Frecventmetru 30 Mhz cu uC

[r3zomxy]

Buna seara.Doresc sa realizez un frecventmetru ca sa masoare pana la 30 MHz cu o precizie de +/-1Hz, num?ratorul zecimal va avea o capacitate de 8 cifre.Ma poate ajuta si pe mine cineva sa realizez acest aparat de masura utilizand un microprocesor sau Pic? Vreau sa fie ceva simplu. Va multumesc si imi cer scuze daca nu am postat unde trebuie. 

[prog]

http://www.tehnium-azi.ro/topic/5789-frecventmetru-30-mhz/

[Galileo2]

  Pentru a atinge precizia pe care o vrei (1/30000000), o solutie ar fi utilizarea unui counter pe minim 26 biti excitat

de doua frecvente: una e cea de masurat si a doua martor. Frecventa martor trebuie sa fie astfel aleasa incat

sa permita intre doua oscilatii operatiile de incrementare counter (toti cei n biti),  dar si ceva operatii de gestiune

(de ex. stop_counter). Frecventa martor trebuie deci sa fie sensibil mai mare decat limita de 30MHz, probabil

de la 200MHz in sus. In imagine ai o schema de frecventmetru prin comparatie.Frecventa de masurat se afla printr-o

simpla operatie aritmetica (stii numarul de impulsuri facut de Fquartz).

 

  Pentru solutia cu uController / uProcesor, trebuie sa alegi unul cu frecventa de lucru suficient de mare astfel

incat programul de contorizare (obligatoriu in assembler), prin bucla de instructiuni, sa NU SCAPE nici un impuls

in masurarea frecventei (mai mult ca sigur GHz, dar si acces rapid uProc la o poarta rapida de intrare - USB 2.0 /3.0).

 

[gsabac]

@galileo, aveti idei care pot duce la realizarea unui frecventmetru de o asemenea precizie. Ar fi bine daca puteti

  sa repostati o schema bloc mai extinsa si mai clara, deoarece nu se inteleg toate detaliile.

Frecventmetrul cu uC este capabil sa masoare frecvente de pina la 50MHz cu rezolutie de 10Hz

  si precizie de aproximativ 100Hz, dupa mai multi autori.

In legatura cu frecventmetrele de precizie cu microcontroller sunt artificii hard, cu care se pot

  realiza precizii de +/-1Hz la 30.000.000Hz, adica de 3*10^-8 .

Aceasta implica porti ECL-10K, o decada afisabila ECL-10K si o decada afisabila TTL-H sau TTL-LS

  si de la 300KHz in jos se poate utiliza un microcontroller.

Toate acestea sunt obligatoriu controlate de o baza de timp ECL-10K cu pornire de la un cuart termostatat

  de cel putin 10MHz declansata de uC.

Cuartul termostatat trebuie sa fie un ansamblu etalon cu o precizie de 10^-9 si o stabilitate in timp

  de acelasi ordin de marime.

Un model de cuart termostatat integrat este in poza, alaturi de un cuart de precizie la temperatura camerei,

 din colectia personala:

  

Este deosebit de complicat de realizat un termostat de precizie pentru cuart, deoarece nu se dispune 

 de un asemenea cuart facut sa functioneze la 70 de grade si cu o frecventa nativa (fara reglaje de fortare)

 de 10.000.000Hz sau la orice alta frecventa divizibila pentru 10mS, 100mS sau 1 secunda.

Eu am realizat un asemenea frecventmetru precis, cu circuite ECL-10K si TTL-LS, cu 9 cifre afisate si

 timpi de masura 10mS. 100mS, 1S si 10 secunde.

Nu este imposibil si cu uC, poate am exagerat un pic, dar nu prea mult, deoarece cerintele din

 topic sunt din categoria aparatelor de masura.

 

@gsabac

 

[ciby]

...

Este deosebit de complicat de realizat un termostat de precizie pentru cuart, deoarece nu se dispune 

 de un asemenea cuart facut sa functioneze la 70 de grade si cu o frecventa nativa (fara reglaje de fortare)

 de 10.000.000Hz sau la orice alta frecventa divizibila pentru 10mS, 100mS sau 1 secunda.

