Wspólnie projektujemy: Miernik częstotliwości i czasu

Zgodnie z ideą przyświecającą czasopismu, chcemy wspólnie zaprojektować miernik częstotliwości i czasu. Taki przyrząd pełni istotną funkcję w amatorskim warsztacie. Projekt ten jest podzielony na kilka etapów. Zapraszam wszystkich chętnych Czytelników do wspólnego działania!

Potrzeba jest matką wynalazku

Po lekturze udostępnionego mi przed publikacją interesującego artykułu z tego numeru ZE, zatytułowanego: Interesujące układy: Częstościomierz 1 Hz…50 MHz (Y105) postanowiłem przystąpić do samodzielnej budowy takiego przyrządu. Właściwie należałoby przyznać, że taki pomysł już od dłuższego czasu zaprzątał moją głowę, a wspomniany artykuł stał się impulsem do działania. Moje przemyślenia dotyczące koncepcji budowy są odmienne od „chińskiego” rozwiązania i raczej nie zamierzam wykorzystać go jako „komponentu”. Wynika to przede wszystkim z przeznaczenia tworzonego przyrządu. Opisany model został opracowany przez krótkofalowca, niewątpliwie z przeznaczeniem głównie dla tej grupy hobbystów. Stąd pewnie wynika jego zakres pomiarowy. Moim celem jest stworzenie przyrządu przydatnego w pracowni hobbysty elektronika. Z mojej praktyki wynika, że w zupełności wystarczy zakres do 20 MHz, natomiast bardzo istotna jest dolna granica zakresu, umownie nazwę ją „od zera” a w rzeczywistości niech będzie to od 0,01 Hz.

Poza koncepcją rozwiązania zastosowaną w chińskim module, polegającą na zliczaniu impulsów przez mikrokontroler, można zaproponować kilka innych interesujących wariantów. Nie będę tu ograniczał inwencji twórczej i liczę na różnorodne rozwiązania. Niemniej pewne podstawowe koncepcje nasuwają się każdemu same: koniecznością będzie wykorzystanie jakiegoś mikrokontrolera. Tego typu komponenty obecnie produkowane mają wystarczająco bogate wyposażenie, by sprostać większości zadań, jakie musi spełnić docelowy przyrząd.

Pomiar częstotliwości

W „średnim” zakresie pomiarowym sam pomiar nie należy do operacji skomplikowanych i wynika z definicji samej częstotliwości: jest to liczba cykli wykonana (występująca) w jednostce czasu. Poza zliczaniem przez licznik wbudowany w mikrokontroler, możliwe jest zastosowanie zewnętrznego układu zliczającego. Elektronika cyfrowa już dawno wymyśliła odpowiednie rozwiązanie: liczniki cyfrowe. W obrębie układów z rodziny SN74xx czy CD4000 można znaleźć takie komponenty.

W „górnym” zakresie pomiarowym zaczynają pojawiać się problemy. Nie każdy mikrokontroler jest w stanie przetwarzać taką częstotliwość. Przyczyny są różne. Przykładowo mikrokontrolery AVR na wejściu zliczającym impulsy mają układ synchronizacji, który jest taktowany impulsami z zegara systemowego. Dodatkowo producent zaleca, by częstotliwość zliczanych impulsów nie była większa od połowy częstotliwości zegara systemowego (twierdzenie Nyquist’a o próbkowaniu). Przyjmując, że sam mikrokontroler jest taktowany sygnałem o częstotliwości 20 MHz, zastosowanie procesora AVR w takim wariancie nie spełni naszych wymagań.

W „dolnym” zakresie pomiarowym również zaczynają się pojawiać problemy. Wychodząc z definicji częstotliwości, mówiącej, że jest to liczba cykli na jedną sekundę, to układ nie zadziała poprawnie, gdyż przykładowo dla częstotliwości poniżej 1 Hz (rysunek 1) układ pomiarowy może stwierdzić jeden impuls lub brak impulsu (wszystko zależy od przyjętych kryteriów: licznik impulsów reaguje na zbocze narastające lub opadające, więc z punktu widzenia licznika wystąpił jeden impuls lub nie, jak pokazuje rysunek 2).

