Diplomna Rabota Final2012 - WordPress.com · за изграждане на високочестотен цифров честотомер като се употребява най

РУ “Ангел Кънчев” Катедра Електроника

Дипломна работа

Дипломант: Цветомир Антонов Гоцов

Факултетен : 113775

Специалност: Електроника

РУСЕ

2012 г.

РУ”А.Кънчев”, кат.Електроника, „Високочестотен цифров честотомер”

4

Анотация

Целта на настоящата дипломна работа е да представи съвременен метод

за изграждане на високочестотен цифров честотомер като се употребява

най-съвременат елементна база и методи за проектиране.

В проектирането са използвани следните програмни продукти:

• Текстообработващи – Microsoft Office Word 2003

• Чертане и обработка на електронни схеми – Proteus 7

Professional, Eagle 5.10.0,Visio 2003

• Редактори на графични оригинали – Proteus 7 Professional, Eagle

5.10.0

• Симулатори на електронни схеми – Proteus 7 Professional

• “С” компилатор – Mikro C for AVR, AVR Studio 4


5

Увод

В практиката е необходимо да се измерват честоти в твърде високи

граници – от 510

− Hz (в автоматиката) до 1510 Hz (в радиастрономията,

физиката и др.). Поради това методите и средствата за измерване на

честота са твърде разнообразни. По определение честотата е равна на броя

на циклите на повторенията на периодичния процес за една секунда и се

измерва в Херци (1 Hz = 1 1s

− ). Следва да се отбележи, че честотата може

да бъде измерване с много висока точност затова понякога измерването на

други физични величини се привежда до измерване на честота.

Уредите, които измерват честотата се наричат честотомери. На науката

са познати десетки принципи за построяване на честотомери, но

постепенно голяма част са заменени и отхвърлени като принципи поради

сложност на изработка, висока цена или друг недостатък. Все по широко

приложение намират цифровите честотомери, които превъзхождат по

параметри всичките ни познати принципи до сега. Основните предимства

на цифровите честотомери е висок диапазон от измервания, ниска цена,

ниска маса и малки размери, голяма точност и ниска консумация на

енергия. Съществуват няколко поколения цифрови честотомери,

класифицирани по елементната база. Блоковата схема на цифров

честотомер се е запазила от десетилетия, но елементите с които се

постряват, са се променили драстично през последните години. Всички

тези промени може да се опишат най-точно с закона на Гордън Мур [1]. В

момента за изграждането на този тип устройство е уместна употребата на

големи интегрални схеми с много висока степен на интеграция.

Проектирането на електронна апаратура в съвремените условия

съществено се различава от проектирането в не далечното минало. Това се

дължи както на новите градивни елементи и техните възможности, така и

на развитите програмни средства за автоматизация на проектирането.

Благодарение на тази евулюция на технологиите като цяло стават


6

възможни за реализация нови подходи и методи за реализация на

изчислителния процес, като в голяма степен се опростяват схемните

решения, а също така се понижава цената на готовото изделие.

Тенденцията в проектирането е замяна на стандартното изчертаване на

схеми, анализа и синтезирането им в графична форма да става, чрез

описание на хардуера чрез езици за програмиране


7

1. Литературен обзор

1.1 Схемни решения на цифрови честотомери

Съществуват редица схемни решения в зависимост от елементната

база, с която са разполагали конструкторите през годините. Като се

започне от първите схеми с електрони лампи и се премине през няколко

поколения транзисторни измервателни уреди. Подробно на тях няма да се

спирам. В обзора ще се разгледат схемни решения от последните две

десетилетия. Основната схема на цифров честотомер е показана на

фиг.1.1.

Фиг.1.1 Блокова схема на цифров честотомер

Блокът ФУ представлява формиращо устройство. Този блок

представлява входа на честотомера, но може и да отсъства като електронен

блок ако се приеме, че измерваните периодични процеси, като параметри

са съгласувани с останалата част на схемата. Например ако нивото на

импулсите е ТТЛ ниво с точна форма на импулсите, този блок може да не

присъства в схемното решение. Най-често той представлява тригер на

Шмит обвързан с входен атенюатор или усилвател.


8

Блокът ЕВ представлява електронна врата, и най-често представлява

един логически елемент “И”. Блокът ИГ представлява импулсен генератор

за който основно изискване е да подържа точно честотата на генерираните

импулси. В схемата той представлява опорен източник на честотата. От

неговата точност зависи като цяло точността на цялата система. В

прецизните честотомери се употребява кварцов генератор който най-често

е термостатиран фиг. 1.2.

Фиг.1.2 термостатиран кварцов генератор

Блокът ЧД представлява честотен делител, който делител има за цел да

понижи опорна честотата, която е обикновенно няколко MHz до честотата

от порядъка на няколко Hz или 1 Hz фиг.1.3 [2].

Фиг.1.3 Кварцово стабилизиран генератор с делител на честотата.


9

Интегралните схеми U2 и U3 представляват броячи или тригери, чрез

които се дели многократно честотата на 2. Блоковете СУ и БАУ са

помощни към цялата система, те управляват процесите на рестартиране на

броячите, опресняване на информацията върху индикатори и други

спомагащи функций. Блокът ЦОЕ представлява цифрово отчитащо

устройство.

1.2 Принцип на работа на цифров честотомер

На фиг.1.1 е показана блоковата схема на цифров честотомер[3-7]. Схемата

работи по следния начин. Входното напрежение U с неизвестна честотата

Fx се преобразува от формиращото устройство ФУ в поредица от импулси

със същата честотата и период Tx=1/Fx. Тези импулси постъпват на входа

на електронната врата ЕВ. Управлението на ЕВ се извършва от схемата за

управление СУ. Интервалът от време Tx, през който електронната врата е

отворена, се задава чрез периода 0

T (честотата 0

F ) на импулсния

генератор ИГ и коефициент на делене К на честотния делител ЧД. Този

интервал има продължителност (1.1):

0kT KT= (1.1)

Броят N на импулсите, постъпили в брояча БИ за този интервал от време, е

0

0

k

x

T FxN KT Fx K

T F= = =

(1.2)

т.е. числото N е мярка за неизвестната честота.

