http://www.radioamator.ro/articole/view.php?id=517

Frecventmetru 3 GHz cu PIC16F84

Jean-Mathieu Stricker F5RCT

Cuvant inainte

"Rasfoind paginile" net-ului am gasit o realizare ce poate sta la loc de cinste in laboratorul unui radioamator. Un frecventmetru ce poate masura pana la 3 GHz (sau mai mult daca dispunem de prescalere adecvate). Pana aici nimic interesant.

Dupa ce veti intra in detalii, veti constata care sunt hibele deja binecunoscutului frecventmetru ce circula in YO, realizat cu acelasi PIC16F84. Ca de obicei, alegerea mea a fost facuta spre ajutorul celor ce doresc sa experimenteze mai sus de 432 MHz si doresc un aparat evoluat.

Foarta inteligenta mi s-a parut posibilitatea de reglare a bazei de timp folosind un semnal de televiziune.

Dupa sonda de masurare a puterii cred ca realizarea lui F5RCT este binevenita chiar daca pare mai complicata. Precizez ca voi nota cu n.t. comentariile personale facute in interiorul textului original. De asemeni niciodata nu voi incerca sa traduc ad-litera textul original, incercand sa il adaptez cititorului.Pentru cei ce doresc sa se delecteze cu textul original, recomand link-ul postarii originale a autorului. (http://f4avi.homelinux.net/freqpicf5rct.html).

Sa-i dam "cuvantul" lui F5RCT

Actualmente, constructiile pe baza de microcontroler sunt curente.Realizarea unui frecventmetru nu este totdeauna usoara daca vrem sa dispunem de precizie si timp de masura scurt.

Unele frecventmetre cu microcontroler (n.t. :a se vedea cel folosit curent in YO de exemplu),au de obicei o precizie reala ce nu depaseste 5-6 cifre semnificative in gama VHF/UHF (corectia predivizarii fiind obtinuta prin multiplicare inaintea afisarii).Cerem de asemeni unui frecventmetru sa acopere o gama de frecvente cat mai mare , de la cativa Hz la mai multi GHz.Frecventmetrul pe care il veti realiza, este special destinat laboratoarelor radioamatorilor ce lucreaza in inalta frecventa. El dispune de 3 game de masura:

Intrare de joasa frecventa si impedanta mare (1 MΩ//25 pF) intr-o banda de la 10 Hz la 2 MHz cu o sensibilitate mai buna de 10 mV si o rezolutie de 1 Hz. Intrare de inalta frecventa de la 100 KHz la 60 MHz cu impedanta de 50 Ω si o sensibilitate de mai buna de -20 dBm (n.t. : 10 µW !) si o rezolutie de 1 Hz. Intrare VHF/UHF de la 50 MHz la 2.9 GHz cu impedanta de 50 Ω si -20 dBm sensibilitate.Rezolutia este de 100Hz in UHF si de 10 Hz in VHF.

Ultimele doua intrari sunt destinate masuratorilor radio, de exemplu a sintetizoarelor de frecventa.Cu cat urcam in frecventa cu atat rezolutia afisajului este mai importanta.Acest frecventmetru ofera 8 cifre la afisare, dar precizia lui, (n.t.: ca de altfel a oricarui frecventmetru) depinde de precizia cuartului folosit si de stabilitatea lui.

Acest frecventmetru poseda doua atuuri suplimentare:

posibilitatea de comparare cu un semnal TV (n.t.: semnalul sincro al TVR este foarte precis controlat in frecventa si il putem folosi la calibrarea propriului cuartz asa cum vom vedea in cele ce urmeaza) posibilitatea de a utiliza o sursa externa de referinta de 4 MHz.

Principiul de masura

Un frecventmetru ramane totdeauna un numarator de impulsuri pe perioada unei unitati de timp, generata de o baza de timp precisa.(n.t. se numara impulsurile de la intrare pentru o perioada de timp de 0.1,1 sau 10 sec. uzual, fiind apoi afisate).

Fig. 1

(n.t.: nu cred ca este necesara traducerea cuvintelor din fig.1 avand in vedere ca sunt destul de sugestive si in limba romana)

Sinopticul de mai sus ilustreaza principiul de functionare. O poarta permite trecerea impulsurilor de la intrare pentru o perioada fixa, de exemplu o secunda ) ce provin de la secventiator.Precizia acestor impulsuri este de o mare importanta pentru obtinerea celei mai bune rezolutii. In frecventmetrul nostru, poarta principala este un integrat 74HC00 (NAND NU-SI logic).Impulsul de poarta este generat de catre microcontrolerul PIC care avand o structura de tip RISC (4 cicluri de clock pentru o instructiune) permite obtinerea unei durate foarte precise prin divizarea cuartzului. Numaratorul frecventmetrului este divizat in trei parti:

3 celule de divizare externe realizate cu 74HC393 de 9 biti prescalerul timer-ului 8 biti timer-ul intern de 8 biti cu un bit de depasire

Asa dar profunzimea de masurare este de 26 de biti ce corespunde in zecimal la 226E ^67108900. Aceasta permite afisarea a aproape 8 cifre de rezolutie , ultima fiind de fapt obtinuta prin calcul numeric. In practica, pe toate frecventele , ultima cifra semnificativa trebuie privita ca fiind relativa ,ea va cumula totdeauna incertitudinile de masura datorate : preciziei cuartzului (sau bazei de timp externe) si timpului de intarziere in deschiderea portii de intrare.

Descrierea schemei

Inima frecventmetrului este evident micocontrolerul PIC ce genereaza secventele, asigura afisarea , executa citirea in modul selectionat a intrarilor de masura. Pentru a economisi intrarile/iesirile gestionate de PIC, afisorul LCD foloseste 4 biti de date si doua semnale de control.Intrarile de selectie (RB4 si RB7) sunt tratate de catre intreruperi pentru a parasi masurarea in curs si a trece rapid in mod selectie.

Fig. 2

(n.t.: pentru cei ce au probleme in vizualizarea schemei, propun link-ul : http://f4avi.homelinux.net/realisations/freqF5RCT/plan.jpg unde detaliile sunt mai evidente. Spatiul editorial nu permite o rezolutie mai buna.

In stanga schemei distingem foarte bine cele 3 intrari iar in dreapta oscilatorul de referinta de 4MHz, dispozitivul de numarare, PIC-ul si afisorul in partea de jos. Intrarea UHF este urmata de un amplificator de banda larga MAR6 pentru cresterea sensibilitatii prescalerului sub 200MHz. Prescalerul MC12079 Motorola (sau µPB1505GR produs de NEC) divizeaza cu 64 sau 128 in functie de starea logica comunicata de catre tranzistorul Q3 ce este comandat de la intrerupatorul S2.In mod VHF pentru frecvente masurate pana la 999MHz, prescalerul divizeaza cu 64 pentru un timp de masura de 4 sec. La frecvente mai ridicate in UHF, raportul de divizare este de 128 iar timpul de masura este de 1 sec. Acest compromis a fost necesar pentru a asigura precizie si rapiditate in masurare in functie de domeniul de frecventa ales.

Intrarea HF este de asemeni amplificata cu NE592 (U5) ce este de obicei folosit in amplificarea semnalelor video.Iesire neutilizata a lui NE592 debiteaza pe reistenta R7. Semnalul amplificat este divizat cu 2 de catre U6.

Intrarea de joasa frecventa seamana cu o intrare de osciloscop de inalta impedanta. Tranzistorul cu efect de camp Q1 este montat ca repetor.Diodele D2 si D3 protejeaza intrarea la supratensiuni.Tranzistorul Q2 amplifica semnalul furnizandu-l portii NAND U2D.

Semnalele de la cele 3 intrari, converg catre selectorul de date U3 care, in functie de modul ales selecteaza intrarea corespondenta prin combinatia porturilor RA1 si RA0.Utilizarea unui circuit specific de comutare electronic, evita deformarile semnalului produse de un comutator rotativ mecanic.

Semnalul de numarat soseste la poarta NAND U2B care permite trecerea lui mai departe pentru o durata de timp foarte precisa generata de PIC.Poarta urmatoare U2A serveste pentru a determina valoarea pentru numaratoarele externe U6B si U1. Aceasta poarta este folosita in timpul numararii dupa care PIC-ul trimite impulsuri complementare pana cand iesirea QD a lui U1A basculeaza. Acest principiu de numarare prin completare se aplica de asemeni PIC-ului pentru a determina valoarea prescalerului intern ce precede numarator-timer-ul intern.

Oscilatorul de referinta este un cuartz de 4MHz a carui frecventa este ajustata de trimerul CJ1.

Precizia de calare si deriva in temperatura sunt primordiale pentru rezolutia de afisare.Cu un cuartz bine calat la temperatura ambianta, precizia este de 1 la 10ppm adica in jur de 4-40Hz diferenta fata de precizia absoluta de 4MHz in modul joasa frecventa.Pentru a obtine mai multa precizie , putem sincroniza oscilatorul cuartz cu un semnal de 4MHz

extern. Cand intrerupatorul S3 este inchis, poarta U2C este valida si permite trecerea semnalului extern.La iesirea ei gasim un semnal dreptunghiular care prin capacitatea C23 se regaseste la intrarea oscilatorului cu cuartz al PIC-ului.Modul acesta de cuplaj sincronizeaza cuartzul astfel incat sa poata fi calat pe 4MHz cand este decalat cu maxim 100Hz.

Reglajul frecventei cuartzului ramane prima dificultate majora odata frecventmetrul realizat ! Daca dispunem deja de un frecventmetru industrial etalonat, injectam semnal din referinta acestuia la intrarea ce permite masurarea de 5 sau 10MHz si reglam trimerul CJ1 pana indicatia afisajului este corecta.

Trebuie deci sa dispunem de o frecventa de referinta ! Cautand mai in detaliu, exista ceva ce toata lumea poseda : televizorul dumneavoastar ! Frecventa de sincronizare linii a imaginii este de exact 15625Hz. Cand butonul " reset " este mentinut in timpul punerii sub tensiune, PIC-ul intra in modul calibrare si genereaza un semnal periodic de 15625Hz in punctul de test TP1. Daca butonul este eliberat, reintram in functionare normala . Metoda de reglaj cu ajutorul televizorului va fi explicata in detaliu la sfarsitul acestui articol.

Selectorul de mod S1 este un inversor cu 3 pozitii (pozitia centrala fiind izolata). Fiecare din pozitii corespunde uneia din intrari (JF/HF/UHF). Intrerupatorul S2 nu este activ decat in modul UHF : cand este inchis, raportul de prescalare se modifica la 64 si rezolutia de afisare trece de la 100Hz la 10Hz pentru toate frecventele inferioare la 999MHz (mod VHF) iar timpul de numarare trece in 4 secunde.

Dioda D6 si conectorul JP2 sunt prevaute pentru o viitoare extindere cu prescaler de 10GHz de exemplu.

Alimentarea intregului ansamblu este stabilizata cu un clasic 7805 ce permite la intrare o tensiune intre 8V si 10v.Montajul consuma 60mA dar o alimentare la retea este preferata celei cu baterii.Un mic bloc redresor poate fi adaugat. Afisajul este mai contrastant cand cursoru RJ1 este adus catre masa.

Realizare practica

Fig. 3

Notati ca pe piata se gasesc doua tipuri de afisoare : LCD-urile numite TN (Twisted Nematic) si STN (Super Twisted Nematic) care sunt mult mai contrastante dar de doua ori mai scumpe !

Circuitele logice trebuie sa fie de tipul 74HC, cele 74LS sau 74HCT nu convin aplicatiei !

Punerea in functiune a prescalerului de 3GHz este destul de delicata, un montaj SMD cu cateva condensatoare ceramice este necesar. Intrarea lui MAR6 este marcata cu un punct de vopsea alba.

De remarcat ca cele 4 conectoare RF sunt plasate pe aceeasi latura a circuitului imprimat. Aceasta permite in acelasi timp sudarea conectorilor conform figurii de mai jos.

Fig. 4

Conectorii sunt de tip BNC. Se pot folosi si cabluri pentru conectare evitand insa la intrarea UHF acest lucru.

Afisorul este racordat printr-un cablu panglica multifilar de maximul 20 de cm. Pinul 1 al afisorului se gaseste in coltul din stanga sus. Afisoarele cu iluminare au doi pini suplimentari 15 si 16.

Toate circuitele integrate sunt montate fara soclu cu exceptia PIC-ului in vederea eventualei reprogramari daca este necesar.

Fisierul de programare HEX versiunea V1.2 se gaseste la adresa:

http://f4avi.homelinux.net/realisations/freqF5RCT/frqpic12.hex

Atentione ca alte versiuni nu sunt garantate de autor. Versiunea actuala este indicata la punerea sub tensiune a frecventmetrului prin afisarea mesajului " F5RCT VERSION1.2 "

Daca veti realiza corect montajul el trebuie sa functioneze de la prima punere sub tensiune !

La punerea in cutie este de preferat ca afisorul sa fie usor inclinat deoarece majoritatea afisoarelor LCD sunt neclare cand le privim de la inaltime.

Intrarea de joasasa frecventa este foarte sensibila.Daca banda de fire ce furnizeaza date catre afisor trece pe deasupra acestei intrari, riscam sa citim o frecventa parazita diferita de zero.In acest ca este de preferata utilizarea unei ecranari cu o folie de cupru in forma de u care sa acopere ona de intrare a lui Q2.

Reglaje

Inainte de punerea sub tensiune, vom verifica pentru ultima oara montajul si cablarea comutatoarelor.

Reglati RJ1 la masa pentru a avea contrast maxim.

Fig. 5

Aplicati alimentarea si verificati ca aveti in iesirea stabilizatorului 7805 , +5V.Verificati ca S3 este in poitia deschis.Afisorul trebuie sa indice zero KHz in JF, HF, UHF in functie de modul selectionat din S2. In mod UHF , un afisaj diferit de zero si instabil poate fi prezent in anumite cazuri (prescalerul poate oscila sau zgomotul lui este amplificat intern si divizat).

Fig. 6

Circuitul integrat stabilizator se incalzeste un pic dar nu este cazul sa va ingrijorati (il putem lasa in aer sau si mai bine il prindem de cutia frecventmetrului pe post de radiator).

Curentul masurat pe prototip a fost de 55mA la o tensiune de alimentare de 12V. Reglati cum va place contrastul afisorului.

Fig. 7

Opriti alimentarea frecventmetrului si scurcircuitati S4 cu un " crocodil " de exemplu , dupa care realimentati. Afisorul LCD va aparea ca in imaginea de mai sus, un semnal dreptunghiular de 15625 este prezent la iesirea portului RB0 via TP1. Aveti acum doua posibilitati de reglare a frecventei de 4MHz care constituie baza de timp a frecventmetrului. Daca aveti un osciloscop, sincronizati baza de timp a osciloscopului cu semnalul furnizat la iesirea TP1 (sincro ext. la osciloscop), preluati un semnal VIDEO COMPOZIT de la postul TVR1 (n.t.) .Semnalul il puteti prelua de la mufa Peritel cu care este echipat televizorul dumneavoastara. El se gaseste la pinul 20 si pinul 19 pentru masa (atentie pe un cablu Peritel firele sunt incrucisate si la celalat cap de cablu le veti gasi la pinii 17(masa) si 19 (video).Observand pe ecranul osciloscopului varful de sincronizare, reglati CJ1 incercand sa reduceti miscarea acestuia de la stanga spre dreapta ecranului sau invers pana se stabilizeaza. (n.t. : este de preferat ca reglajul sa fie efectuat pe ZDF sau ARD pentru cei ce au TV cablu, posturile germane TV fiind pilotate cu oscilatoare foarte stabile.Eu cred insa ca si TVR primeste sincroniare de la INM sau are un oscilator de sincronizare cesiu sau rubidiu.Cele care sigur au astfel de sincronizari sunt cele numerice terestre care inca nu au patruns la noi)

Daca nu posedati un osciloscop, o a doua posibilitate este valabila : legati semnalul de la TP1 la pinul 16 si 18 (masa).Semnalul astfel se aplica pinului de comutare rapida a semnalului video moduland pe ecran imaginea cu o banda neagra. Reglati CJ1 ca aceasta banda sa nu mai defileze si sa fie stabila. Acest mod de reglaj al oscilatorului este accesibil tuturor.

Fig. 8

In timpul reglajului o banda neagra se va decala spre stanga sau dreapta in functie de deriva cuartzului dumneavoastra. Scopul reglajului este de a impiedica aceasta defilare si de a o stabiliza. N.t. :Atentie in fig.8 este prezentat brochajul pentru celalalt capat al cablului , nu pentru conectorul din televizor !)

Fig. 9

Daca nu reusiti sa stabilizati frecventa, trebuiesc retusate valorile condensatoarelor de sarcina ale cuartzului C24 si C20.Adaugati 10pF in paralel cu fiecare din ei si observati daca defilarea este mai lenta.In caz contrar, desudati C20 si C24 si inlocuitii cu urmatoarele valori : C20=33pF si C24=18pF.Aceasta procedura va fi aplicata daca provenienta cuartzului este necunoscuta. (n.t. : daca nici asa nu reusiti schimbati cuartzul cu altul de aceeasi frecventa si repetati operatia.

Masuratori efectuate

Performantele masurate sunt excelente in sensibilitate . Raspunsul in frecventa la intrarea JF este foarte plat.Frecventa de taiere cea mai mare este dependenta de tranzistorul Q2 si de " sarcina sa R5. Sensibilitatea de intrare este legata de punctul de polarizare a lui Q2 care trebuie sa se plaseze la 2.5V pe colectorul sau. Daca tensiunea este mai mica mariti

valoarea lui R19 pana reusiti sa obtineti 2.5V. Intrarea HF este voluntar limitata la nivelul frecventelor joase prin capacitatile de intrare (C17 si C27), dar aceasta nu o impiedica sa poata lucra la 10KHz cu un pic peste 220mV.

Sensibilitatea intrararii UHF este legata de raspunsul in frecventa a preamplificatorului MAR6, incercarile aratand ca aceasta intrare permite lucrul pana la aproape 4GHz daca este respectata coaxialitatea la intrare !

Fig. 10

Lista componentelor

Circuit imprimat fata suduri:

http://f4avi.homelinux.net/realisations/freqF5RCT/botl.jpg

Fig. 11

Circuit imprimat fata componente:

http://f4avi.homelinux.net/realisations/freqF5RCT/topl.tif

Fig. 12

(n.t : se salveaza imaginile .tif din locatiile specificate si se rescaleaza cu un editor de imagine)

Plasarea componentelor

Fig. 13

http://f4avi.homelinux.net/realisations/freqF5RCT/place.tif

Acest frecventmetru a fost realizat in numeroase exemplare, singurele probleme raportate de cei ce au realizat cablajul a fost suduri... uitate a fi facute in special pe fata de componente.

Bibliografie

- Documents et site web Microchip - www.microchip.com - Elektor 02/98 - EDN 03/98

Comentariul traducatorului

Am selectat acest frecventmetru pentru seriozitatea prezentarii lui de catre autor si pentru calitatile frecventmetrului. Sper sa existe curajul de a-l experimenta si sa auzim de rezultate imbucuratoare. O mare problema o va reprezenta prescalerul propus.Exista insa solutii ! Daca aveti intrebari , le puteti posta in www.radioamator.ro si voi incerca sa va raspund in timp util.Unele componente pot fi inlocuite cu altele ce sunt gasibile in YO deci …La lucru ! Hi !

Autorul a dezvoltat si versiunea ce foloseste baza de timp la 10MHz diferenta fiind evident soft-ul si PIC-ul utilizat 16F84A-04P care poate functiona si la 10MHz.

Iata si versiunea hex necesara atunci cand doriti sa folositi in loc de 4MHz un quartz sau semnal extern de 10MHz.Numele fisierului este frqpic16F84A-04-10Mhz.hex

Este evident ca unele solutii de aici pot fi folosite in frecventmetrele PIC deja existente, de exemplu sincronizarea exterioara, reglajul frecventei quartzului de 4MHz, intrarea de JF, etc.

Copyright

Autorul articolului F5RCT interzice comercializarea sub forma de kit a proiectului

prezentat fara acordul sau. Adresa de contact a autorului este:

Traducere si adaptare Florentin Margarit

F/YO9CHO 20.09.2008

Jean-Mathieu Stricker F5RCT

Articol aparut la 20-9-2008

19036