Частотомер на 2313 своими руками

Добавил пользователь Алексей Ф.
Обновлено: 18.09.2024

С потерей данных в EEPOM разобрался не в коде дело. Когда частотомер запитан от батареи, при снижении напряжения на ней до 7.5 вольт во время включения слетают настройки EEPROM, от внешнего источника все ровно. Встроенная система контроля питания BOD не поможет, производитель не учел, что я буду гонять контроллер с повышенным питанием на запредельной частоте, поможет только схема внешнего контроля.

Ну и чудненько!! Разработчик нам не помешает. Доводи до ума исправляй касяки, а печатку я и сам разведу.

Печатку выложить могу, но в ней сплошные косяки, отсутствуют делители на входах MAX903 думал, заработает, если инверсны ввод посадить на корпус, не получилось, нет резистора ОС хотя можно и без него на средних частотах чутье увеличится на высоких уменьшится, то-есть в верхнем диапазоне АЧХ будет круче ползть вверх. Тинька на плате стоит вверх ногами, ошибся при разводке все микрухи в DIP корпусе, а контроллер в SOI. Пришлось избавляется от наводок на входной каскад лепить дополнительные блокировочные кондеры и дроссели может какие и лишние. Если в таком виде печатка нужна, могу выложить. Выявился косяк в программе, иногда при включении слетают настройки в EEPRM. Буду решать проблему, потом выложу обновлённый Hex файл. А на счет проверял, это моя разработка и реализована в железе а также, БП с вольтметром на тиньке 26 и кодовый замок на 2313.

Не плохо было бы и печтные платы выложить, ну так для остороты востриятия. а так нормальный частотомер. Ты сам его в железе повторял?

Этот проект посвящен созданию простого частотомера, способного измерять частоту до 100МГц с точностью 0.002%. За основу я взял ATtiny414, задействовав при этом его таймер/счетчик TCD0 и систему событий.

Недавно я задумал собрать частотомер с возможностью измерения до 100МГц, что позволило бы использовать его для проверки частоты процессора и кристаллов. В сети есть немало схем для сборки подобных девайсов на базе микроконтроллера, ведь в этом и состоит одно из назначений встроенных в МК таймеров/счетчиков. Однако большинство таких устройств не достигают уровня 100МГц, так как измерение внешней частоты ограничено половиной собственной тактовой частоты микроконтроллера.

Первая попытка

Я решил использовать внешние RTC (часы реального времени), тактируемые кристаллом 32.768кГц, для генерации прерываний с частотой 1Гц. Затем второй таймер/счетчик, тактируемый измеряемой частотой, будет отсчитывать количество циклов в этом односекундном интервале, в результате сообщая частоту в Гц.

Для первого прототипа я использовал таймер/счетчик TCB0 , тактируемый через входной вывод, с захватом, который активировался от RTC подачей сигнала 1Гц. Как и предполагалось, измерить я смог только половину тактовой частоты, или 10МГц, поэтому потребовался четырехкаскадный делитель для деления входной частоты 100Мгц на 16, чтобы вписать ее в подходящий диапазон. В качестве делителя я попробовал задействовать CCL. Кстати, о подобной его реализации у меня даже есть отдельная статья Frequency Divider Using CCL.

Использование таймера/счетчика TCD0

Об использовании TCD0 я задумался просто между делом. Это 12-битное устройство, но, в отличие от большинства своих аналогов, работает оно асинхронно, то есть независимо от тактов процессора.

В первую очередь TCD0 предназначен для генерации сигналов, например при управлении электродвигателем, и я даже не знаком со многими из его возможностей. Однако мне показалось, что с его помощью вполне можно реализовать захват значения счетчика, работающего под управлением часов реального времени.

Опытным путем я выяснил, что TCD0 можно тактировать на частоте более 100МГц, что позволило бы собрать очень простой частотомер с нужным мне диапазоном действия без делителя.

Использование системы событий

Я мог использовать RTC для генерации прерывания каждую секунду, а затем захватывать значение счетчика из TCD0 через программу обработки прерываний. Тем не менее последние процессоры AVR предоставляют систему событий (Event System), позволяющую реализовать это более эффективно.

Можно сгенерировать внутренний сигнал с RTC и с помощью него непосредственно активировать захват. Преимущество здесь в том, что вызов службы прерываний не требует лишней обработки, в результате чего ответ возвращается практически мгновенно.

Выбор микроконтроллера

Компания Microchip предлагает три новых серии микроконтроллеров AVR:

ATtiny 0-, 1- и 2-;
ATmega 0;
AVR DA- и DB-.

