ТАХОМЕТР-ЧАСТОТОМЕР

Техническое решение относится к электронике и измерительной технике, а именно, к измерителям частот, и может быть использована в качестве тахометра или частотомера.
Известно устройство для контроля частоты (Патент РФ №2138829, МПК-6 G01R 23/10, H03D 13/00, опубл. 27.09.1999 г.), содержащее первый и второй триггеры, выходы которых являются первым и вторым выходами устройства и подключены к входам логического элемента 2И-НЕ, выход которого является третьим выходом устройства, третий триггер и два последовательно соединенных одновибратора, содержащих времязадающие RC-цепи, резисторы которых зашунтированы диодами, причем выходы одновибраторов подключены соответственно к D-входам первого и второго триггеров, отличающееся тем, что в него введены формирователь импульсов и счетчик, причем вход устройства через формирователь импульсов подключен к С-входу третьего триггера и счетному входу счетчика, выход которого соединен с D-входом третьего триггера, к выходу которого подключены С-входы первого и второго триггеров, вход предустановки счетчика и вход первого одновибратора, а в каждом одновибраторе применен триггер Шмитта с времязадающим резистором на входе и времязадающим конденсатором в цепи обратной связи.
Недостатком известного устройства является невысокая помехоустойчивость устройства к импульсным переходным процессам в измеряемых цепях, а также узкая функциональность.
Известно устройство для контроля частоты (Патент РФ №2007731, МПК-5 G01R 23/00, опубл. 15.02.1994 г.), содержащее первый триггер, прямой выход которого является первым выходом устройства, второй триггер, прямой выход которого является вторым выходом устройства, три элемента И-НЕ, причем входы третьего элемента И-НЕ соединены с прямыми выходами первого и второго триггеров, а выход является третьим выходом устройства, два одновибратора, отличающееся тем, что в него введен дополнительный D-триггер, D-вход которого соединен с шиной "Земля", С-вход - с С-входом первого одновибратора, инверсный вход которого соединен с входом устройства, а выход соединен с С-входами первого и второго триггеров и с S-входом дополнительного триггера, при этом одновибраторы выполнены на D-триггерах, прямой вход одного из них через интегрирующую цепь соединен со своим входом, причем резистор интегрирующей цепи шунтирован диодом, D-вход соединен с шиной "Земля", второй одновибратор, D-вход которого соединен с шиной "Земля", С-вход - с выходом первого одновибратора, третьим входом первого элемента И-НЕ и D-входом первого триггера, выход второго одновибратора соединен с D-входом второго триггера и вторым входом первого элемента И-НЕ, первый вход которого является входом устройства, а выход соединен с С-входом первого одновибратора.
Недостатком известного устройства является невысокая помехоустойчивость устройства к импульсным переходным процессам в измеряемых цепях, а также узкая функциональность.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату и выбранным в качестве прототипа является цифровой частотомер ((Авт.св. СССР №1302208, МПК-4 G01R 23/02, БИ №13, 1987 г.), содержащий формирователь интервала измерения, первый вход которого, являющийся входом устройства, соединен со счетным входом первого счетчика импульсов, второй вход подключен к генератору опорной частоты, а выход подключен к управляющему входу первого счетчика импульсов и входу первого формирователя импульсов, выход которого соединен с входом «Запись» регистра и входом второго формирователя импульсов, выход которого подключен к входу установки нуля первого счетчика импульсов, при этом введены второй счетчик импульсов и управляемый делитель частоты, входы которого соединены с выходами первого счетчика импульсов, управляющий вход подключен к генератору опорной частоты, а выход соединен со счетным входом второго счетчика импульсов, управляющий вход которого подключен к выходу формирователя интервала измерения, вход установки нуля соединен с выходом второго формирователя импульсов, а выходы подключены к входам регистра.
Недостатком прототипа является невысокая помехоустойчивость устройства к импульсным переходным процессам в измеряемых цепях, узкая функциональность.