...

 

@gsabac

Domnule Gsabac, avand un microcontroler in ecuatie, baza de timp nu mai trebuie sa livreze la iesire multiplii sau submultiplii de 10. Acestia pot avea orice valoare, chiar daca rezultatul masuratorii va afisa valori nerealiste, acestea pot fi convertite matematic in valori corecte. Microcontrolerul suporta si operatii aritmetice simple, iar prin regula de trei simpla, convertim rezultatul real in valoarea corecta afisata.

De exemplu, avand o maza de timp de 0.656 secunde, in cazul unui semnal de 1.000.000 HZ, frecventmetrul va numara 656.000 impulsuri pe care, fara conversie, le va afisa ca atare. 

Daca facem conversia aplicand regula de trei simpla, vom avea: 0,656/656.000=1/X, de unde rezulta ca X=(1*656.000)/0.656=1.000.000 valoare care va fi afisata pe display. Se poate lucra foarte bine cu frecventa nativa la 70 de grade a unui cuart de precizie, dar trebuie sa stim care este aceasta, si asta presupune masuratori foarte exacte cu aparatura la care initiatorul topicului este posibil sa nu aiba acces.

Probleme vor exista in continuare, iar cele expuse de Dvs. in postarea anterioara raman in mare parte valabile! 

Editat Martie 30, 2017 de ciby

[gsabac]

 Eu stiu ca "taietura" cuartului, pentru stabilitati deosebite, se realizeaza pentru temperatura medie de functionare,

  pe baza unui algoritm, ca sa se obtina o curba de variatie necesara.

Mai exista o modalitate de realizare a unui oscilator de precizie "termostatat" cu cuart, prin utilizarea unui set de termistori, care comanda

 o dioda varicap, pe o curba polinomiala de liniarizare. Primul model a fost facut de KVG si ulterior a fost adoptat si de IEMI.

Bineinteles ca si termistorii rebuiesc stabili, trimerii de reglaj cu aer, curatenia circuitului perfecta si totul inchis intr-o

 cutie de cupru cu grosimea de circa 1mm. Pina la urma cu un studiu adecvat si multe experimentari se poate face un oscilator

 cu cuart stabil pe perioade scurte de timp, zile sau poate luni, apoi trebuie recalibrat. Realizarea unei asemenea stabilitati este

 de domeniul profesionistilor cu traditie.

 

 Deci se poate realiza orice interval de masura dupa Dvs. si :

1 -  impartirea trebuie realizata cu 9 cifre zecimale in virgula mobila, ca sa se obtina o precizie de +/1*10^-8;

2 - Timpul de masura nu poate fi mai mic de 1 secunda pentru asemanea precizie;

3 - Abaterea temporala a frontului portii de numarare ("jitter") trebuie mai mica de 10nS;

4 - Frontul de deschidere si inchidere al portii trebuie sa fie mai mic de 10nS;

Un microcontroller poate sa realizeze garantat aceste performante ?

De aceea baza de timp trebuie realizata cu circuite rapide, iar uC doar sa comande initierea deschiderii portii de numarare.

 

In concluzie pentru astazi, trebuie sa ai cunostinte si experienta avansata dar si materiale pe masura.

Vorba rom?nului : Nu po?i s? faci din c?cat bici ?i s? ?i trozneasc? !

 

@gsabac

[Galileo2]

  Revin cu precizari, si cu un link la o noua imagine a schemei bloc. Pregatirea masurarii frecventei se face cu "Clear" (se reseteaza

hc165 si, prin iesirea Q flip-flop, se blocheaza in HC08 cele doua frecvente). "Start" porneste cele doua frecvente, si sunt excitate

cele doua lanturi hc165 (incepe numaratoarea). In momentul in care bit-ul "m" face tranzitia 0 --> 1, pe Reset (flip-flop) apare

0 logic, moment in care cele doua oscilatoare sunt blocate. Prin soft (PC / uController) se citesc serial cei n biti. Se stie ca s-au

executat 2^(m-1) impulsuri, si, in acelasi timp s-au executat si q impulsuri citite din Counter_3. Cu regula de 3 simpla se afla frecventa

de masurat.

