US6, US8), układ kształtowania impulsów wejściowych

(US9D, US7B), bramę do odczytu klawiatury (US10), bramę do odczytu konfiguracji (US5), oraz dekoder adresów urządzeń dołączonych do magistrali

danych:

- US7A - brama odczytu konfiguracji - adres XDATA = 0x8000;

- US7C - brama odczytu klawiatury - adres XDATA = 0x4000;

- US7E, US9B - pamięć dzielnika programowego - adres XDATA = 0x2000;

- US7D, US9A, US9C - wybór modułu LCD - adres XDATA = 0x1000.

Mikroprocesor potrafi zliczać impulsy zewnętrzne o częstotliwości nie przekraczającej 500 kHz; ażeby więc możliwy był pomiar częstotliwości większych

konieczne było zastosowanie wstępnego dzielnika. Wykorzystano do tego celu dwa liczniki synchroniczne 74LS193 (US6, US8). Posiadają one wejścia

ustawiania wstępnego, które wykorzystano do automatycznego przeładowania ich zawartości. W połączeniu układem 74LS574 (US4) liczniki US6, US8

tworzą programowany dzielnik częstotliwości. Bramki US9D i US7B tworzą multiwibrator monostabilny, formujący przebieg, gdyż impuls przeładowujący

liczniki US6, US8 ma kształt bardzo ostrej szpilki i nie mógłby poprawnie sterować licznikiem zawartym w mikrokontrolerze. Aby wewnętrzny licznik mógł

poprawnie zliczać częstotliwość, wymaga impulsów o szerokości minimum 1

µ

s.

Tabela 1
Rozkład wyprowadzeń złącz wyświetlaczy LCD

Numer
Wyprowadzenia

Złącza 1X14 lub
2X7 pinów

Złącze 2X8 pinów

1

GND

VCC

2

VCC

nie podłączone

3

VLCD

E

4

RS

nie podłączone

5

R/W

RS

6

E

GND

7

DO

D7

8

D1

D6

9

D2

D5

10

D3

D4

11

D4

D3

12

D5

D2

13

D6

D1

14

D7

DO

15

brak

nie podłączone

16

brak

R/W

Praktyczny Elektronik nr 10/95, 11/95, 12/95, 1/96, 5/96

© MHC 2001

3

Rys. 2 Schemat ideowy modułu mikroprocesora

Płytka główna pełni bardzo ważną rolę konstrukcyjną jak i elektroniczną. Łączy mianowicie ze sobą płytkę mikroprocesora i płytkę wzmacniacza

wejściowego, zapewniając zwartość konstrukcji. Na tej właśnie płytce umieszczone zostało gniazdo komunikacji szeregowej RS-232 oraz dwa gniazda do

podłączenia wyświetlacza LCD. Do niej dochodzi również napięcie zasilające z płytki stabilizatora.

Praktyczny Elektronik nr 10/95, 11/95, 12/95, 1/96, 5/96

© MHC 2001

4

Rys. 3 Schemat ideowy płyty głównej.

Schemat elektryczny tej części urządzenia uwidoczniono na rys. 3. Dziwne może się wydać umieszczenie dwóch gniazd wyświetlacza LCD, lecz

podyktowane to zostało względami praktycznymi. Otóż w sprzedaży dostępne są wyświetlacze o trzech rodzajach złącz. Wszystkie zawierają te same

sygnały, inna jest tylko konfiguracja połączeń. Ze względu na wygodę potencjalnego wykonawcy, zdecydowano się na umieszczenie dwóch najczęściej

spotykanych rodzajów złącz na płytce głównej. Posiadacze wyświetlaczy z innym rozkładem wyprowadzeń, będą zmuszeni do wykonania odpowiedniej

przejściówki, lub do przylutowania przewodów bezpośrednio na module wyświetlacza.

Do poprawnej pracy wyświetlacz wymaga regulowanego potencjometrem napięcia polaryzującego V

LCD

, odpowiedzialnego za kontrast. Większość

modułów wyświetlaczy została fabrycznie wyposażona w taki potencjometr. Niektóre niestety go nie posiadają.

Dlatego też na płytce głównej umieszczono opcjonalny potencjometr P1 do regulacji w/w kontrastu. Napięcie regulujące może zawierać się w zakresie

od 0 do 5 V lub od -5 V do 0. Zakres regulacji potencjometru P1 obejmuje napięcia od -5 V do 5 V. Osobom posiadającym moduł wyświetlacza bez opisu,

pomocne mogą się okazać informacje zawarte w tabeli 1. Przedstawiono w niej rozkład wyprowadzeń trzech wersji modułów LCD.

Jak już wcześniej wspomniano w handlu dostępnych jest wiele rodzajów wyświetlaczy LCD. Wybór odpowiedniego, również ze względów

ekonomicznych, może stanowić nie lada problem. Dlatego zdecydowano się pozostawić możliwość wyboru typu wyświetlacza potencjalnemu wykonawcy.

Zastosowano dwuwariantowe rozwiązanie konfigurowane na płycie mikroprocesora przy pomocy zworki AUX.

Przy zwartej zworce procesor będzie wyświetlał informacje na wyświetlaczu posiadającym jedną, szesnastoznakową linię (1x16). Informacje będą

ograniczone do niezbędnego minimum. Przy rozwartej zworce AUX możemy zainstalować moduł LCD o dwóch, szesnastoznakowych liniach (2x16). W

tej konfiguracji moduł wyświetlał będzie dodatkowe informacje na linii statusu. Można oczywiście zastosować inny moduł np. 1x20 lub 2x24 znaków lecz

wykorzystywane będzie zawsze tylko 16 znaków.

Montaż i uruchomienie

W pierwszej kolejności należy połączyć wszystkie mostki (zwory). Ponieważ odstępy pomiędzy niektórymi sąsiednimi zworkami nie przekraczają 2,5 mm

wskazane jest wykonamie połączeń kynarem (drut srebrny, lub srebrzony w izolacji teflonowej) lub w ostateczności cienkim przewodem w izolacji.

Wszelkie lutowania najlepiej wykonać specjalną lutownicą do precyzyjnych połączeń (ze stabilizacją temperatury grota). Nie nadają się do tego celu

popularne lutownice transformatorowe. Pod pamięć EPROM U3 tradycyjnie montujemy podstawkę. Sygnalizator dźwiękowy BZ1 można przylutować

bezpośrednio do płytki. Należy zauważyć, że trymer C8 oprócz normalnej funkcji pełni również rolę mostka. Dlatego osoby, które zastosują innego rodzaju

kondensator zmienny powinny połączyć mostkiem dwa naprzeciwległe wyprowadzenia trymera C8.

Praktyczny Elektronik nr 10/95, 11/95, 12/95, 1/96, 5/96

© MHC 2001

5

Wykaz elementów - płytka mikroprocesora

US1 - 80C52,80C32

US2 - 74HCT573, 74LS573, 74ALS573.74F573

US3 - pamięć EPROM z programem

(F-metr.bin

)

US4 - 74HCT574, 74LS574, 74ALS574

US5, US10 - 74HCT245, 74LS245, 74ALS245, 74F245

US6, US8 - 74LS193, 74F193, 74S193, 74ACT193

US7 - 74LS04, 74S04, 74ACT04

US9 - 74LS132, 74S132, 74ACT132

T1 - BC 308 lub dowolny pnp

Dl, D2 - BAYP 95

R5 -470

Ω/0,125 W

R3, R4 -4,7 k

Ω/0,125W

R1, R2 - 10 k

Ω/0,125 W

RPACK1, RPACK2 - 8x10 k

Ω (drabinka rezystorowa jednorzędowa)

C6 - 15 pF KCP

C7 - 33 pF KCP

C9 - 390 pF/160 V KSF-020-ZM

C1, C2, C3, C4 -47nF/16VKFP

C5

- 10

µF/16 V 04/U

C8 - trymer

φ

7 mm 5/20 pF, lub 7/30pF

C10 - 47 /

µF/16 V 04/U

Q1 - rezonator kwarcowy 12,000 MHz

BZ1 - miniaturowy sygnalizator akustyczny (buzzer)

SW1 - 8xJUMPER (ośmiokrotny miniaturowy przełącznik suwakowy)

W1 - złącze krawędziowe 1/10' 21 pin

W2 - złącze krawędziowe 1/10' 10 pin

Wykaz elementów - płyta główna

IS01, IS02 - CNY17 transoptor

T1 - BC 308 lub dowolny pnp

D1

- BAYP 95

R4 - 300

Ω/O,125 W

R6 - 680

Ω/0,125 W

R2 - 1 k

Ω/0,125 W

R1 -2,2 k

Ω/0,125W

R3, R5 -4,7 k

Ω/0,125W

P1 -4,7 kft PR167, PR 185

C1 - 100

µF/10 V 04/U

W1 - gniazdo 1/10' 21 pin

W2 -gniazdo

1/10' 9 pin

W3' -

złącze modułu LCD 2x8 pin

W3" -

złącze modułu LCD 1x14 pin

W4, W4', W5

- złącze 1/10' 4 pin

Zł -

złącze DB9 męskie

Rys. 4 Płytka drukowana mikroprocesora

Rys. 5 Rozmieszczenie elementów na płytce mikroprocesora

Praktyczny Elektronik nr 10/95, 11/95, 12/95, 1/96, 5/96

© MHC 2001

6

Rys. 6 Główna płytka drukowana i rozmieszczenie elementów

Wzmacniacz wejściowy

Bardzo ważnym elementem częstościomierza jest wzmacniacz wejściowy. W opisach częstościomierzy spotykanych w literaturze elektronicznej

wzmacniacz wejściowy jest najczęściej potraktowany" po macoszemu". Przedstawiony poniżej układ powinien w pełni zadowolić nawet wymagającego

elektronika. Ponadto wzmacniacz został zaprojektowany w taki sposób, że można go wykorzystać w innych częstościomierzach.

Sygnał przebiegu mierzonego doprowadzany jest do wejścia WE LF. Rezystory R1 i R3, wraz z rezystorem R4 tworzą dzielnik wejściowy 1:10.