Задачей настоящей полезной модели является разработка нового устройства для измерения частоты и числа оборотов с достижением технического результата - повышения помехоустойчивости устройства к импульсным переходным процессам в исследуемых цепях и расширение функциональности устройства.
Поставленная задача решается тем, что тахометр-частотомер, включающий источник питания, схему управления и индикации, причем схема управления содержит формирователи интервала измерения, счетчики импульсов, причем схемотехника стабилизированного источника питания (СИП) выполнена на базе ШИМ-контроллера - стабилизатора U3 и содержит блок вспомогательных элементов (БВЭ), схема управления выполнена на микропроцессоре U1 и содержит блок резисторов микропроцессора (БРМП), дополнительном сдвиговом регистре-дешифраторе U2 и восьми токоограничительных резисторах, входящих в блок резисторов регистра-дешифратора (БРРД), а схема индикации выполнена на базе LED-индикатора и двух блоках - блоке транзисторных ключей (БТК) и блоке ввода (БВ), при этом схемотехника сенсора выполнена на базе датчика Холла и блоке элементов датчика Холла (БЭДХ), при этом СИП соединен со всеми блоками по цепям питания, БЭДХ соединен с U1, который также соединен с U2, БТК и БВ, кроме того, U2 соединен с БРРД, а БТК соединен с LED-индикатором.
Устройство обеспечивает повышение помехоустойчивости к импульсным переходным процессам в исследуемых цепях и расширение функциональности.
Существенными признаками заявляемого технического решения, совпадающими с прототипом, являются следующие признаки:
- источник питания;
- схема управления и индикации;
- схема управления содержит формирователи интервала измерения, счетчики импульсов.
Отличительными от прототипа существенными признаками заявляемого технического решения являются следующие признаки:
- схемотехника стабилизированного источника питания (СИП) выполнена на базе ШИМ-контроллера - стабилизатора U3 и содержит блок вспомогательных элементов (БВЭ);
- схема управления выполнена на микропроцессоре U1 и содержит блок резисторов микропроцессора (БРМП);
- дополнительный сдвиговый регистр-дешифраторе U2 и восемь токоограничи-тельных резисторов, входящих в блок резисторов регистра-дешифратора (БРРД);
- схема индикации выполнена на базе LED-индикатора и двух блоках - блоке транзисторных ключей (БТК) и блоке ввода (БВ);
- схемотехника сенсора выполнена на базе датчика Холла и блоке элементов датчика Холла (БЭДХ);
- СИП соединен со всеми блоками по цепям питания, БЭДХ соединен с U1, который также соединен с U2, БТК и БВ, кроме того, U2 соединен с БРРД, а БТК соединен с LED-индикатором.
Частными отличительными от прототипа существенными признаками заявляемого технического решения являются следующие признаки:
- ШИМ-контроллер - стабилизатор выполнен на микросхеме МС34063;
- микропроцессор реализован на базе микроконтроллера PIC16F676;
- дополнительный сдвиговый регистр-дешифратор реализован на микросхеме 74HC595;
- схема индикации выполнена на базе LED-индикатора типа СА 7SEGLED;
- датчик Холла выполнен типа AH173;
- два предохранительных диода Шоттки (D2 и D3) выполнены типа SS12;
- БВЭ содержит два предохранительных диода Шоттки D2 и D3, три резистора R19-R21, входной конденсаторный фильтр на конденсаторе C1 и выходной L-C фильтр на двух конденсаторах С3, С4 и дросселе L1, а также конденсатор С2, при этом анод D2 соединен с плюсом источника питания через разъем J1, а катод D2 соединен с R19, С1 и входом 6 U3, второй вывод R19 соединен со входами 1, 7, 8 U3, второй вывод C1 соединен с минусом источника питания через разъем J1, с R20, с первыми выводами С2-С4, D3 и с выходом 4 U3, кроме того, первый вывод R21 соединен со вторым выводом R20 и входом 5 U3, а второй вывод R21 соединен с выходом «плюс» СИП, со вторым выводом С3 и первым выводом L1, при этом второй вывод L1 соединен со вторым выводом диода D3 и выходом 2 U3, а второй вывод С2 соединен с выводом 2 U3;
- БРМП содержит резисторы R5-R10, при этом резистор R5 включен между выводом 3 разъема J1 и точкой соединения первых выводов R6 и R7, второй вывод R6 соединен с выводом 12 U1, а второй вывод R7 соединен с выводом 11 U1, причем R8 включен между выводом 6 U1 и выводом 11 U2, a R9 включен между выводом 5 U1 и выводом 14 U2, кроме того, R10 включен между выводом 13 U1 и соединенными вместе выводами 12 и 13 U2;
- БРРД содержит резисторы R11-R18, при этом резистор R11 включен между выводом 15 U2 и входом 7 LED-индикатора, резистор R12 включен между выводом 1 U2 и входом 10 LED-индикатора, резистор R13 включен между выводом 2 U2 и входом 11 LED-индикатора, резистор R14 включен между выводом 3 U2 и входом 1 LED-индикатора, резистор R15 включен между выводом 4 U2 и входом 2 LED-индикатора, резистор R16 включен между выводом 5 U2 и входом 3LED-индикатора, резистор R17 включен между выводом 6 U2 и входом 4 LED-индикатора, а резистор R18 включен между выводом 7 U2 и входом 5 LED-индикатора;
- БТК содержит четыре транзистора Q1-Q4 и четыре резистора R1-R4, при этом эмиттеры Q1-Q4 соединены между собой и с «плюсом» СИП, причем резистор R1 включен между базой Q1 и выводом 10 U1, резистор R2 включен между базой Q2 и выводом 9 U1, резистор R3 включен между базой Q3 и выводом 8 U1, а резистор R4 включен между базой Q4 и выводом 7 U1, кроме того, коллектор Q1 соединен с выводом 12 LED-индикатора, коллектор Q2 соединен с выводом 9 LED-индикатора, коллектор Q3 соединен с выводом 8 LED-индикатора, а коллектор Q4 соединен с выводом 6 LED-индикатора;
- БВ содержит четыре резистора R23-R26, конденсатор С5 и две кнопки B1 и В2, при этом R23 включен между выводом 6 LED-индикатора и кнопкой B1, a R26 включен между выводом 8 LED-индикатора и кнопкой В2, вторые выводы кнопок B1 и В2 соединены между собой и с первыми выводами R24, R25 и С5, причем вторые выводы R24 и С5 соединены между собой и выводом «минус» СИП;
- БЭДХ содержит разъем J2, токоограничительный резистор R22 и защитный диод-стабилитрон D1, при этом R22 включен между выводом 1 J2 и «плюсом» СИП, a D1 подключен катодом к выводу 3 J2, а анодом к выводу 2 J2 и «минусу» СИП.
Между существенными отличительными признаками заявляемого технического решения и достигаемым с их помощью техническим результатом - повышением помехоустойчивости устройства к импульсным переходным процессам в исследуемых цепях - существует следующая причинно-следственная связь.
Действительно, выполнение источника питания на базе ШИМ-контроллера - стабилизатора, на двух предохранительных диодах Шоттки, трех резисторах, а также наличие входного конденсаторного фильтра и выходного L-C фильтра на двух конденсаторах и дросселе, позволяет отстроиться от высокочастотных импульсных помех, возникающих в измеряемых цепях при импульсных переходных процессах, особенно на высших гармониках, кроме того, схемотехническое построение данного устройства также исключает возможность ложных срабатываний при счете, записи и индикации частотной характеристики в исследуемых цепях, подверженных влиянию импульсных переходных процессов.
При этом заявляемое устройство позволяет легко перепрограммировать его на заданный режим работы (измерение частоты вращения или частоты переменного тока), а также задать необходимый диапазон измерений, что, несомненно, повышает его функциональность.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, который включает поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, с выявлением источников, содержащих информацию об аналогах заявляемого технического решения, позволяет установить, что заявителем не выявлены аналоги, которые характеризуются всей совокупностью признаков, идентичной всем существенным признакам заявляемого устройства, указанных в формуле полезной модели.
Потому можно утверждать, что полезная модель соответствует условию патентоспособности по критерию «новизна».
Кроме того, полезная модель промышленно применима, потому что заявляемое техническое решение позволяет использовать его при разработке и изготовлении измерителей частотных электрических и механических характеристик.
Возможность осуществление заявляемой полезной модели подтверждается нижеприведенным описанием ее практической реализации и иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 показана принципиальная электрическая схема устройства; на фиг. 2-3 показаны сигналы в контрольных точках схемы (на фиг. 3 в масштабе, см. шкалу времени); на фиг. 4 показана печатная плата устройства; на фиг. 5 показана печатная плата источника питания; на фиг. 6 показан пример внутренней структуры одного из выводов МК; на фиг. 7 показана внутренняя структура используемого МК фирмы MicrochipPIC16F 630/676; на фиг. 8 приведен НЕХфайл готовой прошивки МК.
Устройство содержит источник питания, схему управления и индикации, причем схема управления содержит формирователи интервала измерения, счетчики импульсов, схемотехника стабилизированного источника питания (СИП) выполнена на базе ШИМ-контроллера - стабилизатора U3 и содержит блок вспомогательных элементов (БВЭ), схема управления выполнена на микропроцессоре U1 и содержит блок резисторов микропроцессора (БРМП), дополнительном сдвиговом регистре-дешифраторе U2 и восьми токоограни-чительных резисторах, входящих в блок резисторов регистра-дешифратора (БРРД), а схема индикации выполнена на базе LED-индикатора и двух блоках - блоке транзисторных ключей (БТК) и блоке ввода (БВ), при этом схемотехника сенсора выполнена на базе датчика Холла и блоке элементов датчика Холла (БЭДХ), при этом СИП соединен со всеми блоками по цепям питания, БЭДХ соединен с U1, который также соединен с U2, БТК и БВ, кроме того, U2 соединен с БРРД, а БТК соединен с LED-индикатором, кроме того, ШИМ-контрол-лер - стабилизатор U3 выполнен на микросхеме МС34063, микропроцессор U1 реализован на базе микроконтроллера PIC16F676, дополнительный сдвиговый регистр-дешифратор U2 реализован на микросхеме 74НС595, схема индикации выполнена на базе LED-индикатора типа СА 7SEGLED, датчик Холла выполнен типа АН173, два предохранительных диода Шоттки (D2 и D3) выполнены типа SS12, при этом БВЭ содержит два предохранительных диода Шоттки D2 и D3, три резистора R19-R21, входной конденсаторный фильтр на конденсаторе C1 и выходной L-C фильтр на двух конденсаторах С3, С4 и дросселе L1, а также конденсатор С2, при этом анод D2 соединен с плюсом источника питания через разъем J1, а катод D2 соединен с R19, С1 и входом 6 U3, второй вывод R19 соединен со входами 1,7,8 U3, второй вывод C1 соединен с минусом источника питания через разъем J1, с R20, с первыми выводами С2-С4, D3 и с выходом 4 U3, кроме того, первый вывод R21 соединен со вторым выводом R20 и входом 5 U3, а второй вывод R21 соединен с выходом «плюс» СИП, со вторым выводом С3 и первым выводом L1, при этом второй вывод L1 соединен со вторым выводом диода D3 и выходом 2 U3, а второй вывод С2 соединен с выводом 2 U3, причем БРМП содержит резисторы R5-R10, при этом резистор R5 включен между выводом 3 разъема J1 и точкой соединения первых выводов R6 и R7, второй вывод R6 соединен с выводом 12 U1, а второй вывод R7 соединен с выводом 11 U1, причем R8 включен между выводом 6 U1 и выводом 11 U2, a R9 включен между выводом 5 U1 и выводом 14 U2, кроме того, R10 включен между выводом 13 U1 и соединенными вместе выводами 12 и 13 U2, кроме того, БРРД содержит резисторы R11-R18, при этом резистор R11 включен между выводом 15 U2 и входом 7 LED-индикатора, резистор R12 включен между выводом 1U2 и входом 10 LED-индикатора, резистор R13 включен между выводом 2 U2 и входом 11 LED-индикатора, резистор R14 включен между выводом 3 U2 и входом 1 LED-индикатора, резистор R15 включен между выводом 4 U2 и входом 2 LED-индикатора, резистор R16 включен между выводом 5 U2 и входом 3 LED-индикатора, резистор R17 включен между выводом 6 U2 и входом 4 LED-индикатора, а резистор R18 включен между выводом 7 U2 и входом 5 LED-индикатора, при этом БТК содержит четыре транзистора Q1-Q4 и четыре резистора R1-R4, при этом эмиттеры Q1-Q4 соединены между собой и с «плюсом» СИП, причем резистор R1 включен между базой Q1 и выводом 10 U1, резистор R2 включен между базой Q2 и выводом 9 U1, резистор R3 включен между базой Q3 и выводом 8 U1, а резистор R4 включен между базой Q4 и выводом 7 U1, кроме того, коллектор Q1 соединен с выводом 12 LED-индикатора, коллектор Q2 соединен с выводом 9 LED-индикатора, коллектор Q3 соединен с выводом 8 LED-индикатора, а коллектор Q4 соединен с выводом 6 LED-индикатора, причем БВ содержит четыре резистора R23-R26, конденсатор С5 и две кнопки В1 и В2, при этом R23 включен между выводом 6 LED-индикатора и кнопкой B1, a R26 включен между выводом 8 LED-индикатора и кнопкой В2, вторые выводы кнопок В1 и В2 соединены между собой и с первыми выводами R24, R25 и С5, причем вторые выводы R24 и С5 соединены между собой и выводом «минус» СИП, а БЭДХ содержит разъем J2, токоограничительный резистор R22 и защитный диод-стабилитрон D1, при этом R22 включен между выводом 1 J2 и «плюсом» СИП, a D1 подключен катодом к выводу 3 J2, а анодом к выводу 2 J2 и «минусу» СИП.
Схемотехника стабилизированного источника питания (СИП) выполнена на базе ШИМ-контроллера - стабилизатора U3 и содержит блок вспомогательных элементов (БВЭ), схема управления выполнена на микропроцессоре U1 и содержит блок резисторов микропроцессора (БРМП), дополнительном сдвиговом регистре-дешифраторе U2 и восьми токоограничительных резисторах, входящих в блок резисторов регистра-дешифратора (БРРД), а схема индикации выполнена на базе LED-индикатора и двух блоках - блоке транзисторных ключей (БТК) и блоке ввода (БВ), при этом схемотехника сенсора выполнена на базе датчика Холла и блоке элементов датчика Холла (БЭДХ), при этом СИП соединен со всеми блоками по цепям питания, БЭДХ соединен с U1, который также соединен с U2, БТК и БВ, кроме того, U2 соединен с БРРД, а БТК соединен с LED-индикатором.
ШИМ-контроллер - стабилизатор U3 выполнен на микросхеме МС34063.
Микропроцессор U1 реализован на базе микроконтроллера PIC16F676.
Дополнительный сдвиговый регистр-дешифратор U2 реализован на микросхеме 74НС595.
Схема индикации выполнена на базе LED-индикатора типа СА 7SEGLED.
Датчик Холла выполнен типа АН173.
Предохранительных диода Шоттки (D2 и D3) выполнены типа SS12.
БВЭ содержит два предохранительных диода Шоттки D2 и D3, три резистора R19-R21, входной конденсаторный фильтр на конденсаторе С1 и выходной L-C фильтр на двух конденсаторах С3, С4 и дросселе L1, а также конденсатор С2, при этом анод D2 соединен с плюсом источника питания через разъем J1, а катод D2 соединен с R19, С1 и входом 6 U3, второй вывод R19 соединен со входами 1, 7, 8 U3, второй вывод С1 соединен с минусом источника питания через разъем J1, с R20, с первыми выводами С2-С4, D3 и с выходом 4 U3, кроме того, первый вывод R21 соединен со вторым выводом R20 и входом 5 U3, а второй вывод R21 соединен с выходом «плюс» СИП, со вторым выводом С3 и первым выводом L1, при этом второй вывод L1 соединен со вторым выводом диода D3 и выходом 2 U3, а второй вывод С2 соединен с выводом 2 U3.
БРМП содержит резисторы R5-R10, при этом резистор R5 включен между выводом 3 разъема J1 и точкой соединения первых выводов R6 и R7, второй вывод R6 соединен с выводом 12 U1, а второй вывод R7 соединен с выводом 11 U1, причем R8 включен между выводом 6 U1 и выводом 11 U2, a R9 включен между выводом 5 U1 и выводом 14 U2, кроме того, R10 включен между выводом 13 U1 и соединенными вместе выводами 12 и 13 U2.
БРРД содержит резисторы R1 1-R18, при этом резистор R11 включен между выводом 15 U2 и входом 7 LED-индикатора, резистор R12 включен между выводом 1U2 и входом 10 LED-индикатора, резистор R13 включен между выводом 2 U2 и входом 11 LED-индикатора, резистор R14 включен между выводом 3 U2 и входом 1 LED-индикатора, резистор R15 включен между выводом 4 U2 и входом 2 LED-индикатора, резистор R16 включен между выводом 5 U2 и входом 3LED-индикатора, резистор R17 включен между выводом 6 U2 и входом 4 LED-индикатора, а резистор R18 включен между выводом 7 U2 и входом 5 LED-индикатора.
БТК содержит четыре транзистора Q1-Q4 и четыре резистора R1-R4, при этом эмиттеры Q1-Q4 соединены между собой и с «плюсом» СИП, причем резистор R1 включен между базой Q1 и выводом 10 U1, резистор R2 включен между базой Q2 и выводом 9 U1, резистор R3 включен между базой Q3 и выводом 8 U1, а резистор R4 включен между базой Q4 и выводом 7 U1, кроме того, коллектор Q1 соединен с выводом 12 LED-индикатора, коллектор Q2 соединен с выводом 9 LED-индикатора, коллектор Q3 соединен с выводом 8 LED-индикатора, а коллектор Q4 соединен с выводом 6 LED-индикатора.
БВ содержит четыре резистора R23-R26, конденсатор С5 и две кнопки В1 и В2, при этом R23 включен между выводом 6 LED-индикатора и кнопкой В1, a R26 включен между выводом 8 LED-индикатора и кнопкой В2, вторые выводы кнопок В1 и В2 соединены между собой и с первыми выводами R24, R25 и С5, причем вторые выводы R24 и С5 соединены между собой и выводом «минус» СИП.
БЭДХ содержит разъем J2, токоограничительный резистор R22 и защитный диод-стабилитрон D1, при этом R22 включен между выводом 1 J2 и «плюсом» СИП, a D1 подключен катодом к выводу 3 J2, а анодом к выводу 2 J2 и «минусу» СИП.
Источник питания выполнен на базе ШИМ-контроллера - стабилизатора U3 и выполнен на микросхеме МС34063, кроме того, он содержит два предохранительных диода Шоттки (D2 и D3 типа SS12), три резистора R19-R21, входной конденсаторный фильтр на конденсаторе С1 и выходной L-C фильтр на двух конденсаторах С2 и С3 и дросселе L1.
Схема управления выполнена на микропроцессоре U1 на базе микроконтроллера PIC16F676, дополнительном сдвиговом регистре-дешифраторе U2 на микросхеме 74НС595 и двенадцати токоограничительных резисторах - R8-R18 и R25.
Схема индикации выполнена на базе LED-индикатора типа СА 7SEGLED, четырех транзисторах Q1-Q4, семи резисторах R1- R4, R23- R24 и R26, конденсаторе С5 и двух кнопках В1 и В2.
Сенсор выполнен на базе датчика Холла типа АН173, четырех токоограничительных резисторах R5-R7, R22 и защитном диоде D1.
Питается заявляемое устройство от источника постоянного тока, напряжением 6-18 В. В схеме использован ШИМ-контроллер МС34063 (на схеме U3), преобразующий входное напряжения 6-18 В в стабильные 5 В для питания всех узлов устройства.
Нормальное (для обеспечения высокого КПД преобразования) напряжение питания должно быть в пределах 12 В. Диод Шоттки D2 обеспечивает защиту устройства от переполюсовки питания, напряжение падения на таких диодах достаточно низкое (не более 0,2-0,4 вольта). С1 - конденсатор фильтрации входного питания.
R19 - токоограничивающий резистор, значение падения напряжения на котором поступает на вход 7 микросхемы U3, который используется для ограничения тока и защиты от КЗ в выходных цепях.
R20 и R21 - опорный делитель напряжения для установки и стабилизации выходного напряжения на уровне 5 В.
С2 - частотозадающий конденсатор, для задания частоты преобразования U3.
Связка индуктивности L1 и диода Шоттки D3 - служит для накопления и «прокачки» энергии во время переключения ключевого транзистора встроенного в U3 (принцип работы step-down конвертера).
Конденсаторы С3 и С4 служат для сглаживания импульсов и фильтрации помех переходных процессов преобразователя.
ШИМ-контроллер обеспечивает компактность, надежность, стабильность питания и высокий КПД преобразования по сравнению с линейными стабилизаторами, что очень важно при питании от аккумуляторного источника питания (экономия заряда).
Основным управляющим элементом частотомера является микроконтроллер U1 (далее по тексту - МК) PIC16F676. МК осуществляет прием и обработку импульсов от внешнего источника сигнала, поступающего на вход прибора от датчика Холла (подключаемый к J2), обработку полученных значений и вывод результатов измерения на индикатор LED.
Для измерения частоты вращения используется выносной датчик Холла (типа АН173), подключаемый к данному устройству.
Имеются две (или одна, зависит от программной модификации) кнопки В1 и В2 для выбора режимов работы устройства и начала (остановки) счета.
Измерения можно проводить двумя способами:
- ведется подсчет импульсов в течение 1 минуты;
- измерение в режиме реального времени (каждую секунду).
Частота (в герцах) отображается на семисегментном светодиодном индикаторе LED на четыре знакоместа.
Микроконтроллер PIC16F676 имеет в своем составе восьмиразрядный модуль таймера (TMR0), который может использоваться с восьмиразрядным предделителем, выполненным на дополнительном сдвиговом регистре-дешифраторе U2 на микросхеме 74НС595. Последний функционирует асинхронно, поэтому таймер способен считать частоту сигналов значительно выше частоты генератора микроконтроллера, которая в данном случае равна 4 МГц.
Минимальное время высокого и низкого уровней входного сигнала - 10 нс, что позволяет модулю TMR0 функционировать от внешнего сигнала частотой до 50 МГц (а практически и выше).
Предделитель, выполненный на дополнительном сдвиговом регистре-дешифраторе U2 на микросхеме 74НС595, задействован для повышения точности измерений. Так как его предельный коэффициент деления равен 256, максимальная разрешающая способность счетчика составляет 16 двоичных разрядов. Однако содержимое предделителя на дополнительном сдвиговом регистре-дешифраторе U2 на микросхеме 74НС595 невозможно считать программно, подобно регистру.
На примере описываемого частотомера показан метод, позволяющий "извлекать" восьмиразрядное значение предделителя на микросхеме 74НС595. Это обеспечивает разрешающую способность измерения 16 разрядов: восемь старших разрядов считываются из TMR0, а восемь младших - из предделителя на микросхеме 74НС595.
Измеряемый сигнал через резистор R5, R7 поступает на вывод RA2 U1, являющийся входом внешнего сигнала (Т0СК1) таймера TMR0. Этот вывод соединен с RA1, переключением которого осуществляется управление режимом счета. Перед измерением производится сброс TMR0 (при этом сбрасывается и предделитель на микросхеме 74НС595).
Для измерения частоты вывод RA1 конфигурируется как вход на точные интервалы времени, что позволяет внешнему сигналу поступать на вход таймера. Отсчет длительности интервалов осуществляется программой и выполняется как точная временная задержка. По истечении ее вывод RA1 конфигурируется как выход, TMR0 прекращает работу, поскольку на RA2 устанавливается низкий уровень за счет RA1, и внешний сигнал перестает поступать на его вход.
Затем считывается накопленное 16-разрядное значение числа периодов входного сигнала: в старшие восемь разрядов записывается содержимое TMR0, а в младшие - предделителя на микросхеме 74НС595.
Для получения значения предделителя на микросхеме 74НС595 выполняется дополнительная подпрограмма (с этой целью на выводе RA2 командами переключается выходной уровень, т.е. программно формируется последовательность коротких импульсов). Каждый импульс инкрементирует предделитель на микросхеме 74НС595 на микросхеме 74НС595 и счетчик импульсов N, после чего проверяется содержимое TMR0, чтобы определить, увеличилось ли оно. Если оно возросло на 1, восьмиразрядное значение предделителя на микросхеме 74НС595 определяется по содержимому счетчика импульсов N как 256 - N.
Далее 16-разрядное двоичное значение частоты преобразуется в четырехразрядное десятичное, которое округляется, а затем формируется формат для вывода на индикатор в динамическом режиме.
Сканирование индикаторов происходит с частотой примерно 60 Гц. Нагрузочная способность микроконтроллера U1 не позволила подключить аноды индикатора LED непосредственно к его выводам, поэтому были использованы транзисторные ключи Q1-Q4, для повышения тока через группы светодиодов индикатора LED.
Для экономии выводов МК U1 (их мало для подключения всех сегментов), был использован дополнительный сдвиговый регистр U2 (в роли дешифратора с защелкой) типа 74НС595, на выводы которого подключены через резисторы R11-R18 в параллель восемь линий сегментов индикаторов LED (катоды).
Используется динамическая индикация с частотой обновления графической информации в 60 Гц, что вполне достаточно для нормального восприятия человеческим зрением.
Данные на микросхему U2 передаются пачками в последовательном формате, одновременно синхронизируется защелкивание регистров и открытие ключей анодов для корректной динамической индикации символов.
Так как управляющего тока порта МК недостаточно для запитывания восьми сегментов одного знакоместа индикатора, то использованы транзисторные ключи Q1-Q4, для увеличения общего анодного тока.
Измерение частоты. Сначала формируется интервал времени (программная задержка) длительностью 1 с, что достаточно для низких частот, преобразуется, и результат выводится на индикаторы. После этого цикл повторяется. Если выбран режим измерения в 1 минуту, то каждую секунду результаты измерений суммируются и одновременно, в течение минуты, выводятся на индикатор.
На фиг. 2-3 показаны сигналы в контрольных точках схемы (на фиг. 3 в масштабе, см. шкалу времени).
На фиг. 3 видны пачки импульсов, которых не видно на фиг. 2.
Программное обеспечение МК разработано в программной среде MPLABXIDE.
Компилятор машинного кода (файла прошивки) ХС8 С CompilerPro.
Полная разработка устройства, включая схему, печатную плату, а также симуляция и дебаг кода и схемы проводился в профессиональном программном комплексе Proteus.
Устройство обеспечивает повышения помехоустойчивости к импульсным переходным процессам в исследуемых цепях и расширение функциональности устройства.