Разработка системы частотной индикации генератора когерентных сигналов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «КубГУ»)

Физикотехнический факультет Кафедра оптоэлектроники

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ЧАСТОТНОЙ ИНДИКАЦИИ ГЕНЕРАТОРА КОГЕРЕНТНЫХ СИГНАЛОВ

Работу выполнил Ложкин Станислав Геннадьевич Специальность 210 302 — Радиотехника Научный руководитель др техн. наук, профессор К. С. Коротков Нормоконтролер инженер И. А. Прохорова Краснодар 2013

Реферат ЧАСТОТОМЕР, МИКРОПРОЦЕССОР, ЦИФРОВОЙ ИНДИКАТОР, ДЕЛИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, ОПОРНЫЙ ГЕНЕРАТОР, ПОЛОСОВОЙ ФИЛЬТР, АЛГОРИТМ ПРОГРАММЫ, СЧЁТЧИК ИМПУЛЬСОВ, МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ, СТРУКТУРНАЯ И ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМЫ Объектом разработки в данной дипломной работе является система частотной индикации генератора когерентных сигналов на диапазон (20ч100) МГц. Данная система должна войти в состав трёхчастотного генератора когерентных сигналов на диапазон (20ч100) МГц. Задача, выполняемая разрабатываемой системой, заключается в измерении частоты генератора когерентных сигналов и индикации результатов измерений.

Целью работы является разработка системы частотной индикации генератора когерентных сигналов на диапазон (20ч100) МГц, сравнительный анализ методов измерения и индикации частоты, выбор наиболее оптимального метода, пригодного для выполнения поставленной задачи, разработка принципиальной схемы и изготовление действующего устройства.

В результате выполнения дипломной работы разработана принципиальная схема данной системы и изготовлено действующее устройство частотной индикации генератора когерентных сигналов на диапазон (20ч100) МГц.

Содержание Обозначения и сокращения Введение

1. Понятие частоты. Общие сведения об измерениях частоты

2. Способы и методы измерения частоты

2.1 Метод перезаряда конденсатора

2.2 Резонансные методы

2.2.1 Резонансные частотомеры с распределенными параметрами

2.2.1.1 Четвертьволновый резонансный частотомер

2.2.1.2 Резонансный частотомер с нагруженной линией

2.2.1.3 Резонансный частотомер с объемным резонатором

2.3 Методы сравнения

2.3.1 Осциллографический метод

2.3.2 Гетеродинный метод (метод разностной частоты)

2.4 Метод дискретного счёта

3. Концепция прибора измерения и индикации частоты

4. Блок индикации

4.1 Типы индикаторов

4.1.1 Газоразрядные индикаторы

4.1.2 Жидкокристаллические индикаторы

4.1.3 Светодиодные матрицы

4.1.4 Семисегментные индикаторы

4.2 Разработка принципиальной электрической схемы блока индикации

5. Блок микропроцессора

5.1 Алгоритм работы микропроцессора

6. Блок высокочастотный

6.1 Разработка предварительного делителя частоты

6.2 Разработка полосового фильтра

7. Конструктивное решение прибора Заключение Список использованных источников

Обозначения и сокращения

Введение

Измерение частотновременных параметров сигналов представляет собой одну из наиболее интенсивно развивающихся областей научных исследований, где решается задача достижения предельно допустимых значений по точности и помехоустойчивости проводимых измерений. Измерение частоты и интервалов времени, а также хранение и воспроизведение их единиц лежат в основе многочисленных измерительных задач, решаемых в современной радиотехнике. К подобным измерениям, например, сводятся измерения скоростей движущихся целей в радиолокации; радионавигационные и радиоастрономические измерения; физические исследования сверхтонких эффектов, связанных с внутриатомными и межатомными взаимодействиями; эксперименты по распространению радиоволн различных диапазонов; разнообразные космические исследования с помощью синхронных локаторов и радиоинтерферометров и многое другое. Кроме того, одной из важнейших задач остается повышение помехоустойчивости систем связи, радиолокации, навигации и других устройств, использующих частотновременные характеристики сигналов для передачи и приема информации при работе в условиях малых отношений сигнал/шум, когда измерения становятся ненадежными и приводят к грубым ошибкам. Характерным примером построения классических устройств статистической обработки результатов измерений и оценки среднего значения мгновенной частоты, являются широко распространенные электронносчетные частотомеры. Основными погрешностями таких устройств, ограничивающих точность измерения, являются погрешность дискретности и погрешность, обусловленная наличием аддитивных помех во входном сигнале. Погрешность дискретности является преобладающей при прецизионных измерениях высокостабильных сигналов и снижение этой погрешности возможно лишь за счет увеличения частоты опорного генератора, что ограничено быстродействием используемой элементной базы, или путем увеличения времени измерения. В ряде практических задач увеличение времени измерения является недопустимым, поэтому возникает задача построения измерителей среднего значения мгновенной частоты, обеспечивающих минимизацию погрешностей результатов статистической обработки без существенного увеличения времени измерения.

Техническая аппаратура для частотновременных измерений образует единый комплекс приборов и средств, обеспечивающий возможность проведения измерений. 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.

Целью данной работы является разработка системы частотной индикации генератора когерентных сигналов, которая будет производить измерение значения частоты генератора качающейся частоты на диапазон 20 100 МГц, а так же определяет сигнал разностной частоты 278 кГц. В работе поставлены следующие задачи:

1) Сравнительный анализ методов измерения частот и представления результата и выбор наиболее оптимального метода.

2) Разработка блоксхемы устройства.

3) Разработка принципиальных схем узлов устройства.

4) Изготовление действующего устройства и проведение экспериментальных испытаний.

1. Понятие частоты. Общие сведения об измерениях частоты Частотой колебаний называют число полных колебаний в единицу времени:

f = n/t, (1)

где t — время существования п колебаний.

Для гармонических колебаний частота может быть найдена из соотношения:

f = 1/T, (2)

где Т — период колебаний.

