Данный прибор предназначен для измерения частоты в пределах 0-9999 Гц, но при использовании делителя частоты на входе этот диапазон соответствующим образом расширяется. Максимальное входное напряжение – 3V, при условии, что отсутствует дополнительный делитель напряжения, минимальное 0,15V, так же при условии что он отсутствует. Максимальную частоту измерения можно расширить посредством изменения программного кода, но об этом позже.

Схема прибора относительно простая и изображена ниже:

В основе схемы – 8-ми битный микроконтроллер производства , Atmega8A-PU. Для тактирования ядра микроконтроллера применен генератор с внешним кварцевым резонатором. Выбор такого генератора обусловлен требованиями к стабильности частоты последнего. В качестве индикатора применен семисегментный четырехразрядный LED индикатор с общим анодом и динамической индикацией. Ток сегментов индикатора не ограничивается резисторами, так как применена динамическая индикация, и естественно ток импульсный, который сегменты индикатора с успехом выдерживают, так как и порт микроконтроллера. Входной узел выполнен на элементах R2, D1, D2, C3, R3, R4, R1, Q1. Этот узел обеспечивает усиление/ограничение сигналов, поступающих на его вход (резистор и диоды на входе частотомера ограничивают входной сигнал, транзистор отвечает за усиление сигнала до ТТЛ уровня). Печатная плата устройства так же не сложная. Она изготавливается из одностороннего фольгированного материала (изначально планировалось сделать из двухстороннего, но в наличии его не нашлось, поэтому остановился на односторонней). Топология платы представлена ниже.

Что касается программы для микроконтроллера, то она была разработана в среде (файл проекта прилагается). Для подсчета импульсов я использовал прерывания по входу INT0 микроконтроллера, а для ограничения времени счета – прерывания таймера TMR0. Так как на этом таймере стоит предделитель с коэффициентом деления 1/256 (в силу того что он восьмиразрядный), то расчет частоты прерываний производится так:Fпрер.=F ген.÷256÷поргр. дел. В своей конструкции я выбрал частоту прерываний в 200 Гц. Как я уже писал выше, частоту измерения можно увеличить. Для этого нужно лишь ограничить время измерения. Это делается посредством изменения числа 200 на 2(время измерения не 1с а 10мс, граничная частота 99 999Гц), в коде, как показано на рисунке в исходнике на С.

Для программирования микроконтроллера я использовал параллельный программатор. Как видите, в моей конструкции вывод внешнего сброса используется как обычный порт. Если у вас нет параллельного программатора, то вот вариант схемы, где используется порт D микроконтроллера, и необходимость в использовании пина RESET как обычного порта вывода отпадает.

Вот пример выставления фузов в программе :

Вот схема варианта частотомера с использование RESET по прямому назначению:

А так же вот топология платы для второго варианта схемы:

Для питания схемы используется стабилизированный источник питания на напряжения 5V (я использовал компьютерный БП, поэтому никаких стабилизирующих элементов в схеме нет).

В данной схеме нет дефицитных деталей, но список замен и аналогов все же перечислю. Так микроконтроллер Atmega8A-PU можно заменить на аналогичный Atmega8-16PU (кстати, последний более предпочтителен). Резисторы можно взять на мощность 0,125 Вт, за исключением R2, его лучше взять на 0,5 Вт. Конденсаторы – для генератора дисковые, керамические, а для входного блока – любой, подходящий по параметрам. Транзистор можно заменить на отечественный КТ3102 (как показали опыты у КТ315 слишком мал коэффициент передачи тока h21Э). Светодиодный индикатор можно взять любой, подходящий по размерам (а они не критичны). Кварцевый резонатор использован на частоту 3267800Гц (3,2768МГц).

Фотографии готового устройства показаны ниже.

На первом фото видно резистор, который подключен к питу RESET МК (остался с проверки второй прошивки, со сбросом).

Список радиоэлементов

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.

В данной статье я хотел бы вас познакомить с "самоделкой выходного дня" - частотомером на уже "легендарном" микроконтроллере ATmega8. Данный прибор не позиционируется как "лучший" по параметрам, да и схемотехника не претендует на оригинальность. Единственное его отличие от большинства конструкций, которое можно найти в сети - повышенная точность в диапазоне низких частот (1 - 1000Гц). Это достигается за счет различного подхода при измерении НЧ и СЧ с ВЧ. При измерении НЧ производится подсчет количества тактов микроконтроллера за некоторое количество импульсов на входе прибора. А при измерении СЧ и ВЧ, традиционно считается количество импульсов за определенный промежуток времени.

