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 dz
więkowa 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 dz
więkowy;
- 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 z
ródło osiągnęło, czy też utraciło zadaną częstotliwość.
Wyobraz
my 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 dz
więkowym 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 z
ródła sygnału. Wyselekcjonowany
Praktyczny Elektronik nr 10/95, 11/95, 12/95, 1/96, 5/96 � MHC 2001
1
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 �s.
Tabela 1
Rozkład wyprowadzeń złącz wyświetlaczy LCD
Numer Złącza 1X14 lub Złącze 2X8 pinów
Wyprowadzenia 2X7 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
2
 Rys. 2 Schemat ideowy modułu mikroprocesora
Płytka główna pełni bardzo ważną rolę konstrukcyjną jak i elektroniczną. A
ączy 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
3
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 VLCD, 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 dz
więkowy 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
4
Wykaz elementów - płytka mikroprocesora
R1, R2 - 10 k&!/0,125 W
US1 - 80C52,80C32
RPACK1, RPACK2 - 8x10 k&! (drabinka rezystorowa jednorzędowa)
US2 - 74HCT573, 74LS573, 74ALS573.74F573
C6 - 15 pF KCP
US3 - pamięć EPROM z programem (F-metr.bin)
C7 - 33 pF KCP
US4 - 74HCT574, 74LS574, 74ALS574
C9 - 390 pF/160 V KSF-020-ZM
US5, US10 - 74HCT245, 74LS245, 74ALS245, 74F245
C1, C2, C3, C4 -47nF/16VKFP
US6, US8 - 74LS193, 74F193, 74S193, 74ACT193
C5 - 10 �F/16 V 04/U
US7 - 74LS04, 74S04, 74ACT04
C8 - trymer Ć7 mm 5/20 pF, lub 7/30pF
US9 - 74LS132, 74S132, 74ACT132
C10 - 47 /�F/16 V 04/U
T1 - BC 308 lub dowolny pnp
Q1 - rezonator kwarcowy 12,000 MHz
Dl, D2 - BAYP 95 BZ1 - miniaturowy sygnalizator akustyczny (buzzer)
SW1 - 8xJUMPER (ośmiokrotny miniaturowy przełącznik suwakowy)
R5 -470&!/0,125 W
W1 - złącze krawędziowe 1/10' 21 pin
R3, R4 -4,7 k&!/0,125W
W2 - złącze krawędziowe 1/10' 10 pin
Wykaz elementów - płyta główna
IS01, IS02 - CNY17 transoptor P1 -4,7 kft PR167, PR 185
T1 - BC 308 lub dowolny pnp
C1 - 100 �F/10 V 04/U
D1 - BAYP 95
W1 - gniazdo 1/10' 21 pin
R4 - 300 &!/O,125 W W2 -gniazdo 1/10' 9 pin
W3' - złącze modułu LCD 2x8 pin
R6 - 680 &!/0,125 W
W3" - złącze modułu LCD 1x14 pin
R2 - 1 k&!/0,125 W
W4, W4', W5 - złącze 1/10' 4 pin
R1 -2,2 k&!/0,125W
Zł - złącze DB9 męskie
R3, R5 -4,7 k&!/0,125W
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
5
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 �A733 (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 �A733 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
6
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
wyraz
nymi "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
7
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 �F (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 ą5 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 ą5 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
Element Częstotliwość
l kHz 100 kHz 50 kHz l MHz
Cx 22 nF 4,3 nF 2 nF
2,2 �F
Tabela 3
Wartości elementów w generatorze przebiegu sinusoidalnego
Element Częstotliwość
l MHz 5 MHz 10 MHz 20 MHz
Cx=Cy l nF 330 pF 330 p F 120 pF
L1
50 �H 7x7 3XX 62zw. 6�H 7x7 4XX 25 zw. 7x7 1,5�H 7x7 2XX 12 zw. 7x7 1�H 7x7 4XX 10 zw. 7x7
2XX 25 zw. 405, 406, 422 4XX 12 zw. 7x7 5XX 16 zw. 5XX 13 zw. 472A, 510
425, 509
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
8
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 z
ródle 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
9
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 niegroz
ną. 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
10
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) R23-R25, R29,R33,
US2 - �A733 R35 - 22 k&!/0,125 W
US3 - 74S132 (74LS132) opis w tekście R14, R15, R26,
US4 - TL 084 (TL 074)
R27 - 47 k&!/0,125 W
US5 - CD 4538
R3 -91k&!/0,125W
T1 - BF 245B
R30, R31 - 100 k&!/0,125 W
T2, T3 - BF 240
R2, R5 - 1 M&!/0,125 W
T4-T7 - BC 238B
C1* - ok. 27 pF opis w tekście
D1-D5 - BA 182 (BAYP 94, BAYP 95)
C2* - ok. 120 pF opis w tekście
D6 - BAVP 17 (1N4148)
C4 - 10 nF/32 V KFP
R9, R10 -10 &!/0,125 W
C5-C10, C13,
R6 -100 &!/0,125 W
C15, C17, C19,C21,
R28, R32, R34 - 300 &!/0,25 W
C22 -47 nF/32 V KFP
R13, R21, R22 - 820 &!/0,25 W C3 - 100 nF/63 V MKSE-20
R1, R11 - 1 k&!/0,125W C18, C20 - 1 �F/63 V 04/U
C11, C12, C16,
R8 - 1,3 k&!/0,125W
C23, C24 - 10 �F/16 V 04/U
R7* - 2 k&!/0,125 W opis w tekście
C14 - 470 �F/16 V 04/U
R19, R20 -5,1 k&!/0,125W
W1 - złącze krawędziowe 1/10' 13 pin
R4, R18 -10k&!/0,125W
W2 - złącze krawędziowe 1/10' 9 pin
R12 -18k&!/0,125W
R16, R17 -22 k&!/0,125 W
Praktyczny Elektronik nr 10/95, 11/95, 12/95, 1/96, 5/96 � MHC 2001
11
Wykaz elementów - płytka przednia
D1, D2, D4 - LED kolor świecenia zielony
P1 - 10 k&!-A PRP 185
D3 - LED kolor świecenia żółty
SW1-SW8 - mikrołączniki
D5 - LED kolor świecenia czerwony
W1 - gniazdo 1/10' 13 pin
R2 - 1 k&!/0,125 W W2 - gniazdo 1/10' 10 pin
W4 - złącze DB9 dowolne
R3 -2k&!/0,125W
G1, G2 -gniazdo BNC-50
R1 -7,5 k&!/0,125W
Wykaz elementów - płytka zasilacza
US1 - LM 7805
C3, C4 - 100 �F/16V 04/U
US2 - LM 7905
C2 - 470 �F/16V 04/U
C5-C8 - 100 nF/63V MKSE-020
C1 - 1000 �F/16V 04/U
C4 - 47 �F/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
12
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 d" 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 znalez
ć 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
13
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
14
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 �s i nie krótszy niż 2,5 �s. Jest to parametr dość krytyczny. Oczywiście kontrolę faktycznego czasu
działania monowibratora należy przeprowadzić przy użyciu oscyloskopu. Jeżeli zmierzony czas jest większy od 4 �s, to należy zmniejszyć wartość
kondensatora C9 lub rezystora R3; jeżeli natomiast T < 2, 5 �s, 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 dz
więkowy, 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
15
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&!, 40 pF
- dla zakresu 50 V 100 k&!, 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
16
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 &!�10 M&!
- pomiar pojemności 100 pF�100 �F
- pomiar indukcyjności 100 �H�100 mH
Dokładność pomiaru:
- częstotliwości, okresu ą1*10-6 + niedokładność kwarcu (6 cyfr znaczących)
- współczynnika wypełnienia ą0,1%
- czasu ą1 ms
- rezystancji, pojemności, indukcyjności ą1*10-4 + niedokładność przystawki (4 cyfry znaczące)
Krótkoterminowa dokładność generatora ą1 �s (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 ą0,1�25%
* - przy zastosowaniu liczników US6, US8 szybkiej serii np. ACT, S, F
** - z preskalerem
*** - po zastosowaniu odpowiednich przystawek
Przejdz
my 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], [WPROWADy
], [WYJDy
] 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 [WPROWADy
] 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 [WYJDy
].
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
17
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 dz
więkowy" - ustalenie sposobu zachowania buzzera podczas pomiaru
III.7. "Tik po każdym pomiarze" - po wyświetleniu każdego pomiaru generowany będzie krótki sygnał dz
więkowy
III.8. "Wyłączony" - sygnał dz
więkowy 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 dz
więkowy" - konfiguracja sygnału dz
więkowego generowanego przez monitor
IV.l. "Włączony w zakresie" - sygnał dz
więkowy jest generowany, gdy mierzona wartość pokrywa się z wartością ustawioną w monitorze z dokładnością
do zadanej tolerancji
IV.2. "Wyłączony w zakresie" - sygnał dz
więkowy 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
dz
więkowy
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 dz
więkowy" - konfiguracja sygnału dz
więkowego generowanego przy zliczaniu w dół
III.15. "Tik po każdym pomiarze" - po każdym zliczonym impulsie zostanie wygenerowany krótki sygnał dz
więkowy
III.16. "Wyłączony gdy Cnt > O" - sygnał dz
więkowy zostanie włączony, gdy licznik osiągnie wartość O
III.17. "Włączony, gdy Cnt > O" - sygnał dz
więkowy będzie włączony tak długo, aż licznik nie osiągnie wartości O
III.18. "Wyłączony" żaden sygnał dz
więkowy 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
18
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
19
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&!�1k&! 100pF�1nF 100�H�1mH
0 0 1
1k&!�10k&! 1nF�10nF 1mH �10mH
0 1 0
10k&!�100k&! 10nF�100nF 10mH �100mH
0 1 1
100k&!�1M&! 100nF�1�F
1 0 0
1M&!�10M&! 1�F �10�F
1 0 1
10�F �100�F
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. Wez
my 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 [WPROWADy
] 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 [WYJDy
]. Jeżeli natomiast akceptujemy nastawę - naciskamy klawisz [WPROWADy
].
Na rys. 23 przedstawiona została zasada działania monitora wartości mierzonej. Wyłączenie monitora następuje po wybraniu opcji: "Monitor"
"Sygnał dz
więkowy" "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
20
 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 [WPROWADy
]), można będzie ustawić żądaną ilość pomiarów, z której ma być obliczona średnia arytmetyczna. Po dokonaniu
nastawy (klawisze [GÓRA], [DÓA
]), kończymy edycję klawiszem [WPROWADy
]. 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 wskaz
niku 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 dz
więkowy" - "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
21
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
22
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 z
ródła 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 wyraz
nie, 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/�s).
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
23
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 Ć0,3 mm, nawijając 10 zwojów na trzpieniu o średnicy Ć3 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
24
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&!,125 W
R3 - 4,7 k&!,125W
R1 - 22 k&!,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 �F/63 V 04/U
C7 - 10 �F/25 V 04/U
L1 - dławik powietrzny, opis w tekście
wtyk - WDB-9 (szufladowy DSUB-9)
Praktyczny Elektronik nr 10/95, 11/95, 12/95, 1/96, 5/96 � MHC 2001
25