Włączanie dzielnika dokonywane jest za pośrednictwem klucza analogowego US1. Przy rozwartym kluczu do wejścia wzmacniacza doprowadzany jest

cały sygnał wejściowy. Natomiast przy zwartym kluczu sygnał podlega tłumieniu 1:10. Dla zapewnienia szerokiego pasma pracy dzielnik wejściowy został

skompensowany. Kompensację zapewniają kondensatory Cl i C2. Przy dobraniu właściwych wartości tych kondensatorów częstotliwości w całym paśmie

0

÷20 MHz podlegają jednakowemu tłumieniu przez dzielnik. Za dzielnikiem napięcia umieszczono kolejny klucz umożliwiający odcinanie składowej stałej

sygnału mierzonego. Przy rozwartym kluczu do wejścia tranzystora T1 doprowadzona zostaje za pośrednictwem kondensatora C3 składowa zmienna

sygnału. Przy zwartym kluczu do wejścia doprowadza się składową stałą z nałożoną na nią składową zmienną sygnału. Praca ze składową zmienną

sygnalizowana jest świeceniem się diody L'AC na płycie czołowej. Diody D1 i D2 zabezpieczają wejście wzmacniacza przed uszkodzeniem przez sygnały

o zbyt dużych amplitudach.

Dalej sygnał mierzony doprowadzony jest do kaskady wtórników napięcia T1 i T2. Pierwszy wtórnik zbudowano na tranzystorze JFET BF245B.

Bramka tego tranzystora polaryzowana jest przez rezystor R5.

Szeregowo z bramką T1 włączony został rezystor antyparazytowy R6 tworzący wraz z pojemnością wejściową tranzystora T1 filtr dolnoprzepustowy

eliminujący zakłócenia o częstotliwościach radiowych, które mogą nałożyć się na sygnał mierzony. Tranzystor T2 tworzy klasyczny wtórnik emiterowy

zapewniający bardzo małą rezystancję wejściową. Taka kaskada wtórników napięcia pozwala na uzyskanie dużej impedancji wejściowej i bardzo małej

impedancji wyjściowej przy zachowaniu bardzo szerokiego pasma częstotliwości (do ok. 40 MHz). Dodatkową zaletą takiego mieszanego wtórnika jest

zachowanie prawie jednakowej wartości składowej stałej napięcia na jego wejściu i wyjściu.

Z wyjścia wtórnika sygnał podawany jest na wejście wzmacniacza szerokopasmowego

µA733 (US2). Posiada on podobnie jak klasyczny wzmacniacz

operacyjny wejście odwracające i nieodwracające. Na tym jednak podobieństwa się kończą. Wzmocnienie wzmacniacza jest ustalane zupełnie w inny

sposób przez zwieranie ze sobą rezystorów umieszczonych w emiterach pierwszego stopnia różnicowego wewnątrz układu. Poprzez połączenie ze sobą

wyprowadzeń 3 i 12 uzyskano wzmocnienie 50 V/V, przy szerokości pasma 90 MHz. Wzmacniacz

µA733 posiada dwa wyjścia na których przebiegi mają

przeciwną fazę. Do wyjścia (nóżka 8 US2) na którym faza przebiegu jest przeciwna w stosunku do wejścia (nóżka 1 US2) dołączono wtórnik emiterowy

T3. Wybór wyjścia z przeciwną fazą sygnału nie jest przypadkowy. Zmniejsza to bowiem szansę wzbudzania się układu na wskutek promieniowania

sygnałów z wyjścia na wejście. Kolejnym krokiem zmierzającym do zminimalizowania możliwości wzbudzeń było odsprzężenie zasilania wtórników i

wzmacniacza rezystorami R9, R10 i kondensatorami C5, C6. Także wtórnik emiterowy T3 został odsprzęgnięty przy pomocy kondensatorów C7 i C8.

Praktyczny Elektronik nr 10/95, 11/95, 12/95, 1/96, 5/96

© MHC 2001

7

Rys. 7 Schemat ideowy wzmacniacza wejściowego

W zależności od częstotliwości i amplitudy sygnału mierzonego kształt napięcia na wyjściu wtórnika emiterowego T3 może być bardzo różny. Dla

przebiegów o częstotliwościach mniejszych od ok. 5 MHz i amplitudzie większej od ok. 100 mV napięcie wyjściowe ma kształt fali prostokątnej z

wyraźnymi "dzwonieniami", czyli zanikającymi oscylacjami. Amplituda napięcia wynosi ok. 4,5 V, przy czym wartość minimalna ma wartość ok. O V, a

maksymalna ok. 4,5 V. Dla wyższych częstotliwości przebieg (ze względu na ograniczone pasmo) zaczyna przybierać kształt trójkąta, a dla częstotliwości

powyżej 20 MHz kształt sinusoidy. Zauważa się także spadek amplitudy. Dla przebiegów wejściowych o amplitudach mniejszych od 100 mV amplituda

przebiegu wyjściowego jest mniejsza niż 4,5 V.

Dla prawidłowej pracy układu wzmacniacza istotnego znaczenia nabiera odpowiednia polaryzacja wejść układu US2. Wejście odwracające fazę

(nóżka l US2) polaryzowane jest bezpośrednio w emitera tranzystora T2. Wartość napięcia stałego na tym wejściu zawiera się w granicach -0,2

÷+0,2 V.

Praktyczny Elektronik nr 10/95, 11/95, 12/95, 1/96, 5/96

© MHC 2001

8

Drugie wejście wzmacniacza US2 polaryzowane jest przez układ automatyki tworzący stałoprądową pętlę sprzężenia zwrotnego. W skład pętli wchodzi

wzmacniacz operacyjny US4A i tranzystor T4.

Przebieg zmienny z wyjścia wzmacniacza US2 (nóżka 8) zostaje doprowadzony do filtru dolnoprzepustowego R18, C14, C15. Na kondensatorze C14

odkłada się wartość średnia napięcia zmiennego z wyjścia. W przypadku przebiegów o amplitudzie 4,5 V, z poziomem niskim 0V i wypełnieniu 1/2

napięcie stałe przyjmuje wartość ok. 2,25 V. Z kondensatora C14 napięcie doprowadzone jest do wejścia odwracającego wzmacniacza US4A. Na wejście

nieodwracające tego wzmacniacza doprowadzono napięcie stałe, regulowane potencjometrem P1. Na wyjściu wzmacniacza umieszczono jeszcze jeden

filtr dolno-przepustowy R14, C11, C12, C10.

Szeregowo połączone kondensatory C11 i C12 tworzą kondensator bipolarny o pojemności ok. 5

µF (napięcie na wyjściu wzmacniacza może bowiem

przyjmować wartości dodatnie i ujemne). Za filtrem umieszczono wtórnik emiterowy T4, z którego napięcie stałe doprowadzane jest do wejścia

wzmacniacza szerokopasmowego US2 (nóżka 14). Pętla sprzężenia będzie powodowała polaryzację wejścia 14 US2 w taki sposób, aby wartość średnia

napięcia na wyjściu 8 US2 była równa napięciu ustalonemu potencjometrem P1.

Układ automatyki działa poprawnie dla częstotliwości większych od ok. 100 Hz do 20 MHz, w całym zakresie napięć wejściowych. Dla niższych

częstotliwości, a także dla przebiegów prostokątnych o współczynniku wypełnienia 0

÷0,3 i 0,7÷1 konieczne jest ręczne ustawianie poziomu wyzwalania.

Do tego celu przeznaczony jest potencjometr "POZIOM" znajdujący się na płycie czołowej urządzenia. Potencjometr ten jest włączany za pośrednictwem

klucza analogowego. Praca z automatycznym ustawianiem poziomu wyzwalania sygnalizowana jest świeceniem się diody L'AU na płycie czołowej.

Podczas ręcznej regulacji poziomu wyzwalania pomocny jest układ wykrywający czy na wyjściu bramki US3D występują impulsy. Występowanie

impulsów sygnalizowane jest zapaleniem się diody L'FA na płycie czołowej. W układzie wykrywania impulsów zastosowano monowibrator 1/2US5. Układ

ten działa prawidłowo od pojedynczych impulsów do częstotliwości ok. 5 MHz. Nie stanowi to jednak mankamentu, gdyż dla większych częstotliwości

zalecana jest praca z automatycznym ustawianiem poziomu wyzwalania.

Z wyjścia wtórnika emiterowego T3 przebieg prostokątny doprowadzony jest do multipleksera cyfrowego zbudowanego na układzie 74S132 (US3).

Doprowadzenie do wejścia P/D jedynki logicznej powoduje, że do dalszej części częstościomierza dociera sygnał ze wzmacniacza wstępnego. Natomiast

zero logiczne na wejściu P/D łączy częstościomierz z wejściem HF przeznaczonym do współpracy z preskalerem. Uaktywnienie wejścia LF

sygnalizowane jest świeceniem się diody L'LF na płycie czołowej, natomiast uaktywnienie wejścia HF (praca z preskalerem, lub praca z jedną z

przystawek RLC) sygnalizowane jest świeceniem się diody L'HF.

Parametry wzmacniacza wstępnego zapewniają poprawną pracę do częstotliwości 20 MHz. Jednakże wzmacniacz "wyrabia" się jeszcze dla

częstotliwości dochodzących do 40 MHz przy niewielkim spadku czułości. Jeżeli chcemy wykorzystywać pełny, osiągany przez układ zakres

częstotliwości konieczne jest stosowanie bramek Schottky'ego (74S132). Jeżeli zadowala nas pasmo do ok. 25 MHz wystarczy zastosować bramki

74LS132. W żadnym wypadku nie wolno stosować bramek serii zwykłej 74132, które mogą sprawiać kłopoty już powyżej 10 MHz.

Zastosowane w dzielniku wejściowym klucze analogowe zasilane są napięciem symetrycznym ±5 V, co ma umożliwić ich prawidłową pracę dla

przebiegów ze składową stałą równą 0V. Spowodowało to jednak konieczność zastosowania konwerterów poziomów z 0

÷5 V na ±5 V. Jako konwertery

wykorzystano wzmacniacze operacyjne US4B

÷D. Sterowanie kluczami odbywa się przy pomocy sygnałów AC/DC, DZW1, DZW2. Stan wysoki (+5 V) na

wejściach powoduje zwarcie odpowiedniego klucza, a stan niski (0V) rozwarcie.

Montaż i uruchomienie

Układ wzmacniaczy wejściowych zmontowano na odrębnej płytce drukowanej. Oprócz wykonania kilku zworek konieczne jest połączenie ze sobą

przewodem izolowanym punktów oznaczonych literą Q. Montaż pozostałych elementów nie nastręcza większych trudności.