 

  Se pot automatiza butoanele Start si Cancel (n-ar fi foarte complicat) prin comenzi PC / uController (in special uController).

 

  Important in reusita realizarii practice este ca incrementarea intregului lant de contorizare a frecventei mari (ex. 200MHz) sa

fie realizata in cel mult 1/30000000 secunde (aprox. 33nS, 29 biti / flip-flops). Nu mi-am propus pana acum obtinerea unei abateri

atat de mici, si n-as sti sa recomand vre-un chip anume. O idee ar fi utilizarea a 8-16 flip-flop_uri extrem de rapide, si dupa ele

un uController rapid (tip RISC; poate fi chiar acelasi).. Flip-flop-urile ar avea sarcina de a reduce viteza semnalului la intrarea

uController-ului, iar acesta (prin soft) ar fi capabil sa numere impulsurile (care ar fi multiplu de 8-16).

 

https://postimg.org/image/idpjchlu1/

[gsabac]

@Galileo2, am studiat idea si schema. Consider ca idea este perfecta si sunt ceva probleme conceptuale la baza de timp

 realizata cu numaratorul de "m" biti, circuitele rapide nu sunt o problema, ECL-10.000 sau ECL-100.000, ci timpul de 

 intirziere de la prima celula la ultima, care poate fi mai mare de 1 perioada (33nS), asa cum ati precizat.

Deci ce tip (type) de numarator trebuie folosit ?

Cind am construit o baza de timp pentru un frecventmetru nativ de 150MHz, cu 9 cifre, cu TTL-H, nu mi-am dat seama ce rezultate

 slabe am sa obtin si nu am mai avut posibilitatea sa folosesc numaratori sincroni ECL.

Microcontrollerul trebuie sa rezolve o regula de trei simple cu numere binare de 29 de biti iar rezultatul final trebuie sa fie un numar

 in precizie dubla zecimala, de exemplu, 27.345.876, adica cu 8 cifre semnificative, deci operatiile trebuiesc facute cu 9, 10 cifre zecimale.

Microcontrollerul, Atmel 32-bit AVR UC3 Microcontrollers, poate sa faca prelucrari de numere in precizie simpla,

  7 cifre semnificative si nu cunosc unul mai performant, poate ceva algoritmi dedicati.

Consider ca se poate si de la idee la experimentari partiale si rezultate viabile este cale lunga care se poate strabate

  cu munca si greutate. Desi am facut cursuri de aparate de masura si am studiat de cite ori am avut ocazia cum se pot face

  frecventmetri cu precizia de +/- un bit, imi dau seama ca cunosc prea putin.

In poza este frecventmetrul construt de mine, pe pozitia de calibrare cind masoara o frecventa etalon interna.

 

Succes !

 

@gsabac

Editat Martie 31, 2017 de gsabac

[gsabac]

Revin cu un articol interesant care utilizeaza idea cu 2 numaratori. In cuprins se evidentiaza

 componentele folosite, anvergura aparatului si rezultatele experimentale pentru 26 de biti.

 

@gsabac

Dual Channel High Precision 26 Bit Frequency Counter.pdf

[Galileo2]

@GSabac
  In primul rand, multumesc pentru aprecieri. La fel si dvs. pentru
frecventmetrul din imagine. Sunteti un adevarat pasionat, lucru
rar astazi.
  Am parcurs pdf-ul pe care l-ati atasat in postare. Ideea ar fi cam
la fel (Fx masurata de o alta frecventa, cunoscuta si precisa).
Implementarea insa e cam complicata pentru un amator (CPLD, uC, ...).