В цифровите честотомер се задава определен интервал от време Tx,

който се запълва от импулси с измерваната честота Fx. Грешката от

дискретност Дδ е:

01 1Д

k x

F

N FxT KFδ = = =

(1.3)

Очевидно е, че при увеличаване на измерваната честотата Fx, грешката от

измерването намалява и обратното. За да се получи достатъчно малка

грешка при много ниски честоти, е необходимо значително да се увеличи


10

времето за измерване kT . Затова в подобни случаи честотата Fx се измерва,

чрез периода x

T .

Максималната стойност на Fx се определя от бързодействието на брояча

на импулси.

Блокът за автоматично управление БАУ изпълнява следните функции:

- осигурява периодичност на измерването;

- инициализира брояча на импулси в изходното му положение;

- осигурява необходимото време за отчитане на резултатите от

поредното време;

- съгласува работата на честотния делител ЧД със схемата за

управление на електронната врата СУ

С разгледаната структурна схема се измерва средната стойност на

честотата Fx за интервал от време kT =K0

T . Тази схема дава възможност да

се измери отношението на две честоти. В този случай вторият сигнал с

честота Fy се подава на входа на честотния делител ЧД вместо 0

F . Тогава

броя на импулсите N се определя от отношението на двете честоти:

FxN K

Fy=

(1.4)

1.3 Цифров честотомер с ТТЛ елементи.

Голяма част от съществуващите схемни решения на цифров

честотомер използват като градивни елементи ТТЛ логически схеми. При

тях също има разграничение на фамилии логически схеми, но в общия

случай принципните схеми са еднотипни. Разлика има единствено в

захранващото напрежение, което може да е 12V за CMOS технология и

скоростта на интегралните схеми. На фиг.1.4 е показана схема на цифров

честотомер с ТТЛ логически схеми [8,9].


11

Фиг.1.4 Цифров честотомер с ТТЛ.


12

Измерването на честотата и тук представлява преброяване на

правоъгълни импулси за 1 s. За целта напрежението, чиято честота трябва

да се измери, се преобразува в импулсна поредица със същата честота.

След това се осигуряват пропускането на серии импулси за 1 s, тяхното

преброяване и индикиране. Отделните блокове от схемата, показана на

фиг. 1.4, имат следното предназначение:

1 – усилвател – усилва входното синусоидално напрежение до стойността

3 V;

2 – тригер на Шмит – превръща синусоидалното входно напрежение в

правоъгълни импулси;

3 – генератор на правоъгълни импулси с продължителност 1 s и

регулируема пауза (времето на индикация);

4 – схема И-НЕ – пропуска импулсите само при наличие на разрешаващ

сигнал от генератора, т.е. само за времето 1 s;

5 – брояч, делящ на 10 (десетичен);

6 – дешифратор;

7 – цифров индикатор.

Описанието на принципната електрическа схема от фиг. 1.4 е следното:

Усилвателят може да се реализира с транзистори или с операционен

усилвател (напр. МА709). Режимът на усилвателя е подбран така, че на

входа на тригера на Шмит се получава напрежение около 3 V.

За тригера се използва интегралната схема SN7413, на изхода на която се

получават правоъгълни импулси с честота, равна на измерваната.

Генераторът е показан с две интегрални схеми SN74121 –

моновибратори.Може да се използва и сдвоен моновибратор в един чип

(SN74123). Външните елементи на първия моновибратор (определящ

продължителността на импулсите) са подбрани за продължителност 1 s.

Външните елементи на втория моновибратор (определящ паузата) дават

възможност за регулиране на паузата, по време на която се индикира

резултатът от измерването.


13

Интегралният моновибратор SN74121 е с добра стабилност на

продължителността на генерирания импулс. На практика тази

продължителност не зависи от захранващото напрежение, а единствено от

стабилността на външно включените елементи R и С към SN74121, които

определят параметрите на времезадаващата верига.

Когато от схемата се изисква много висока стабилност на

продължителността на генерираните импулси, се използват кварцови

стабилизирани мултивибратори, изградени с интегралните схеми 74LS124,

74S124, 74LS320.

Схемата И-НЕ (NAND) пропуска импулсите на тригера на Шмит само за 1

s при наличие на разрешаващ сигнал от генератора.

Броячът е реализиран с два чипа SN7490A, при което изходът QA (при

който схемата осигурява делене на 2) се свързва с втория вход В, след

който се осъществява делене на 5 и в краен резултат делене на 10. Изходът

QD на първия чип се свързва с входа А на втория. При препълване на

първата декада по този начин се осигурява пренос във втората.

За дешифратор е използвана схемата 7447 (двоично-десетичен

дешифратор), която преобразува подаденото на входа и число в сигнал на

съответния седемсегментен изход. Цифровият индикатор е осъществен с

VQB71. Нулирането на брояча и индикатора става със сигнал 6 (фиг. 1.5)

от моновибратора, който се пуска от предния фронт на сигнала.

Моновибраторът дава кратък сигнал с ниско ниво, който през схема И с

постоянно високо ниво на втория вход предизвиква сигнал с ниво лог. 1 за

нулиране на брояча. Ръчно първоначално нулиране става с помощта на

бутона.


14

Фиг.1.5 Времедиаграми на цифровия честотомер

1.4 Икономичен цифров честотомер

Когато не е необходима голяма точност на измерване, опорния

източник на честотата може да бъде градската мрежа с нейната известна

честотата 50 Hz. На Фиг. 1.6 е показана една бюджетна схема на цифров

честотомер с ТТЛ елементи, която използва като опорен източник на

честотата градската мрежа 50Hz [10].

