Проектирование цифрового частотомера на микроконтроллере AVR: полное руководство

Введение, в котором определяется цель и актуальность проекта

Измерение частоты электрических сигналов — одна из фундаментальных задач в современной радиотехнике и электронике. Частотомеры находят применение повсеместно: от настройки радиоаппаратуры до контроля параметров в сложных цифровых системах. Исторически для этих целей использовались аналоговые приборы, однако они уступают цифровым аналогам в точности, компактности и энергопотреблении. Преимущества цифровых устройств очевидны: высокая точность, надежность и минимизация размеров за счет использования интегральных микросхем.

Именно поэтому данная курсовая работа посвящена проектированию современного цифрового частотомера. Цель проекта — разработать устройство на доступной элементной базе, в частности на микроконтроллере семейства AVR, способное измерять частоту в диапазоне от единиц герц до десятков мегагерц. Создание такого прибора является отличной инженерной задачей, позволяющей на практике освоить полный цикл разработки: от теоретического анализа до создания принципиальной схемы и написания программного обеспечения.

Теоретические основы, раскрывающие ключевые методы измерения частоты

Прежде чем приступить к проектированию, необходимо рассмотреть существующие методы измерения частоты, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки. На практике наибольшее распространение получили несколько основных подходов:

• Резонансный метод: Эффективен для измерения высоких и сверхвысоких частот (от 50 кГц), основан на явлении резонанса в колебательном контуре.
• Гетеродинный метод: Позволяет измерять частоту с высокой точностью путем сравнения измеряемой частоты с частотой эталонного генератора (гетеродина).
• Метод обратного счета: Заключается в подсчете импульсов эталонного генератора за один или несколько периодов исследуемого сигнала. Этот метод обеспечивает высокую точность и скорость, а его погрешность не зависит от измеряемой частоты.
• Метод прямого счета: Основан на подсчете количества импульсов измеряемого сигнала за строго определенный временной интервал (например, 1 секунду).

Для нашей задачи наиболее подходящим является метод прямого счета. Его главное преимущество — простота реализации, особенно при использовании микроконтроллера. Суть метода заключается в том, что на счетный вход микроконтроллера подается измеряемый сигнал, а внутренний таймер формирует точное «временное окно», в течение которого ведется подсчет. Если это окно равно одной секунде, то количество подсчитанных импульсов будет численно равно частоте сигнала в герцах. Точность этого метода напрямую зависит от стабильности временного интервала и падает при измерении низких частот. Однако для широкого круга задач его точности более чем достаточно.

Разработка структурной схемы как основа будущего устройства

Основываясь на выбранном методе измерения, можно определить общую архитектуру прибора. Проектирование любого цифрового устройства начинается с разработки его структурной схемы, которая отражает состав и взаимосвязи основных функциональных узлов. Наш частотомер будет состоять из следующих ключевых блоков:

1. Входной формирователь: Этот узел отвечает за прием входного сигнала произвольной формы и его преобразование в последовательность прямоугольных импульсов (меандр), совместимых с логическими уровнями микроконтроллера.
2. Микроконтроллерный блок: Это ядро всей системы. В качестве него выступает микроконтроллер AVR, который выполняет все основные задачи: формирует точный временной интервал, осуществляет подсчет входящих импульсов и управляет выводом информации.
3. Блок индикации: Предназначен для визуального отображения результата измерения. Чаще всего для этих целей используются семисегментные светодиодные индикаторы, управляемые микроконтроллером.
4. Источник питания: Обеспечивает все узлы схемы стабилизированным напряжением необходимого номинала.

Логика взаимодействия блоков проста: сигнал с входного формирователя поступает на счетный вход микроконтроллера. Контроллер открывает «временное окно» на 1 секунду, подсчитывает импульсы, а затем обрабатывает результат и отправляет его на блок индикации для отображения.

Обоснование выбора элементной базы для нашего частотомера

Осознанный выбор компонентов — ключ к успешной реализации проекта. «Сердцем» нашего частотомера станет микроконтроллер ATtiny2313 из семейства AVR от компании Atmel (ныне Microchip). Этот выбор обусловлен рядом его преимуществ:

• Достаточная производительность: Тактовая частота до 20 МГц позволяет обрабатывать сигналы в широком диапазоне.
• Развитая периферия: Наличие двух встроенных таймеров/счетчиков (8-битного и 16-битного) идеально подходит для нашей задачи. Один таймер будет считать внешние импульсы, а второй — формировать точную временную базу в 1 секунду.
• Достаточное количество портов ввода-вывода: Позволяет без дополнительных микросхем управлять многоразрядным семисегментным индикатором.
• Доступность и низкая стоимость: ATtiny2313 является одним из самых распространенных и недорогих микроконтроллеров, что важно для учебного проекта.

Для блока индикации будут использованы стандартные семисегментные светодиодные индикаторы с общим катодом. Для управления сегментами и разрядами индикатора в режиме динамической индикации будут применены NPN-транзисторы (например, BC547) в качестве ключей. Это стандартное решение, позволяющее снизить нагрузку на выводы микроконтроллера. Пассивные компоненты включают в себя резисторы для ограничения тока через сегменты индикаторов и светодиоды, а также конденсаторы в цепях питания для фильтрации помех.