Tabela 2
Wartości elementów w generatorze przebiegu prostokątnego

Częstotliwość

Element

l kHz

100 kHz

50 kHz

l MHz

Cx

2,2

µF

22 nF

4,3 nF

2 nF

Tabela 3
Wartości elementów w generatorze przebiegu sinusoidalnego

Częstotliwość

Element

l MHz

5 MHz

10 MHz

20 MHz

Cx=Cy

l nF

330 pF

330 p F

120 pF

L1

50

µH 7x7 3XX 62zw.

6

µH 7x7 4XX 25 zw. 7x7

2XX 25 zw. 405, 406, 422

1,5

µH 7x7 2XX 12 zw. 7x7

4XX 12 zw. 7x7 5XX 16 zw.
425, 509

1

µH 7x7 4XX 10 zw. 7x7

5XX 13 zw. 472A, 510

Q

1-3 MHz

3-12 MHz

3-12 MHz

12-27 MHz

Praktyczny Elektronik nr 10/95, 11/95, 12/95, 1/96, 5/96

© MHC 2001

9

Przed uruchamianiem nie montuje się tylko kondensatorów C1 i C2. Kondensatory ceramiczne C1 i C2, C3, kondensatory blokujące 47 nF, A także

tranzystory T1, T2 i T3 powinny zostać zamontowane jak najbliżej płytki drukowanej.

Moduł wzmacniacza wejściowego należy uruchomić przed montażem w częstościomierzu. Aby ułatwić uruchamianie i kontrolę pracy wzmacniacza

wejściowego poniżej zamieszczono schematy prostych generatorów przebiegu sinusoidalnego i prostokątnego. Płytkę drukowaną, na której można

zmontować te układy wycina się z prawego dolnego narożnika płytki wzmacniacza wejściowego. Częstotliwość pracy generatorów zależy od wartości

zastosowanych elementów, które podano w tabelach 2 i 3.

W układzie generatora przebiegu prostokątnego można stosować tylko i wyłącznie układ 7400 serii podstawowej. Układy 74LS00 mogą nie wzbudzać

się.

W generatorze przebiegów sinusoidalnych można zastosować gotowe fabryczne cewki, podaję w tabeli, lub też samemu nawinąć je drutem w emalii

DNE 0,1 mm, stosując podane liczby zwojów. Zamiast cewki można też zastosować rezonator kwarcowy z połączonym szeregowo trymerem o wartości

5/20 pF. Elementy stosowane w generatorach nie są ujęte w wykazie elementów.

Oba generatory wyposażone są w potencjometry umożliwiające regulację amplitudy przebiegu wyjściowego. Układy te opłaca się zmontować, gdyż

koszt zakupu elementów jest niewielki, a mogą się one także przydać do sprawdzania innych układów elektronicznych.

Rys. 8 Schemat ideowy generatorów przebiegu:

a) sinusoidalnego, b) prostokątnego

Przystępując do uruchamiania układu należy zewrzeć z masą wejścia AC/DC, DZW1, DZW2,

a wejście P/D połączyć z napięciem +5 V. Do wejścia PÓZ podłącza się potencjometr

montażowy tak jako pokazano to na schemacie ideowym. Nie ma natomiast potrzeby

podłączania diod świecących.

Pierwszą czynnością jest pomiar napięcia stałego na emiterze tranzystora T2, przy zwartym

z masą wejściu WE LF. Wartość napięcia powinna zawierać się w przedziale -0,2

÷0,2 V. Jeżeli

tak nie jest należy dobrać wartość rezystora R7 w źródle tranzystora T1. Następnie

potencjometrem P1 ustawia się napięcie 2,5 V mierzone na suwaku tego potencjometru.

Do wejścia WE LF doprowadza się z generatora przebieg prostokątny o amplitudzie ok. 1V i

częstotliwości ok. 0,5

÷1 MHz. Do emitera T2 podłącza się za pośrednictwem sondy oscyloskop o

paśmie przenoszenia min. 20 MHz. Kształt przebiegu pokazano na rysunku 5a. W zależności od

częstotliwości i parametrów zastosowanych elementów przebieg może nie przypominać

prostokąta, lecz trójkąt (linia przerywana). Dobierając wartość kondensatora należy doprowadzić

do sytuacji kiedy przebieg oglądany na oscyloskopie będzie miał kształt prostokątny. Jako

zadowalający można uznać przebieg, w którym nachylenie poziomego odcinka nie przekracza

5

÷10% wartości amplitudy (rys. 9b). Dzielnik nie jest wtedy skompensowany idealnie, lecz jest to

w zupełności wystarczające. Orientacyjna wartość pojemności C1 wynosi 27

÷33 pF.

Po dobraniu wartości kondensatora Cl wejście DZW1 łączy się z +5 V, a amplitudę napięcia

z generatora zwiększa do 5V. Kształt przebiegu na emiterze T2 będzie teraz zbliżony do

pokazanego na rysunku 9c. Dobierając wartość kondensatora C2 należy uzyskać kształt w

którym nachylenie poziomego odcinka przebiegu nie przekracza 5

÷10% wartości amplitudy (rys.

9d). Orientacyjna wartość pojemności C2 wynosi 120-150 pF.

Po skompensowaniu dzielnika wejście DZW1 łączy się z masą, a do wejścia WE LF doprowadza

Rys.9 Oscylogramy przebiegów

się przebieg sinusoidalny o amplitudzie ok. 500mV i częstotliwości 1

÷5 MHz. Oscyloskop dołącza

Praktyczny Elektronik nr 10/95, 11/95, 12/95, 1/96, 5/96

© MHC 2001

10

się do emitera tranzystora T3. Kształt przebiegu pokazano na rysunku 9e. Można na nim zauważyć charakterystyczne "dzwonienia", czyli zanikające

oscylacje, które są rzeczą normalną i w tym przypadku niegroźną. Regulując potencjometrem P1 należy ustawić wypełnienie przebiegu wyjściowego

równe 1/2 (rys. 9f). Ta czynność kończy regulację wzmacniacza wejściowego.

Po przeprowadzonej regulacji proponuję jednak dokładne zbadanie zachowania się wzmacniacza przy różnych amplitudach kształtach i

częstotliwościach przebiegów doprowadzanych do wejścia WE LF. Warto też sprawdzić układ ręcznej regulacji poziomu wyzwalania (aby układ ten działał

należy połączyć wejście DZW3 z +5V). Przy pracy z ręczną regulacją poziomu wskazane jest dołączenie do układu diody L'FA. Nabranie wprawy w

ustawianiu poziomu wyzwalania może być pomocne przy pracy z gotowym częstościomierzem.

Jeżeli nie dysponujemy oscyloskopem montujemy kondensatory C1 i C2 o wartościach podanych w wykazie elementów. Napięcie na emiterze T2

kontrolujemy tak jak podano to powyżej, a potencjometrem P1 ustawiamy napięcie 2,2V na nóżce 8 US2.

Rys. 10 Schemat płytki drukowanej wzmacniacza wejściowego

Rys. 11 Rozmieszczenie elementów na płytce wzmacniacza wejściowego

Płyta przednia i zasilacz

Na płycie przedniej znajduje się osiem mikrołączników SW1

÷SW8 przy pomocy których steruje się pracą częstościomierza. Ponadto do płytki

przedniej przymocowany jest potencjometr regulacji poziomu wyzwalania, oraz gniazda BNC G1 i G2. Do gniazda G1 doprowadza się sygnał przebiegu

mierzonego, a drugie gniazdo jest wyjściem generatora przebiegów prostokątnych. Ponadto na płytce przedniej zamontowano diody LED sygnalizujące

niektóre stany pracy częstościomierza.

W trakcie opracowania projektu założono możliwość łatwej rozbudowy częstościomierza. Przewidziano także możliwość dołączenia rozmaitych

przystawek umożliwiających pomiar: pojemności (C), indukcyjności (L), rezystancji (R). Opisów przystawek mogą Czytelnicy spodziewać się w

najbliższych numerach Praktycznego Elektronika. Użytkownik będzie miał możliwość indywidualnego wyboru przystawki. Dołączane będą one poprzez

złącze rozszerzeń W4. W tabeli 4 przedstawione zostały sygnały doprowadzone do złącza W3, z którego przewodami łączy się je ze złączem W4, które

przymocowane jest do płyty czołowej miernika. W prototypie zastosowano złącze DB-9 powszechnie stosowane w technice komputerowej.

Sygnały wyprowadzone na złącze W3 umożliwiają automatyczną zmianę zakresów pomiarowych dołączanych przystawek. W standardowej konfiguracji

będzie do niego dołączona sonda z preskalerem. Ponieważ pracuje on przy wysokich częstotliwościach, więc wydaje się być naturalne i logiczne,

umieszczenie go w ekranowanej sondzie, jak najbliżej mierzonego sygnału.

Praktyczny Elektronik nr 10/95, 11/95, 12/95, 1/96, 5/96

© MHC 2001

11

Tabela 4
Opis sygnałów złącza W3

Nr wyprowadzenia

Sygnał

Opis

1

+5V

zasilanie

2

-5V

zasilanie

3

GND

zasilanie

4

DZW1

przełączanie zakresów

5

DZW2

przełączanie zakresów

6

DZW3

przełączanie zakresów

7

HF

wejście częstotliwości

8

GND

masa sygnału

Rys. 12 Schemat ideowy płytki przedniej i zasilacza

Wykaz elementów - wzmacniacz wejściowy

US1

- MCY 74066 (CD 4066)

US2 -

µA733

US3 -

74S132 (74LS132) opis w tekście

US4

- TL 084 (TL 074)

US5

- CD 4538

T1

- BF 245B

T2, T3

- BF 240

T4-T7

- BC 238B

D1-D5 -

BA

182 (BAYP 94, BAYP 95)

D6 -

BAVP

17 (1N4148)