Характеристики частотомера:

• Диапазон частот с погрешностью измерения +/- 1Гц: 1000Гц - 1МГц (при погрешности +/- 20-200Гц, [> частота, > погрешность] возможно измерение частот до 10МГц без предделителя).
• Напряжение питания: 5В
• Потребляемый ток: <50мА
• Время измерения: 1с (1кГц - 1МГц) и до 10с (1Гц - 1кГц).
• Точность: 4 знака после запятой (1 - 10Гц), 3 знака после запятой (10 - 100Гц), 2 знака после запятой (100 - 1000Гц), целое число (> 1кГц).
• Время индикации: 3с

Проект был собран и протестирован в , а после и "в живую". Для создания прошивки использовался компилятор avr-gcc (он же ).

Основа схемы, как уже говорилось, микроконтроллер ATmega8. Отображение данных производится на семисегментном светодиодным (не обязательно) индикаторе на 8 знакомест с общим анодом. В моем случае был использован малогабаритный индикатор, соответственно и печатная плата была разработана небольших размеров. На схеме, как вы видите, есть контакты для подключения кнопки (J7, J8), но это "на будущее", и в данным момент они не используются. Для тактирования микроконтроллера применен кварцевый резонатор на 16МГц. Светодиод D1 отображает действия прибора - при цикле измерения он включается. Измерение длится 1 секунду. После пауза в 3 секунды, а потом снова измерение и т.д.

Для индикаторов с общим катодом необходимо следующим образом изменить транзисторные ключи:

Кроме этого, потребуется подправить программу.

В заголовочном файле "display7seg_lib.h " необходимо эту строку:

#define OK

Заменить на

#define OA

А затем рекомпилировать проект.

К слову, библиотеку для семисегментного индикатора я делал не только для этого проекта, и возможно она вам пригодится, так как имеет несколько полезных функций (к примеру, вывод строки).

Для измерения частоты, как уже упоминалось выше, в устройстве используются два метода: счет тактов микроконтроллера за кол-во импульсов и счет поступающих на вход прибора импульсов за определенное время.

Порядок измерения следующий:

1. Производится измерение частоты посредством счета импульсов на ходе
2. Если количество импульсов более тысячи (частота более одного килогерца), то результат выводится на дисплей а устройство ожидает 1 секунду и повторяет измерение
3. Если же количество импульсов менее тысячи, то происходит дополнительно сравнение. В том случае, когда частота менее 10Гц, производится счет тактов на протяжении 20 импульсов на входе (10 < 100Гц - 10 импульсов и 100 < 1000Гц - 2 импульса). За счет этого и удается получить маленькую погрешность при измерении.

В обоих вариантах измерения частоты подсчет импульсов или тактов производится таймером Т0, так как Т1 более предпочтительно применять для определения временных промежутков с высокой точностью, чем он собственно в программе и занимается. Таймер Т2 отвечает за индикацию. При его переполнении срабатывает прерывание, в котором на светодиодный индикатор выводится 1 символ. Так как частота прерываний довольно высока, человеческий глаз не успевает уследить за сменой состояний на индикаторе и картинка воспринимается как цельная, хоть переключение знакомест происходит по очереди.

Печатная плата устройства выполнена на двухстороннем фольгированном материале. Основная сложность при ее изготовлении - развести дорожки для ножек микроконтроллера. Впрочем, если вы используете технологию или проблем с этим пунктом у вас возникнуть не должно.

Лицевая сторона:

Обратная сторона:

Расположение элементов:

Варианты замены деталей

Резисторы R1 - R8, R14 желательно использовать в диапазоне 220 - 680 Ом. Меньшего номинала брать очень нежелательно (у микроконтроллера не такая высокая нагрузочная способность на портах), а больше нет смысла так как яркость индикатора и светодиода будет крайне низкой. Конденсаторы C2 и C3 можно взять 18 - 33пФ. Конденсатор для предотвращения помех по питанию, под номером C1, желательно использовать емкостью 0,068 - 0,47мкФ. Резисторы R9 - R16 можно взять 1 - 4.7кОм.Транзисторы Q1 - Q8 заменяются на КТ315 или КТ3102, но подойдут и любые другие маломощные кремниевые структуры n-p-n. Микроконтроллер можно применить и в DIP корпусе, но придется заново разводить плату.

Небольшое послесловие

В данном приборе мной было решено вынести блок формирователя импульсов за пределы основной платы (к примеру, в виде выносного пробника).

Самый простой вариант - использовать компаратор или ОУ в режиме масштабного усиления (показано ниже) . Выгодная сторона - малый порог по напряжению. Недостаток же данной схемы - очень скромный предел по частоте. При использовании популярного ОУ LM358, максимальная частота не превышает 100кГц. Но для наладки, к примеру, звуковой аппаратуры и различных устройств, работающих на небольших частотах вполне сгодится.