Единица частоты герц определяется как одно колебание в одну секунду. Частота и время неразрывно связаны между собой, поэтому измерение той или другой величины диктуется удобством эксперимента и требуемой погрешностью измерения. В международной системе единиц СИ время является одной из семи основных физических величин. Частота электромагнитных колебаний связана с периодом колебания Т и длиной однородной плоской волны в свободном пространстве л следующими соотношениями:

fT = 1 (3)

f л = с, (4)

где с — скорость света.

2. Способы и методы измерения частоты Существуют разнообразные способы измерения частоты и основаны они на различных физических явлениях. Различают методы прямого измерения частоты и методы косвенного измерения частоты. Методы прямого измерения основаны на подсчете количества полных колебаний в единицу времени. Все остальные методы являются косвенными и основаны на нахождении значения частоты путём измерения других физических величин, зная соотношение между измеряемой величиной и частотой. Применение того или иного метода обусловлено различными факторами и требованиями. Рассмотрим наиболее распространённые методы измерения частоты.

2.1 Метод перезаряда конденсатора Присоединим конденсатор, емкость которого С, к источнику напряжения U. Конденсатор зарядится, и в нем накопится заряд:

q = CU (5)

Если конденсатор переключить на магнитоэлектрический измеритель тока, то через него пройдет количество заряда q, вызвав отклонение указателя. Если конденсатор поочередно присоединять к источнику напряжения для заряда и к измерителю тока для разряда с частотой переключения f раз в секунду, то количество электричества, проходящее через амперметр при разряде, будет в f раз больше: fq = fCU = I, где I — среднее значение тока разряда. Отсюда следует, что ток в такой схеме прямо пропорционален частоте переключения, и при постоянном произведении CU шкалу амперметра можно градуировать в единицах частоты:

f=I/(CU) (6)

На вход частотомера поступает напряжение измеряемой частоты. В усилителе-ограничителе оно принимает форму меандра. Меандр управляет зарядно-разрядным устройством, схема которого приведена на рисунке 1:

Рисунок 1 — Схема счетного устройства конденсаторного частотомера Транзистор Т работает в режиме ключа: когда он закрыт, один из конденсаторов С заряжается через резистор R, а когда транзистор открыт, тот же конденсатор разряжается через транзистор. Зарядный ток протекает через магнитоэлектрический миллиамперметр, градуированный в единицах частоты. Конденсаторы С переключаются: минимальная и максимальная емкость определяет диапазон измеряемых частот, а число конденсаторов — число поддиапазонов.

Значение напряжения, до которого заряжается конденсатор данного поддиапазона, в зависимости от измеряемой частоты и значения емкости конденсатора изменяется, и градуировка шкалы частотомера нарушается. Для устранения этого явления в зарядноразрядном устройстве предусмотрена стабилизация напряжения заряда, которая осуществляется стабилитроном Д3; напряжение питания также стабилизируется с помощью стабилитронов Д1 и Д2 Нижний предел измеряемых частот составляет 10 Гц.

При более низких частотах подвижная часть магнитоэлектрического индикатора будет совершать механические колебания в такт с измеряемой частотой. Верхний предел зависит от постоянной времени цепи заряда, определяемой не только сопротивлением резистора R и минимальной емкостью конденсатора С, но и монтажными емкостями элементов зарядно-разрядного устройства, и не превышает 1 МГц. Погрешность измерения зависит от класса точности миллиамперметра, остаточной нестабильности напряжения заряда конденсатора и составляет 12%.

2.2 Резонансные методы Резонансные способы измерения частоты основаны на использовании резонансных цепей и заключается в сравнении измеряемой частоты с собственной резонансной частотой градуированного измерительного колебательного контура. Этот метод применяется в диапазоне высоких и сверхвысоких частот. Рассмотрим цепь, представленную на рисунке 2:

Рисунок 2 — Схема резонансного частотомера На колебательный контур подается напряжение. С помощью конденсатора колебательный контур настраивается в резонанс с входным сигналом. Частота резонанса определяется выражением:

(7)

Из выражения (7) видно, что если шкалу градуировать в единицах частоты, то она получается крайне неравномерной и поэтому ее градуируют в некоторых условных единицах. Для перевода этих единиц в единицы частоты используют специальные таблицы. Если шкала механизма настройки градуирована в длинах волн, то такое устройство называют резонансным волномером. Резонанс в колебательном контуре определяют по максимальному току в цепи. Чем острее резонансная характеристика (рисунок 3), том точнее измерение. Что бы уменьшить потери в контуре, необходимо выполнение следующих условий: L2 << L1 и трансформаторная связь М должна быть мала.

Рисунок 3 — Резонансная кривая колебательного контура Погрешность градуировки определяется качеством механизма настройки, ее можно уменьшить путем предварительной градуировки шкалы частотомера с помощью образцовой меры. Нестабильность частоты измерительного контура возникает вследствие изменения его геометрических размеров под влиянием изменения температуры окружающей среды. Нестабильность настройки контура возникает также при изменении вносимых реактивных сопротивлений со стороны источника fx и индикатора. Активные вносимые сопротивления уменьшают добротность контура. Уменьшение влияния вносимых сопротивлений достигается ослаблением связи с источником fx и индикатором.

Резонансные частотомеры характеризуются диапазоном измерения частот, погрешностью и чувствительностью, т. е. минимальной мощностью, поглощаемой от источника измеряемой частоты, необходимой для уверенного отсчета показаний индикатора при резонансе.

Такой метод измерения позволяет измерять частоты до 300 МГц. Точность измерения определяется добротностью контура, которая обычно достигает нескольких сотен. Точность в этом случае составляет (0,1 — 1)%.

2.2.1 Резонансные частотомеры с распределенными параметрами Колебательный контур частотомера выполняют либо в виде отрезка коаксиальной линии, либо в виде объемного резонатора. Настройка коаксиальной линии производится изменением ее длины, объемного резонатора — изменением его объема.