R9, R10 -10

Ω/0,125 W

R6 -100

Ω/0,125 W

R28, R32, R34 - 300

Ω/0,25 W

R13, R21, R22 - 820

Ω/0,25 W

R1, R11 - 1 k

Ω/0,125W

R8 -

1,3 k

Ω/0,125W

R7*

- 2 k

Ω/0,125 W opis w tekście

R19, R20 -5,1 k

Ω/0,125W

R4, R18 -10k

Ω/0,125W

R12 -18k

Ω/0,125W

R16, R17 -22 k

Ω/0,125 W

R23-R25, R29,R33,

R35

- 22 k

Ω/0,125 W

R14, R15, R26,

R27 - 47 k

Ω/0,125 W

R3 -91k

Ω/0,125W

R30, R31 - 100 k

Ω/0,125 W

R2, R5 - 1 M

Ω/0,125 W

C1* - ok. 27 pF opis w tekście

C2* - ok. 120 pF opis w tekście

C4 - 10 nF/32 V KFP

C5-C10, C13,

C15, C17, C19,C21,

C22

-47 nF/32 V KFP

C3

- 100 nF/63 V MKSE-20

C18, C20 - 1

µF/63 V 04/U

C11, C12, C16,

C23, C24 - 10

µF/16 V 04/U

C14 - 470

µF/16 V 04/U

W1 - złącze krawędziowe 1/10' 13 pin

W2 - złącze krawędziowe 1/10' 9 pin

Praktyczny Elektronik nr 10/95, 11/95, 12/95, 1/96, 5/96

© MHC 2001

12

Wykaz elementów - płytka przednia

D1, D2, D4 - LED kolor świecenia zielony

D3

- LED kolor świecenia żółty

D5

- LED kolor świecenia czerwony

R2 -

1 k

Ω/0,125 W

R3 -2k

Ω/0,125W

R1 -7,5

k

Ω/0,125W

P1 -

10 k

Ω-A PRP 185

SW1-SW8 - mikrołączniki

W1 -

gniazdo

1/10' 13 pin

W2 -

gniazdo

1/10' 10 pin

W4 - złącze DB9 dowolne

G1, G2 -gniazdo BNC-50

Wykaz elementów - płytka zasilacza

US1

- LM 7805

US2

- LM 7905

C5-C8 -

100 nF/63V MKSE-020

C4 -

47

µF/16V 04/U

C3, C4 - 100

µF/16V 04/U

C2 -

470

µF/16V 04/U

C1 -

1000

µF/16V 04/U

Rys. 13 Przednia płytka drukowana wraz z płytką zasilacza

Praktyczny Elektronik nr 10/95, 11/95, 12/95, 1/96, 5/96

© MHC 2001

13

Aby podnieść walory użytkowe przyrządu, autor zdecydował się również na stworzenie programu na komputer PC. Pozwali on na zdalną obsługę

częstościomierza, gromadzenie, wstępną obróbkę (np. aproksymacja liniowa wyników pomiarów) oraz wizualizację danych pomiarowych (np. wykres

zmian współczynnika wypełnienia sygnału w funkcji czasu). Skrócony opis funkcji spełnianych przez ten program oraz szczegółowy programu

częstościomierza znajdzie się w czwartej części artykułu.

Do pierwszej części natomiast wkradło się kilka błędów:

- Na schemacie (rys. 2) układ US1 oznaczony został jako 80C51 - powinien mieć oznaczenie 80C32. Oznaczenie układu US1 na płytce oraz w wykazie

elementów jest poprawne.

- W rzeczywistości inne jest, niż na schemacie ideowym, przyporządkowanie funkcji przełącznika konfiguracyjnego SW1: na schemacie jest kolejno: 1/2,

1/4, 1/8, 1/10, 1/16, 1/100, 1/256 i wybór wyświetl. AUX. Powinno być, kolejno: 1/4, 1/8, 1/10, 1/16, 1/64, 1/100, 1/256 i wybór wyświetl. AUX.

- Na płytce drukowanej mikroprocesora znalazły się dwa błędy. Jeden z nich polega na błędnym poprowadzeniu ścieżki zasilania i masy w okolicach

złącza W1, a drugi na odwrotnym połączeniu tranzystora T1 z buzzerem.

- Uległo także niewielkiej zmianie położenie kilku elementów na płytce głównej i czołowej, tak aby elementy te nie kolidowały z elementami na sąsiednich

płytkach.

- Na płytce mikroprocesora przygotowano miejsce do montażu kołka dystansowego łączącego płytkę mikroprocesora z płytką wzmacniacza wejściowego.

- Połączenie gniazda RS-232 w konfiguracji typu " modem zerowy" dla dwóch typów gniazd (DB-25 i DB-9) przedstawiono na rys. 14.

Rys. 14 Połączenie gniazda RS-232 w konfiguracji typu "modem zerowy" z gniazdami DB-25 i DB-9

Częstościomierz umożliwia dokonywanie bardzo dokładnych pomiarów ze stałą precyzją 6-cyfrową, pod warunkiem zastosowania dokładnego wzorca

częstotliwości. Jednym z głównych ograniczeń, jest tutaj dokładność rezonatora kwarcowego,

którego długoterminowa stabilność częstotliwości z reguły nie przekracza 10

-6

.Oznacza to, że

dewiacja częstotliwości

∆f/f ≤ 10

-6

. Stabilność krótkoterminowa jest z reguły większa. Należy

w tym miejscu zaznaczyć, że faktyczna częstotliwość oscylacji rezonatora kwarcowego,

może różnić się od podanej przez producenta nawet o czynnik 10

-4

. Jednakże, jak wskazuje

praktyka, zdarzają się egzemplarze generujące częstotliwości dość znacznie odbiegające od

podanych na obudowie. Często nawet niewiele pomaga zmiana pojemności trymera C8

włączonego równolegle w obwód oscylatora. Nie pozostaje nam wówczas nic innego, jak

tylko znaleźć odpowiedni egzemplarz. Należy jednakże pamiętać, że nawet najdokładniejsze

ustawienie częstotliwości, nie zapewni nam długoterminowej stabilności, lepszej niż 10

-6

.

Czynników, które wpływają na dewiację częstotliwości jest sporo, począwszy od wpływu

temperatury, poprzez zmiany napięcia zasilającego, na starzeniu skończywszy.

Osoby które zdecydują się na podwyższenie precyzji pomiaru, mogą zastosować

precyzyjniejszy wzorzec częstotliwości.

Rys. 15 Schemat podłączenia zewnętrznego zegara do

mikroprocesorów serii 8032 (8052) i 80C32 (80C52)

Praktyczny Elektronik nr 10/95, 11/95, 12/95, 1/96, 5/96

© MHC 2001

14

Od klasycznych rezonatorów, nieco lepsze właściwości, mają temperaturowo kompensowane generatory kwarcowe (TCXO), w których stosuje się ukła-

dową kompensację temperaturowych zmian częstotliwości drgań. Generatory takie, są produkowane przez wiele firm jako gotowe moduły. Niestałość

częstotliwości generatorów termo kompensowanych zawiera się w przedziale od 10

-6

do 10

-7

dla zmian temperatury od 0°C do 50°C.

Największą stałość częstotliwości generatora kwarcowego, osiąga się, umieszczając go w termostacie. W tym przypadku używa się rezonatorów,

które mają zerowy współczynnik temperaturowy dla pewnej podwyższonej temperatury (od 80°C do 90°C), a parametry termostatu ustala się tak, by

utrzymywał tę właśnie temperaturę. Generatory termostatowane wykonywane są w postaci modułów o niewielkich rozmiarach, przeznaczonych do

bezpośredniego wmontowania do przyrządu. Tutaj osiągana jest stabilność lepsza niż 10

-10

.

Częstościomierz możne być taktowany zewnętrznym sygnałem zegarowym o częstotliwości 12 MHz. Sposób jego doprowadzenia do mikrokontrolera

przedstawiono na rys. 15.

Opis montażu

Jak już wcześniej wspomniano, częstościomierz składa się z kilku modułów. Po zmontowaniu, łączy się je razem przy pomocy złączy krawędziowych

(powszechnie stosowanych w technice cyfrowej). Wybór rastra 1/10', wydaje się być najwłaściwszy ze względu na największe rozpowszechnienie takich

właśnie złączy. Na rys. 16. przedstawiono przyporządkowanie poszczególnych typów złączy. Litery XXX przy nazwach symboli oznaczają liczbę nóżek

występujących w złączu. Na przykład ASL 021.1 oznacza wtyk jednorzędowy posiadający 21 nóżek. Litera "K" informuje, że wtyk jest wykonany jako

kątowy. Zamiast gniazd BLK XX.01 można stosować odpowiednio obcięte

podstawki pod układy scalone, które są znacznie tańsze.

Do połączenia zasilacza z wtykiem W5, oraz połączenia wyświetlacza z jednym

z wtyków W3', lub W3" można użyć Nasadki na przewód typu PFL XXX.Y.

W oznaczeniu litery XXX zawierają informację o liczbie styków, natomiast litera

Y informuje o liczbie rzędów. Na przykład oznaczenie PFL 004.1 odnosi się do

nasadki jednorzędowej z czterema wyprowadzeniami.

Płytka przednia zwrócona jest drukiem do przodu. Zatem po stronie druku

montowane są tylko gniazda W1 i W2. Pozostałe elementy (rezystory, diody

LED, mikroprzełączniki zamontowano po stronie druku. W miejscu oznaczonym

jako gniazdo W4 wycina się otwór w którym montuje się gniazdo szufladowe

DB-9. Gniazdo to łączy się odcinkami przewodów z wyjściami oznaczonymi na

płytce jako W3. Do gniazda W4 będzie można podłączać preskalery, a także

przystawki do pomiaru rezystancji, pojemności i indukcyjności.

Rys. 16 Typy złączy zastosowanych w częstościomierzu

Rys. 17 Wygląd zmontowanego częstościomierza

Praktyczny Elektronik nr 10/95, 11/95, 12/95, 1/96, 5/96

© MHC 2001

15

Sposób rozmieszczenia elementów na płycie czołowej, nie został do końca narzucony. Możliwe jest oddzielenie klawiatury od płytki przedniej i

umieszczenie jej w bardziej dogodnym miejscu (np. bliżej panelu przedniego). Trochę kłopotu może sprawić przymocowanie wyświetlacza LCD, lecz ze

względu na fakt, iż jest on elementem dość delikatnym oraz wrażliwym na ładunki elektrostatyczne, trzeba temu zagadnieniu poświęcić nieco więcej

uwagi.

Oczywiście, cała konstrukcja nie będzie mogła trzymać się tylko na złączach. Na płytce wzmacniacza wejściowego i mikroprocesora przewidziano

dodatkowo wolne miejsce przeznaczone do zamocowania kołka dystansowego o długości 27 mm łączącego obie płytki. Usztywnia to całą konstrukcję.

Płytkę mikroprocesora i płytkę przednią należy przymocować do obudowy. Rysunek 17 przedstawia poglądowo układ poszczególnych modułów

częstościomierza.

