Attiny2313 схемы частотомер. Самодельный частотомер на ATTINY2313
Построенный . Он позволяет измерять частоты до 10 МГц в четырех автоматически переключаемых диапазонах. Наименьший диапазон имеет разрешение 1 Гц.
Технические характеристики частотомера
- Диапазон 1: 9,999 кГц, разрешение 1 Гц.
- Диапазон 2: 99,99 кГц, разрешение до 10 Гц.
- Диапазон 3: 999.9 кГц, разрешение до 100 Гц.
- Диапазон 4: 9999 кГц, разрешение до 1 кГц.
Описание частотомера на микроконтроллере
Микроконтроллер Attiny2313 работает от внешнего кварцевого генератора с тактовой частотой 20 МГц (это максимально допустимая частота). Точность измерения частотомера определяется точностью данного кварца. Минимальная длина полупериода измеряемого сигнала должна быть больше, чем период кварцевого генератора (это связано с ограничениями архитектуры микроконтроллера ATtiny2313). Следовательно, 50 процентов от тактовой частоты генератора составляет 10 МГц (это максимальное значение измеряемой частоты).
Установка фьюзов (в PonyProg):
Конструктивно прибор состоит из дисплея, образованного семью 7-сегментными светодиодными индикаторами, микроконтроллера и нескольких транзисторов и резисторов. Микроконтроллер выполняет все необходимые функции, поэтому применение каких-либо дополнительных микросхем не требуется.
Принципиальная схема прибора достаточно проста и изображена на Рисунке 2. Проект в формате Eagle (принципиальная схема и печатная плата) доступен для скачивания в секции загрузок.
Выполняемые микроконтроллером задачи просты и очевидны: подсчет количества импульсов на входе за 1 секунду и отображение результата на 7-разрядном индикаторе. Самый важный момент здесь - это точность задающего генератора (временная база), которая обеспечивается встроенным 16-разрядным таймером Timer1 в режиме очистки по совпадению (CTC mode). Второй, 8-разрядный, таймер-счетчик работает в режиме подсчета количества импульсов на своем входе T0. Каждые 256 импульсов вызывают прерывание, обработчик которого инкрементирует значение коэффициента. Когда с помощью 16-разрядного таймера достигается длительность 1 с, происходит прерывание, но в этом случае в обработчике прерывания коэффициент умножается на 256 (сдвиг влево на 8 бит). Остальное количество импульсов, зарегестрированное счетчиком, добавляется к результату умножения. Полученное значение затем разбивается на отдельные цифры, которые отображаются на отдельном индикаторе в соответствующем разряде. После этого, непосредственно перед выходом из обработчика прерывания, оба счетчика одновременно сбрасываются и цикл измерения повторяется. В «свободное время» микроконтроллер занимается выводом информации на индикатор методом мультиплексирования. В исходном коде программы микроконтроллера автор дал дополнительные комментарии, которые помогут детально разобраться в алгоритме работы микроконтроллера.
Разрешение и точность измерений
Точность измерений зависит от источника тактовой частоты для микроконтроллера. Сам по себе программный код может вносить погрешность (добавление одного импульса) на высоких частотах, но это практически не влияет на результат измерений. Кварцевый резонатор, который используется в приборе, должен быть хорошего качества и иметь минимальную погрешность. Наилучшим выбором будет резонатор, частота которого делится на 1024, например 16 МГц или 22.1184 МГц. Чтобы получить диапазон измерения до 10 МГц необходимо использовать кварцевый резонатор на частоту 21 МГц и выше (для 16 МГц, как на схеме, диапазон измерений становится немного ниже 8 МГц). Кварцевый резонатор на частоту 22.1184 МГц идеально подходит для нашего прибора, однако приобретение именно такого с минимальной погрешностью для многих радиолюбителей будет сложной задачей. В таком случае можно использовать кварцевый резонатор на другую частоту (например, 25 МГц), но необходимо выполнить процедуру калибровки задающего генератора с помощью осциллографа с поддержкой аппаратных измерений и подстроечного конденсатора в цепи кварцевого резонатора (Рисунок 3, 4).
