FREQUENZIMETRO programmabile

Progetto pubblicato sulla rivista Fare Elettronica

Nel banco di lavoro dell’hobbista oltre all’alimentatore e all’immancabile tester, lo strumento più ambito è il frequenzimetro in particolare se l’appassionato ama sperimentare con l’alta frequenza...

IL PROGETTO

Di progetti di strumenti come quello che vi stiamo presentando, ne sono stati pubblicati molti nelle varie riviste di elettronica, circuiti complicati pieni di integrati montati in circuiti stampati enormi o circuiti semplificati dal solito integrato dedicato tanto costoso quanto introvabile. Per non parlare dei prescaler costosissimi per arrivare a leggere con difficoltà non più di 300 Mhz.

Con la diffusione dei microcontrollori in particolare dei PIC che tra le varie periferiche incluse nel chip troviamo un contatore velocissimo, massimo 50 Mhz, sono stati proposti vari frequenzimetri sia nei siti che nelle riviste.

 Il vantaggio nell’uso dei micro è indubbiamente la semplificazione del circuito e il basso costo dello strumento finale, visto che tutto il lavoro è interamente gestito dal software del micro.

Nel considerare le esperienze dei vari hobbisti che propongono i loro lavori, abbiamo volutamente progettato uno strumento che utilizzasse componenti comuni e il più economici possibile sfruttando al massimo le potenzialità del PIC, ottenendo come risultato un strumento versatile e completo, le cui caratteristiche possiamo riassumere di seguito:

·      ingresso doppio con commutazione automatica su selezione della base dei tempi

·      base dei tempi di 100 ms e 1 s per l’ingresso da 0 a 30 Mhz con definizione di 10 Hz (100ms) e 1 Hz (1s)

·      base dei tempi automatica su selezione del prescaler

·      accetta qualunque prescaler per uso televisivo o telefonico (64, 128, 256, 512, 1024) con definizione di 100 Hz (1/64) e 1000Kz (1/128, 1/256, 1/512, 1/1024)

·      programmazione di un massimo di nove medie frequenze da sommare o sottrarre alla frequenza misurata

SCHEMA ELETTRICO

Il segnale da misurare entra dal connettore BNC e prima di essere amplificato, transita attraverso il contatto di scambio del relè K1. QqQQuest’ultimo è controllato dal PIC che lo eccita solo se la base dei tempi selezionata è diversa da 100ms o 1s. Quindi se risultano selezionati questi due tempi, il Q3 e di conseguenza il K1 restano interdetti e il segnale transita attraverso il contatto normalmente chiuso per essere applicato alla base di Q1, un comune 2N2222 per essere amplificato. Dal collettore di Q1, la frequenza da misurare viene squadrata dal NAND [a] di U2, un 74HC132 composto da quattro NAND di tipo trigher di Shmith, e attraverso il NAND [b] usato, in questo caso, come interruttore elettronico.

Lo schema di Q1 è piuttosto classico e funziona abbastanza bene fino a 30 Mhz, anche se il PIC è in grado di leggere fino a 50 Mhz. Ho sperimentato diversi tipi di amplificatori ma non sono riuscito ad ottenere risultati significativi al di sopra dei 30 Mhz. Se qualcuno di voi ha fatto delle prove in tal senso e vuole dividere le sue esperienze con noi, non solo le accettiamo volentieri, ma siamo disposti a modificare il frequenzimetro, se questo lo potrà migliorare.

Dopo la doverosa premessa sul Q1, riprendiamo dall’uscita del NAND [b] di U2. Dunque il segnale amplificato e squadrato viene applicato al pin 3 di U1, che fa capo all’ingresso del contatore veloce TMR0 del PIC. Il micro in questione è un PIC16F628, molto simile al famoso 16F84 ma più economico e molto potente. Gli manca solo un convertitore analogico/digitale che lo renderebbe completo di tutto.

Il pin 6 di U1 attraverso il diodo D7 e la resistenza R15 lascia passare il segnale da misurare per il tempo stabilito dalla base dei tempi selezionata, mentre il pin 7 attraverso la resistenza R16, viene utilizzato dal software per leggere il contenuto del prescaler del TMR0, poiché tale registro non è accessibile come gli altri interni al PIC.

Vediamo ora cosa succede se selezioniamo una base dei tempi diversa da 100ms o 1s. Il transistor Q3 passa dallo stato di interdizione allo stato di saturazione grazie alla polarizzazione della base controllata dal pin 9 del PIC, provocando l’eccitazione del relè K1, deviando il segnale non più verso il Q1, ma verso U3, un qualsiasi prescaler per uso televisivo.