Первую версию схемы я протестировал с AVR128DA28, но для конечной все же выбрал ATtiny414, потому что он выполнен в более компактном корпусе, а дополнительные входы/выходы мне не требовались.

В итоге получилось так, что при использовании AVR128DA28 события работали, а после перехода на ATtiny414 перестали. Оказалось, что проблема в отличии терминологии для более ранних процессоров. Здесь я хочу поблагодарить пользователя AVR Freaks под ником kabasan за то, что помог разобраться. Если вы хотите побольше узнать о применении системы событий, то советую начать с серии AVR DA- или DB-, для которых используется более логичная терминология.

Примечание. Не стоит путать ATtiny 1 серии, ATtiny414, вышедшие в 2020, с более старыми ATtiny441, появившимися в 2014 в качестве расширенной версии еще более старого ATtiny44.

Измерение частоты кристалла

Я решил, что будет нелишним задействовать кварцевый резонатор, который позволит использовать частотомер для измерения частоты колебаний кристалла. В одном из вариантов схем подобного резонатора применяется небуферизованный КМОП-инвертор LVC1GU04 и ряд других компонентов 1 :

Здесь я задумался о возможности создания инвертора на базе ATtiny414 с применением системы событий таким образом:

Определить PA2 в качестве событийного выхода, EVOUT0 . Это был единственный вариант, так как другой выход, EVOUT1 , находится на том же выводе, что и TOSC2 , используемый кварцевым резонатором RTC.
Определить PA1 в качестве асинхронного генератора событий на канале 0. Подойдет любой вывод на PORTA .
Настроить PA1 на инвертирование входа.

На моем прототипе эта схема отлично работала без каких-либо дополнительных компонентов с диапазоном частоты кристаллов от 2 до 25МГц. Однако для того, чтобы заставить кварц резонировать, может потребоваться дополнительное место на макетной плате. Так что, если вы проектируете для этой схемы печатную плату, то советую оставить место под пассивные компоненты на случай, если они понадобятся.

Схема

Вот схема частотомера 100МГц, компоновка которой соответствует схеме макетной платы:

Схема частотомера 100МГц на базе ATtiny414

В качестве дисплея используется модуль OLED 128x32 I2C с драйвером SSD1306. Для прототипа я взял дисплей Adafruit 2 , хотя вполне подойдет и любой аналог с AliExpress 3 . Резистор 33кОм и конденсатор 0.1мкФ обеспечивают корректный сброс дисплея при первой подаче питания, хотя они могут и не понадобиться.

В качестве резонатора служит кристалл 32.768кГц с точностью 20ppm и емкостной нагрузкой 12.5пФ 4 . Для вычисления значений конденсатора я использовал формулу С = 2(СL – CS), где СL представляет емкостную нагрузку 12.5пФ, а CS паразитную емкость, которая на макетной плате достигает, вероятно, 5пФ, давая С = 15пФ. На печатной же плате ее значение, возможно, составит 2.5пФ.

В роли процессора выступил ATtiny414 в 14-контактном корпусе SOIC 5 , который я установил на коммутационную плату – подходящий вариант есть у Adafruit 6 . Проект можно также реализовать на базе ATtiny814 или ATtiny1614 с бОльшим объемом памяти, но не на ATtiny404, поскольку в нем нет поддержки внешнего кристалла RTC.

Использование частотомера

Измерение частоты

Для измерения частоты сигнала нужно подключить устройство между In и GND. При питании 3.3В частотомер работал в диапазоне до 105МГц, а при повышении напряжения до 5В верхний порог сместился к 110МГц.

Измерение частоты кристалла

Для измерения частоты колебаний кристалла подключаемся между выводами Xtal и In:

Измерение частоты колебаний кристалла 16МГц

Программная часть

Код для ATtiny414

При написании кода для ATtiny414 и его обвязки мне пригодилась документация AVR1000b: Getting Started with Writing C-Code for AVR MCUs. Кроме того, при выборе символов для конкретных настроек регистра, будет нелишним почитать iotn414.h , который находится у вас на ПК в megaTinyCore.

OLED дисплей

В интерфейсн дисплея я задействовал те же функции, что и во многих прежних проектах, например Tiny Function Generator, где использовался такой же OLED дисплей I2C. Текст отрисовывается при помощи набора символом размером 6х8 пикселей, но при удвоенном масштабе для получения символов 12х16 пикселей используется функция сглаживания, описанная мной в Smooth Big Text.