Частотомеры с распределенными параметрами связывают с источниками измеряемой частоты через штыревую или рупорную антенну или через элементы связи в виде петель, зондов, щелей и круглых отверстий. На входе частотомера часто включают аттенюаторы с переменным ослаблением для регулировки входной мощности. Иногда применяют направленные ответвители.

Индикатор частотомера состоит из полупроводникового (германиевого или кремниевого) диода и магнитоэлектрического микроамперметра большой чувствительности. Связь диода с измерительным контуром осуществляется через петлю связи, располагаемую внутри коаксиальной линии или объемного резонатора. Если частотомер предназначен для использования при импульсной модуляции, то видеоимпульсы, получившиеся после детектирования диодом, поступают на транзисторный усилитель и амплитудный вольтметр. Параллельно последнему можно включить осциллограф. Коаксиальные частотомеры выполняют в основном двух типов: четвертьволновые и с нагруженной линией.

2.2.1.1 Четвертьволновый резонансный частотомер Четвертьволновый резонансный частотомер представляет собой разомкнутый отрезок коаксиальной линии. Настройка его осуществляется с помощью микрометрического механизма со шкалой, градуированной в единицах длины. Резонанс, в линии наступает при её длине, равной нечетному числу четвертей длины волны.

Четвертьволновые частотомеры применяются на частотах 600 МГц — 10 ГГц. Погрешность измерения лежит в пределах 103 — 5*104.

2.2.1.2 Резонансный частотомер с нагруженной линией Данный частотомер отличается от четвертьволнового тем, что разомкнутая коаксиальная линия нагружается емкостью С, образуемой торцами внутреннего и наружного проводников.

При настройке такого частотомера одновременно изменяются и длина линии l, и емкость С. Перекрытие, по сравнению с четвертьволновым частотомером, возрастает в 2 — 3 раза. Двумя частотомерами с нагруженной линией перекрывается диапазон частот от 150 до 1500 МГц. Измеряемую частоту определяют с помощью градуировочных таблиц или графиков. Погрешность измерения 510%.

2.2.1.3 Резонансный частотомер с объемным резонатором Частотомер данного типа настраивается передвижением подвижного поршня (плунжера). Возбуждаемые внутри полости резонатора стоячие волны бывают различных типов. Это зависит от способа введения возбуждающего электромагнитного поля. При возбуждении цилиндрического резонатора через отверстие в центре торцевой стенки (рисунок 4, а) возникают колебания типа H111. Из электродинамики известно, что собственная длина волны, в резонаторе связана с его диаметром d и высотой I следующей зависимостью:

(l/l)2 + l, 37(l/d)2 =(2/л111)2

Если положить l = d, то л111 = 1,3 d.

При возбуждении полости резонатора через отверстие в ее боковой стенке возникают колебания типа H011 (рисунок 4, б):

Рисунок 4 — Схемы частотомеров с объемными резонаторами Поле этих волн характерно отсутствием токов проводимости между торцевой и цилиндрической стенками резонатора, что позволяет применить для настройки бесконтактный плунжер. Проникающая при этом в нерабочее пространство за поршнем энергия поглощается предусмотренным для этой цели покрытием, нанесенным на левую (рисунок 4, б) поверхность плунжера. Зависимость собственной длины волны типа л011 от размеров резонатора определяется выражением:

(l/l)2 + 5,94 (l/d)2=(2/ л011)2

Если для этого резонатора также положить l = d, то л011 >> 0,76d.

Шкала настройки частотомеров с объемными резонаторами градуируется с помощью измерительного генератора соответствующего диапазона частот. Следовательно, главным источником погрешности градуировки является погрешность установки частоты по шкале генератора. Чтобы не усугублять погрешность измерения неточностью настройки в резонанс, добротность объемного резонатора доводят до очень высокого значения. Это достигается полировкой и золочением внутренней поверхности резонатора; при этом добротность достигает 10 000 — 30 000. Все же погрешность составляет 103 — 104. К недостаткам частотомеров с объемными резонаторами относится малое перекрытие, что приводит к необходимости иметь большое их число для измерения нужного диапазона частот.

Частотомеры с распределенными параметрами по способу включения в измеряемую цепь разделяют на проходные и поглощающие. Проходной частотомер снабжен двумя элементами связи — входным для связи с электромагнитным полем и выходным для связи с индикатором. Момент настройки в резонанс определяют по максимальному показанию индикатора (рисунок 5, а):

Рисунок 5 — Схемы частотомеров:

а — проходной, б — поглощающий

Поглощающий частотомер имеет один элемент связи — входной, а индиикатор включают в линию передачи (рис. 5, б). Пока частотомер не настроен в резонанс, показания индикатора максимальны; при настройке часть энергии поглощается в резонаторе и показания индикатора уменьшаются.

2.3 Методы сравнения Методы сравнения для измерения частоты получили широкое распространение, благодаря их простоте, пригодности для использования практически в любом диапазоне частот и сравнительно высокой точности результата измерения. Измеряемая частота определяется по равенству или кратности образцовой частоте. Следовательно, для измерения частоты fx методом сравнения необходимо иметь источник образцовых частот f0 индикатор равенства или кратности fx и f0. В качестве источника образцовых частот применяют образцовые меры частоты, так называемые стандарты частоты, с нестабильностью 109 — 1011 за 1 сутки.

Для градуировки генераторов измерительных сигналов используют синтезаторы частоты и другие генераторы, погрешность установки частоты которых на порядок, а нестабильность частоты за 30 мин — на 3 порядка меньше, чем у градуируемого генератора.

Индикатором равенства или кратности частот может быть осциллограф или нелинейный преобразователь частоты; в соответствии с этим метод сравнения для измерения частоты реализуют двумя способами: осциллографическим и гетеродинным.

В методе сравнения частот используется эффект биения при сложении двух колебаний. Для анализа биений используется осциллограф. На рисунке 6 изображена структурная схема измерителя использующего данный метод.

Рисунок 6 — Структурная схема измерения частоты по методу сравнения Если частоты сигналов находятся в диапазоне звуковых волн, то для анализа суммарного сигнала можно использовать наушники. Если измеряемая частота fx и образцовая частота f0 не равны, в наушниках будет слышно два разных звука. При сложении этих частот возникают биения (рисунок 7):

Рисунок 7 — Результат сложения частот fx и f0

а — временная область, б — частотная область

Необходимо настроить образцовый источник частоты так, чтобы биения происходили реже. Когда измеряемая частота становится почти равной образцовой частоте.

Не стоит путать сигнал с биениями и амплитудномодулированный сигнал, так как спектр АМ сигнала имеет 3 гармоники: центральную и 2 боковые, а в сигнале с биением только 2 гармоники, соответствующие частотам fx и f0. Если в наушниках тон звука сливается, то можно сказать, что частоты fx и f0 равны. Точность измерения частоты определяется точностью отсчета частоты f0.

2.3.1 Осциллографический метод Источник измеряемой частоты fx подается на горизонтально отклоняющие пластины осциллографа (канал Х). На вертикально отклоняющие пластины (канал Y) подается сигнал с источника известной частоты fY. Если отношение частот fx и fY будет равняться отношению целых чисел, то на экране получается фигура Лиссажу. Частоты не должны различаться более чем в 6 8 раз. На экране получается изображение, показанное на рисунке 8:

Рисунок 8 — Изображение результата отношения частот fx и fY

Далее проводятся горизонтальные и вертикальные линии, и считается число пересечений. В данном примере (рисунок 8):

Если на экране будет эллипс или круг, то это значит, что частоты fx и fY равны. Соотношение радиусов эллипса зависит от разности фаз. Фигура Лиссажу не очень устойчива, так как меняется разность фаз напряжений. Однако при этом число пересечений mX и mY остаются. Если период повторений 1 с, то неточность измерений будет 0,5 Гц. Круг получается когда разность фаз ц = р / 2, а частоты fx и fY равны. Прямая линия, если ц = 0. Точность измерения в данном методе измерения определяется точностью измерительного генератора.

2.3.2 Гетеродинный метод (метод разностной частоты) Метод разностных частот основан на выделении в спектре сигналов разностной частоты. Такие частотомеры используются в диапазоне УВЧ и СВЧ. Рассмотрим упрощенную структурную схему данного измерителя (рисунок 9).

Рисунок 9 — Схема гетеродинного частотомера На смеситель подаются частоты fx и f0. Так как смеситель — это нелинейный элемент, то спектр на выходе смесителя будет содержать множество гармоник: кратные гармоники nfx, mf0 и комбинационные гармоники nfx ± mf0. На выходе усилителя низких частот Fp = nfx — mf0 (остальные частоты не проходят через УНЧ). При измерении необходимо, чтобы Fp > 0, тогда искомая частота может быть определена выражением:

. (8)

Частота f0 отсчитывается по шкале подстроечного конденсатора С (шкала конденсатора проградуирована в единицах частоты). В качестве индикатора разности частот используются наушники.

Для калибровки шкалы генератора образцовой частоты f0 используется кварцевый генератор.

2.4 Метод дискретного счёта Измерение частоты методом дискретного счета реализовано в цифровых частотомерах. Принцип действия цифрового частотомера основан на измерении частоты в соответствии с ее определением, т. е. на счете числа импульсов за интервал времени. Данные приборы удобны в эксплуатации, имеют широкий диапазон измеряемых частот (от нескольких герц до сотен мегагерц) и позволяют получить результат измерения с высокой точностью (относительная погрешность измерения частоты 106…109). Цифровые частотомеры ещё называют электронносчётными.

Поскольку цифровые частотомеры являются многофункциональными измерительными приборами, то в зависимости от режима их работы можно проводить измерение не только частоты и отношения двух частот, но и интервалов времени (периода следования периодических сигналов и интервала, заданного временным положением двух импульсов).

Для измерения частоты высокочастотных сигналов приемлем прямой метод счёта импульсов измеряемой частоты, так как на высокой частоте подсчёт количества полных периодов в единицу времени даст более точный результат, чем измерение длительности одного периода Т с нахождением значения частоты через соотношение f = 1/T. Для нахождения частоты низкочастотного сигнала, наоборот, более пригоден косвенный метод, при котором измеряется длительность периода колебания и через вышеупомянутое соотношение находится значение частоты.

На рисунке 10 приведены временные диаграммы работы электронносчётного частотомера.

Рисунок 10 — Временные диаграммы работы цифрового частотомера:

а — калиброванный промежуток времени, б — счётные импульсы, в — результат подсчёта импульсов за калиброванный промежуток времени Основные узлы цифрового частотомера: генератор, задающий калиброванный промежуток времени, формирователь импульсов, временной селектор и счётчик импульсов.

Входной сигнал измеряемой частоты поступает на формирователь импульсов, где происходит его преобразование из синусоидальной формы в импульсную последовательность (рисунок 10, б). Задающий генератор формирует сигнал калиброванного промежутка времени Т (рисунок 10, а). Импульсная последовательность и сигнал калиброванного промежутка времени приходят на временной селектор, который имеет два входа и в простом случае представляет собой логическую схему «И». Импульсная последовательность может проходить через временной селектор только в том случае, если действует сигнал генератора калибровочного промежутка времени (рисунок 10, в). Счётчик, подключенный к выходу временного селектора, подсчитывает количество импульсов N.

Частота входного измеряемого сигнала при этом может быть определена как: fx = N/T.

Данный метод получил широкое распространение и является наиболее универсальным, простым и надёжным среди остальных методов. А так же позволяет автоматизацию частотных измерений с большой точностью, представление результата в цифровом виде, удобном для обработки и отображения на современных средствах индикации, не имея при этом подвижных механических частей.

За основу разработки системы частотной индикации генератора когерентных сигналов выбран именно метод дискретного счёта как наиболее приемлемый для выполнения частотных измерений.