Devo ammettere che abbiamo cercato qualche modello di prescaler nei negozi riservati ai riparatori radiotelevisivi, ma nessuno lo teneva nel proprio magazzino. Avevamo accantonato l’idea di usarlo finche non avessimo avuto l’occasione di visitare la fiera di elettronica della nostra zona, quando per caso abbiamo portato del materiale all’ecocentro della nostra zona. Gioia e tripudio quando ci siamo accorti di una montagna di televisori accatastati l’uno sopra l’altro, molti del tipo con il display a LED che indica il canale sintonizzato. Molti di questo tipo, sono controllati da PLL con prescaler esterno, altri usano un sistema diverso ma utilizzano ugualmente il prescaler per calcolare il canale sintonizzato e visualizzarlo sul display. Subito abbiamo chiesto il permesso per cannibalizzare un paio di televisori e, ottenutolo, quando abbiamo finito avevamo recuperato ben più di due gruppi RF completi di prescaler.

Quindi se vi capita di visitare l’ecocentro della vostra città o paese, non mancate di prendere uno o due gruppi RF per TV. Per chi non è pratico di televisioni, il gruppo RF è una scatolina metallica con l’attacco dell’antenna esterna quasi sempre saldata direttamente alla scatola del gruppo stesso. Una volta individuata, bisogna togliere il coperchio dalla parte componenti, impresa non sempre fattibile senza prima togliere l’intera scatola dalla scheda televisiva. Non serve lo stagnatore ma basta piegarla fino a rompere la scheda o il connettore che collega il gruppo alla scheda stessa. Tolto il coperchio, se vedete un integrato a otto piedini, avete trovato ciò che cercate, altrimenti potete buttarla e provare con un altro televisore.

Nel proseguire nella descrizione dello schema elettrico, il Q2 adatta il segnale diviso dal prescaler e  il NAND “c” di U2 lo squadra prima di arrivare ad essere misurato dal U1.

Come già detto, U1 è un PIC16F628, un microcontrollore il cui compito principale è quello di contare gli impulsi applicati al piedino 3, internamente collegato ad un contatore veloce. Il conteggio avviene per il tempo selezionato dalla base dei tempi. Se la base dei tempi è impostata su 100 ms, il conteggio avviene per 100 millesimi di secondo esatti. Se è stato selezionato un tempo di 64 ms, significa che il micro lascerà passare la frequenza da misurare, esattamente per 64 millesimi di secondo. Ovviamente in fase di programmazione avremo selezionato il divisore per 64 se effettivamente abbiamo installato un prescaler divisore per 64, il nostro è solo un esempio.

Perciò se la frequenza in ingresso è di 100 Mhz, dopo essere stata divisa per 64 del prescaler, all’ingresso del PIC troveremo una frequenza di 1.562.500 Hz. Il tempo di misura abbiamo detto che è di 64 ms, quindi moltiplicando la frequenza in ingresso per 0.064 secondi otteniamo una frequenza misurata di 100.000 Hz, quindi la divisione totale sarà di 1000 volte.

Altra funzione svolta dal PIC è la gestione del display e dei pulsanti. Il display è un modello LCD intelligente da 2 righe per 16 caratteri. Una scelta tutto sommato economica perché otto display a sette segmenti a LED e relativi driver costano decisamente di più senza contare le considerevoli dimensioni del circuito stampato che deve contenere il tutto. Utilizzando un LCD intelligente otteniamo un circuito stampato contenuto nelle dimensioni e un risparmio sull’alimentatore che deve fornire l’energia. Infatti un LCD consuma circa 2 mA mentre otto display a LED assorbono in media circa 500 mA. Inoltre è possibile visualizzare altre informazioni oltre alla frequenza misurata.

Considerando il numero limitato dei piedini di Ingresso/Uscita disponibili dal PIC scelto, alcuni di questi hanno più funzioni. E’ il caso della gestione dei pulsanti, che utilizzano gli stessi per lo scambio dei dati tra PIC e display. Infatti dopo avere istruito l’LCD su ciò che deve visualizzare, i piedini dal 10 al 13 facenti capo agli ultimi quattro bit della porta B, 

interrogano in sequenza i quattro pulsanti. Se ne trova uno premuto, il micro salta alla routine associata al pulsante premuto.

Terminiamo la descrizione dello schema elettrico con l’alimentatore, un banale integrato regolatore da 5 V stabilizza la tensione per l’intero circuito tranne l’alimentazione del relè che è un modello da 12 volt, di provenienza surplus ma facilmente acquistabile in qualunque negozio di elettronica.

MONTAGGIO

Il montaggio dei componenti sul circuito stampato non presenta difficoltà particolari. Se però avete intenzione di montare il circuito nel contenitore che noi stessi abbiamo usato e che contiene perfettamente il progetto, non perdetevi i consigli che vi stiamo fornendo frutto di esperienza maturata nel presente montaggio. Poi deciderete se seguirli oppure fare di testa vostra.

Il display deve avere il connettore in basso. Dovete trovare il connettore che lo collega al circuito stampato a basso profilo, altrimenti non riuscirete a montare il pannello frontale.

I pulsanti sono di tipo miniatura e molto economici. Si possono smontare da videoregistratori rotti, anche se di solito si possono recuperare in gran quantità modelli con l’alberino di pressione a basso profilo, Nel nostro montaggio necessitiamo di modelli con l’alberino di 14 mm, appena sufficiente da raggiungere la parte esterna del pannello.