Kilka uwag dotyczących montażu elementów. Dobrą praktyką w montażu układów cyfrowych jest stosowanie podstawek pod wszystkie układy scalone.

Jeśli jednak zdecydujemy się, z różnych względów, na wlutowanie układów scalonych bezpośrednio do płytki pod pamięć EPROM (US3), musimy mimo

wszystko zastosować podstawkę.

Opis uruchomienia

Jeżeli uporaliśmy się już ze wszystkimi szczegółami technicznymi, sprawdziliśmy czy na płytce nie ma przypadkowych zwarć lub błędnych połączeń,

możemy przystąpić do procesu uruchamiania.

W pierwszej kolejności podłączamy zasilacz. Kontrolujemy obydwa napięcia zasilające. Jeżeli są one poprawne, uznajemy zasilacz za uruchomiony.

Dość ryzykownym, byłoby podłączenie zasilacza bez uprzedniego sprawdzenia poprawności jego działania.

Opis sposobu uruchomienia wzmacniacza został zamieszczony w poprzednim artykule, więc będziemy traktować go jako uruchomiony, poprawnie

działający moduł.

Najwięcej uwagi, w dalszym procesie uruchamiania wymaga moduł mikroprocesora. Konieczne będzie przeprowadzenie kontroli działania

przerzutnika mono-stabilnego, skonstruowanego z bramek US9D, US7B oraz C9 i R3. Pobudzenie w postaci krótkiej ujemnej szpilki powinno zostać

przedłużone na wyjściu na czas nie dłuższy niż 4

µs i nie krótszy niż 2,5 µs. Jest to parametr dość krytyczny. Oczywiście kontrolę faktycznego czasu

działania monowibratora należy przeprowadzić przy użyciu oscyloskopu. Jeżeli zmierzony czas jest większy od 4

µs, to należy zmniejszyć wartość

kondensatora C9 lub rezystora R3; jeżeli natomiast T < 2, 5

µs, to zwiększamy wartość C9 lub R3.

Należy zwrócić uwagę na odpowiednie dopasowanie wejścia licznika synchronicznego US8 do wyjścia multipleksera US3 znajdującego się na płytce

wzmacniacza wejściowego. Układy niektórych serii mogą ze sobą nie współpracować (ze względu na różne poziomy napięć odpowiadające stanom

logicznym).

Należy także pamiętać o prawidłowym skonfigurowaniu częstościomierza (w ostateczności można do tego celu użyć odcinków przewodów

wlutowanych w odpowiednie wyprowadzenia przełącznika SW1). Pamiętajmy również o sprawdzeniu czy sygnały na złączu wyświetlacza LCD zostały

prawidłowo przyporządkowane.

Stwierdzenie poprawności działania programu (a więc również systemu mikroprocesorowego) będzie możliwe po zasileniu częstościomierza.

Po wyzerowaniu (dołączenie zasilania) zostanie włączony na około 0,5 s sygnał dźwiękowy, a na module wyświetlacza jednowierszowego pojawi się

napis:

"ARTKELE (C)T.Kwiatkowski"

Posiadacze wyświetlaczy dwuwierszowych zobaczą napis:

" Częstościomierz v.1.O "

"ARTKELE (C)T.Kwiatkowski"

Jeszcze jedną oznaką poprawnego działania mikrokontrolera jest domyślne zaświecenie diod LF i AC(przy pozostałych wygaszonych).

Jeżeli nie zaistnieje żaden z w/w efektów, wówczas należy zastanowić się nad przyczyną. Aby ułatwić zadanie mniej doświadczonym elektronikom,

na rys. 18 przedstawiono algorytm lokalizacji uszkodzenia.

Jeżeli po przeanalizowaniu algorytmu, nadal mamy problemy z uruchomieniem częstościomierza, proponuję odwołać się do innych metod. Niestety przy

konstruowaniu tego typu urządzeń, wymagane jest nieco większe doświadczenie w dziedzinie uruchamiania układów cyfrowych. Jeżeli więc nie potrafimy

uporać się z uruchomieniem częstościomierza, rozsądnym rozwiązaniem byłoby poradzenie się osoby bardziej doświadczonej w tym temacie.

Ustawienie częstotliwości można przeprowadzić dwojako - poprzez pomiar częstotliwości wzorca, lub kontrolę wskazań miernika podczas pomiaru

generatora wzorcowego.

W pierwszym przypadku konieczne będzie użycie innego, wykalibrowanego miernika częstotliwości (co najmniej o klasę lepszego). Pomiar

częstotliwości można dokonać bezpośrednio na wyprowadzeniach generatora (nóżka nr 19 US1) lub na wyprowadzeniu nr 30 US1 (przy wyjętej pamięci

EPROM). Trymerem C8, należy ustawić żądaną wartość: 12.0000 MHz dla wyprowadzenia nr 19 lub 2.00000 MHz dla wyprowadzenia nr 30.

W drugim przypadku doprowadzamy na wejście częstościomierza sygnał z generatora wzorcowego! na podstawie jego wskazań, ustawiamy trymer C8.

Jeżeli generator wzorcowy charakteryzuje się wysoką stabilnością, to dopuszczalne jest wahanie wskazań na ostatniej pozycji, o nie więcej niż dwie

jednostki.

Praktyczny Elektronik nr 10/95, 11/95, 12/95, 1/96, 5/96

© MHC 2001

16

Rys. 18 Algorytm lokalizacji uszkodzeń w częstościomierzu

Poniżej przedstawiono wszystkie ważniejsze parametry miernika. Dają one pełny obraz możliwości pomiarowych tego urządzenia.

Zakres częstotliwości

0

÷20 MHz (0÷40 MHz) Napięcie wejściowe:

- sinusoidalne do 5 MHz

50 mV

÷50 V

- sinusoidalne 5

÷10 MHz

100 mV

÷50 V

- sinusoidalne 10

÷20 MHz

150 mV

÷50 V

- podzakresy

50 mV

÷5 V

0,5 V

÷500 V

Impedancja wejściowa:

- dla zakresu 5 V

500 k

Ω, 40 pF

- dla zakresu 50 V

100 k

Ω, 40 pF

Poziom wyzwalania:

- dla zakresu 5 V

-2

÷+2 V

- dla zakresu 50 V

-20

÷+20 V

Ustawianie poziomu wyzwalania:

- dla f=100 Hz

÷20 MHz

i wypełnienia 0,3

÷0,7

automatyczne

- dla f=0

÷20 MHz

ręczne

Praktyczny Elektronik nr 10/95, 11/95, 12/95, 1/96, 5/96

© MHC 2001

17

Maksymalna częstotliwość bezpośrednio

mierzonego sygnału (bez preskalera)

25 MHz*

Zakres pomiaru:

- czasu

1 ms

÷99999999 ms

- częstotliwości

1,00000 Hz

÷9,99999 GHz**

- okresu

1,00000 s

÷100 ps**

- współczynnika wypełnienia

0,1

÷99,9%

Zakres częstotliwości

pracy generatora

0,1000 Hz

÷9,999 kHz

Kształt generowanego przebiegu

prostokąt, wypełnienie 50%

Zakres zliczania (w górę lub w dół)

1

÷99999999 impulsów

Maksymalna częstotliwość zliczania

100 kHz

Opcje dodatkowe*** :

- pomiar rezystancji

100

Ω÷10 MΩ

- pomiar pojemności

100 pF

÷100 µF

- pomiar indukcyjności

100

µH÷100 mH

Dokładność pomiaru:

- częstotliwości, okresu

±1*10

-6

+ niedokładność kwarcu (6 cyfr znaczących)

- współczynnika wypełnienia

±0,1%

- czasu

±1 ms

- rezystancji, pojemności, indukcyjności

±1*10

-4

+ niedokładność przystawki (4 cyfry znaczące)

Krótkoterminowa dokładność generatora

±1

µs (względem wartości wyświetlanej)

Długoterminowa dokładność generatora

niedokładność kwarcu

Parametry monitora wartości:

- dokładność ustawienia

wartości śledzonej

4 cyfry znaczące w pełnym zakresie pomiarowym

- zakres ustawiania tolerancji

okna śledzenia

±0,1

÷25%

* - przy zastosowaniu liczników US6, US8 szybkiej serii np. ACT, S, F

** - z preskalerem

*** - po zastosowaniu odpowiednich przystawek

Przejdźmy do opisu funkcji spełnianych przez częstościomierz.

Obsługa funkcji zorganizowana została w postaci kilkupoziomowego menu. Wybór poszczególnych opcji oraz dokonywanie nastaw możliwe jest za

pośrednictwem klawiszy [LEWO], [PRAWO], [WPROWADŹ], [WYJDŹ] i [FUNKCJA]. Na górnym wierszu wyświetlaczy dwuwierszowych umieszczane są

dodatkowe informacje ułatwiające obsługę miernika np. nazwa aktualnego menu.

Zamierzeniem programisty było osiągnięcie jak największej przejrzystości obsługi. Ograniczona ilość klawiszy stworzyła konieczność przypisania

niektórym klawiszom podwójnych funkcji. Na rys. 19 wyszczególniono funkcje przypisane poszczególnym klawiszom.

Hierarchiczną organizację menu przedstawiono na rys. 20. Pola w szarym kolorze oznaczają opcje menu, które posiadają swoją podopcję - niższy

poziom menu. l tak np. naciskając klawisz [WPROWADŹ] przy wyświetlanej opcji " Częstotliwość" (menu główne) przejdziemy do następnego poziomu

menu - w tym przypadku menu wyboru konfiguracji. Wyjście z danego poziomu menu następuje po naciśnięciu klawisza [WYJDŹ].

Poniżej opisano ważniejsze opcje menu z rys. 20. Przyjęto następujący sposób oznaczeń: pierwszy numer, cyfra rzymska- poziom menu, drugi

numer, cyfra arabska - numer porządkowy opcji na danym poziomie menu. Opcje powtarzające się nie zostały wyszczególnione.