Еще один вариант - использование транзистора и логического элемента, к примеру, КТ3102 + 74LS13 (шустрый аналог нашей К155ТЛ1). Этот вариант вполне жизнеспособен и на высоких частотах.

Так же схемы формирователей можно найти в интернете, главный критерий - комплиментарность с высоким и низким логическим уровнем КМОП-логики.

В архиве, прикрепленном к статье, есть файлы прошивки и для схемы с ОА так и с ОК. В прочем, как и сами схемы и печатные платы (смотрите в проектах Proteus).

Удачи вам в сборке ваших устройств

Список радиоэлементов

Данный прибор предназначен для измерения частоты в пределах 0-9999 Гц, но при использовании делителя частоты на входе этот диапазон соответствующим образом расширяется. Максимальное входное напряжение – 3V, при условии, что отсутствует дополнительный делитель напряжения, минимальное 0,15V, так же при условии что он отсутствует. Максимальную частоту измерения можно расширить посредством изменения программного кода, но об этом позже.

Схема прибора относительно простая и изображена ниже:

В основе схемы – 8-ми битный микроконтроллер производства фирмы Atmel , Atmega8A-PU. Для тактирования ядра микроконтроллера применен генератор с внешним кварцевым резонатором. Выбор такого генератора обусловлен требованиями к стабильности частоты последнего. В качестве индикатора применен семисегментный четырехразрядный LED индикатор с общим анодом и динамической индикацией. Ток сегментов индикатора не ограничивается резисторами, так как применена динамическая индикация, и естественно ток импульсный, который сегменты индикатора с успехом выдерживают, так как и порт микроконтроллера. Входной узел выполнен на элементах R2, D1, D2, C3, R3, R4, R1, Q1. Этот узел обеспечивает усиление/ограничение сигналов, поступающих на его вход (резистор и диоды на входе частотомера ограничивают входной сигнал, транзистор отвечает за усиление сигнала до ТТЛ уровня). Печатная плата устройства так же не сложная. Она изготавливается из одностороннего фольгированного материала (изначально планировалось сделать из двухстороннего, но в наличии его не нашлось, поэтому остановился на односторонней). Топология платы представлена ниже.

Что касается программы для микроконтроллера, то она была разработана в среде Flowcode (файл проекта прилагается). Для подсчета импульсов я использовал прерывания по входу INT0 микроконтроллера, а для ограничения времени счета – прерывания таймера TMR0. Так как на этом таймере стоит предделитель с коэффициентом деления 1/256 (в силу того что он восьмиразрядный), то расчет частоты прерываний производится так:Fпрер.=F ген.÷256÷поргр. дел. В своей конструкции я выбрал частоту прерываний в 200 Гц. Как я уже писал выше, частоту измерения можно увеличить. Для этого нужно лишь ограничить время измерения. Это делается посредством изменения числа 200 на 2(время измерения не 1с а 10мс, граничная частота 99 999Гц), в коде, как показано на рисунке в исходнике на С.

Для программирования микроконтроллера я использовал параллельный программатор. Как видите, в моей конструкции вывод внешнего сброса используется как обычный порт. Если у вас нет параллельного программатора, то вот вариант схемы, где используется порт D микроконтроллера, и необходимость в использовании пина RESET как обычного порта вывода отпадает.

Вот пример выставления фузов в программе PonyProg2000 :

Вот схема варианта частотомера с использование RESET по прямому назначению:

А так же вот топология платы для второго варианта схемы:

Для питания схемы используется стабилизированный источник питания на напряжения 5V (я использовал компьютерный БП, поэтому никаких стабилизирующих элементов в схеме нет).

В данной схеме нет дефицитных деталей, но список замен и аналогов все же перечислю. Так микроконтроллер Atmega8A-PU можно заменить на аналогичный Atmega8-16PU (кстати, последний более предпочтителен). Резисторы можно взять на мощность 0,125 Вт, за исключением R2, его лучше взять на 0,5 Вт. Конденсаторы – для генератора дисковые, керамические, а для входного блока – любой, подходящий по параметрам. Транзистор можно заменить на отечественный КТ3102 (как показали опыты у КТ315 слишком мал коэффициент передачи тока h21Э). Светодиодный индикатор можно взять любой, подходящий по размерам (а они не критичны). Кварцевый резонатор использован на частоту 3267800Гц (3,2768МГц).

Фотографии готового устройства показаны ниже.

На первом фото видно резистор, который подключен к питу RESET МК (остался с проверки второй прошивки, со сбросом).

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.