Medidor de frecuencia hasta 150 MHz con PIC

 

 Características del frecuencímetro Rango de frecuencia: 1Hz - 150MHz

Este medidor de frecuencia simple y conveniente puede medir frecuencias FM y es autoalimentado. La mayoría de dispositivos similares tienen pantallas LCD con un controlador incorporado, lo que aumenta el consumo total de corriente del dispositivo. Además, muchos medidores de frecuencia de alta frecuencia utilizan microcircuitos con un alto consumo de corriente. Este dispositivo está construido sobre microcircuitos modernos y económicos, lo que le permite funcionar con una batería AA.

Características del frecuencímetro:

Rango de frecuencia: 1Hz - 150MHz

Rango de amplitud de la señal de entrada: 250 mV - 5 V
Resolución: hasta 5 caracteres
Precisión: 4 dígitos
Tiempo de medición: 0,1 s o 1 s; selección automática
Operación completamente automática

Funciona con una batería AA; consumo de corriente < 15mA

 

Precisión de la medición

El frecuencímetro utiliza un cristal de cuarzo con una frecuencia f0=100KHz y una tolerancia Δf/f0 = ±30ppm. Esto significa que la frecuencia real está en el rango de 100 KHz·(1 ± 3·10-5). Es decir, la desviación máxima de 100 KHz es de 3 Hz. ¿Cómo afecta esto a la precisión de la medición?

El frecuencímetro cuenta el número de períodos que han transcurrido durante un intervalo de 0,1 segundos. Por tanto, la precisión está determinada por la precisión de la medición de este intervalo. En este frecuencímetro, este intervalo se establece como el ciclo de trabajo del módulo controlador PWM. La fórmula para el ciclo de trabajo es: (CCPR1L:CCP1CON<5:4>)·Tosc·(valor de preescala TMR2) = 625·Tosc·16, dondeTosc = 1/f0 = 10-5 seg. Reduciendo la precisión del cuarzo, obtenemos la dispersión: 104·10-5(1± 3·10-5)= 0,1± 3·10-6seg. En otras palabras, la precisión de los intervalos de tiempo depende de la precisión del resonador de cuarzo.

Tomemos un caso extremo: el intervalo de tiempo es 0,1+3·10-6 seg. Sea la frecuencia de entrada N hercios (= ciclos por segundo). Entonces el valor medido será N·(0,1+3·10-6) = N/10 + (N/10)·3·10-5. En 0,1 segundo obtenemos el valor de frecuencia N/10 períodos, por lo que la diferencia entre el valor medido y real N/10 será (N/10)·3·10-5. Para frecuencias mayores a 333 KHz (3.33 105 Hz) la diferencia es mayor a 1, por lo que para estas frecuencias nuestro contador mostrará el valor incorrecto N/10. Una consecuencia importante de estas consideraciones es que sólo se pueden garantizar los 4 dígitos más significativos de la frecuencia N/10 medida, a veces 5 dígitos.

Los cálculos muestran que cuando se utiliza cuarzo con una tolerancia de varias decenas de ppm, es imposible garantizar una precisión de 6 o más dígitos. Y como no podemos garantizar la precisión de los dígitos inferiores, no tiene sentido mostrarlos. Por lo tanto, el frecuencímetro muestra sólo los 5 dígitos más significativos de la frecuencia, ignorando los dígitos restantes.

Pero la precisión de las mediciones se ve afectada no sólo por la precisión del cuarzo, sino también por el efecto de su envejecimiento y temperatura de funcionamiento. Sin embargo, a temperaturas entre 10 °C y 40 °C, el efecto de la temperatura en la precisión general no supera los ±10 ppm, por lo que aún podemos garantizar una precisión de 4 a 5 dígitos.

Formato de salida

El indicador utilizado en el frecuencímetro tiene solo ocho símbolos de 7 segmentos, por lo que se utiliza un esquema especial para mostrar rangos de frecuencia. El diagrama se muestra en la siguiente tabla. Los ceros a la izquierda no se muestran y se muestran en gris. El rango se muestra a la derecha en notación científica. Donde el símbolo E representa 10 y el número es la potencia de 10.

     Pantalla                   Rango de medición            Tiempo de conteo

0. 0. 0. 0. 1 0. E 0         0 - 9 Hz                                   1 segundo
0. 0. 0. 1 2 0. E 0         10 - 99 Hz                                1 segundo
0. 0. 1 2 3 0. E 0          100 - 999 Hz                            1 segundo
0. 1. 2 3 4 0. E 3          1 - 9,999 KHz                          1 segundo
1 2. 3 4 5 0. E 3           10 - 99,999 KHz                      1 segundo
1 2 3. 4 5 0. E 3           100 - 999,99 KHz                    0,1 seg.
1. 2 3 4 5 0. E 6           1 - 9,9999 MHz                       0,1 seg.
1 2, 3 4 5 0, E 6           10 - 99,999 MHz                     0,1 seg.
1 2 3. 4 5 0. E 6           100 - 150 MHz                        0,1 seg.

La frecuencia medida se representa como un número entero de 1 a 8 dígitos. Los valores con más de 5 dígitos se redondean al valor entero más cercano que tenga 5 dígitos distintos de cero en los dígitos más significativos. Por ejemplo, el valor 12.345.678 se redondea a 12.346.000 (muestra 12.346 E6) y 12.345.456 se redondea a 12.345.000 (muestra 12.345 E6). 

Hardware

En la entrada del circuito hay un preamplificador integrado en un comparador de alta velocidad LT1715. Según la hoja de datos, puede funcionar a 150MHz. Las entradas del segundo comparador ubicado en la carcasa del microcircuito están conectadas a tierra y al bus de +5V para evitar que se dispare y afecte el funcionamiento del comparador. El comparador es el dispositivo más lento del circuito y determina el límite superior de las mediciones. Las resistencias de 10K cambian el nivel en las entradas del comparador a aproximadamente 2V. Se agrega una resistencia de 100 ohmios para aumentar ligeramente el voltaje en la entrada inversora. Por lo tanto, en estado de reposo, la salida siempre es 0. La diferencia en los voltajes de entrada es de aproximadamente 110 mV y determina la sensibilidad del preamplificador. La tensión de entrada para un funcionamiento garantizado debe ser de 150 mV. La resistencia de 10K en la salida del comparador es opcional.

La salida del comparador está conectada a un contador asíncrono binario de 4 bits SN74LV161A con una frecuencia de funcionamiento máxima de 220 MHz cuando se alimenta con 5 V. El contador se utiliza como preescalador para el temporizador TMR1. Divide la frecuencia de entrada por 16, por lo que hay disponible un máximo de 10 MHz en la entrada del controlador, lo que satisface el período mínimo de 60 ns requerido para operar el temporizador TMR1 en modo asíncrono. Las 4 salidas del contador están conectadas al controlador y en ellas se generan los 4 bits más significativos de los pulsos medidos.

El corazón del frecuencímetro es el controlador PIC16F648A (puede usar PIC16F628A).

El controlador PCF8562 controla la pantalla LCD VM-838. En la placa, el chip controlador de pantalla se encuentra debajo de la pantalla LCD.

La tensión de alimentación de 5 V se obtiene mediante el convertidor CC/CC NCP1400A. Proporciona 5 voltios de una batería AA. El consumo de corriente después del convertidor es de unos 10 mA en reposo, de los cuales 9 mA son consumidos por el comparador de entrada. Sin embargo, el consumo de corriente de la propia batería será de 5 a 7 veces mayor. El consumo máximo de corriente medido es de 70 mA y el promedio es de 40 mA. Con una batería AA con una capacidad de 2000 mAh, el frecuencímetro puede funcionar durante aproximadamente 40 horas.

El dispositivo está ensamblado en un lado de una placa de circuito impreso de doble cara, pero tiene varios puentes en el reverso. El cobre del otro lado se utiliza como escudo adicional. El reverso tiene solo 4 componentes: conector de entrada BNC, soporte para pilas AA, 4 soportes metálicos e interruptor de alimentación AS12AH. La placa está diseñada para resistencias y condensadores SMD de tamaño 0603, pero también se puede utilizar el tamaño 0805. Hay 3 pads en la placa conectados a RA0, RA1 y RA5, que se pueden usar, por ejemplo, para conectar un contador de frecuencia a una computadora.

El microcontrolador debe programarse ya sea en un programador externo o en la placa, pero antes de soldar el contador SN74LV161A, ya que el contador bloquea los pines de programación del controlador.

Algunos errores de desarrollo... El soporte de la batería, el interruptor de encendido y el conector de entrada están montados muy cerca uno del otro, por lo que hubo que afilar un poco el soporte de la batería. Además, debido al peso de la batería, la placa no es muy estable sobre la mesa y, cuando el cable está conectado, tiende a volcar debido a la torsión del cable. Aunque la pantalla es bastante simple, sigue siendo difícil de entender.

 Archivo .HEX para PIC

 

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