Обратите внимание, что на ATtiny414 в megaTinyCore размер буфера I2C с целью экономии ОЗУ составляет всего 16 байт, поэтому мне пришлось изменить функции ClearDisplay и PlotChar() на отправку данных меньшими порциями.

Функцию Plotlnt() я подкорректировал на отображение запятых между каждой тройкой цифр, чтобы облегчить их чтение.

Часы реального времени

Настраивать RTC на использование внешнего кристалла сложнее, чем может показаться, поскольку контроллер часов защищен от случайного вмешательства со стороны протокола изменения конфигурации (CCP). По этой причине перед каждым внесением корректировок необходимо это действие активировать. Хорошо, что в приложении есть примечание, объясняющее, как это делать, и код я писал на примере из этого примечания 7 .

Таймер/счетчик TCD0

TCD0 настроен вести отсчет от 0 до 0xFFF и захватывать значение счетчика в регистр CAPTUREB при получении события B . Он генерирует прерывания при событии захвата, а также при переполнении счетчика, и тактируется от внешнего сигнала, поступающего через вывод EXTCLK/PA3 :

Служба прерываний при переполнении инкрементирует счетчик MSByte для старшей части значения частоты:

Служба прерывания при захвате считывает регистр захвата и совмещает его значение с MSbyte , формируя значение Counter .

Она также зажигает светодиод, сигнализируя о выполнении захвата. Если вам это не нужно, можете светодиод исключить.

События

Для того, чтобы задействовать события, нужно настроить переполнение RTC на генерацию события в канале 1, а TCD0 на использование этого события для выполнения захвата:

Канал событий 0 служит для создания инвертора между PA1 и PA2 , который, как говорилось выше, будет выступать в качестве кварцевого резонатора.

Основной цикл

Основной цикл ожидает установки глобальной переменной Ready , что укажет на выполнение захвата. Затем он копирует значение Counter в temp . При этом прерывания отключены, чтобы исключить возможное изменение этого значения службой прерываний в процессе его отображения:

При отсутствии входного сигнала TCD0 не тактируется, и значение Counter не обновляется. Для проверки подобной ситуации присутствует односекундный таймаут, который сбрасывает Counter на ноль, если Ready не была установлена. Нулевое значение отображается функцией PlotInt() в виде трех прочерков.

Точность

Для проверки этого проекта мне нужно было найти способ генерировать точные сигналы с частотой до 100МГц, но такого генератора у меня нет. Точность моего предыдущего проекта, Programmable Signal Generator, составляет всего 1.1%, чего для данного случая будет явно недостаточно, к тому же его верхний предел всего 68МГц.

В связи с этим я купил коммутационную плату генератора тактовых импульсов Si5351A от Adafruit 8 , которую можно через I2C запрограммировать на генерацию сигналов от 8кГц до 160МГц (еще есть вариант аналогичной платы на Banggood 9 ). Управление ей я реализовал через прекрасную библиотеку Si5351 Джейсона Миллдрама 10 , работающую на Arduino Uno.

Точность частотомера в первую очередь зависит от точности кристалла, используемого для генерации дискретизированного сигнала 1Гц. Я использовал цилиндрический кристалл с заявленной точностью 20ppm. Звучит неплохо, пока не вычислишь, что при входном сигнале 100МГц это эквивалентно ±2000Гц. На практике же его точность в целом оказалась раз в 5-10 выше заявленной.

Компиляция

Для компиляции используйте megaTinyCore Спенса Конде c GitHub. В меню Board под вкладкой megaTinyCore выберите опцию ATtiny1614/1604/814/804/441/404/241/204 . Проверьте, чтобы следующие опции были установлены так (на остальные внимания не обращайте):

Затем с помощью программатора UPDI загрузите программу на ATtiny414. Теперь megaTinyCore поддерживает две возможности:

Создание программатора UPDI из Arduino Uno или другой платы на базе ATmega328P (инструкция на странице Make UPDI Programmer) и установку опции Programmer на jtag2updi .
Использование платы USB-Serial, такой как SparkFun FTDI Basic 11 , подключение TX к выводу UPDI через резистор 4.7кОм, подключение RX напрямую к выводу UPDI и установку опции Programmer на Serial port and 4.7k (pyupdi style) .

Если же возникнет такая ошибка:

Это значит, что вы не установили опцию millis()/micros() как TCA0 , о чем говорилось выше.

Вот вся программа для частотомера до 100МГц: 100MHz Frequency Meter Program.

