Курсовая работа: Программно управляемый частотомер

Точность измерения частоты определяется погрешностью дискретности измерения интервала времени nT_x .

Можно определить значение относительной погрешности дискретности измерения частоты δ_f . Максимальное значение относительной погрешности дискретности измерения интервала времени Δt₂ =nT_x определяется через абсолютную погрешность. Так как этот интервал заполняется счетными импульсами с периодом следования Т_сч , то максимальная абсолютная погрешность Δ₂ =±Т_сч . Тогда максимальная относительная погрешность

δ₂ =±Т_сч /Δt₂ =±T_сч /nT_x (2)

Равенство Δt₂ =nT_x можно представить в виде f_x =n/Δt₂ . Тогда в соответствии с правилами вычисления погрешностей косвенных измерений погрешность измерения функции f_x связана с погрешностью измерения аргумента Δt₂ соотношением (с точностью до второго порядка малости)

δ_f =δ₂

После подстановки δ₂ из (1)

δ_f =±Т_сч /nT_x =±(f_x /n)Т_сч (3)

При подстановке в (3) вместо f_x /n отношения f'_x /n=1/Δt₁ получается

δ_f =±Т_сч /Δt₁ =±1/F_сч Δt₁ (4)

Формула (4) приводит к выводу, что максимальное значение относительной погрешности дискретности измерения частоты изложенным вариантом метода дискретного счета не зависит от значения измеряемой частоты и, следовательно, постоянно во всем диапазоне измерения.

Необходимая при этом частота дискретизации

F_сч =1/(δ_f Δt₁ ), (5)

где δ_f – заданная погрешность дискретности измерения.

К примеру, при частоте следования счетных импульсов 10 МГц и длительности временных ворот 1 с (как это имеет место в некоторых частотомерах) максимальное значение погрешности дискретности равно ±10^-

Таким образом, примененный в данном проекте метод измерения позволяет проводить измерения частоты от 1 Гц до 1МГц без изменения пределов и метода измерения. Исключаются дополнительные операции контроля значения измеряемой частоты.

2.1. Функционирование основных блоков цифрового частотомера

Рис.3: «Схема электрическая функциональнаяя»:

Электрическая функциональная схема прибора состоит из следующих основных узлов: микроконтроллера, входного устройства, генератора счетных импульсов, двух счетчиков, блока формирования вторых временных ворот и устройства вывода информации.

Исследуемый сигнал частотой f_x (а) передается через входной блок в формирователь импульсов, где преобразуется в периодическую импульсную последовательность (б). Она поступает на первый вход временного селектора 1, ко входу 2 которого подводится вырабатываемый внутри микроконтроллера стробирующий импульс, представляющий собой первые временные ворота длительностью Δt₁ =1 с (в). Входные импульсы заполняют эти временные ворота, их количество n подсчитывается счетчиком 1 и фиксируется. Стробирующий импульс, играющий роль первых временных ворот, подается с микроконтроллера также на вход 2 логического элемента «И» и на вход инвертора. Вследствие этого импульсы периодической последовательности, подводимые с выхода формирователя к входам 1 логических элементов «И₁ », «И₂ », могут пройти на вход 1 блока формирования вторых временных ворот, когда на входе 2 элемента «И₁ » имеется стробирующий импульс. На вход 2 блока формирования они проходят, когда на входе инвертора отсутствует стробирующий импульс.

Схема формирования вторых временных ворот выполнена на RS‑триггере. Первый импульс, подводимый через логический элемент «И₁ » к входу установки S схемы перебрасывает триггер в состояние логической «1», в результате на выходе схемы формируется фронт вторых временных ворот. После этого импульсы, подаваемые на вход 1 схемы формирования, состояния ее не меняют.

Пока имеется стробирующий импульс на входе инвертора, импульсы периодической последовательности не могут пройти через логический элемент «И₂ ». Сразу после окончания действия стробирующего импульса первый импульс последовательности поступает через логический элемент «И₂ » на вход сброса R триггера и возвращает его в исходное состояние. На выходе схемы формирования образуется срез вторых временных ворот (д, е).

Таким образом, на входе 2 временного селектора 2 получаются вторые временные ворота длительностью Δt₂ =nT_x , через которые проходят счетные импульсы (ж). Попавшие в ворота импульсы подсчитываются счетчиком 2, на нем фиксируется их число N.

Количество импульсов подсчитанных импульсов n и N передается микроконтроллеру. В его памяти в виде константы хранится значение частоты счетных импульсов. На основе полученных данных микроконтроллер рассчитывает значение частоты измеряемого сигнала f_x в соответствии с формулой (1). Далее микроконтроллер производит соответствующие преобразования с полученным результатом, приводя его значение к виду, доступному для восприятия семисегментным индикатором. Полученный результат выводится на экран.

Получили структуру устройства и выявили ее основные составные блоки. На основании полученных результатов необходимо разработать принципиальную электрическую схему устройства, содержащую реальные электронные компоненты.

3. Описание и расчёт основных элементов схемы электрической принципиальной цифрового частотомера

Рис.3: «Схема электрическая принципиальная»:

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.

В данной разработке предложен для использования микроконтроллер зарубежной фирмы “AtmelCorporation” – АТ89С2051. Он обладает рядом важных достоинств, что и обусловило его выбор.

Во-первых, – это его функциональные возможности. В его состав входит два 16‑разрядных таймера‑счетчика, что позволяет отказаться от использования отдельных многоразрядных счетчиков. Присутствует и канал последовательного ввода‑вывода данных (UART), который позволяет организовать интерфейс с индикатором. У него отсутствуют два порта Р0 и Р2, что позволяет уменьшить функциональную избыточность микроконтроллера.

Во-вторых, изделия этой фирмы широко распространены как на российском, так и на мировом рынке микроконтроллеров, что уменьшает стоимость маркетинговых операций.

В-третьих – это его низкая стоимость (на сегодняшний день порядка 2 долларов), что также позволяет уменьшить общую стоимость изделия.

Все указанное выше позволяет утверждать о целесообразности его применения в данной разработке.