I.1. " Preskaler" - wybór trybu pracy (z preskalerem lub bez)

I.2. "Częstotliwość" - menu pomiaru częstotliwości

I.3. "Okres" - menu pomiaru okresu

I.4. "Współczynnik wypełnienia" -menu współczynnika wypełnienia

II.1. "Wybór wejścia" -wybór wejścia do którego doprowadzony zostanie sygnał mierzony

III.1. "Wejście LF" - wejście wzmacniacza - częstotliwości z zakresu l Hz - 25 MHz (również z preskalera)

III.2. "Wejście HF" -wejście TTL (W4) - częstotliwości z zakresu l Hz - 25 MHz (również z preskalera)

II.2. "Metoda pomiaru" - ustalenie sposobu wyświetlania pomiarów

Praktyczny Elektronik nr 10/95, 11/95, 12/95, 1/96, 5/96

© MHC 2001

18

III.4. " Pomiar ciągły" - pomiary dokonywane są bez przerwy

III.5. "Pomiar pojedynczy" - każdorazowe naciśnięcie klawisza [START] wyzwala jeden pomiar

III.6. " Średnia N pomiarów" - wejście do edycji wartości N, uśrednianie N pomiarów - średnia wyświetlana będzie co N pomiarów

II.3. "Sygnał dźwiękowy" - ustalenie sposobu zachowania buzzera podczas pomiaru

III.7. "Tik po każdym pomiarze" - po wyświetleniu każdego pomiaru generowany będzie krótki sygnał dźwiękowy

III.8. "Wyłączony" - sygnał dźwiękowy nie będzie generowany po każdym pomiarze

II.4. "Monitor" - konfiguracja monitora - funkcji śledzącej mierzoną wartość

III.9. "Ustaw wartość" - edycja wartości śledzonej

III.10. " Ustaw tolerancję" - edycja tolerancji (ustalenie szerokości okna śledzenia)

III.11. "Sygnał dźwiękowy" - konfiguracja sygnału dźwiękowego generowanego przez monitor

IV.l. "Włączony w zakresie" - sygnał dźwiękowy jest generowany, gdy mierzona wartość pokrywa się z wartością ustawioną w monitorze z dokładnością

do zadanej tolerancji

IV.2. "Wyłączony w zakresie" - sygnał dźwiękowy jest generowany, gdy mierzona wartość nie pokrywa się z wartością ustawioną w monitorze z

dokładnością do zadanej tolerancji

IV.3. "Tik przy przejściach" - jeżeli w dwóch kolejnych pomiarach nastąpi przejście poza lub do zakresu tolerancji, zostanie wygenerowany krótki sygnał

dźwiękowy

I.5. "Czas" - menu pomiaru czasu

II.5. "Sposób wyzwalania" - Ustalenie sposobu wyzwalania pomiaru czasu

III.12. "Zbocze narastające" - pomiar czasu zostanie zainicjowany po pojawieniu się narastającego zbocza sygnału na wybranym wejściu (LF lub HF)

III.13. "Zbocze opadające" - pomiar czasu zostanie zainicjowany po pojawieniu się opadającego zbocza sygnału na ustalonym wejściu (LF lub HF)

III.14. "Klawisz START/STOP" - naciśnięcie klawisza [START] wyzwoli czasomierz, ponowne naciśnięcie klawisza [START], spowoduje jego zatrzymanie

-możliwość wykorzystania miernika jako dokładnego stopera

I.6. "Zliczanie w górę" - menu zliczania w górę

I.7. "Zliczanie w dół" - menu zliczania w dół

II.6. "Wartość początkowa" - edycja wartości, od której ma się rozpocząć zliczanie

II.7. "Sygnał dźwiękowy" - konfiguracja sygnału dźwiękowego generowanego przy zliczaniu w dół

III.15. "Tik po każdym pomiarze" - po każdym zliczonym impulsie zostanie wygenerowany krótki sygnał dźwiękowy

III.16. "Wyłączony gdy Cnt > O" - sygnał dźwiękowy zostanie włączony, gdy licznik osiągnie wartość O

III.17. "Włączony, gdy Cnt > O" - sygnał dźwiękowy będzie włączony tak długo, aż licznik nie osiągnie wartości O

III.18. "Wyłączony" żaden sygnał dźwiękowy nie będzie generowany podczas liczenia

I.8. "Generator" - menu generatora

II.8. "Ustaw częstotliwość" - edycja wartości i zakresu generowanej częstotliwości

I.9. " Opcje dodatkowe" - wybór opcji dodatkowych dostępnych po dołączeniu odpowiednich przystawek

II.9. "Pomiar rezystancji" - menu opcji dodatkowej - pomiaru rezystancji. Dostępne po dołączeniu przystawki R/f

II.10. "Pomiar indukcyjności" - menu opcji dodatkowej - pomiaru indukcyjności. Dostępne po dołączeniu przystawki L/f

II.11. "Pomiar pojemności" - menu opcji dodatkowej - pomiaru pojemności. Dostępne po dołączeniu przystawki C/f

I.10. "Info" - wyświetlenie informacji o programie

Rys.19 Funkcje realizowane przez poszczególne klawisze

Praktyczny Elektronik nr 10/95, 11/95, 12/95, 1/96, 5/96

© MHC 2001

19

Rys.20 Organizacja menu miernika częstotliwości.

Rozpoczęcie pomiaru następuje po naciśnięciu klawisza [START/STOP] na dowolnym poziomie menu wybranej opcji (min. 2 poziom menu).

Naciśnięcie klawisza [START/STOP] w menu głównym nie przyniesie żadnych rezultatów, gdyż procesor nie będzie wiedział jaką wielkość ma mierzyć.

Opcje dodatkowe wymagają użycia przetworników mierzonych wielkości na częstotliwość. Sygnały DZW1 - DZW3 wyprowadzone na złączkę W4

umożliwiają automatyczne przełączanie zakresów, synchronizowane od strony mikroprocesora. Zakres mierzonych częstotliwości w trybie opcji

dodatkowych zawiera się w granicach 900 Hz - 1 kHz - 10 kHz - 11 kHz i jest niezmienny dla każdego z zakresów pracy przystawki. Przełączenie na

zakres niższy następuje, gdy częstotliwość jest mniejsza od 900 Hz, przejście na zakres wyższy następuje, gdy zmierzona częstotliwość przekroczy

11kHz. W tabeli 5 przedstawiono zakresy pracy i odpowiadające im stany sygnałów sterujących.

Na rys. 21 zobrazowano schematycznie metodę pomiaru częstotliwości i okresu. Na rys. 22 przedstawiono tą samą metodę w ujęciu

algorytmicznym. Zastosowana metoda, dzięki synchronizacji z mierzonym przebiegiem, pozwala na dokładny pomiar (6 cyfr znaczących) w czasie 1 s.

Jeden zakres pomiarowy obejmuje częstotliwości od 1 Hz do 100 kHz. Tak więc do pokrycia całego zakresu pracy częstościomierza wystarczą dwa

zakresy:

Praktyczny Elektronik nr 10/95, 11/95, 12/95, 1/96, 5/96

© MHC 2001

20

1. 1Hz

÷100kHz

2. 100kHz

÷25MHz

Automatyczne przełączanie zakresów częstotliwości i okresu odbywa się w następujący sposób. Przed każdym pomiarem dokonywany jest próbny

pomiar częstotliwości ze zmniejszoną dokładnością przy podziale dzielnika (US8, US6) równym 256. Jeżeli zmierzona częstotliwość jest mniejsza od

100kHz, to zostanie ustalony podział dzielnika równy 1:1. Jeżeli zmierzona częstotliwość będzie większa od 100 kHz, to podział programowanego

dzielnika pozostanie równy 256.

Miernik pozwala na pomiar częstotliwości ("Częstotliwość") nie mniejszych od 1 Hz. Próba pomiaru mniejszej częstotliwości zakończy się

zgłoszeniem stosownego błędu. Osoby zainteresowane pomiarem częstotliwości lub interwałów czasowych mniejszych od 1 Hz, mogą wykorzystać opcję

pomiaru czasu. Ustawienie wyzwalania na jedno ze zboczy (narastające lub opadające), pozwoli na pomiar czasu trwania pełnego okresu badanego

przebiegu.

Rys.21 Zasada pomiaru częstotliwości i okresu

Tabela 5
Sygnały sterujące w poszczególnych zakresach pomiarowych rezystancji, pojemności i indukcyjności

DZW1

DZW2

DZW3

R

C

L

0

0

0

100k

Ω÷1kΩ

100pF

÷1nF

100

µH÷1mH

0

0

1

1k

Ω÷10kΩ

1nF

÷10nF

1mH

÷10mH

0

1

0

10k

Ω÷100kΩ

10nF

÷100nF

10mH

÷100mH

0

1

1

100k

Ω÷1MΩ

100nF

÷1µF

1

0

0

1M

Ω÷10MΩ

1

µF ÷10µF

1

0

1

10

µF ÷100µF

Ustawianie wartości monitora zostało zorganizowane w notacji inżynierskiej, czyli z mnożnikiem dziesiętnym

(np. 123E-4 == 123-10

-4

= 0,0123). Początkowo korzystanie z takiej notacji może być nieco kłopotliwe, szcze-

gólnie dla osób które nigdy wcześniej się z nią nie spotkały. Przy przechodzeniu z notacji inżynierskiej na

zapis dziesiętny, pomocna może okazać się metoda, którą opiszę poniżej. Dla wyjaśnienia posłużę się

przykładem. Weźmy np. liczbę 3845E+2. Ustawiamy przecinek na ostatniej pozycji liczby i dopisujemy zero:

3845,0; następnie przesuwamy przecinek w kierunku zależnym od znaku po " E" o tyle pozycji ile wynosi

wykładnik (cyfra po znaku). Jeżeli jest to "+" w prawo, natomiast jeżeli " -" w lewo. W naszym przykładzie,

przesuwamy przecinek w prawo o dwie pozycje, za każdym razem dopisując zero z prawej strony. Po

wykonaniu tej operacji, mamy gotowy wynik w postaci dziesiętnej: 384500. Inny przykład: 9546E-4.

Dopisujemy przecinek i przesuwamy go o cztery pozycje w lewo: 0,9546. Aby przejść w drugą stronę tzn. Rys.22 Algorytm pomiaru częstotliwości

z notacji dziesiętnej na inżynierską należy przeprowadzić analogiczne przekształcenia.

Wszystkie inne wartości są wyświetlane przez częstościomierz w postaci dziesiętnej z uwzględnieniem zakresu np. 763,238 kHz.

Sposób edycji jest następujący. Klawiszem [WPROWADŹ] wybieramy opcję edycji (np. "Okres"

→ "Monitor" → "Ustaw tolerancję"). Klawiszem

[FUNKCJA] przesuwamy kursor, a klawiszami [PRAWO], [LEWO] modyfikujemy wartość wybranej pozycji. Jeżeli chcemy anulować całą edycję i powrócić

do wartości poprzednio ustawionej - naciskamy klawisz [WYJDŹ]. Jeżeli natomiast akceptujemy nastawę - naciskamy klawisz [WPROWADŹ].