Дополнительные возможности

Интерфейс

Эта схема подразумевает, что сигнал представляет собой меандр с амплитудой равной логическому уровню. В частотомере для рабочего применения лучше всего реализовать управление счетчиком через аналоговый интерфейс с защитой входа. Как вариант, можно взять модуль, основанный на высокоскоростном компараторе TLV3501.

Измерение периода

Используемая в этом частотомере техника подсчета импульсов наиболее точна на высоких частотах. Данный подход можно совместить с измерением интервалов для низких частот, о чем я писал в статье Frequency Probe.

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.

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.

Так как скорости передачи и приёма одинаковы, это позволяет получить независимость от заданной скорости ИК порта компьютера.

Прошить микроконтроллер AVR можно любой схемой программатора. Фьюзы для утилиты CodeVisionAVR при программировании необходимо выставить как на картинке внутри архива с прошивкой микроконтроллера, который вы можете скачать по зеленой ссылке выше.

Микропроцессор работает от внешнего резонатора с тактовой частотой 20 МГц. Точность измерения зависит от точности кварца. Минимальная длина полупериода должна быть выше, чем период кварцевого генератора. Следовательно, половина от тактовой частоты генератора будет около 10 МГц.

частотомер на микроконтроллере AVR Attiny2313

Катоды индикатора, подсоединены к порту B, а аноды к D. В связи с применением мультиплексного режима вывода информации и индикатора SuperBright, пропадает надобность в использование ключевых транзисторов для снятия нагрузки с портов.

Частота мультиплекса 156,25 Гц. Можно использовать индикатор CA56-12SRWA. Сопротивления R1…R8 ограничивают протекающий ток.

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.

Не редко в практике радиолюбителя возникает потребность в измерениях частоты. И как раз в журнале Радио за октябрь 2002г. А. Шарыпов предлагает очень интересную схему частотомера. Основное достоинство предлагаемого прибора, это простота и удобство управления. В приборе применён узел автоматического отключения, если прибор не используется более 3 минут, что существенно сказывается на его экономичности. Одно из достоинств этого прибора наличие русского языка, конечно если у вас имеется, соответствующий ЖКИ. Также автор предлагает английскую прошивку.

Основные технические характеристики частотомера следующие: диапазон измерения частоты — 0,1 Гц. .60 МГц (реально верхняя граница выше); порог чувствительности по входному напряжению — 0,08…0,15 В (амплитудное значение); минимальное надежно фиксируемое прибором значение частоты синусоидального сигнала — 2 Гц (амплитудой 0,15 В); максимальная амплитуда входного сигнала — 3 В. Питается прибор от батареи типа "Крона" (возможно использование внешнего источника напряжением 7… 16 В), потребляемый ток — 10…12 мА. Предусмотрено изменение времени измерения (0,1; 1 и 10 с), умножение показаний на 1000 (при применении внешнего делителя частоты), удержание показаний, запись одного значения частоты в энергонезависимую память и возможность последующего считывания.

Принципиальная схема частотомера.

От авторской схемы отличается только по организации питания МК и ЖКИ.

Сердцем прибора является микроконтроллер PIC16F84A который осуществляет счёт импульсов внешнего сигнала, обработку полученных значений и вывод на ЖКИ. Включается и выключается прибор кнопкой SB1, если при включении удержать эту кнопку, то на экране будет видна надпись что это ЧАСТОТОМЕР и версия прошивки.

Время измерения выбирается кнопкой SB2 (0,1, 1 или 10 сек) что отбражается на индикаторе. Цена младшего разряда — 10,1 или 0,1 Гц соответственно. При времени измерения 0,1; 1 и 10 с максимально на ЖКИ может отображаться семь, восемь или девять разрядов, т. е. максимальное отображаемое значение равно соответственно 99,999.99, 99,999.999 или 99,999.999.9 МГц.

Нажатием кнопки SB3 осуществляется умножение показаний на 1000, это делается для удобства считывания показаний, если используется делитель частоты.

Кнопка SB4 предназначена для записи последнего показания в память МК.
В нижней части ЖКИ выводятся подсказка о назначение кнопок. Если делать прибор в корпусе, то кнопки лучше расположить непосредственно под ЖКИ и не надо будет их подписывать.

В авторской версии схемы входной формирователь имеет низкое входное сопротивление, что является его небольшим недостатком.
Для повышения входного сопротивления частотомера, между входом частотомера и входом формирователя, необходимо включить некое буферное устройство с высоким входным и низким выходным сопротивлением. В прилагаемом архиве имеется такая схема. Но я делал прибор без буферного устройства.

Читайте также: