Программно управляемый частотомер (стр. 3 из 6)

Кварцевый генератор счетных импульсов выполнен на основе интегральной микросхемы генератора импульсов КР531ГГ1. Частота работы микросхем этой серии – не более 50 МГц, напряжение питания +5 вольт, потребляемая мощность – не более 19 мВт. Вместо конденсатора, к входам генератора подключен кварцевый резонатор на 10 кГц, что обеспечивает высокую стабильность временных параметров счетных импульсов.

При смене состояния линии Р3.7 в логический ноль, т. е. по окончании первых временных ворот, импульсы перестают проходить через временной селектор 1, их подсчет прекращается. В микроконтроллере фиксируется количество прошедших импульсов измеряемой частоты – n.

С приходом самого первого импульса после окончания первых временных ворот на вход DD1.3, триггер изменяет свое состояние. Заканчивается формирование вторых временных ворот, и счетчик Т1 микроконтроллера фиксирует число прошедших через временной селектор 2 (DD2.3) импульсов N. Основной измерительный процесс заканчивается и остается только произвести соответствующие вычисления и получить результат в виде конкретного значения частоты. Теперь весь ход работ перекидывается на микроконтроллер.

В результате предыдущего измерительного цикла работы прибора, в памяти контроллера находятся значения прошедших импульсов n и N. Микроконтроллер производит ряд операций над двоичными числами n и N. В результате по формуле (1) вычисляет значение измеренной частоты в двоичном виде. Теперь это значение частоты необходимо перевести в привычный для человека вид и вывести на устройство отображения.

Согласно программе, производятся дальнейшие операции. Полученный результат переводится из двоичного кода в двоично‑десятичный код. Определяется предел частоты – герцы или килогерцы и выделяется значащая часть, т. е. четыре старшие цифры. Затем происходит определение места запятой в выводимом результате с учетом предела измерения. Производится преобразование полученного результата в код семисегментного индикатора. После всех операций получается результат в семисегментном коде, который занимает 4 байта (7 байт – цифра и восьмой – запятая) и два дополнительных бита – вывод предела измерения (Гц или кГц).

Для связи микроконтроллера с устройством отображения служит сдвиговый регистр М5450В7 (DD4). Его информационная емкость – 34 двоичных разряда. Ввод данных производится через последовательный интерфейс побитово, причем посылка каждого бита должна сопровождаться импульсом синхронизации, который подается на вход CLK. Частота синхронизирующих импульсов не должна превышать 50 МГц. При подаче каждого бита, предыдущие биты сдвигаются в старшие Номинал резистора R7, который включен между входами +5V и Bright, определяет значение тока, протекающего через выходные контакты. Ток через этот резистор в 50 раз меньше тока выходных ключей сдвигового регистра М5450В7. В микросхеме присутствует инверсный вход разрешения выхода ОЕ, при подаче на него логического нуля введенная информация появляется на выходе регистра.

Передача данных от микроконтроллера к сдвигающему регистру происходит при помощи последовательного интерфейса, который реализован в АТ89с2051 универсальным асинхронным приемопередатчиком. В состав приемопередатчика, называемого часто последовательным портом, входят принимающий и передающий сдвигающий регистры, а также специальный буферный регистр приемопередатчика. Запись байта в буфер приводит к автоматической перезаписи байта в сдвигающий регистр передатчика и инициирует начало передачи байта. Наличие буферного регистра приемника позволяет совмещать операцию чтения принятого ранее байта с приемом очередного. В данной схеме приемопередатчик работает в одном из 4‑х возможных режимах. В этом режиме информация передается и принимается через вход приемника (RxD). Принимаются или передаются 8 бит данных (младшим битом вперед). Через выход приемника (TxD) выдаются импульсы сдвига, которые сопровождают каждый бит. Частота передачи бита равна 1/12 частоты кварцевого резонатора, т. е. 2 мегабита в секунду.

Таким образом, полученный результат (34 бит) загружается последовательно по 1 байту в буфер приемопередатчика и передается в сдвиговый регистр. После передачи всей информации на выходе порта Р1.0 микроконтроллера появляется уровень логического нуля и таким образом разрешается индикация результата.

Индикация осуществляется семисегментными индикаторами АЛ316а. Это индикаторы с общим катодом, обдающие достаточно высоким уровнем светоотдачи сегментов, имеющие большие цифры, а также небольшой потребляемый ток.

Высокая точность частотомера обеспечивается стабильностью передаточных характеристик всех звеньев аппаратуры, которые в первую очередь зависят от стабильности питающего напряжения. Для фиксации напряжения питания данного аппаратурного блока применяется интегральный стабилизатор напряжения. В настоящее время для построения радиоэлектронной аппаратуры находят применение универсальные стабилизаторы и стабилизаторы с фиксированным выходным напряжением. Стабилизаторы с фиксированным выходным напряжением (их иногда называют трехвыводными) имеют внутреннюю схему делителя и настраиваются на стандартный ряд питающих напряжений в процессе изготовления микросхемы. В серию К142 входят стабилизаторы с фиксированным рядом выходных напряжений, например К142ЕН5 – на 5 вольт. Входное напряжение подается на вывод 1, а выходное снимается с вывода 3. В схеме имеется защита от перегрузки по выходу. Получена принципиальная схема всего проектируемого устройства и описан принцип ее работы. Теперь необходимо произвести общий расчет всех дискретных элементов присутствующих в схеме, а также произвести выбор их типономиналов.

3.1. Расчет конденсаторов индивидуальной развязки

При проектировании цифровых схем необходимо учитывать импульсные помехи в цепях питания, которые обусловлены, в основном, кратковременным возрастанием токов потребления интегральных микросхем при переключении из одного логического состояния в другое и динамическими токами перезаряда паразитных емкостей сигнальных линий связи. Уменьшение импульсных помех в цепях питания достигается применением индивидуальных конденсаторов развязки. Идея применения конденсаторов развязки для уменьшения импульсных помех заключается во введении для каждой интегральной схемы источника энергии, роль которых выполняют конденсаторы с малой собственной емкостью (как правило, керамические КМ5, К10‑9). Эти конденсаторы в промежутках между переключениями микросхем заряжаются до номинального уровня напряжения источника питания, а во время переключения ИС из одного логического состояния в другое разряжается на небольшое значение напряжения, отдавая ток перезаряда переключаемой микросхеме. Другими словами, индивидуальные конденсаторы развязки позволяют локализовать протекание динамических токов потребления в рамках цепи микросхема – индивидуальный конденсатор развязки.

Выбор емкости конденсаторов производится из условия равенства заряда, накопленного конденсатором между переключениями логического элемента, заряду, переносимому за время переключения. При этом напряжение на конденсаторе не должно превышать некоторого наперед заданного значения, равного допустимой помехе по шине питания. Конденсаторы для подавления высокочастотных пульсаций в цепях питания размещают по площади печатной платы равномерно относительно микросхем из расчета один конденсатор емкостью 0,02 мкФ на группу, содержащую не более 10 микросхем. Для микросхем повышенной степени интеграции емкость увеличивают до 0,1 мкФ и устанавливают конденсаторы около каждой микросхемы. Из этих соображений взяты конденсаторы С1‑С4типа К10‑9 номинальной емкостью 100 нФ ± 10%. С1‑С4: К10‑9 – 20 В – 100 нФ ±20%

Выбор конденсаторов групповой развязки по питанию.

Из-за бросков тока в системе питания могут возникать «медленные» колебания напряжения. При правильно спроектированной цепи питания (включение больших электролитических конденсаторов) эти колебания носят затухающий характер. Для снижения низкочастотных пульсаций в шинах питания применяют блокирующие конденсаторы, включаемые между выводами «питание» и «земля» около разъема питания печатной платы. Если же емкость выбрана неправильно. В цепи могут достаточно долго идти колебания. С целью предотвращения таких явлений включают электролитические конденсаторы большой емкости. С7 и С8 – алюминиевые электролитические К53‑16, предназначены для подавления помех в цепях постоянного и пульсирующего тока. Их емкость – 10 мкФ.

Расчет элементов входной цепи

Водная цепь устройства должна обеспечивать свободное прохождение переменной составляющей измеряемого сигнала и при этом обеспечивать требуемый режим работы.

Постоянный резистор R1 на входе прибора служит для задания токов, протекающих через ограничивающие диоды VD1 и VD2, т. е. значение номинала этого резистора определяет токи диодов в открытом состоянии. У выбранных диодов КД521Г максимально возможная величина протекающего через них тока в прямом направлении должна составлять не более 20 мА. Тогда максимальный ток через диод

, (6)