3. Концепция прибора измерения и индикации частоты Основные требования, предъявляемые к прибору: малые габариты и масса, низкое энергопотребление, высокую точность измерения, удобство восприятия результата. Прибор должен измерять мгновенную частоту генератора и отображать значение на индикаторе, а также отслеживать сигнал разностной частоты 278 кГц. Схему прибора можно условно разбить на три функциональных блока, каждый из которых выполняет свои отдельные функции: блок индикации, блок микропроцессора и блок высокочастотный (рисунок 11).

Рисунок 11 — Блоксхема системы частотной индикации Сигнал разностной частоты 278 кГц подаётся на вход Х1 блока высокочастотного, пройдя полосовой фильтр, центральная частота которого 278 кГц, попадает на детектор. На выходе детектора будет присутствовать напряжение, которое будет зажигать светодиод в блоке индикации, сигнализирующий о наличии сигнала разностной частоты 278 кГц. Если частота сигнала будет отлична от 278 кГц, тогда полосовой фильтр не пропустит сигнал, и на выходе детектора не будет напряжения, следовательно, светодиод гореть не будет. Сигнал изменяющейся частоты 20 — 100 МГц от генератора подаётся на вход Х2 блока высокочастотного и далее на входную согласующую цепь, которая состоит из усилителя — ограничителя сигнала. После согласующей цепи сигнал измеряемой частоты поступает на делитель частоты с коэффициентом деления 32. После преобразований сигнал поступает на блок микропроцессора, который выполняет функцию измерения частоты методом дискретного счёта. Блок индикации отображает результаты измерений в виде, удобном для восприятия.

4. Блок индикации Применение индикаторов характеризуется, прежде всего тем, что именно этими приборами электроника широко входит в быт человека.

При разработке блока отображения результатов необходимо учесть некоторые требования, а именно: индикатор должен выдавать результат в виде значащих цифр измеряемой частоты, цифры должны иметь оптимальный размер не слишком маленький, что может затруднить восприятие результата, и не слишком большой, так как от этого увеличится размер самой платы блока индикации. Принципиальная схема должна быть относительно простой и надёжной с запасом по электрическим параметрам.

Индикаторы бывают весьма разнообразными, рассмотрим основные типы индикаторов и их характеристики.

4.1 Типы индикаторов Все виды индикаторов можно подразделить на индикаторы с активным и пассивным растрами. К первой группе относятся приборы на основе светогенерациоиных эффектов, приборы второй группы требуют внешней подсветки. Широкое распространение получили индикаторы, принцип которых основан на поляризации световых волн с применением жидких кристаллов (ЖКИ). Но газоразрядные индикаторы не теряют своей актуальности и по сегодняшний день. Молодыми и очень перспективными являются светодиодные технологии, которые активно внедряются в быт человека. Рассмотрим все эти типы индикаторов, их особенности, преимущества и недостатки с целью выбора наиболее подходящего типа индикаторов для системы частотной индикации.

4.1.1 Газоразрядные индикаторы Газоразрядные индикаторы (ГРИ) являются примером того, как влияние конструкторско-технологических идей микроэлектроники заново преобразует «старую» традиционную область техники.

Основу любого прибора этого класса составляет элементарный газоразрядный промежуток. Зажигание и поддержание разряда требует высокого напряжения (80 400 В), ток близок к 1 мА. Заполнение рабочего объема неоном дает оранжевое свечение, а гелием и аргоном — желтое и фиолетовое. Возможно и непрямое преобразование энергии: разряд в ксеноне (УФ излучение) в сочетании с фотолюминофорами желаемого цвета свечения. Инерционность газового разряда определяется в основном временем его гашения (107 … 108 с) и временем исчезновения плазмы (106 … 104 с).

Используются два основных режима работы. В режиме постоянного тока обязателен балластный резистор, необходим и элемент гашения разряда. Взаимодействие газа с электродами сопровождается катодным распылением, особенно интенсивным при минусовых температурах. Значительно перспективнее высокочастотный разряд, для которого характерны самоограничение и отсутствие непосредственного контакта газа с электродами.

Среди газоразрядных индикаторов выделяют: знаковые, шкальные и универсальные (плазменные панели). На смену громоздкой пакетной конструкции газоразрядной лампы с десятью изолированными катодами, высвечивающими отдельные цифры, пришел многоразрядный монодисплей панельного типа. Его характерные особенности: плоскостность, малая толщина (несколько миллиметров), простота конструкции и технологии. Две плоские электродные решетки из ковара, получаемые штамповкой или травлением, закрепляются на отдельных стеклянных пластинах, после чего части собранного пакета соединяются в горячем состоянии. Затем пакет вакуумируется, заполняется газовой смесью и герметизируется. Кроме катодных линейных элементов, формирующих изображение, электродные решетки содержат и внешние выводы.

Имеется много разновидностей сегментных ГРИ, но все они однотипны с описанным прибором. Типичные значения высоты знаков составляют 5 16 мм, число разрядов 3 9. Для питания необходимо напряжение постоянного тока 170 … 200 В.

Универсальный индикатор или плазменная панель представляют собой двухкоординатную матрицу, содержащую не менее 104 105 элементарных газоразрядных ячеек. Разрабатываются панели постоянного и переменного тока, т. е. с внутренними и внешними электродами. Высокочастотный экран питается двумя возбуждающими напряжениями от генераторов: синусоидальным опорным с частотой в несколько килогерц, поддерживающим разряд, и записывающим (или стирающим) в виде коротких прямоугольных импульсов, «поджигающих» ту или иную ячейку.

Ограничения области разряда можно добиться и без перегородок повышением давления газовой смеси, которое ведет к стягиванию плазменного шнура, возникающего в месте пересечения возбужденных электродов. Идя по этому пути, можно существенно повысить разрешающую способность, особенно у панелей переменного тока.