Создание принципиальной электрической схемы устройства

На основе структурной схемы и выбранных компонентов разрабатывается принципиальная электрическая схема, которая является полным чертежом устройства. Она детально показывает все электрические соединения между элементами. Рассмотрим ключевые узлы нашей схемы:

Ядро схемы — микроконтроллер ATtiny2313. Для обеспечения максимальной точности измерений он тактируется от внешнего кварцевого резонатора, например, на 20 МГц. Стабильность временной базы, необходимой для точного отсчета интервала в 1 секунду, обеспечивается 16-разрядным таймером Timer1, настроенным в режим CTC (Clear Timer on Compare Match). Это позволяет генерировать прерывание с очень высокой точностью. Входящие импульсы измеряемого сигнала подаются на вход T0, который является входом для 8-битного таймера-счетчика Timer0.

Схема индикации реализуется по мультиплексному (динамическому) принципу. Сегменты всех семисегментных индикаторов соединены параллельно и подключены к одному из портов микроконтроллера через токоограничивающие резисторы. Общие катоды каждого разряда подключены через транзисторные ключи к другому порту. Микроконтроллер очень быстро поочередно зажигает каждый разряд, выводя на него соответствующую цифру. За счет инерционности зрения создается впечатление, что все цифры горят одновременно.

Входная цепь может быть реализована максимально просто: резистор и два защитных диода для предохранения входа микроконтроллера от перенапряжения. Для более серьезных применений здесь может быть установлен компаратор или триггер Шмитта для формирования более четкого сигнала. Цепи питания обязательно должны содержать блокировочные керамические конденсаторы в непосредственной близости от выводов питания микроконтроллера для подавления шумов.

Разработка программного обеспечения для микроконтроллера

Аппаратная часть («тело» прибора) оживает только благодаря программе («мозгу»), заложенной в микроконтроллер. Разработка ведется в специализированной среде, например, AVR Studio (ныне Atmel Studio), а код пишется на языке C или ассемблере. Алгоритм работы программы выглядит следующим образом:

1. Инициализация: После включения питания микроконтроллер настраивает свою периферию. Порты ввода-вывода конфигурируются на выход (для управления индикацией) или вход (для приема сигнала). Таймер Timer1 настраивается на генерацию прерывания ровно через 1 секунду. Таймер Timer0 настраивается на подсчет внешних импульсов, поступающих на вывод T0.
2. Основной цикл измерения: Программа запускает оба таймера. В течение одной секунды Timer0 подсчитывает все поступающие на его вход импульсы. Программа в это время может заниматься другими задачами, например, обновлением индикации.
3. Обработка и вывод: Ровно через секунду Timer1 генерирует прерывание. В обработчике этого прерывания программа считывает накопленное значение из счетчика Timer0, останавливает счет, обрабатывает полученное число (преобразует его в десятичные цифры) и сохраняет для последующего вывода на индикаторы.
4. Отображение результата: В основном цикле программы непрерывно выполняется подпрограмма динамической индикации, которая поочередно выводит сохраненные цифры на соответствующие разряды дисплея. После этого цикл измерения повторяется снова.

Пример ключевого фрагмента кода на языке C (для среды AVR Studio) для настройки таймера на 1 секунду может выглядеть так, где `F_CPU` — это тактовая частота микроконтроллера, а `OCR1A` — значение, до которого будет считать таймер перед генерацией прерывания:

// Настройка Timer1 для прерывания каждую секунду
TCCR1B |= (1 << WGM12); // Включаем режим CTC
TIMSK |= (1 << OCIE1A); // Разрешаем прерывание по совпадению
sei(); // Глобально разрешаем прерывания
OCR1A = 19531; // Устанавливаем значение для сравнения (для 20МГц и предделителя 1024)
TCCR1B |= (1 << CS12) | (1 << CS10); // Устанавливаем предделитель 1024 и запускаем таймер

Заключение, в котором мы подводим итоги проектирования

В ходе выполнения данной курсовой работы была успешно решена задача проектирования цифрового частотомера на базе микроконтроллера AVR. Проделан полный цикл разработки: от анализа теоретических основ до создания принципиальной схемы и разработки алгоритма программного обеспечения.

Был проведен анализ различных методов измерения частоты, по результатам которого для реализации был выбран метод прямого счета как оптимальный по соотношению простоты и точности для данной задачи. Были разработаны структурная и принципиальная электрические схемы устройства. Обоснован выбор элементной базы с ключевым компонентом в виде микроконтроллера ATtiny2313, чьи возможности полностью удовлетворяют требованиям проекта. Разработанный алгоритм программного обеспечения позволяет с высокой точностью измерять частоту в заданном диапазоне (например, от 1 Гц до 10 МГц) с разрешающей способностью в 1 Гц.

Таким образом, цель курсовой работы достигнута. Спроектированный прибор соответствует изначально поставленным требованиям. В качестве возможных путей модернизации устройства можно рассмотреть расширение диапазона измеряемых частот за счет применения внешнего высокоскоростного делителя, добавление функции измерения периода сигнала, а также внедрение более информативного ЖК-дисплея вместо семисегментных индикаторов.

Список использованных источников

1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах. — М.: Мир, 2003.
2. Белов А. В. Микроконтроллеры AVR. От простого к сложному. — СПб.: Наука и Техника, 2011.
3. Евстифеев А. В. Микроконтроллеры AVR семейства Tiny и Mega. Руководство пользователя. — М.: Додэка-XXI, 2008.
4. Atmel Corporation. 8-bit AVR Microcontroller ATtiny2313/ATtiny4313 Datasheet.
5. Программная среда Atmel Studio 7. Руководство пользователя [Электронный ресурс] // Microchip Technology Inc. URL: https://www.microchip.com/mplab/avr-support/atmel-studio-7.
6. Бирюков С. Цифровые устройства на интегральных микросхемах. — М.: Радио и связь, 1990.
7. Голубцов М.С. Verilog HDL — стандарт языка описания цифровой аппаратуры. — М.: ДМК-Пресс, 2002.