Na

rys. 23 przedstawiona została zasada działania monitora wartości mierzonej. Wyłączenie monitora następuje po wybraniu opcji: "Monitor"

→

"Sygnał dźwiękowy"

→ "Wyłączony". Celem uproszczenia programu, monitor przy opcji pomiaru współczynnika wypełnienia ma również 4 cyfry.

Ponieważ, jak wiemy, pomiar współczynnika wypełnienia odbywa się z dokładnością trzycyfrową, więc czwarta cyfra w monitorze będzie ignorowana.

Praktyczny Elektronik nr 10/95, 11/95, 12/95, 1/96, 5/96

© MHC 2001

21

Rys.23 Zasada działania monitora

Jeżeli zamierzamy uzyskać wartość średnią z kilku pomiarów (od 2 do 100), to posłuży nam do tego celu opcja menu "Średnia N pomiarów". Po

wybraniu tej opcji (klawisz [WPROWADŹ]), można będzie ustawić żądaną ilość pomiarów, z której ma być obliczona średnia arytmetyczna. Po dokonaniu

nastawy (klawisze [GÓRA], [DÓŁ]), kończymy edycję klawiszem [WPROWADŹ]. Następnie, po uruchomieniu procesu pomiarowego, wyniki będą

wyświetlane co N-ty pomiar. Dla lepszej orientacji, na wyświetlaczu będzie wyświetlany licznik ilości pomiarów, które pozostały do obliczenia kolejnej

wartości średniej.

Generator pozwala na generację prostokątnych sygnałów testowych do częstotliwości maksymalnie 10 kHz. Niestety nie jest możliwe zwiększenie

zakresu generowanych częstotliwości ze względu na rozbudowane procedury obsługi przerwań.

Konstrukcja tajmerów kontrolera 80C52 nie pozwala na generowanie wszystkich ustawionych częstotliwości. Aby nie wnikać w istotę dość złożonego

zagadnienia, ograniczę się do stwierdzenia, ze im niższa generowana częstotliwość, tym dokładniej można ją zdefiniować. Częstościomierz został

wyposażony w funkcję wyznaczającą automatycznie wartości początkowe liczników, tak aby generowana częstotliwość była najbliższa zdefiniowanej.

Efekt działania tej funkcji jest widoczny na wskaźniku w trakcie pracy generatora. Wyświetlana jest wówczas wartość okresu rzeczywiście generowanej

częstotliwości.

Wszystkie zakresy pomiarowe są zabezpieczone przed wystąpieniem sytuacji wyjątkowych. Wyświetlany jest wówczas komunikat informujący o typie

błędu. Kasowanie komunikatów o błędach następuje przy użyciu klawisza [START/STOP].

Po wyzerowaniu systemu mikroprocesorowego (włączenie zasilania) zostają przyjęte następujące wartości początkowe parametrów konfiguracyjnych:

"Preskaler"

-"Praca bez preskalera"

" Monitor"

- "Wyłączony"

"Wybór wejścia"

- "Wejście LF (wzmacniacz)"

"Filtr składowej stałej"

- "Włączony" (AC)

"Metoda pomiaru"

-" Pomiar ciągły"

" Dzielnik wejściowy"

-"1:1"

" Poziom wyzwalania"

- " POT." (potencjometr)

"Sygnał dźwiękowy"

- "Tik po każdym pomiarze"

Podział preskalera

- zgodny z ustawieniem zworek

na złączu konfiguracyjnym

Ilość linii wyświetlacza

- zgodna z ustawieniem

zworki AUX

Głównie ze względów ekonomicznych zdecydowano się na stworzenie dwóch wersji programów. Różnią się one tylko i wyłącznie sposobem

komunikacji szeregowej z komputerem.

W prostszej wersji programu, przez port szeregowy dane wysyłane są tylko w jedną stronę (z częstościomierza do komputera). Po każdym pomiarze

wysyłany jest przez RS wynik pomiaru w formacie tekstowym (kody ASCII). Aby odebrać te komunikaty, na komputerze nie jest potrzebny żaden program

(oprócz DOS-u). Musimy odpowiednio skonfigurować port szeregowy do którego dołączony został nasz częstościomierz. Załóżmy, że jest to port COM3.

Piszemy wówczas: modę com3 2400,none,8,n,l. Następnie, po uruchomieniu procesu pomiarowego i napisaniu: copy com3 con, wyniki pomiarów będą

wyświetlane na ekranie komputera. Aby zapisać wyniki pomiarów do pliku należy wydać polecenie: copy com3 plik.dat.

Wersja rozwojowa programu posiada poszerzone możliwości komunikacyjne, co w skrócie zostanie opisane poniżej.

Uruchomiony na komputerze program wysyła co pewien czas sygnał żądania połączenia (rozkaz OxAA) i oczekuje na sygnał potwierdzenia (rozkaz

0x55).

Częstościomierz w stanie podstawowym (wyświetlany tekst startowy) sprawdza cyklicznie, czy nie nadeszło żądanie połączenia od komputera

(rozkaz 0xAA). Jeżeli nadeszło, to wysyła sygnał potwierdzenia (rozkaz 0x55). Od tej chwili, obydwa programy ustawiają znacznik nawiązanego

połączenia - częstościomierz przechodzi w tryb "SLAVE" (niewolnika), a komputer w tryb "MASTER" (nadzorcy). W częstościomierzu nieaktywna staje się

większość klawiszy.

Praktyczny Elektronik nr 10/95, 11/95, 12/95, 1/96, 5/96

© MHC 2001

22

Po rozpoczęciu procesu pomiarowego, zainicjowane w programie parametry pomiaru (włącznie z ustawieniami wzmacniacza wstępnego) zostają

przesłane do częstościomierza. Od tej chwili częstościomierz przesyła do komputera wyniki pomiarów, a komputer potwierdza ich odebranie (możliwe jest

również uruchomienie procesu pomiarowego klawiszem [START] w częstościomierzu). Decyzję o zakończeniu transmisji podejmuje komputer,

przesyłając zamiast potwierdzenia odbioru danych z częstościomierza, rozkaz zakończenia procesu pomiarowego. Wówczas częstościomierz przechodzi

do stanu oczekiwania. Przerwanie połączenia następuje od strony komputera po wystaniu odpowiedniego rozkazu.

Uzyskane w trakcie procesu pomiarowego dane mogą zostać wstępnie przetworzone, dzięki funkcjom dostępnym w programie. Możliwe będzie więc

zobrazowanie zmian danych, przeliczenie wartości zgodnie z zadaną funkcją, aproksymacja wyników pomiarowych funkcją liniową. Wyniki pomiarów

można będzie zapisać na dysk w formacie akceptowalnym przez większość arkuszy kalkulacyjnych.

Szczegółowy opis programu do PC-ta zostanie załączony na dyskietce. Możliwe Jest również stworzenie programu na inny komputer wyposażony w

port szeregowy RS-232. Wymaga to indywidualnego rozpatrzenia każdego przypadku. Osoby zainteresowane tym zagadnieniem, mogą otrzymać

bardziej szczegółowy opis protokołu transmisji. Nie zamieszczamy go w tym artykule ze względu na ograniczoność miejsca i unikalność zagadnienia.

Na koniec jeszcze kilka uwag konstrukcyjnych.

Jak zaznaczono wcześniej, mogą pojawić się problemy z uruchomieniem programowanego dzielnika częstotliwości na układach 74193.

Przyczyna może tkwić w zatrzasku US4 - 74573 lub w samych licznikach. Jak wykazały próby, układy nie wszystkich serii pracują poprawnie w takiej

konfiguracji. Niepoprawne działanie najłatwiej stwierdzić, sprawdzając wskazania miernika na zakresie pomiaru częstotliwości. Należy w tym celu

doprowadzić sygnał o znanej (orientacyjnie) częstotliwości z zakresu od 1 Hz do 100 kHz i sprawdzić wskazania częstościomierza. Jeżeli są poprawne,

wówczas doprowadzamy sygnał, o częstotliwości z zakresu od 100 kHz do 10 MHz i kontrolujemy wskazanie miernika. Jeżeli obydwa wskazania będą

poprawne, uznajemy dzielnik za uruchomiony. W przeciwnym przypadku konieczna będzie sprawdzenie układów 1)54, US6 i US8. Pomocną może

okazać się informacja, że dla zakresu 1 Hz

÷100 kHz na wyjściach Q1÷Q8 układu US4 powinien panować stan wysoki. Dla zakresu 100 kHz÷25 MHz

wyjścia Q1

÷Q8 powinny być w stanie niskim. Pomocny przy uruchamianiu może być oscyloskop.

W sytuacji, gdy zamierzamy korzystać z kilku preskalerów o różnych współczynnikach podziału, możemy stanąć przed koniecznością zmiany

ustawień zworek umieszczonych na płytce mikroprocesora. Aby uniknąć konieczności każdorazowego "dobierania się" do zworek proponuję

wyprowadzenie ich np. na tylną część obudowy.

W poprzednim artykule błędnie opisano rysunek obrazujący sposób podłączenia zewnętrznego zegara do mikroprocesora. Górny rysunek dotyczy

układów

NMOS (8032, 8052), a dolny układów CMOS (80C32, 80C52).

Uwagi do częstościomierza mikroprocesorowego

Oto najczęstsze problemy:

1. Przy pomiarze częstotliwości poniżej 100 Hz zgłaszany jest komunikat " Brak sygnału wejściowego" . Aby możliwy był pomiar częstotliwości poniżej

100 Hz należy wykonać modyfikację dzielnika programowanego (rys. 24).

Rys.24 Schemat modyfikacji dzielnika programowanego

2. Informacje przedstawiane na wyświetlaczu są niekompletne. Związane jest to z zastosowaniem nieodpowiedniego typu wyświetlacza. W prototypie
został użyty wyświetlacz 2 wiersze po 24 znaki. Zastosowanie wyświetlacza o mniejszej liczbie znaków w wierszu spowoduje skracanie komunikatów.
Jeżeli liczba Czytelników, którzy zakupili moduły LCD o mniejszej liczbie znaków będzie duża, przygotujemy program przystosowany do wyświetlaczy
16x2.
3. Aby ułatwić uruchomienie komunikacji miernika z komputerem PC, poniżej przedstawiamy wydruk programu pozwalającego na obserwację na ekranie

komputera komunikatów przysyłanych przez miernik. Program należy uruchomić z parametrem informującym do którego portu szeregowego został

przyłączony częstościomierz. Parametr ten dla portów COM1

÷COM4 to odpowiednio: 1÷4.

Wydruk przykładowego programu do odbioru komunikatów z mikroprocesorowego miernika częstotliwości znajduje się w pliku

rs_uniw.pas

.

Praktyczny Elektronik nr 10/95, 11/95, 12/95, 1/96, 5/96

© MHC 2001

23

Preskaler 1,3 GHz

Preskalerem nazywamy układ zawierający wzmacniacz wstępny i dzielnik cyfrowy, pracujący przy wysokich częstotliwościach. Preskalery są obecnie

często spotykane w sprzęcie powszechnego użytku. Pracują one w układach syntezy częstotliwości i służą do wstępnego podziału częstotliwości

heterodyny. Układy logiczne preskalerów wykonane są najczęściej w technolog! ECL (ang. Emitter Coupled Logie - logika ze sprzężeniem emiterowym).

Producenci oferują wiele typów preskalerów o częstotliwościach granicznych dochodzących do kilku GHz. Niestety wadą najczęściej spotykanych

preskalerów o wysokich częstotliwościach granicznych jest stosunkowo wysoka dolna częstotliwość graniczna.

Jednym z popularniejszych na krajowym rynku preskalerów jest układ SP 8629 produkcji firmy Plessey Semiconductors specjalizującej się w układach

pracujących przy bardzo dużych częstotliwościach. Popularność układu SP 8629 wynika z "okrągłego" stopnia podziału wynoszącego 100. Ułatwia to

zastosowanie go w klasycznych częstościomierzach, gdyż nie ma potrzeby przeliczania wyniku pomiaru. Wadą tego układu jest jednak stosunkowo niska

częstotliwość graniczna wynosząca 150 MHz. Dolna częstotliwość graniczna, 10 MHz jest natomiast satysfakcjonująca. Preskaler wykonany w oparciu o

ten układ był opisany w PE 12/93. Cena układu SP 8629 wynosi obecnie ok. 20 zł.

Proponowany obecnie preskaler umożliwia pomiary częstotliwości w przedziale 70

÷1300 MHz. Jego niewątpliwą zaletą jest niska cena (ok. 7 zł),

natomiast poważną wadą jest brak wyjścia w standardzie TTL. Zakres częstotliwości pracy sprawia jednak, że dla niektórych pomiarów niezbędny będzie

preskaler SP 8629. Można pokusić się o wyszukanie w katalogach układu pracującego w szerszym przedziale częstotliwości, lecz jest mało

prawdopodobne, aby był on dostępny na naszym rynku.

Opis układu

Preskaler zbudowano w oparciu o układ scalony U 893BSE produkowany przez firmę Telefunken. Schemat blokowy U 893BSE zamieszczono na

rysunku 25a. Na wejściu układu umieszczono wzmacniacz z wejściem symetrycznym. Dalej sygnał doprowadzony jest do programowalnego dzielnika

wykonanego w technologii ECL. Stopień podziału sygnału wejściowego za leży od stanu wejścia programującego. Połączenie wejścia programującego z

masą wprowadza podział sygnału przez 256. Wejście niepodłączone powoduje ustawienie podziału na 128, a zwarte z plusem zasilania na 64. Za

dzielnikiem znajduje się filtr dolnoprzepustowy mający za zadanie wyeliminowanie częstotliwości harmonicznych sygnału wejściowego. Na wyjściu

komplementarnym znajduje się układ wtórników emiterowych zapewniających bardzo małą impedancję wyjściową. Układ pobiera 21 mA (max. 25 mA)

prądu ze źródła zasilania +5 V. Amplituda napięcia wyjściowego wynosi 0,7 V na każdym z wyjść.

Rys.25 a) schemat blokowy układu U 893BSE,

b) schemat stopnia końcowego

Czułość preskalera Jest bardzo wysoka i wynosi dla:

fwe= 70

÷1100 MHz

- 10 mV,

fwe= 1100

÷1200 MHz

- 15 mV,

fwe= 1200

÷1300 MHz

- 20 mV.

Podane powyżej czułości gwarantowane są przez producenta układu. Jednak wartości typowe czułości są dużo większe, o czym można przekonać

się analizując wykres czułości w funkcji częstotliwości (rys. 26). Z wykresu widać wyraźnie, że maksimum czułości przypada dla częstotliwości ok. 1

GHz. Właśnie na tej częstotliwości układ będzie się wzbudzał przy braku sygnału na wejściu. Wzbudzanie się preskalerów jest zjawiskiem częstym i nie

wpływa na ich prawidłową pracę po doprowadzeniu sygnału do wejścia.

Maksymalna amplituda napięcia wejściowego wynosi 300 mV. Dla większych amplitud tranzystory wzmacniacza wejściowego zaczną się nasycać i układ

nie będzie działał prawidłowo.

Dolna częstotliwość graniczna gwarantowana przez producenta, przy czułości 10 mV wynosi 70 MHz. Możliwy jest jednak pomiar przebiegów o

częstotliwościach mniejszych z zastrzeżeniem, że amplituda sygnału będzie większa (nie przekraczająca jednak 300 mV). Dodatkowym wymogiem jest

także dostatecznie mały czas narostu sygnału wejściowego (na poziomie ok. 100 V/

µs).

Jak już wspomniano na komplementarnym wyjściu układu otrzymuje się przebiegi w standardzie ECL o amplitudzie 0,6

÷0,7 V. Jedno z wyjść układu US1

wyprowadzono na zewnątrz skąd przebiegi można skierować bezpośrednio do wejścia dowolnego częstościomierza. Do drugiego wyjścia podłączono

Praktyczny Elektronik nr 10/95, 11/95, 12/95, 1/96, 5/96

© MHC 2001

24

dodatkowy konwerter poziomów logicznych ECL na TTL. Umożliwia to współpracę urządzenia z wejściem HF mikroprocesorowego częstościomierza.

Wejście to dostosowane jest do sygnałów w standardzie TTL.

Rys.26 Czułość wejściowa

Rys.26

Kształtowanie końcówek układu

U 893 BSE w obudowie SO 8

Rys.27 Schemat ideowy preskalera

Rys.28 Płytka drukowana i rozmieszczenie

elementów

Układ zmontowano na niewielkiej płytce drukowanej. Układ ścieżek przewidziano dla montażu preskalera U 893BSE w obudowie DIP 8, lub

obudowie SO 8 przeznaczonej do montażu powierzchniowego. Układy w obudowach do montażu powierzchniowego montuje się po stronie druku. Wy-

maga to jednak innego ukształtowania ich końcówek, które powinny zostać wygięte w drugą stronę w stosunku do ukształtowania fabrycznego. Czynność

tę należy wykonać bardzo delikatnie, aby nie ułamać małych i cienkich nóżek. Kolejne etapy tego procesu zamieszczono na rysunku 26. Lutowanie

układu powinno odbywać się krótko, dobrze rozgrzaną lutownicą. Trzeba bardzo uważać, aby nie zrobić zwarć pomiędzy nóżkami. Nie poleca się

stosowania lutownic transformatorowych.

Kondensatory

C1 i C2 powinny być zamontowane jak najbliżej płytki drukowanej, aby zmniejszyć do minimum indukcyjność doprowadzeń. Dla

prawidłowej pracy preskalera przy wyższych częstotliwościach (powyżej 500 MHz) wskazane jest aby zastosować kondensatory C1 i C2 wykonane w

obudowach do montażu powierzchniowego, przylutowane po stronie druku.

Stopień podziału ustawiany jest na stałe, przez zwarcie wejścia programującego (nóżka 5) do masy, lub zasilania, albo pozostawienie go

niepodłączonym. Jeżeli preskaler będzie współpracował częstościomierzem mikroprocesorowym stopień podziału ustawia się na 256, łącząc wejście

programujące z masą. Połączenie to wykonuje się na płytce kroplą cyny po stronie druku.

Dławik powietrzny wykonano z drutu o średnicy

φ0,3 mm, nawijając 10 zwojów na trzpieniu o średnicy φ3 mm. Wymiary dławika, średnica trzpienia i

drutu nie są krytyczne i można je zmieniać w dość szerokich granicach.

Przewód doprowadzający sygnał z wyjścia układu do częstościomierza powinien być ekranowany, a jego długość nie może przekraczać 1 m.

Preskaler może służyć do pomiaru częstotliwości generacji układów posiadających cewki. Najwygodniej jest wtedy zastosować wejście symetryczne.

W takim przypadku nie montuje się kondensatora C2. Do wejścia WE przylutowuje się "pętelkę" z przewodu izolowanego. Drugi koniec "pętelki" wlutowuje

się w wolny otwór po kondensatorze C2.

Praktyczny Elektronik nr 10/95, 11/95, 12/95, 1/96, 5/96

© MHC 2001

25

W przypadku pomiarów sygnałów asymetrycznych kondensator C2 powinien zostać zamontowany, a sygnał doprowadza się przewodem

ekranowanym do wejścia WE na płytce drukowanej. Ekran przewodu łączy się z masą.

Urządzenie nie wymaga regulacji. Po sprawdzeniu poprawności funkcjonowania preskaler należy umieścić w metalowym pudełku ekranującym,

przylutowanym do krawędzi płytki drukowanej.

W

częstościomierzu mikroprocesorowym należy skonfigurować złączkę SW1 na podział przez 256, gdyż wtedy wynik będzie wyświetlany w

rzeczywistych wartościach nie wymagających przeliczania, ani przesuwania przecinka.

Wykaz elementów

US1

- U 893BSE

T1

- BF 440 lub dowolny w.cz. pnp

D1, D2

- BA 182 (BAYP 94, 95)

R2

-

1 k

Ω,125 W

R3

- 4,7 k

Ω,125W

R1

- 22 k

Ω,125 W

C6

-

100 pF/50 V ceramiczny

C1, C2

- 1 nF/50 V ceramiczny

C3, C4, C8

- 10 nF/50 V ceramiczny

C5

-

1

µF/63 V 04/U

C7

-

10

µF/25 V 04/U

L1 -

dławik powietrzny, opis w tekście

wtyk

- WDB-9 (szufladowy DSUB-9)