Высокое напряжение питания и большое число элементов требуют довольно сложных схем управления. Тем не менее, на основе как биполярных, так и МОПтранзисторов и специальных интегральных схем удается изготовить достаточно компактные плоские устройства, размещаемые на задней стороне панели. Схемы управления не только воспроизводят на экране требуемые образы, но и позволяют изменять интенсивность свечения, обеспечивая передачу до нескольких десятков полутонов (градаций яркости). Для уменьшения числа выводов от панели и упрощения схемы управления используют принцип самосканирования, для реализации которого в центральной пластине делают специальные отверстия, соединяющие определенным образом соседние ячейки друг с другом. Вследствие этого зажженное состояние, созданное в одной ячейке, последовательно перемещается по всем элементам строк и столбцов экрана. Для получения цветного изображения изготавливается прозрачная панель, каждые слои которой генерирует свечение определенного цвета, а требуемая окраска обеспечивается соответствующим управлением этими слоями. Возможно и другое решение задачи: в панели с ксеноновым наполнением (УФ излучение) создается сложное люминофорное покрытие (подобное триадам ТВ экрана), а газовый разряд «включает» нужный цвет. Уменьшить напряжение и мощность управляющих сигналов можно лишь введением в электрическую схему дополнительных электродов. При сохранении напряжения анод — катод на уровне 200 400 В, для включения разряда в трехэлектродной схеме необходимо лишь 20 40 В, а в четырехэлектродной (тиратронной) — 2 6 В. Мощность, потребляемая управляющей цепью, может быть снижена до 104 105 Вт, и устройство оказывается полностью совместимым со стандартными биполярными и МОПинтегральными схемами. Но для практической реализации указанных преимуществ необходимо создание индикаторов тиратронного типа в панельной конструкции методами пленочной технологии.

Для применения данного типа индикаторов для частотной индикации генератора когерентных сигналов потребуется проектирование отдельного высоковольтного источника на 200 — 400 В.

4.1.2 Жидкокристаллические индикаторы Со времени открытия жидких кристаллов прошло более 100 лет. Впервые их обнаружил австрийский ботаник Фридрих Рейнитцер, наблюдая две точки плавления сложного эфира холестерина — холестерилбензоата. При температуре плавления, 145 оC, кристаллическое вещество превращалось в мутную, сильно рассеивающую свет жидкость, которая при 179 оC становилась прозрачной. В отличие от точки плавления температуру, при которой происходило просветление образца, Рейнитцер назвал точкой просветления. Это необычайное явление свидетельствует как будто о двойном плавлении. Рейнитцер отправил свои препараты немецкому кристаллографу Отто Леману с просьбой помочь разобраться в поведении холестерилбенозоата. Исследуя их при помощи поляризационного микроскопа, Леман установил, что мутная фаза, наблюдаемая Рейнитцером, является анизотропной. Поскольку свойство анизотропии присуще твердому кристаллу, а вещество в мутной фазе было жидким, Леман назвал его жидким кристаллом. Двойственный характер поведения жидких кристаллов (анизотропия свойств и высокая молекулярная подвижность) позволили создать управляемые внешним электрическим полем быстродействующие и экономичные ЖКиндикаторы. На сегодняшний день, жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) получили очень широкое распространение во всём мире в различных средствах индикации и отображения информации.

Основой любого ЖКиндикатора является так называемая электрооптическая ячейка, состоящая из двух плоских стеклянных пластинок с нанесенным на них прозрачным проводящим слоем из окиси олова или окиси индия, выполняющие роль электродов, разделяются тонкими прокладками из непроводящего материала (полиэтилен, тефлон). Образовавшийся зазор между пластинками, который колеблется от 5 до 50 мкм (в зависимости от назначения ячейки), заполняется жидким кристаллом, и вся конструкция по периметру запаивается герметикой или другим изолирующим материалом. Полученная таким образом ячейка может быть помешена между двумя очень тонкими пленочными поляризаторами, плоскости поляризации которых образуют определенный угол с целью наблюдения эффектов ориентации молекул под действием электрического поля. Приложение к тонкому ЖКслою даже небольшого электрического напряжения (1,5 3 В), вследствие относительно низкой вязкости и внутреннего трения анизотропной жидкости, приводит к изменению ориентации жидкого кристалла. При этом важно подчеркнуть, что электрическое поле воздействует не на отдельные молекулы, а на ориентированные группы молекул (домены), состоящие из десятков тысяч молекул, вследствие чего энергия электростатического взаимодействия значительно превышает энергию теплового движения молекул. В итоге жидкий кристалл стремится повернуться таким образом, чтобы направление максимума диэлектрической проницаемости совпало с направлением электрического поля. Процесс ориентации ведёт к резкому изменению структуры и оптических свойств ЖКячейки, при этом плоскость световой поляризации ориентированной структуры становится перпендикулярной плоскости поляризации плёночных поляризаторов, между которыми расположена ЖКячейка. Так как свет не проходит через перпендикулярно ориентированные поляризаторы, ЖКячейка будет иметь тёмный фон. После снятия электрического поля, ЖКструктура теряет свою упорядоченность, вследствие чего она утрачивает свои поляризационные свойства, и ячейка вновь становится прозрачной для света.

Индикаторы данного типа бывают символьными и графическими. Символьные ЖКИ состоят из набора ЖКячеек, которые могут образовывать символы при определённом сочетании включенных ячеек. Это могут быть сегменты цифр, букв и иных символов. Таким образом, для каждого вида символьных ЖКИ можно составить таблицу соответствия включенных сегментов и отображаемых символов. Индикаторы данного типа обычно содержат несколько строк длиной в несколько символов. Одними из самых распространённых являются ЖКИ с дисплеем 2 строки по 16 символов. Подключая ЖКИ к управляющему устройству, можно отображать информацию, которая передаётся этому управляющему устройству. На сегодняшний день имеются универсальные символьные ЖКИ со встроенным управляющим контроллером, в котором заложена таблица отображаемых символов. Узнать таблицу поддерживаемых символов можно из технической документации на данный ЖКИ. Контроллеру передаётся информация от другого цифрового устройства о необходимой позиции и коде отображаемого символа, после чего контроллер включает соответствующие ячейки в нужной позиции для отображения символа.