В секции загрузок доступны для скачивания несколько вариантов прошивок для различных кварцевых резонаторов, но пользователи могут скомпилировать прошивку под имеющийся кварцевый резонатор самостоятельно (см. комментарии в исходном коде).
Входной сигнал
В общем случае на вход прибора может подаваться сигнал любой формы с амплитудой 0 … 5 В, а не только прямоугольные импульсы. Можно подавать синусоидальный или треугольный сигнал; импульс определяется по спадающему фронту на уровне 0.8 В. Обратите внимание: вход частотомера не защищен от высокого напряжения и не подтянут к питанию, это вход с высоким сопротивлением, не нагружающим исследуемую цепь. Диапазон измерений может быть расширен до 100 МГц с разрешением 10 Гц, если применить на входе соответствующий высокоскоростной делитель частоты.
Дисплей
В приборе в качестве дисплея используются семь светодиодных 7-сегментных индикаторов с общим анодом. Если яркость свечения индикаторов будет недостаточной, можно изменить номинал резисторов, ограничивающих ток через сегменты. Однако не забывайте, что величина импульсного тока для каждого вывода микроконтроллера не должна превышать 40 мА (индикаторы тоже имеют свой рабочий ток, о его величине не стоит забывать). На схеме автор указал номинал этих резисторов 100 Ом. Незначимые нули при отображении результата измерения гасятся, что делает считывание показаний более комфортным.
Печатная плата
Двухсторонняя печатная плата имеет размеры 109 × 23 мм. В бесплатной версии среды проектирования печатных плат Eagle в библиотеке компонентов отсутствуют семисегментные светодиодные индикаторы, поэтому они были нарисованы автором вручную. Как видно на фотографиях (Рисунки 5, 6, 7) авторского варианта печатной платы, дополнительно необходимо выполнить несколько соединений монтажным проводом. Одно соединение на лицевой стороне платы - питание на вывод Vcc микроконтроллера (через отверстие в плате). Еще два соединения на нижней стороне платы, которые используются для подключения выводов сегмента десятичной точки индикаторов в 4 и 7 разряде через резисторы 330 Ом на «землю». Для внутрисхемного программирования микроконтроллера автор использовал 6-выводный разъем (на схеме это разъем изображен в виде составного JP3 и JP4), расположенный в верхней части печатной платы. Этот разъем не обязательно припаивать к плате, микроконтроллер можно запрограммировать любым доступным способом.
Загрузки
Принципиальная схема и рисунок печтаной платы, исходный код и прошивки микроконтроллера -
Этот самодельный частотомер на ATTINY2313 предназначен для измерения частоты в диапазоне примерно от 4МГц до более 160МГц. Его можно использовать как измеритель частот или в качестве устройства ввода-вывода TRX, например, на диапазон 144МГц (2м).
Технические характеристики частотомера:
- измерение частоты в диапазоне 4-160 Мгц
- отображение измерений на ЖК-дисплее
- чувствительность 700мВ
- входное напряжение, макс < 30В
- питание: 8-15В
- очень простая плата, минимальное количество
элементов, быстрый запуск - размеры платы: 37х80мм
Схема прекрасно отработала в диапазоне от 3,8МГц до 162МГц. Основой схемы является микроконтроллер ATTINY2313. Его преимуществом является возможность работать на частотах до 20МГц. В схеме использован кварц на 16МГц, таким образом, сам процессор теоретически должен правильно измерять частоты до 8МГц.
Зачастую оказывается, что диапазон до 8МГц слишком мал. Увеличение верхнего диапазона можно получить, используя делитель частоты (прескалер). В схеме задействован прескалер LB3500, который позволяет измерять до 150 Мгц.
Краткая информация о LB3500:
- напряжение питания — 4,5…5,5В
- потребляемый ток — l6мА-24мА
- входное напряжение — 100мВ-600мВ
- выходное напряжение — 0,9 Vpp
- делитель — 8
Без применения дополнительного делителя схема способна измерять частоты до 64МГц. Добавление дополнительного делителя в виде двоичного счетчика 74LS293 (ICl) позволяет увеличить диапазон измерений до 150 Мгц (макс. для LB3500).
ICl делит частоту на 4. Таким образом, вся система прескалера (ICl и IC4) делит входную частоту на 32. Транзистор Tl с элементами C7, R2, R3 обеспечивает высокое входное сопротивление.
Входной сигнал после разделения попадает на вход микросхемы LB3500. На выходе в 9 IC4 сигнал получается в 8 раз меньшей частоты, чем на входе. К сожалению, выходной сигнал микросхемы LB3500 не согласовывается с TTL уровнями. Для устранения этого недостатка в схему добавлен транзистор Т2, который предназначен для согласования. Потенциометр PRI обеспечивает точное соответствие.
Частотомер с хорошими характеристиками, позволяющий измерять частоты от 1Гц до 10 МГц (9,999,999) с разрешением в 1 Гц во всем диапазоне. Идеален для функиональных генераторов, цифровых шкал или как отдельное устройство. Дешев и легок в изготовлении, собран из доступных деталей, имет небольшой размер и может быть смонтирован на панели многих устройств.
Схема состоит из семи 7-сегментных индикаторов, AVR ATtiny2313 и нескольких транзисторов и резисторов. AVR делает всю работу, и дополнительные микросхемы не нужны. Микроконтроллер считает количество импульсов, пришедших на его вход за 1 секунду и отображает это число. Сама важная вещь - это очень точный таймер, и он реализован на 16-битном Timer1 в режиме CTC. Второе, 8-битный счетчик работает как Counter0 и считает импульсы на входе T0. Каждые 256 импульсов он вызывает прерывание, в котором программа увеличивает множитель. Когда мы получаем 1-секундное прерывание, содержимое множителя умножается на 256 (сдвиг влево на 8 бит). Остаток импульсов, которые посчитал счетчик записывается в регистр и добавляется к результату умножения. Это значение затем разбивается на отдельные цифры, которые отображаются на индикаторах. После этого, перед выходом из 1-секундного прерывания, оба счетчика одновременно сбрасываются и измерение начинается заново. В свободное от прерывания время контроллер занимается динамической индикацией.
Разрешение и точность:
Точность зависит от тактового генератора. Кварц должен быть хорошего качества и иметь как можно меньший ppm (допуск). Будет лучше, если частота будет кратна 1024, например, 16 МГц или 22.1184 МГц. Для измерения частоты до 10 МГц, надо использовать кварц не меньше, чем на 21 МГц, например, 22.1184 МГц. Частотомер может измерять частоту до 47% от частоты собственного кварца. Если есть хороший промышленный частотомер, то можно откалибровать схему добавлением подстроечного конденсатора (1пФ-10пФ) между одним из выводов кварца и землей, и подстроить частоту в соответствии с показаниями промушленного частотомера.
В архиве с исходниками есть несколько вариантов под разные кварцы, но вы можете скомпилировать свой вариант.
Форма сигнала:
В принципе, устройство понимает любую форму сигнала от 0 до 5V, не только прямоугольные импульсы. Синусоида и теугольные импульсы сичтаются по заднему фрону при переходе его ниже 0.8V.
В устройстве нет защиты от превышения входного напряжения выше 5 вольт.
Устройство имеет высокоомный вход и не нагружает тестируемую схему – вы даже можете измерить частоту переменного тока в сети 220 вольт, прикоснувшись ко входу пальцем. Частотомер может быть переделан для измерения частоты до 100 МГц с шагом 10 Гц путем добавления на вход быстродействующего делителя.
Дисплей:
Использовано семь семисегментных индикаторов с общим анодом в режиме динамической индикации. Если яркость получается недостаточной, можно уменьшить значения токоограничивающих резисторов, но нужно помнить, что максимальный импульсный ток каждого вывода микроконтроллера составляет 40 мA . По умолчанию сопротивление резисторов 100 Ом. Незначащие нули гасятся програмно. Значения обновляются каждую секунду.
Печатная плата:
Двусторонняя печатная плата размером 109mm x 23mm – к сожалению, 7 индикаторов не влезли в рабочее пространство бесплатной версии Eagle, поэтому они нарисованы от руки. На плате нужно сделать 3 соединения проводом - первое - соединение питания и вывода VCC контроллера – это соединение показано на слое silkscreen. Два других соединяют десятичные точки индикаторов с резисторами на 330 Ом расположенными на слое bottom. Сверху платы расположен коннектор Atmel ISP-6. Контакт 1 первый со стороны кварца. Этот коннектор необязателен и нужен только для программирования контроллера. Индикаторы должны припаиваться на некотором расстоянии от платы, чтобы можно было подлезть паяльником к выводам, припаиваемым с верхней стороны платы.
Особенностью первой схемы частотомера на микроконтроллере AVR является то, что она работает вместе с компьютером и подсоединена к материнской плате через разъем IRDA. От этого же разъема конструкция получает питание. Вторая схема частотомера базируется на микроконтроллере Attiny2313 и способна измерять частоту до 10 мГц. Третья рассмотренная конструкция частотомера построена на базе легендарной платы Arduino, основа которой также микроконтроллер AVR.
Схема частотомера состоит из микропроцессора Attiny2313 и двоичного счетчика 74AC161. Входящий сигнал для усиления следует на транзистор VT1, затем с его коллекторного вывода он поступает на вход «С» двоичного счётчика. Контроль за работой счетчика закреплен за МК Attiny2313, который осуществляет обнуление, останавливает или запускает счет путем подачи управляющего сигнала на десятый вывод.
Непродолжительной подачей логического нуля на вход сброса двоичного счётчика, МК обнуляет его, а после этого, отправляет уровень логической единицы на входе ЕР, запускает его работу. Затем, он считает импульсы с выхода старшего разряда счетчика в течение полусекунды.
Частотомер на микроконтроллере AVR. Сигналы данных на компьютер идут с порта PD6 Attiny2313. Линия порта РВ1 используется для сигналов синхронизации следующие от компьютера.
В начальный момент времени МК генерирует стартовый импульс продолжительностью около 1,6 мкс после чего идет пауза. Программа время от времени обращается к порту 2F8H и при регистрации байта, инициирует передачу синхроимпульсов. Данные синхроимпульсы пойдут при отправке числа ноль в инфракрасный порт компьютера. Состав импульсов: Первый бит стартовый и 8 бит число ноль.
При обнаружении уровня логической единицы, микроконтроллер начинает передачу, отправляя 1-й стартовый импульс устанавливая логическую единицу на линии данных и дожидается спада по линии синхронизации, для того чтобы было можно отправить импульсы данных. Если бит данных нулевой, то выставляется "1" .
Так как скорости передачи и приёма одинаковы, это позволяет получить независимость от заданной скорости ИК порта компьютера.
Фъюзы для программы Ponyprog и сама прошивка доступна по зеленой ссылке чуть выше.
В этом простом проекте частотомера, контроллер Arduino считывает напряжение, затем высчитывает его частоту и посылает данные через USB UART в компьютер, на котором необходимо установить программу считывания и визуализации данных, приложение и скетч в архиве для скачки.
Плата Arduino генерирует точную односекундную временную основу для счетчика с помощью каскадирования двух таймеров timer0 и timer2. Связь между цифровыми входами 3 и 4 соединяет выход таймера 2 (250 Гц) со входом таймера 0. Программный код ожидает, когда выход таймера 0 станет положительным, и начинает отсчет частоты входного сигнала таймером 1. Timer1 – это 16-разрядный таймер, он переполняется при достижении значения 2 16 , после этого, изменяется значение регистра переполнения overF. В конце первой секунды записывается 16-разрядный регистр. Затем Arduino отправляет на ПК 6 байтов данных. Схема подключения к Arduino простая, и ее можно,посмотреть на фото ниже.
Сначала Arduino необходимо подсоединить к компьютеру, а только потом запустить приложение на Visual Basc 6. Приложение ищет Com-порт, отправляя байты и ожидает их обратное принятие. Это занимает пару секунд. Приложение должно быть обязательно отключено, в тот момент когда вы прошиваете плату через Arduino IDE. Частотный вход платы Ардуино представляет собой уровни сигнала TTL, при слабом сигнале необходимо добавить усилитель.