Jednym z możliwych rozwiązań jest przedłużenie czasu pomiaru. Zamiast jednej sekundy, można przedłużyć czas do 10 sekund, a wynik podzielić przez dziesięć (to przy okazji da wynik z jedną cyfrę po przecinku). Jest to jakieś rozwiązanie, ale nie najlepsze.

Lepsze jest rozwiązanie niejako odwrotne: zamiast mierzyć częstotliwość f, zmierzymy okres T, czyli czas trwania stanu wysokiego oraz stanu niskiego jednego impulsu. Znając okres, procesor może obliczyć częstotliwość (f = 1 / T).

Oczywiście musi to być pełny okres, więc sam pomiar czasu musi być zsynchronizowany z odpowiednimi zboczami w mierzonym sygnale. Teraz pozostaje kwestia pomiaru czasu trwania określonego stanu w sygnale. Tu możliwym rozwiązaniem jest zliczanie sygnału zegarowego z ustalonej częstotliwości – przykładowo zliczenie impulsów o częstotliwości 1 kHz daje pomiar z dokładnością do jednej milisekundy, rysunek 3.

Interfejs wejściowy

Przedstawione właśnie proste rozważania dotyczą prawidłowych impulsów cyfrowych, o ustalonej amplitudzie i o dużej stromości zboczy wymaganej przez układy cyfrowe. To zasadniczo ogranicza zastosowanie jedynie do układów cyfrowych z „czystymi” przebiegami cyfrowymi.

A co z przebiegami, które też chcielibyśmy mierzyć, a które nie mają tak ostrych zboczy?

Otóż dodanie do projektowanego przyrządu odpowiedniego układu kształtującego sygnał wejściowy do standardów wymaganych przez układy cyfrowe pozwala na jego szersze zastosowanie.

A takich obwodów nie ma chińskie rozwiązanie. Wystarczy przytoczyć prosty przykład: pomiar częstotliwości na wyjściu transformatora sieciowego. Tam jak wiadomo, występuje przebieg przemienny i podanie takiego sygnału bezpośrednio na układy cyfrowe może okazać się zabójcze. Pomijając fakt małej stromości zbocza przede wszystkim wystąpi napięcie ujemne (rysunek 4).

Małą stromość zboczy można łatwo poprawić stosując przerzutnik Schmitta.

Najprawdopodobniej konieczny będzie jakiś tłumik lub wzmacniacz wejściowy, żeby można też mierzyć częstotliwość/okres sygnałów o różnych amplitudach. Czy może potrzebne będą też jakieś ograniczniki czy obwody ochronne?

Ale to jeszcze nie wszystko.

A jak przeprowadzić pomiar częstotliwości przebiegu okresowego sygnału, który ma dużą wartość (składową) stałą? Mówimy, że jest to sygnał posiadający pewien offset, jak pokazuje rysunek 5.

Zastosowanie tutaj, bardzo pożytecznego w innych przypadkach, przerzutnika Schmitta może okazać się fatalne w skutkach, gdyż w wyniku powstanie sygnał o stałej wartości logicznej. Czy dla takich przebiegów trzeba przewidzieć sprzężenie pojemnościowe, czyli odcinanie składowej stałej? Czy może jakiś inny sposób usunięcia offsetu?

Inne funkcje

Przyrząd w pracowni może mieć dodatkowe funkcje i możliwości. Przykładowo może pokazywać na wyświetlaczu odchyłkę od zadanej, ustalonej częstotliwości lub od częstotliwości dowolnie ustalanej przez użytkownika (jako pomiary różnicy częstotliwości ∆f).

Innym „marzeniem” jest logowanie danych pomiarowych, czyli umożliwienie gromadzenia w samym mierniku wyników pomiarowych i późniejsze przeglądanie historii zdarzeń. A może dałoby się zrealizować połączenie takiego miernika z komputerem? Jestem przekonany, że inwencja twórcza i chęć poszukiwania możliwych innych cech przyrządu okaże się ważnym doświadczeniem. Każde takie działanie zawsze poszerza posiadaną wiedzę i jest źródłem satysfakcji.

Jednak temat jest bardzo obszerny i w sumie trudny. Realizacja dobrego, uniwersalnego miernika częstotliwości i czasu to naprawdę poważne wyzwanie. Nie da się tego zrealizować od razu. Warto zmierzyć się z tematem w kilku podejściach – w kilku zadaniach konkursowych.

Etapy projektu

Projekt częstościomierza jako element inicjatywy „Wspólnie projektujemy” planuję podzielić na kilka etapów. Szczegóły mogą się zmienić, ale wstępnie przewiduję następujący podział kolejnych zadań konkursowych:

1. Pomiar częstotliwości lub czasu prawidłowych impulsów cyfrowych.

2. Propozycje obwodów wejściowych, przekształcających mierzone sygnały o różnych kształtach i amplitudach na standardowe impulsy cyfrowe.

3. Propozycje rozszerzenia zakresu pomiarowego (preskalery) oraz wzbogacenia miernika o dodatkowe funkcje i możliwości.

4. Opcjonalne zmiany i ulepszenia.

Czyli na początek, w pierwszym etapie rozważymy różne możliwości pomiaru częstotliwości i czasu (okresu). Napisz, od czego, Twoim zdaniem, należałoby zacząć projektowanie i realizację takiego miernika do pracowni hobbysty.

Etap pierwszy

Pierwszy etap konkursu to tylko zaproponowanie (a niekoniecznie zaprojektowanie) układu podstawowego, na razie bez obwodów wejściowych. Rozwiązania mogą być rozmaite. Czy jako podstawę wykorzystać coś gotowego? Czy robić wszystko od zera?

W tym numerze przedstawiony jest bardzo tani moduł Częstościomierza 1 Hz…50 MHz. Po dodaniu obwodów wejściowych mógłby on być fundamentem miernika, jaki by nas interesował, ale w wersji podstawowej moduł ten ma bardzo poważną wadę: jako miernik „krótkofalarski” bardzo słabo sprawdza się w zakresie małych częstotliwość, bowiem rozdzielczość pomiaru to 1 Hz. Aby to poprawić, należałoby do mikroprocesora wpisać nową wersję programu. Nie wiem, czy jest to możliwe w chińskim module.

Rozwiązaniem mogłaby być zmiana softu w tym module. Czy ktoś mógłby przybliżyć te kwestie? A może już ktoś to zrobił i gdzieś dostępna jest ulepszona wersja programu dla tego modułu?

Inny kierunek to wykorzystanie jakiegoś innego gotowego chińskiego modułu licznika, którego możliwości pomiarowe są większe – wtedy wystarczyłoby dobudowanie lub rozbudowanie obwodów wejściowych, formujących sygnały „nietypowe”. Wskazanie takiego gotowego modułu też jest dobrym rozwiązaniem pierwszego etapu tego konkursu.

Wykorzystanie gotowego, zapewne jakiegoś niedrogiego chińskiego modułu i dodanie do tego obwodów wejściowych formujących sygnał to atrakcyjna i sensowna droga. Dla wielu najlepsza.

Zdecydowanie trudniejsze, ale też ciekawsze i ambitniejsze byłoby samodzielne zrealizowanie wszystkiego od zera. To dałoby ogromną satysfakcję.

A nawet gdyby się nie wszystko udało, wiele się nauczymy, a przecież to jest najważniejsze!

Piszcie więc o swoich doświadczeniach i propozycjach, nie tylko z tanimi gotowymi modułami mierników częstotliwości i czasu.

Zapraszam wszystkich do wspólnej pracy!

Andrzej Pawluczuk
apawluczuk@vp.pl

Zadanie konkursowe YK030 brzmi:

Zaproponuj schemat układu pozwalającego zmierzyć częstotliwość lub czas (okres) impulsów.

Do udziału w zadaniu zapraszam doświadczonych, a także mniej zaawansowanych i początkujących.

Propozycje schematów można nadsyłać do końca lutego 2023 roku na adres: konkursy@piotr-gorecki.pl.

Proponuję, żeby teraz, w ramach zadania, zająć się głównie schematem, a działania praktyczne rozpocząć dopiero wtedy, gdy różne możliwości i nadesłane rozwiązania zostaną omówione w numerze 5 / 2023 czasopisma Zrozumieć Elektronikę.

Uwaga! Aktualnie nie są przewidziane nagrody, więc udział bierzesz tylko dla własnej satysfakcji.

Jeżeli nie chcesz, żeby przy omawianiu nadesłanych rozwiązań pojawiło się Twoje nazwisko, tylko ewentualnie imię czy pseudonim, napisz o tym wyraźnie w treści e-maila z rozwiązaniem.