Графические ЖКИ характеризуются матрицей мельчайших ячеек, плотно расположенных на некоторой площади. ЖКячейками, как и в символьных индикаторах, управляет встроенный контроллер, но отличие заключается в том, что таблицы символов нет, и имеется возможность включать каждую ячейку матрицы отдельно. Это позволяет отображать различные графические изображения. ЖКячейки в графических индикаторах обычно называют пикселями. Наиболее распространены графические ЖКИ с разрешением матрицы 128 на 64 пикселя. Условно вся матрица делится на две половины 64 на 64 пикселя. А каждая половина матрицы в свою очередь делится на 8 горизонтальных полей высотой 8 пикселей и длиной в 64 пикселя. Внешнее цифровое устройство передаёт контроллеру ЖКИ информацию о выборе необходимой половины матрицы, выборе горизонтального поля, выборе положения вертикального курсора толщиной в один пиксель, а так же выбор необходимых пикселей в вертикальном столбце, на месте которого расположен курсор.

Графические ЖКИ обладают намного большими возможностями по сравнению с символьными, но требуют более сложного протокола обмена данными между управляющим контроллером и внешним цифровым устройством.

Основным достоинством ЖКИ обоих видов является низкое энергопотребление. Недостатки: восприятие результата с ЖКИ затруднено при плохом освещении, что делает необходимым установку дополнительных источников света, подсвечивающих индикатор.

Наряду с ЖКИ для отображения различной информации используются светоизлучающие индикаторы, основу которых составляют светоизлучающие диоды. Такие индикаторы могут обладать достаточной яркостью, для комфортного восприятия информации независимо от окружающего освещения. Основные характеристики светодиодов: максимально допустимый прямой ток, максимально допустимое обратное напряжение, длина волны излучения, яркость, угол направленности излучения (угол обзора). Полупроводниковые индикаторы (ППИ) примечательны, прежде всего тем, что могут перекрыть весь видимый диапазон спектра. Яркое и чистое свечение, удобство управления, экономичность, технологичность, долговечность открывают перед этими приборами безграничные перспективы.

4.1.3 Светодиодные матрицы Еще в 1907 году было впервые отмечено слабое свечение, испускаемое карбидокремниевыми кристаллами вследствие неизвестных тогда электронных превращений. В 1923 году наш соотечественник О. В. Лосев отмечал это явление во время проводимых им радиотехнических исследований с полупроводниковыми детекторами, однако интенсивность наблюдаемых излучений была столь незначительной, что научная общественность до поры до времени всерьез не интересовалась этим феноменом. Только в 1962 году группа инженеров под руководством Генри Холоньяка из General Electric продемонстрировала работу первого светодиода, а спустя шесть лет красные светодиоды появились в продаже.

Светодиод — это полупроводниковый прибор с pn переходом, который излучает фотоны при прямом смещении. Эффект излучения света называется инжектированной электролюминесценцией и происходит, когда неосновные носители заряда рекобинируют с носителями противоположного типа в запрещенной зоне. Длина волны излучаемого света определяется в основном выбором используемых полупроводниковых материалов.

Не все инжектированные неосновные носители рекомбинируют с излучением кванта света даже в идеальном pn переходе. Безизлучательная рекомбинация, вызванная дефектами и дислокациями в полупроводнике, может дать увеличение разброса в полезной эмиссии в практически идентичных светодиодах. На практике это означает то, что выпущенная партия светодиодов сортируется и разделяется по группам в зависимости от интенсивности излучения и других параметров. Светодиодные чипы выращиваются подобно кремниевым интегральным микросхемам и разрезаются на кристаллы. Размер кристалла для светодиодов лежит в диапазоне от 0,18 до 1 мм.

Базовая структура светодиодного индикатора состоит из полупроводникового кристалла, рамки с внешними выводами, на которой размещен кристалл, и герметизирующей эпоксидной смолы, которая окружает и защищает кристалл, а также рассеивает свет (формирует диаграмму направленности). Кристалл приклеивается токопроводящей эпоксидной смолой ко дну рамки, называемой лункой. Лунка является первичной оптической системой для кристалла и согласует распределение светового потока от его граней, с последующим преломлением линзы из эпоксидной смолы. Верхний контакт кристалла соединен проводом с другим выводом рамки.

Механическая конструкция светодиода определяет распределение света и диаграмму направленности излучения в пространстве. Узкая диаграмма направленности обеспечивает большую силу света в осевом направлении, но небольшой угол обзора. Тот же кристалл может быть смонтирован так, чтобы получить широкий угол обзора, но интенсивность в осевом направлении будет ниже пропорционально углу излучения. Сверхяркие светодиоды с углом обзора от 15° до 30° применяются для информационных панелей, расположенных прямо перед наблюдателем, а светодиоды с широким углом обзора применяются в индикаторах для широкого обзора или приборных досках.

Наиболее распространены светодиодные матрицы разрешением 8 на 8 светодиодов. На такой матрице имеется возможность отобразить цифры и все буквы русского и латинского алфавита, строчные и заглавные. Чаще используют несколько последовательно стоящие одинаковые матрицы, которые образуют горизонтальную строку. На такой строке можно отобразить большое количество сменяющейся информации.

4.1.4 Семисегментные индикаторы Семисегментный индикатор — устройство отображения цифровой информации. Это наиболее простая реализация индикатора, который может отображать арабские цифры. Для отображения букв используются более сложные многосегментные и индикаторы.

В семисегментных индикаторах применены светоизлучающие диоды. Каждый отдельный сегмент зажигает отдельный светодиод, и помимо сегментов цифр, имеется ещё и десятичная точка для отделения целой части от дробной. Все сегменты условно обозначают латинскими буквами (рисунок 12).

Рисунок 12 — Схема соединения светодиодов индикатора с общим анодом У сегментных индикаторов один из выводов является общим для светодиодов всех сегментов. Следовательно, различают индикаторы с общим анодом (рисунок 12) и с общим катодом.

Индикаторы с общим анодом используют следующим образом: вывод общего анода соединяют с питающим проводом, а выводы катодов некоторых сегментов, образующих необходимую цифру, коммутируют на общий провод. Ток, пройдя через светодиоды сегментов, вызовет их свечение, и индикатор отобразит желаемую цифру. В случае с индикаторами с общим катодом всё наоборот: вывод общего катода соединяют с общим проводом, а выводы анодов некоторых сегментов коммутируют к питающему проводу.

Существуют специальные микросхемы семисегментных дешифраторов, переводящие четырёхбитный код в его семисегментное представление. К примеру, отечественные микросхемы КР514ИД1 для индикаторов с общим катодом или КР514ИД2 с общим анодом. Иногда дешифраторы встраивают прямо в индикатор. В настоящее время, в связи с широким распространением однокристальных микроконтроллеров, семисегментные светодиодные индиикаторы подключаются напрямую к выводам микроконтроллера. Так организуется статическая индикация на сегментных светодиодных индикаторах.

Но для управления большим числом индикаторов, выводов управляющей микросхемы на каждый индикатор может и не хватить, поэтому для отображения информации на большом количестве индикаторов используется динамическая индикация. Суть её состоит в том, что общие выводы индикаторов коммутируются отдельно, а остальные выводы сегментов всех индикаторов соединены параллельно одной шиной, объединяющей выводы одинаковых сегментов всех индикаторов. Таким образом, можно поочерёдно зажигать различные цифры на каждом индикаторе. А если этот процесс производить с большой скоростью, тогда человеческий глаз не будет замечать переключений индикаторов, и вся отображаемая информация будет восприниматься как статичное значение.

Среди семисегментных индикаторов широко распространены индикаторы серии SA56. Они выполнены на основе высокоэффективных полупроводниковых материалов (на основе арсенида галлия и фосфида галлия с легирующими примесями), характеризуются широким выбором длин волн светового излучения, размеров отображаемых символов, яркости излучения. Для разработки устройства частотной индикации выбран семисегментный индикатор с точкой SA5611EWA (общий анод), который обладает характеристиками, наиболее подходящими для разрабатываемого устройства.

Характеристики индикатора SA5611EWA [1]:

Центральная длина волны светового излучения: 627 нм (красный) Максимально допустимый постоянный ток через один сегмент: 30 мА Максимально допустимое обратное напряжение: 5 В Рассеиваемая мощность: 75 мВт Размер корпуса: 19×12,7×8 мм Размер отображаемого символа: 14×8 мм

4.2 Разработка принципиальной электрической схемы блока индикации Схема блока индикации должна быть постой и надёжной. Для отображения результата были выбраны семисегментные индикаторы с точкой SA5611EWA (общий анод). Схема реализует динамическую индикацию, то есть имеется общая шина, к которой параллельно подключены катоды всех индикаторов. На шине катодов так же имеются токоограничивающие сопротивления, от их номинала зависит ток, протекающий через каждый отдельный сегмент. С помощью транзисторов обеспечивается развязка по току между индикаторами и управляющим устройством. Коммутация осуществляется управляющими логическими сигналами «1» и «0». Логической единице соответствует напряжение не ниже 4,2 В, а логическому нулю соответствует напряжение не более 0,7 В. Схема блока индикации представлена на рисунке 13:

Рисунок 13 — Схема блока индикации В схеме данного блока присутствует микросхема ULN2803A, которая представляет собой восемь идентичных буферных транзисторных эмиттерных повторителей, схема одного их них представлена на рисунке 14:

Рисунок 14 — Схема эмиттерного повторителя в микросхеме ULN2803A

Микросхема ULN2803A обеспечивает управление коммутацией каждого отдельного катода индикаторов к общему проводу. Транзисторы Т1 — Т5 типа IRF7341 обеспечивают коммутацию общих анодов индикаторов к питающему проводу (5 В). Резисторы R9 — R16 — необходимы для ограничения величины тока, протекающего через каждый отдельный сегмент. Через резисторы R1 — R8 осуществляется питание восьми буферных эмиттерных повторителей микросхемы ULN2803A.

Характеристики микросхемы ULN2803A [3]:

Максимально допустимый ток коллектора: 0,5 А Максимально допустимое напряжение коллектор — эмиттер: 50 В Максимально допустимое напряжение база — эмиттер: 30 В Схема осуществляет динамическую индикацию и работает следующим образом: управляющее устройство подключает общий анод необходимого индикатора к питающему проводу установкой высокого логического уровня на затворе соответствующего транзистора. На затворах всех остальных транзисторов управляющее устройство должно выставить уровень логического нуля. На входах микросхемы ULN2803A управляющее устройство выставляет уровни логической единицы для коммутации тех или иных катодов выбранного индикатора на общий провод. Ток от питающего провода потечёт через те сегменты индикатора, катоды которых коммутированы на общий провод через токоограничивающие резисторы. Сегменты, светоизлучение которых вызвано протекающим через них током, будут образовывать символ. Таким образом, можно составить таблицу сопоставления логических уровней на входах микросхемы ULN2803A и отображаемых символов.

Управляющее устройство поочерёдно включает и отключает анод каждого индикатора, обеспечивая «развёртку», и для каждого индикатора выставляет определённые логические уровни на входах микросхемы ULN2803A для отображения той или иной цифры. В результате динамической индикации, каждый индикатор отображает определённую цифру, а так как этот процесс происходит циклически с большой скоростью, то человеческий глаз не замечая переключения индикаторов, наблюдает все цифры как статичное отображение результата измерения. Управляющим устройством для индикаторов является блок микропроцессора, который рассматривается далее.

5. Блок микропроцессора Основу прибора составляет блок микропроцессора, который выполняет измерение частоты методом дискретного счёта, обрабатывает полученную информацию и является управляющим устройством для блока индикации. Для выполнения этих задач был выбран микропроцессор семейства AVR ATmega32 фирмы Atmel. Микропроцессор имеет следующие характеристики [4]: