Разработка измерителя частот для сетей переменного тока

Содержание 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение 

     В современном обществе по мере познания им природы все более возрастает роль измерений. Соответственно непрерывно увеличивается объем измерительной информации – информации о значениях измеряемых физических величин, повышаются требования к качеству и способам ее обработки и использования.

     Наибольшее  распространение в современной  науке и технике получают цифровые измерительные приборы и преобразователи, используемые для измерений, дистанционной передачи измерительной информации, в качестве промежуточных преобразователей для ввода информации в цифровые вычислительные машины и др.

     Основные  требования, предъявляемые к средствам  измерений - это высокая точность; быстродействие; возможность автоматизации процесса измерений; представление результатов измерений в форме, удобной для обработки, в том числе с помощью ЭВМ; малые габариты и вес; высокая надежность.

     Разрешить проблему сочетания точности и быстродействия позволили цифровые приборы. Цифровыми измерительными приборами называются приборы, осуществляющие автоматически в процессе измерения операции квантования измеряемой величины, ее цифровое кодирование и представление результатов измерения в цифровой форме непосредственно в виде числа или кода.

     Отсутствие  подвижных частей в приборах позволило  резко увеличить их надежность и  долговечность. Представление измерительной  информации в цифровой форме дает возможность обработки ее в ЭВМ. Сравнительно легко осуществляется автоматизация процесса измерений.

     Несмотря  на схемные и конструктивные особенности, принцип построения цифровых приборов одинаков (рис.1).

 

      Рис.1: «Обобщенная структурная схема  цифрового прибора»

       

     Измеряемая  величина поступает на входное устройство прибора ВУ, где происходит масштабное преобразование. С входного устройства сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь АЦП, где аналоговый сигнал преобразуется в соответствующий код, который отображается в виде числового значения на цифровом отсчётном устройстве ЦОУ. Для получения всех управляющих сигналов в цифровом приборе предусмотрено устройство управления (УУ) (на рис. 1 не показано).

     Входное устройство цифрового прибора устроено аналогично электронному прибору, а в некоторых конструкциях на его входе используется фильтр для исключения помех.

     В зависимости от принципа аналого-цифрового  преобразования (АЦП) цифровые измерительные  приборы разделяют на устройства прямого преобразования и компенсационные (с уравновешивающим преобразованием).

     Современный инженер, работающий в любой отрасли  промышленности, должен уметь выбрать  и назначить соответствующие  устройства измерений для управления технологическим процессом, контроля качества продукции, должен знать об основных метрологических характеристиках средств измерения. 
 
 
 
 
 
 
 

1. Обзор аналогичных устройств

 

   Количество  аналогов частотомера в мире не поддаётся  исчислению. В целом все частотомеры работают по одному принципу: подсчет количества импульсов за фиксированный интервал времени. И в разных схемах этот принцип реализуется по разному. Отсюда и идёт такое разнообразие конструкций. Новое направление в развитии измерительной техники даёт использование микроконтроллеров (например схема № 2). Хотя их использование повышает цену прибора, но пользовательская выгода также возрастает не в меньшее количество раз. Ведь предел измерения можно повысить до 1,2 ГГц, а используя универсальность микроконтроллеров и немалое количество денег функции частотомера ограничиваются только фантазией и знаниями разработчика. В данной работе будут рассматриваться те схемы, которые в наибольшей степени охватывают современные тенденции развития частотомеров.

Анализ аналогов и прототипа         Таблица 1.1.

 

Ниже приводятся схемы приведенных выше аналогов. 
 
 

 

Схема 1 – простой аналоговый частотомер, собранный на одновибраторе К155АГ1

Схема 2 – малоэргономичный комбинированный частотомер,     позволяющий измерять ещё и индуктивность различных катушек, резонансную частоту контуров, емкость конденсаторов.

 

Схема 3 – частотомер с использованием микроконтроллера К1816ВЕ31 
 

   Электрическая принципиальная схема разрабатываемого частотомера представлена в Приложении 1.

Разрабатываемый частотомер включает в себя:

• входной каскад, предназначенный для усиления входного сигнала.
• задающий кварцевый генератор для получения фиксированных и стабильных интервалов времени.
• микроконтроллер, обеспечивающий измерения частоты входного сигнала и вывод информации на индикатор.
• ЖКИ с контроллером для отображения значений частоты сигнала.
• блок питания.

 

    Для питания использованных микросхем требуется напряжение 5 вольт, которое получаем путем стабилизации напряжения 9 вольт от портативной батареи “Крона”.

    Из  всего вышесказанного следует, что  большинство схем объединено общими недостатками: все они стационарные приборы, имеют сравнительно большие габариты и потребляют значительный ток от источника питания, что вынуждает питать их от сети переменного тока и не допускает  использования автономного батарейного питания. Разрабатываемая схема цифрового частотомера лишена указанных недостатков и позволяет создать недорогой многофункциональный малогабаритный прибор. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Обоснование выбранного варианта технического решения

 

   При выборе схемы частотомера главной  задачей было создание максимально  простого и дешевого прибора, который отвечал бы параметрам, поставленных техническим заданием. В связи с этим разрабатываемый прибор не содержит дополнительных элементов и не является многофункциональным.

   Основным  элементом частотомера является микроконтроллер PIC16F628A. Выбор был остановлен на этом контроллере так, как он явлется достаточно простым в программировании и архитектуре, имеется в наличии практически во всех радиомагазинах и достаточно дешев (цена порядка 3$ в рознице). PIC16FXX - это 8-pазpядные микpоконтpоллеpы с RISC аpхитектуpой, пpоизводимые фиpмой Microchip Technology. Это семейство микpоконтpоллеpов отличается низкой ценой, низким энеpгопотpеблением и высокой скоpостью. Микpоконтpоллеpы имеют встроенное ЭППЗУ пpогpаммы, ОЗУ данных и выпускаются в 18 и 28 выводных корпусах. 
PIC OTP - это однокpатно пpогpаммиpуемые пользователем контpоллеpы, пpедназначенные для полностью оттестированных и законченных изделий, в котоpых не будет пpоиходить дальнейших изменений кода. Эти контpоллеpы выпускаются в дешевых пластиковых коpпусах с пpедваpительно заданным типом внешнего генеpатоpа - кварцевым или RC.

   Для изделий, пpогpамма которых может меняться, либо содержит какие-либо пеpеменные части, таблицы, паpаметpы калибpовки, ключи и т.д., выпускается электpически стиpаемый и пеpепpогpаммиpуемый контpоллеp PIC16F84.

      Микpоконтpоллеpы  семейства PIC имеют очень эффективную  систему команд, состоящую всего  из 35 инстpукций. Все инстpукции выполняются  за один цикл, за исключением условных пеpеходов и команд, изменяющих пpогpаммный счетчик, котоpые выполняются за 2 цикла. Один цикл выполнения инстpукции состоит из 4 пеpиодов тактовой частоты. Таким обpазом, пpи частоте 4 МГц, вpемя выполнения инстpукции составляет 1 мксек. Каждая инстpукция состоит из 14 бит, делящихся на код опеpации и опеpанд (возможна манипуляция с pегистpами, ячейками памяти и непосpедственными данными). Высокая скорость выполнения команд в PIC достигается за счет использования двухшинной Гаpваpдской аpхитектуpы вместо тpадиционной одношинной Фон-Hеймановской. Гаpваpдская аpхитектуpа основывается на набоpе pегистpов с pазделенными шинами и адpесным пpостpанством для команд и для данных. Hабоp pегистpов означает, что все пpогpаммные объекты, такие как поpты ввода/вывода, ячейки памяти и таймеp, пpедставляют собой физически pеализоваенные аппаpатные pегистpы. Память данных (ОЗУ) для PIC16CXX имеет pазpядность 8 бит, память пpогpамм (ППЗУ) имеет pазpядность 14 бит для PIC16FXX. Использование Гаpваpдской аpхитектуpы позволяет достичь высокой скоpости выполнения битовых, байтовых и pегистpовых опеpаций. Кpоме того, Гаpвадская аpхитектуpа допускает конвейеpное выполнение инстpукций, когда одновpеменно выполняется текущая инстpукция и считывается следующая. В тpадиционной же Фон-Hеймановской аpхитектуpе команды и данные пеpедаются чеpез одну pазделяемую или мультиплексиpуемую шину, тем самым огpаничивая возможности конвейеpизации.  
         Гаpваpдская аpхитектуpа и большая pазpядность команды позволяют сделать код для PIC значительно более компактным, чем для дpугих микpоконтpоллеpов и существенно повысить скоpость выполнения пpогpамм. 
 
 
 
 
 

3. Разработка  принципиальной схемы устройства

 

 

  Схема 4 – разрабатываемый частотомер  
 

     Главной частью прибора является микроконтроллер, без которого крайне сложно осуществить вычисления, диктуемые алгоритмом вычисления, и управление блоками прибора, а также режимами его работы.

     Правильным  выбором микроконтроллера во многом определяется функциональные возможности  устройства, его цена, удобство и стоимость настройки и программирования.