Revin la schema propusa:

Partea 1:
=========
  In ecuatia de timp a frecv. Fquartz (sa zicem 200MHz), avem:

1. Gap de timp in oscilatia OscQ (startul nu garanteaza ca poarta 2
   "da drumul" la Fquartz EXACT INAINTEA frontului crescator al
   oscilatiei). Gap maxim <= o perioada (1/200MHz == 5nS), il notez
   cu Tgap21
2. Delay poarta 2 (luat din pdf-ul chip-ului), il notez Tp21
3. Delay total Counter_pe_m_biti (luat din pdf), il notez Tcm
4. Delay poarta 8, il notez Tp8
5. Delay poarta 7, il notez Tp7
6. Delay Flip-Flop, il notez Tff
7. Delay poarta 2, il notez cu Tp22
8. Gap de timp pentru blocarea Fquartz (prin dezactivarea portii 2).
   (din nou, semnalul STOP venit de la Flip-Flop nu vine EXACT DUPA
   frontul crescator al lui Fquartz). Gap maxim <= o perioada Fquartz,
   (5ns), il notez cu Tgap22

Astfel, avem timp total (DelayTotalQuartz) intarzieri pe lantul STOP:
  DTQ = Tgap21 + Tp21 + Tcm + Tp8 + Tp7 + Tff + Tp22 + Tgap22
Stim ca, pentru Fquartz == 200MHz, Counter_pe_m_biti numara pana la 2^m.

{ Nota:

  bitii 0..m-1 pleaca, dupa operatia SET_FOR_START din 0. Si revin, la
  terminarea contorizarii, tot pe 0, dar bit m face tranzitia pe 1
  pentru STOP catre Flip-Flop.
}

Timpul de executie Start-Stop al circuitului Counter_pe_m_biti este
(il notez cu TCM) TCM = 2^m * 5nS + DTQ

Partea 2:
=========
  Pentru frecv. Fx, "inertia" Contorului_pe_n_biti nu are importanta,
ea nefiind baza de timp. Astfel ca avem:
TCM == Nx * 1/Fx, unde Nx == numarul de impulsuri contorizate de
Contor_pe_n_biti.
  Deci, la final, uControllerul / Procesorul trebuie sa faca operatia
Fx = Nx/TCM, cu TCM in secunde. Operatia POATE fi executata si de
uControllere din gama mica/medie, algoritmul impartirii binare
(cu orice precizie) este clasic si poate fi gasit si pe Net cu
explicatii ample.

  O privire mai atenta releva ca precizia depinde de momentul in
care semnalele START si STOP activeaza / dezactiveaza poarta 1.
In cazul cel mai putin favorabil (START "vine" cu putin dupa frontul
crescator al Fx, iar STOP "vine" cu putin dupa), precizia ar fi
(la Fx == 30MHz) de max. +-2Hz. Pentru atingerea preciziei de +-1Hz,
se poate dubla la intrare frecventa Fx.

Obs.
1. Precizia masurarii lui Fx este invers proportionala cu valoarea sa.
2. Viteza cip-urilor de pe lantul bazei de timp (Fquartz) ar putea
   fi gasite in domeniul militar. Pentru baza de timp de pana la 100MHz,
   pot fi folosite cip-uri comune, din seria 74F.
3. Asa cum ati precizat si dvs, stabilitatea si precizia masuratorilor
   depinde mult calitatea quartului din OscQ.
4. Ar fi fost perfect daca, pe comanda, quartz-ul Fquartz ar fi taiat cu
   precizie astfel incat sa tina cont de DTQ (ceea ce cred cxa e posibil
   doar in cercetare sau, din nou, in domeniul militar).

PS. Daca am facut greseli in calculele de mai sus, va rog sa ma corectati.

Respect
 

[Galileo2]

@GSabac:

 

  Am uitat sa va raspund cu privire la cip-urile ce trebuie folosite in Counter_pe_m_biti:

orice numarator care sa suporte frecventa Fquartz (de ex. 200MHz). Intarzierile counter-ului

(sau "inertie" de la prima celula la ultima) chiar nu conteaza (a se vedea din calcule, care tin

cont de valoarea delay-ului - orcare ar fi valoarea ei).

[gsabac]

Aparent asa este, dar rezultatul este gresit deoarece valoarea lui TCM din numarare, este diferita de valoarea 

 reala cu pina la  3 biti in plus, care transpus in zecimal rezulta 8 perioade de tact, sau 80nS.

Pentru a se micsora timpul de intirziere, deci precizia, se pot folosi numaratori sincroni, de cite 4 cellule iar circuitele

 ECL10K, ECL100K sau PECL sunt circuite comune care se gasesc de vinzare.

Pentru o imbunatatire substantiala a preciziei unui frecventmetru cu uC comun, asa cum se cere in topic, se pot utiliza cuarturi

 termostatate TCXO care se gasesc peste tot, la pretul de  1$, care au o precizie de 0,5-2ppm pe intreaga gama de temperatura

 si o stabilitate garantata de pina la 1-2ppm anual. Sunt nenumarate frecvente disponibile si se poate alege frecventa si divizarea

 de asa maniera incit sa se obtina timpul pr?cis de 0,1S, 1S sau 10S si astfel programul este mult mai simplu.

Aceasta se traduce intr-o eroare apreciata in mare, cam la 10-20Hz la 30MHz, daca si restul aparatului este corespunzator de precis.

Pentru a ne face o idee de ansamblu asupra imposibilitatii realizarii in regim de amator al unui frecventmetru numeric

 care sa masoare frecventaa de 32.000.000Hz cu o precizie de +/-1Hz, se pot studia prospectele a doua aparate, unul stationar

 si unul portabil, care se vor a fi de clasa. Se remarca folositea unui TCXO de +/-1ppm, precizia de 8 biti se obtine la masurarea

 cu 1secunda si 9 biti la 10 secunde si 10 digiti la 100 secunde.

Modelele au baza de timp cu urmatoarele performante:

1- TIMEBASE

Measurement Clock: 50MHz

Internal Reference: 10MHz TCXO with electronic calibration adjustment (> +/- 8ppm)

Temperature Stability: Better than ? 1ppm over rated temperature range

Initial Error: < ? 0.2ppm at 25?C

Ageing Rate: <? 1ppm/year

2- TIMEBASE

Crystal Oscillator Frequency: 10MHz

Initial Oscillator Adjustment Error: ? 2ppm (closed-case adjustable by user)

Oscillator Temperature Coefficient: Typically less than ? 0.3ppm/?C 18?C to 28?C,

?10ppm ?20?C to 70?C

Oscillator Ageing Rate: <? 5ppm/year

 

Interesant este ca frecventele TCXO-ului se pot ajusta manual, de exemplu dupa o frecventa a unei balize radio etalon.

 

@gsabac

TTi-PFM3000-TG930-Hand-held-Frequency-counter.pdf

Editat Aprilie 1, 2017 de gsabac

[Galileo2]

Am refacut calculele, si sunt corecte. E imposibil sa se piarda 8 impulsuri
Fquartz.
  Pentru OscQ ca si pentru OscX se pot "pierde" cel mult 2 tacti, in situatia
cea mai defavorabila deschiderii portilor 1 si 2:
 1. La START, primele tranzitii 0-->1 (ale OscQ si OscX) sa apara INAINTEA
    semnalului START ==> precizie contorizare Fx de +- 1 tact (pe frecv. de
    30MHz, adica 33.3nS, importanta, abatere +-1Hz; pe frecv. de
    200 MHz, adica 5nS, nesemnificativa, abatere +-0.16Hz,)
 2. Semnalul STOP din Flip-Flop sa apara imediat DUPA tranzitia 0-->1 a
    OscQ si OscX ==> precizie baza de timp de +- 1 tact (pe frecv. de
    200 MHz, adica 5nS, nesemnificativa, abatere +-0.16Hz; pe frecv. Fx,
    importanta, abatere +-1Hz)

In total, abaterea / precizia este de +-2Hz.

  Daca Counter_m_biti are cip-uri ce suporta frecventa Fquartz (de ex. 200MHz),
abaterea este cea expusa mai sus.
  Daca se folosesc ECL-uri, ECL-urile implica SI toleranta lor, de 3%-5%.

TCM ia in calcul delay-ul de pe linia de contorizare Counter_m_biti, oricat ar

fi acesta.

Daca operatia Fx = Nx/TCM pare complicata, atunci se poate si altfel. Se
transforma DTQ in numar de impulsuri OscQ, care se adauga la 2^m:
  N_osc_Q = 2^m + DTQ/5nS
In final, se obtine Fx:
  Fx = 200MHz * Nx / N_osc_Q
(impartirea se poate face si prin scadere repetata, pentru proiectul de fata
nu este nevoie de parte zecimala, soft-ul uC fiind astfel simplificat)

  Daca Counter_m_biti are cip-uri ce suporta frecventa Fquartz (de ex. 200MHz),
abaterea este cea expusa mai sus.
  Daca se folosesc ECL-uri, ECL-urile implica SI toleranta lor, de 3%-5%.
  Daca se foloseste CPLD in Counter_m (de ex. Altera MaxII), Fquartz merge
pana la 300MHz, dar programarea / utilizarea lor este peste puterile unui amator
obisnuit (eventual se poate folosi din MaxII doar partea de contorizare).

  O buna optiune este utilizarea unui oscilator (nu quartz) ALL-IN-ONE, cat mai
precis, cu termostatare. Eventual, daca nu are termostatare, se poate realiza
una cu relativ suficienta eficienta (si doar la variatii de temperatura cu
inertie mare).
 

[gsabac]

Pentru 30MHz ca si pentru 200MHz nu se pierd ci se numara in plus cu 1-2 biti, respectiv 2-3 biti,

  asta datorita intirzierilor cumulative dintre start si stop.

Abrevierea TCXO se refera la oscilator cu cuart termostatat. In prezent acestea sunt componente SMD

 de dimensiuni minuscule, ca in poza, sunt sute de frecvente disponibile, unele la pretul de circa 6lei:

EPSON  X1G004691002512  TCXO, GPS, 16.368 MHz, 0.5 ppm, SMD, 2mm x 1.6mm,

Clipped Sinewave, 3.3 V, TG2016SBN Series. Dupa cum am mai postat, acestea pot imbunatati

 mult precizia si stabilitatea masuratorilor unui frecventmetru.

Scuze autorului ca am poluat destul topicul cu consideratii colaterale si putine date ajutatoare,

 constat ca nu a mai postat la acest topic ca si la celalalt deschis pe aceeasi tema.

 

Succes !

 

@gsabac

 

[Galileo2]

  Pentru simplificarea si mai mult a schemei electronice, se poate renunta
la circuitele de serializare si chiar si la uC, prin legarea de LED-uri
pe bitii fiecarui cip de contorizare din Contor_n_biti. Apoi, cu un program
simplu (scris in Excell, VBasic, VC, chiar si VFox sau Pascal_DOS!), din
starea LED-urilor se poate afla usor valoarea Fx (prin formulele de mai sus).

  Sunt de acord, discutia a depasit uneori cadrul temei din topic,
("ceva simplu"). Cu CPLD, uC, ECL, TCXO nu e tocmai simplu.
  Dar chiar daca topicul a fost demult inceput, si nu s-a postat in el,
cred ca ce s-a prezentat aici poate fi util si pentru alte proiecte.

  Dupa cum am spus, s-a tinut cont de delay-ul liniei Contor_m_biti.
Calculul acestuia s-a facut pentru DTQ. Nu se numara nimic in plus
sau in minus (nu pun cazul in care realizarea practica defectuoasa
a proiectului - nedeparazitare pe pin Vcc, sursa de tensiune improprie,
fire lungi, etc - duce la spike-uri).

  Intarzierile liniei de contorizare pot fi calculate cu pdf-ul
cip-urilor (timpii de propagare). Pentru o precizie foarte buna, se
poate folosi un osciloscop de buna calitate si cu doua intrari. Se
poate masura distanta (delay-ul) in timp intre momentul impulsului
start si pana la tranzitia bit-ului m (0-->1). Apoi delay-ul poate
fi introdus ca o constanta in programul uC, fie ca atare, fie ca
numar de impulsuri contorizate de Contor_pe_m_biti.

Bafta.