При положително напрежение на долния извод на вторичната

намотка на понижаващия трансформатор TV1 върху делителя, образуван

от резисторите R1 и R2, се отлага синусоидна положителна полувълна на

напрежението. При достигане на напрежение, равно на 7 V, се задейства

тригерът на Шмит, образуван от логическите елементи DD1.1 и DD1.2, и


15

на изхода на DD1.2 се появява сигнал с ниво лог. 1. Когато напрежението

върху делителя започне да спада и достигне

1.6 Схема на икономичен цифров честотомер

стойност 3,6 V, тригерът променя състоянието си и на изхода на DD1.2 се

появява сигнал с ниво лог. 0.

При отрицателно напрежение на долния извод на вторичната намотка на

трансформатора TV1 диодът VD3 е отпушен и шунтира резисторния

делител R1, R2. Диодът VD4 е обратно поляризиран, което изключва

влиянието на положителното напрежение на заредения кондензатор С1.

Поради това при отрицателна полувълна на синусоидното напрежение

върху делителя се получава напрежение около 0 V или по – точно равно на

напрежението на отпушения диод VD3. По този начин делителят на

напрежение и тригерът на Шмит преобразуват синусоидното напрежение в

импулси с TTL – нива и с честота 50 Hz. Чрез логическия елемент DD1.3

тези импулси постъпват в делителя на честота, изграден с елементите DD2


16

и DD3. На изход QD (извод 11) на DD3 се получават еталонни импулси с

честота 1 Hz или период 1 s. Измерваните импулси постъпват към извод 15

на схемите DD5 – DD7, всяка от които обединява брояч, регистър,

дешифратор и седемсегментен светодиоден индикатор. Действието на тези

схеми се управлява от схемата DD4. При всеки положителен фронт на

еталонните импулси с честота 1 Hz от изхода QD на DD3 се задейства

чакащият мултивибратор DD4.1. На инвертиращият изход Q на този

мултивибратор се формира краткотраен импулс с ниво лог. 0 за време

около 3 мкS. При този импулс регистрите в DD5 – DD7 прехвърлят

състоянието на броячите към дешифраторите на същите схеми. С

прекратяване на изходния импулс от DD4.1 се задейства вторият чакащ

мултивибратор DD4.2, който на инвертиращия си изход Q изработва

импулс с времетраене също 3 мкS. При този импулс се извършва нулиране

на броячите, след което те започват отначало броенето на входните

импулси в продължение на 1 s, т.е. до момента, в който на изход Q на

DD4.2 се появи отново краткотраен импулс с ниво лог. 0. Преброените и

представените от индикаторите за това време импулси представляват

честотата, изразена в Hz. През времето на броене на входните импулси,

показанията на седемсегментните индикатори не се променят. На изводи 5

на DD5 – DD7 се поддържа сигнал с ниво лог. 1 от изход Q (черта) на

DD4.1 и затова буферните регистри не следват промените в броячите.

Изходите на регистрите приемат състоянията на изходите на броячите

само при появяването през 1 s на краткотрайния импулс на изход Q (черта)

на DD4.1. За проверка на изправността на честотомера е предвидена

възможност за измерване на еталонната честота. Чрез поставяне на

превключвателя SA1 от положение „работа” в положение „проверка”

индикаторът трябва да отчита честота 50 Hz. Входът на честотомера, чиято

принципна схема е представена на фиг. 1.6, е предназначен за стандартни

логически TTL – нива на входните импулси. При използване на


17

честотомера за измерване на честотата на други видове сигнали и импулси,

необходимо е да се добави подходящо входно устройство, което да

преобразува и формира входните импулси. При необходимост от

измерване на по – висока честота, могат да се добавят още схеми от типа

на DD5 – DD7. Свързването им става по същия начин, както DD7.

За захранване на честотомера се използва интегрален стабилизатор за 5 V

от типа МА 7805. Точността на честотомера зависи както и при другите

цифрови честотомери от точността на източника на еталонна честота и

грешката от дискретизация на входните импулси. В случая източник на

еталонна честота е честотата на мрежата, която е 50 Hz и съгласно БДС

10694-80 отклонението от тази честота не трябва да е по – голямо от +/-0,1

Hz. Tова допустимо отклонение на честотата на мрежата се трансформира

в изхода на делителя DD3 във време ± 3

2.10− s или времето за броене на

входните импулси е 1 ± 3

2.10− s. В действителност времето за броене на

входните импулси се намалява още и с времето, през което на извод 12 на

DD5-DD7 има сигнал с ниво лог. 0. Както вече беше посочено, това време

е с продължителност около 6

3.10−

s, т.е. 3 порядъка по – малко от

отклонението вследствие на допустимите промени в честотата на мрежата

и влиянието му върху точността на честотомера е пренебрежимо малко.

Възможната грешка е 1 Hz.


18

2. Проектиране на електронната система

2.1. Блокова схема

Фиг. 2.1 Блокова схема на електронната система.

На фиг.2.1. е показана блоковата схема на изработената система,

която се състои от следните елементи:

• Микроконтролер осигуряващ отчитането и интерфейса с

потребителя.

• Захранващ блок осигуряващ захранване на микроконтролера и

всички останали блокове.

• Честоттен делител осигуряващ делене на входните импулси с цел

измерване на по високи честоти.

• Серийна връзка с PC или друга измервателна апаратура, чрез

стандартния интерфейс RS-232

Проектирането на системата протича основно в два етапа:

- Проектиране на електрониката (хардуерна част).

- Проектиране на програмата (софтуерна част).


19

2.2. Реализация на отделните блокове

В тази част ще се разгледа проектирането на хардуерната

част. Като това ще става по блокове както е показано на фиг.2.1.

2.2.1 Микроконтролер

Микроконтролера се избира в зависимост от нужната ни

изчислителна мощ, периферия която е нужна, програмна и RAM памет.

За нуждите на честотомера е необходимо микроконтролера да има

таймер/броячи като поне един от тях да е с 16-битова разрядност. Също

така не на последно място при избора е важно цена на микроконтролера,

достъпност и популярност на пазара. Не е тайна, че много от

конструкторите избират контролери и в зависимост от това дали са имали

предишен опит с микроконтролери на дадена фирма за това и този фактор

понякога оказва влияние върху избора. За нуждите на честотомера

избирам микроконтролер на фирмата Atmel [16] ATMEGA32 [17]. В

таблица 2.1 са записани по важните характеристики на контролера. На

фиг.2.2 е показано разположението на изводите.

Фиг.2.2 Разположение на изводите


20

Таблица 2.1

Памет

Програмна памет 32kB

Енергонезависима памет 1024B

Оперативна памет 2kB вътрешна SRAM

Ядро

Производителност 16 MIPS

Тактова честота 16 MHz

Архитектура RISC

Брой инструкции 131

Периферия

8-битови порта 4 броя

UART 1 брой

TWI (I2C) 1 брой

SPI 1 брой

АЦП 10-битов мултиплексиран с 8 входа

16-битов таймер T1 1 брой

8-битов таймер T0 и T2 2 броя

JTAG interface 1 брой

Корпус PDIP-40

Програмирането на контролера става чрез персонален компютър по

стандартен SPI. Записването на програмата в контролера се осъществява с

SPI-Flash Programmer 3.7 и AVR-Programmer. На фигура 2.3 е показано как

се конфигурират Fuse битовете на микроконтролера за външен 8 MHz

кварцов резонатор.


21

Фиг.2.3 Конфигуриране на Fuse битове за 8 MHz кварцов резонатор.

Програмата на контролера е написана на програмния език C. Компилатора,

който е използван е AVR Studio 4 [18]. Схема на групата за начално

установяване (НУ) и кварцовия резонатор свързани към микроконтролера

е показана на фиг.2.4.

Фиг.2.4 Микроконтролер със свързани кварцов резонатор и схема за НУ


22

С тактова честота 8 MHz микроконтролера работи с

производителност от 8 MIPS. Кондензаторите C2 и C3 се задават от

производителя на микроконтролера. Те са включени във веригата на

вътрешния осцилатор, който по своята същност представлява осцилатор на

Пирс. Групата за НУ R1 и C1 се подбират така, че тяхната времеконстанта τ

да бъде най-малко два машинни цикъла според справочната информация

на производителя. При 8 MHz това време трябва да е по-голямо от 4,1 mS.

Времеконстантата τ на така избраната RC- група е 10 mS което е в два пъти

повече от даденето като минимален праг в справочната информация на

контролера. Съответно стойностите на елементите R1 и C1 са 10 кΩ и 1 µF.

Избраните стойности са стандартни и могат да имат толеранс от 10 %.

Работно напрежение на кондензатора 6,3 V.

2.2.2 Честотен делител

За измерване на по-високи честоти от тактовата честотата на

микроконтролера е необходимо да се използва външен делител на

честотата. Максималната честотата на постъпващите към входа на

броячите, която контролера може да обработи е приблизително 2,5 пъти

по-ниска от честотата на ядрото, която в случая е 8 MHz. Това от своя

страна обославя една максимална честотата от 3,2 MHz, която контролера

може директно да отчита. За делене на честотата съществуват множество

варианти. Делене може да бъде осъществено с множество тригери чрез

броячи или регистри в CMOS или ТТЛ изпълнение. За достигане на

максимална честотата 50 MHz избирам делене на 16 и осъществяването му

чрез 4-битов синхронен нарастващ/намаляващ брояч 74191. Схемата на

делителя е показана на фиг.2.5. На фиг 2.6 е представена симулация на

делителя, като на входа постъпват импулси с правоъгълна форма

(импулсите със жълт цвят) и на изхода имаме поредица от импулси с 16

пъти по ниска честотата (импулсите със син цвят).


23

Фиг.2.5 Делител на честотата реализиран с 74HC191

Фиг. 2.6 Симулация на делителя в Proteus 7


24

2.2.3 Сериин интерфейс RS-232

Във всички измервателни уреди от последно поколение се

предвижда интерфейс за връзка с персонален компютър с цел предаването

и обработката на данни. В настоящия проект също е предвидена такава

връзка чрез стандарта RS-232, който все още се употребява особенно в

измервателните уреди. Микроконтролера има периферия за серийно

предаване на данни т.нар, UART към, който е необходимо да бъде

свързана „зарядна помпа” за съгласуване на нивата. Това се осъществява,

чрез интегрална схема MAX232 на фирмата Maxim. Схемата се нуждае от

4 външни кондензатора според каталожните данни [15](фиг.2.7).

2.2.4 Индикатор

Изобразяването на честотата се осъществява с 4- седемсегментни

индикатора. Предимствата които притежава един седемсегментен

индикатор пред LCD индикация са: голям ъгъл на виждане, ниска цена, по-

висока надеждност. За намаляване на консумацията и броя на връзките се

употребява „динамична индикация” фиг.2.8.

Фиг.2.7 RS-232 Интерфейс


25

Фиг.2.8 Динамична индикация

Резисторите R2÷R9 са токоограничаващи и се пресмятат на база

номинален ток през индикатора и захранващо напрежение. Индикаторите,

са SA56-11 на kingbright [13] с номинален ток 25mA. Стойността на

резистори R2÷R9 е 200Ω ±10%. Седемсегментните индикатори са от типа

общ анод. Важно условие при реализацията на индикацията е времето на

превключване на индикаторите да е по-малко от 20mS. Тогава човешкото

око не би забелязало превключването между отделните индикатори.

2.2.5 Захранващ блок

Захранването на микроконтролера както и на останалите интегрални

схеми е 5V, което е стандартно за цифровата схемотехника.

Приблизителната консумация на схемата е до 100mA. За стабилизатор на

напрежение избирам интегрален стабилизатор 7805 [14] фиг.2.9. На

изводите SV 1-1 и SV 1-2 се подава захранващото нестабилизирано

напрежение в диапазона 8-30V DC. Напрежението се филтрира от

допълнителните филтрови кондензатори C11-C12 и C13-C14, които

производителя препоръчва да има и указва стойностите им в каталожните

данни [14].


26

Фиг.2.9 Захранващ блок

При подаване на входно напрежение по високо от 15V е необходимо

стабилизатора да бъде поставен на охлаждащ радиатор. Тъй като

консумацията е около 100mA, а 7805 е линеен стабилизатор на напрежение

при, който една част от постъпващата на входа енергия преминава в

топлина е необходимо охлаждането му. При напрежение 15V на входа и

консумация от 100mA расейваната мощност ще достигне 1W, което е

границата за корпус TO-220.

2.3 Алгоритми за работата на честотомера

На фиг.2.10 е представена структурна схема на честотомера.

Фиг.2.10 Структурна схема на честотомер


27

Таймер/Броячи TCNT0 и TCNT1 ще бъдат използвани като броячи, които

натрупват импулси по преден фронт. Таймер/Брояч TCNT2 ще се използва

като таймер, който ще генерира периодично прекъсване за зануляване на

2-та брояча. За целите на честотмера е нужна употребата на вътрешния

делител на честотата (prescaler), който за таймер 2 е конфигуриран да дели

честотата на собствения осцилатор на микроконтролера на 1024. Това

става като се вдигнат в лог. „1” 3-те най-младши бита на регистър TCCR2.

На Брояч TCNT1 постъпват импулсите от входа разделени на 16 от

външния 4-битов брояч 74191. Този брояч ще се употребява за отброяване

на импулси когато се измерват високи честоти >1MHz. Разрядността на

брояча е 16 бита, което в десетично число се равнява на 65536 импулса. За

честоти по ниски от 1MHz се използва брояча TCNT0, който е с 8 битова

разрядност (256 импулса). Двата брояча са свързани паралелно TCNT0 и

TCNT1. В началото на програмата се извършва проверка, кой брояч има по

висока стойнот, като предварително е зададена преднина на TCNT0 с 10

импулса за елиминиране на конфликти. При ниски, честоти TCNT0 е

брояча с повече импулси и затова той се употребява за изчисление на

честотата при честоти до 1MHz. За по-високи честоти таймер TCNT0

започва да се препълва много, често и не успява да отброява всички

импулси постъпващи на неговия вход. При този вариант проверката е в

полза на TCNT1 и контролера започва да изчислява честотата според

импулсите в този брояч фиг.2.11. Периода през, който се зануляват

броячите е всъщност времето до препълване на таймер TCNT2. След като

брояча се препълни и се вдигне флага OVF на статус регистъра на

контролера се генерира прекъсване от таймер TCNT2. Времето за

препълване е равно на (2.1) :

6

(1024.256)0,032768

8.10Refresh

T s= = (2.1)


28

Това време Trefresh от своя страна обославя един коефициент за корекция

на честотата при измерването. Този коефициент е реципрочна стойност на

времето и е равен на (2.2)

130,517578

0,032768K = =

(2.2)

Фиг.2.11 Алгоритъм за селекция на TCNT0 и TCNT1


29

Честотата от TCNT0 се пресмята по формулата (2.3):

(TCNT0+(256.T0_ovc)).KFrequency = (2.3)

За TCNT1 тя е равна на (2.4):

((TCNT1+(65536.T1_ovc)).K).16Frequency = (2.4)

Поради малкия брой разряди на индикацията в програмата е включен

алгоритм за подбор на разрядите. С негова помощ върху индикатора се

показва онази част, която носи най-много информация от измерването

фиг.2.12.

Фиг.2.12 Алгоритъм за показване на най-старшите ненулеви разряди от

измерването.


30

При преместване на десетичната запетая с 3 разряда на дясно и

нарастване на честотата с още, функцията обслужваща индикацията

поставя знак M върху последния индикатор и премества десетичната

запетая 3 разряда на ляво. Буквата M в случая указва, че измерваната

честотата е в MHz.

Тъй като е възможно постоянно трептене на измерваната честота, което е

процес на затрудняване на точното отчитане в алгоритъма е предвидено

пресмятане на средно аритметична честотата снета от 5 отчета. Самия

алгоритъм на усредняване представлява усредняване по метода на

„пълзящото средно”.

2.3.1 Реализация на програмната част.

Програмата на микроконтролера е разработена в средата AVR Studio

4. Използвания език за програмиране е C.

// ***********************************************************

// ATMEGA32

// XTAL 8 000 000

// Created by Tsvetomir Gotsov

// Created: 01.09.2012

// Last update: 05.09.2012

// ***********************************************************

#include <avr\io.h>

#include <avr\interrupt.h>

#include <math.h>

#define К 31.78581

//Дефиниция на седемсегментните индикатори

#define d_e (1<<7)

#define d_d (1<<6)

#define d_h (1<<5)


31

#define d_c (1<<4)

#define d_g (1<<3)

#define d_b (1<<2)

#define d_a (1<<1)

#define d_f (1<<0)

#define dig_0 (d_e |d_d |d_c |d_b |d_a |d_f |0)

#define dig_1 (0 |0 |d_c |d_b |0 |0 |0)

#define dig_2 (d_e |d_d |0 |d_b |d_a |0 |d_g)

#define dig_3 (0 |d_d |d_c |d_b |d_a |0 |d_g)

#define dig_4 (0 |0 |d_c |d_b |0 |d_f |d_g)

#define dig_5 (0 |d_d |d_c |0 |d_a |d_f |d_g)

#define dig_6 (d_e |d_d |d_c |0 |d_a |d_f |d_g)

#define dig_7 (0 |0 |d_c |d_b |d_a |0 |0)

#define dig_8 (d_e |d_d |d_c |d_b |d_a |d_f |d_g)

#define dig_9 (0 |d_d |d_c |d_b |d_a |d_f |d_g)

#define dig_m (d_e |0 |d_c |0 |0 |0

|d_g)

unsigned long counter,counter_0;

unsigned long var1;

unsigned long var2;

float var3,f_avg;

unsigned char digit[4],bcd[]=

dig_0,

dig_1,

dig_2,

dig_3,

dig_4,

dig_5,

dig_6,

dig_7,

dig_8,


32

dig_9,

dig_m,

;

signed char pt; //Позиция на десетичната точка

unsigned char display_counter; //Избира клетка от динамичната индикация

unsigned int display_refresh; //Брояч за рефреш

unsigned long frequency; //Последната изчислена честотата

unsigned long measure_counter; //Време на измерване

unsigned int F[5]; //История на последните 5 отчета от COUNTER0/1

unsigned int anti_freeze_counter;

unsigned int T0_ovc,T1_ovc; //Запаметява препълванията на COUNTER0/1

unsigned char source; //Избор на брояч за отчитането: COUNTER 0 или 1 ?

SIGNAL(SIG_OVERFLOW0)

T0_ovc++;

SIGNAL(SIG_OVERFLOW1)

T1_ovc++;

SIGNAL(SIG_OVERFLOW2) //Таймер 2 препълнен, измерване

counter_0 = TCNT1; //Присвояване на TCNT1

if ((10+TCNT0+(256*T0_ovc)) < (counter_0*16)) // Проверка дали честотата е

висока

if (source < 10)

// sampled

source++;

else

if (source > 0)

source--;


33

if(source > 5) //Ако е по висока

//***Анти трептящ механизъм

if (

(

(F[0] != (TCNT1)) //Проверки за състоянието,

&(F[1] != (TCNT1)) //ако няма промяна или броячите са 0

&(F[2] != (TCNT1))

&(F[3] != (TCNT1))

&(F[4] != (TCNT1))

)

|(TCNT0 == 0)

|(F[0]&F[1]&F[2]&F[3]&F[4] == 0)

|(anti_freeze_counter > 100)

)

F[4] = F[3];

F[3] = F[2];

F[2] = F[1];

F[1] = F[0];

F[0] = (TCNT0);

anti_freeze_counter=0;

else

anti_freeze_counter++;

f_avg = (F[0]+F[1]+F[2]+F[3]+F[4])/5;//Усредняване за 5 отчета

//***Край

counter = (f_avg*16); //Умножаваме по 16 заради външно делене

else

//***Анти трептящ механизъм

if (


34

(

(F[0] != (TCNT0))

&(F[1] != (TCNT0))

&(F[2] != (TCNT0))

&(F[3] != (TCNT0))

&(F[4] != (TCNT0))

)

|(TCNT0 == 0)

|(F[0]&F[1]&F[2]&F[3]&F[4] == 0)

|(anti_freeze_counter > 100) )

F[4] = F[3];

F[3] = F[2];

F[2] = F[1];

F[1] = F[0];

F[0] = (TCNT0);

anti_freeze_counter=0;

else

anti_freeze_counter++;

f_avg = (F[0]+F[1]+F[2]+F[3]+F[4])/5;

counter = f_avg+(256*T0_ovc);

frequency = (counter*К);

//нулиране на броячите

T0_ovc = 0;

T1_ovc = 0;

TCNT0 = 0;

TCNT1 = 0;


35

display()

//Изкарване на информация на port c

if(display_counter==pt)

PORTC = ~(bcd[digit[display_counter]]|d_h);

//PORTC = 0;

else

PORTC = ~bcd[digit[display_counter]];

//PORTC = 0;

//Разрешаване на сегмент свързан към pin на PA

PORTA = (1<<display_counter);

//Броч за последователно превключване между съседни индикатора

display_counter++;

if(display_counter>3)

display_counter = 0;

post_display(long number)

pt = 3; //В първоначално положение десетична точка най в ляво

while(number > 9999)

number = number / 10;

pt--; //премести на дясно докато number стане 9999

digit[0] = number-((number/10)*10);// Извеждане на хилядни

number = number/10;

digit[1] = number-((number/10)*10);//Извеждане на стотици

number = number/10;

digit[2] = number-((number/10)*10);//Извеждане на десетици


36

number = number/10;

digit[3] = number-((number/10)*10);//Извеждане на единици

//превключи на Mhz ако е необходимо

if(pt < 0)

pt = pt + 3; //Преместване на запетаята отново с 3 стъпки

digit[0] = 10; //последния сегмент е представен с M символ

setup_timers()

TCCR0 = 0x07; //укажи TC0 да брои импулси от PB0

TCCR1A = 0x00; //укажи TC1 да брои PB1

TCCR1B = 0x07;

TCCR2 = 0x07; //TC2 брои Clock_io/1024

setup_interrupts()

SREG = 0x80; //Разрешаване прекъсвания в статус регистър SR

TIMSK = 0x41;//Разрешаване на прекъсвания от таймери

int main(void)

DDRC = 0xFF; //PORTC като изход

DDRA = 0x0F; // първите 4 бита на PA като изход за управление на динамичната

индикация

DDRB = 0xFC;

DDRD = 0xFF;

setup_timers();

setup_interrupts();

//За тестване


37

while(1) // Вечен цикъл

measure_counter++;

display_refresh++;

if (display_refresh > 200)

display_refresh=0;

display();

if (measure_counter > 5500)

measure_counter=0;

post_display(frequency);

2.4 Изобразяване на измерваната честота

В тази глава ще бъдат разгледани основните начини за изобразяване

на честотата измерена от честотомера. Показанията от седемсегментните

индикатори показват, честотата в kHz ако няма нищо друго указано. На

фиг.2.13 до 2.21 е показано изобразяването на измерваната честотата за

редица честоти от целия диапазон на измерването.


38

Фиг.2.13 Измерваната честотата е 50 MHz

Фиг.2.14 Измерваната честотата е 5 MHz


39

Фиг.2.15 Измерваната честотата е 500kHz

Фиг.2.16 Измерваната честотата е 50.01kHz


40

Фиг. 2.17 Измерваната честотата е 5.003 kHz

Фиг.2.18 Измерваната честотата е 501Hz


41

Фиг. 2.19 Измерваната честотата е 51Hz

Фиг.2.20 Измерваната честотата е 5Hz


42

Фиг. 2.21 Няма подадено сигнал към входа

2.5 Основни показатели

Честотомера е предназначен за измерване на периодични трептения

в диапазона 1-50 000 000 Hz. Входното напрежение трябва да е стандартно

TTL ниво. Грешката от измерването за честоти над 100Hz е 1%, като

основно зависи от стабилността на източника на опорно трептене. В

реализирания случай това е кварцов резонатор със стабилност на честотата

около 1 ppm. За обхвата под 100Hz грешката нараства и може да достигне

>10% за честоти близки до 1Hz. Основното ограничение в горната част на

обхвата идва от серията интегрална схема 74191 като за HC серията тя е

максималната и е равна на 50MHz. Консумацията на цялата система е под

100mA. Основните показатели са снети от опитно измерване на прототипа

и напълно отговарят на заданието до честоти 12MHz до каквито е тествано

устройството.


43

3. Надеждностен анализ

Поради спецификата на устройството е трудно да бъдат пресметнати

величините характеризиращи надеждността на устройството. По точни

данни биха се получили при изследване на няколко прототипа в

продължение на по продължителен период. Също така е добре да бъдат

проведени тестове при изкуствено създадени различни метеорологични

условия. Надеждността [28] като свойство на изделието се обуславя от

следните показатели:

• безотказност; • дълготрайност; • ремонтопригодност; • съхраняемост.

За пресмятането на параметрите характеризиращи надеждността е

удобна употребата на софтуерния калкулатор RelCalc MTBF на T-

Cubed Systems, Inc. Според спецификацията на производителя този

калкулатор работи със стойностите дадени в наръчника MIL-HDBK-

217F [29]. Качествената характеристика за определяне на надеждността

е средното време за безотказна работа Тср. Според симулатора това

време е (Mean Time Between Failures) MTBF = 137576.2870часа, което е

приблизително равно на 16 години.

В приложение 5 е качен лог файла на програмата. На фиг.3.1 е

представена графичната зависимост на честотата на отказите FR

(Failure Rates) в зависимост от работната температурата. На фиг 3.2 е

показана зависимостта на надеждността във функция на времето. След

около 95 000 часа надеждността спада на половина, което е равно на 11

години. Чрез тези зависимости и зададен като параметър надеждност на

изделието може да се пресметне с точност срока на експлоатация.


44

Фиг.3.1 Зависимост на честота на отказите от температура

Фиг.3.2 Зависимост на отказите във функция на времето


45

4. Икономически анализ

В съвременната световна практика един от най-важните показатели на

всяко едно изделие е цената. До голяма степен борбата на фирмите е

съсредоточена в това да се изработват електронни изделия на

изключително ниски цени. Предизвикателствата пред инженерите е

огромно и постоянно се търсят по евтини решения на досега

съществуващите системи. Настоящия проект предлага изключително

ниска цена на готовия прототип. Цената е конкурентоспособна на досега

съществуващите решения .

В таблица 4.1 е направена спецификация на елементите с техните цени

и брой. Изчислена е себестойността на устройството. В тази цена не са

включени интелектуалния труд и труда свързан при изработката на

изделието..


46

Таблица 4.1.

Себестойност на отделните материали

Наименование Брой Единична цена Лв.

1. Резистори 9 0,01 0,09

2. Кондензатори керамични 2 0,10 0,20

3. Кондензатори електролитни 6 0,50 3,00

4. Кондензатори полимерни 2 0,20 0,40

5. 74HC191 1 0,30 0,30

6. Микроконтролер 1 12,00 12,00

7. Интегрална схема MAX232 1 2,00 2,00

8. Стабилизатор 7805 1 0,50 0,50

9. Куплунг RS232 1 0,50 0,50

10. Кварцов резонатор 1 1,00 1,00

11. Куплунг захранване 1 1,50 1,50

12. Куплунг вход 1 0,10 0,10

13. Печатна платка 1 10,00 10,00

14. 7 LED 4 1,20 4,80

Обща стойност 36,39


47

6. Приложения

Приложение 1

• Принципна схема на цялостната система.


48


Печатна платка – графични оригинали:

Печатна платка – горен и долен слой с елементите


49


Печатна платка горен слой


50


Долен слой


51


Спецификация на елементите:

Озн. Наименование Кол. Забележка

Кондензатори БДС 3940–80

C2, C3 22pF; ±10% 2 Керамичен

C1,C4 ,C10 ,C11 100nF;±10% 4 Полимерни

C9 470uF;±20% 1 Електролитен

C12 100uF;±20% 1 Електролитен

C5,C6 ,C7 ,C8 1uF;±20% 4 Електролитен

Резистори постоянни БДС 10151–81

R1 10k Ω; ±10%; 0,250W; 1 РПМ

R2÷R9 220 Ω; ±10%; 0,250W; 8 РПМ

Интегрални схеми

IC2 74HC191 1 4-битов брояч

IC4 MAX232 1 RS-232

Стабилизатор на напрежение

IC3 МА7805 1 5V

Кварцов резонатор

Q1 8.000 MHz 1 -

Микроконтролер

IC1 ATMEGA 32 1 Atmel

7-LED

LED1 - LED4 SA56-11 4 индикатори

Куплунзи

X1 RS-232 DB-9 1 RS-232

J1 Рейки 2-pin 1 захранване

X2 Рейка 2-pin 1 вход


52


Приложение 4 съдържа CD:

• Source - код на микроконтролера (*.h, *.c, *.hex)

• PCB – печатна платка и принципна схема (*.sch, *brd, *,pdf)

• Datasheet – справочни данни на компонентите (*.pdf)

• Other – други документи и архиви.


53


• Log файл от: RelCalc for Windows, Version 5.1-TELC2 (Build 2010.4795)


54

Използвана литература

1.http://bg.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%B

D_%D0%BD%D0%B0_%D0%9C%D1%83%D1%80

2. http://hobby.neomontana-bg.com/kit93.htm3.

3.Е.,Матраков Б.,Туренков В., „Електрически измервания”, София,

Техника, 1989 г.

4. Русев Д., Пенкова Д., „Електрически измервания на неелектрически

величини”, София, Техника, 1985 г.

5. Ангелов А., Колев Х., „Промишлена електроника”, София, Техника,

1979 г.

6. Досев К., „Цифров мултиметър”,София,Техника,1978 г.

7. http://www.maxim-ic.com

8. сп. „Радио телевизия електроника” 2001/4/стр.19

9. http://www.pchelar-probvaisambg.com/statia115_73_spisak.htm

10. сп. „Радио телевизия електроника” 1996/9/стр. 1-3

11. Джаков Е., „Международна система измерителни единици”,София,

Техника, 1975 г.

12. Тренков Й., „Интегрални схеми и сензори”,София, Техника, 2010 г.

13. www.geniusnet.sk/om3bc/datasheets/SA56-11.pdf

14. www.fairchildsemi.com/ds/LM/LM7805.pdf

15. www.ti.com/lit/ds/symlink/max232.pdf

16. www.datasheetcatalog.com/datasheet/7/74HC191.shtml

17. http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2503.pdf

18. http://www.mikroe.com/eng/home/index/

19. http://www.cadsoftusa.com/

20. http://en.wikipedia.org/wiki/Frequency_counter

21. http://www.ikalogic.com/build-your-40-mhz-frequency-meter/


55

22. Гоцов Цв. “Универсален високоскоростен брояч с микроконтролер”

Сборник доклади на Студентска научна сесия– СНС’10 на Русенски

Университет ”А. Кънчев”, ISSN 1311-3321, Русе, 2010г. с.9-13

23. Gang Feng, Rogelio Lozano, “Adaptive Control Systems”, Newnes, 1999

24. http://www.atmel.com/Images/doc8365.pdf

25. http://www.avr-asm-tutorial.net/avr_en/fcount/fcount_m8.html

26. http://www.qsl.net/pa3ckr/bascom%20and%20avr/rfcounter/index.html

27. http://www.s5tech.net/s53mv/

28. Каракехайов З.,Кристенсен К.,Винтер О.,”Проектиране на вградени

микрокомпютърни системи с микроконтролери Хардуер и

Софтуер”,Пенсофт София-Москва, 2000

29. Department of defense USA, “Military handbook –Reliability prediction of

electronic”, 1991 г.

30. „Наръчник по електронни измервателни уреди”, под общата редакция

на Кумбс К., София, Техника, 1978г.

31. Шилдт Х. „С-практически самоучител”, Софтпрес, София, 2001г.

32. Манукова А. , Щерева К. „Ръководство за дипломно проектиране”,

Русе, 2007г.

33. Lipovski J., „Single- and Multi –Chip Microcontroller Interfacing”,

Academic Press Series in Engineering, 1999г.

34. Ganssle J. “Embedded Systems- World Class Designs ”, Newnes, 2002г.

35. Morton J. “AVR an Introductory Course”, Newnes, 2002г.

36. http://www.mikroe.com/eng/home/index/

37. Parab J., Shelake V., Kamat R., Naik G., “Exploring C for

Microcontrollers”, Springer, 2007г.

38. Bates M. “Programming 8-bit PIC Microcontrollers in C”, Newnes, 2005 г.


56

Съдържание

Анотация................................................................................................................................................................................................4

Увод………………………………………………………………………………………….......................................................................5

1. Литературен обзор...............................................................................................................................................................7

1.1.Схемни решения на цифрови честотомери.…………………...............................................7

1.2 Принцип на работа на цифров честотомер ….....………………..……………………..…...8

1.3 Цифров честотомер с ТТЛ елементи….......................................................................................10

1.4 Икономичен цифров честотомер ….................................................................................................14

2.Проектиране на електронната система………………………………………………………………..18

2.1 Блокова схема………………………...................................................………………………………….…………18

2.2. Реализация на отделните блокове……………………………………………………………….19

2.2.1 Микроконтролер…………………………….……………………………………………............…….19

2.2.2 Честотен делител.....................................................................................................................................22

2.2.3 Серииен интерфейс RS-232…………..…………………...…………….…………………….24

2.2.4 Индикатор….................................................................................................................................…………....24

2.2.5 Захранващ блок………….....................................................................................................……………25

2.3. Алгоритми на работа на честотомера……………………………….......……………………26

2.3.1 Реализация на програмната част……………..………………….......……………………30

2.4 Изобразяване на измерваната честотата……………..………………….......………....……37

2.5 Основни показатели……………..…….........................................................…………….......………....……42

3.Надеждностен анализ…………………………………………..............................................……………….…..…...43

4.Технико – икономически анализ………………………………...................................……………....…….45

6.Приложение……………………………………………………………..........................................................…………….….47

7. Литература……............................…………………………………………….....................................................……………54

Documents

Diplomna Rabota Final2012 - WordPress.com · за изграждане на високочестотен цифров честотомер като се употребява най