L’interruttore di accensione deve essere un modello da stampato e avere il corpo ridotto in modo da presentare la parte filettata che esce dal pannello senza impedire allo stesso di montare nelle slitte dei due semigusci.

Il compensatore C14, il C15 e la resistenza R17, non trovano posto adatto componenti e vanno montati dal lato rame. Il compensatore in particolare, va regolato con l’LCD montato. È comodo averlo a disposizione dal lato rame.

Un’ultimo, consiglio niente zoccolo per il prescaler, va saldato direttamente allo stampato.

MONTAGGIO NEL CONTENITORE

Il contenitore scelto è un modello TEKO 233, di dimensioni contenute, dall'estetica gradevole e, non ultimo, dal costo limitato.

Vi consigliamo di stampare due copie del pannello frontale, fornito nel pacchetto da scaricate dal sito della rivista, su carta di tipo fotografica autoadesiva, facilmente reperibile in tutti grossi centri commerciali.

Una volta attaccata in maniera corretta la prima copia sul pannello frontale, useremo questa come dima di foratura.

Con l'aiuto di un trapano faremo quattro fori da 6 millimetri in corrispondenza dei pulsanti è uno da 8 per l’interruttore. Per il connettore dovrete prima reperirne uno in commercio per le dimensioni del foro, nel cassetto ne tenevamo due, il primo richiedeva un foro da 12, il secondo da 14.

Particolare attenzione va chiesta nel fare la fessura per LCD, da questa dipende il risultato estetico finale.

Terminata la fase di foratura e fresatura del pannello, va tolta la serigrafia precedentemente incollata e va posizionata, con la maggiore attenzione e precisione possibile, la seconda è definitiva copia.

Con un taglierino incidete la pellicola appena incollata in corrispondenza della fessura per l’LCD seguendo le diagonali tracciate, i quattro triangoli ottenuti vanno ripiegati all'interno e attaccati per bene alla parte interna del pannello. In questo modo vengono nascoste eventuali imperfezioni di lavorazione. Sempre con il taglierino incidete nella maniera più delicata possibile i fori per l'interruttore e il connettore. Non toccate assolutamente i fori in corrispondenza dei pulsanti. Questi, infatti, verranno premuti attraverso la mascherina esterna.

A questo punto prendete lo stampato completo di tutti i suoi componenti e unite il pannello frontale precedentemente forato come un sandwich, inserite tutte e due assieme nelle apposite fessure del contenitore.

Per l'alimentatore non proponiamo nessun tipo di circuito stampato, è talmente semplice che è possibile montarlo su un mille fori.

Fatti gli opportuni collegamenti tra alimentatore e frequenzimetro, siamo pronti per il collaudo finale.

Acceso lo strumento, la prima regolazione da fare riguarda R20. Va regolato per il giusto contrasto del LCD. Verificata la corretta accensione del LCD, per la visualizzazione di una frequenza, dobbiamo inserire i necessari parametri per il corretto funzionamento dello strumento.

In realtà la misura della frequenza fino a 30 MHz, è possibile anche senza programmazione.

Le misure effettuate attraverso il prescaler, devono essere misurate in un tempo adatto alla divisione del prescaler stesso. Alla programmazione si accede semplicemente premendo il pulsante P3 (ENTER), il display visualizza la schermata di programmazione

Programmazione

Prescaler  1/128

premendo P1 (UP) vengono cambiate le divisioni in un loop continuo. Le divisioni disponibili sono:

1/64

1/128

1/256

1/512

1/1024

queste vengono richiamate finché non viene nuovamente premuto P3 (ENTER). Il display conferma la nuova divisione visualizzando in alto a destra una freccia rivolta verso l'alto.

Ora possiamo misurare anche le frequenze superiori ai 30 MHz in maniera corretta.

L'altro punto di taratura necessario è il compensatore C14. È sufficiente avere a disposizione una frequenza precisa e regolare il compensatore finché la frequenza letta sia uguale a quella campione.

Se non disponete di una frequenza conosciuta e precisa, non preoccupatevi perché l'errore sarà minimo e riguarderà al massimo poche centinaia di Hz.

PROGRAMMAZIONE DELLA MEDIA FREQUENZA

Come abbiamo accennato all'inizio, è possibile utilizzare il nostro frequenzimetro per misurare la frequenza dell’ oscillatore locale di un qualsiasi ricevitore. Vediamo ora come è possibile memorizzare una o più frequenze da sommare o sottrarre alla frequenza misurata.

Per accedere alla programmazione, premere P3 (ENTER) quindi P2 (DOWN). Viene visualizzata la media frequenza in uso e il cursore lampeggiante è posizionato sul primo numero che indica la posizione della MF in uso nell’array di memoria.

Programmazione

MF        1>-10.700

Con il pulsante P1 (UP) è possibile selezionare una qualsiasi delle frequenze già memorizzate oppure la prima zona libera di memoria. Dopo avere selezionato il numero di memoria, con il pulsante P3 (ENTER) viene cambiato il campo visualizzato dal cursore lampeggiante. Il primo parametro che è possibile cambiare, è il tipo di operazione che vogliamo venga calcolata dal nostro frequenzimetro. Nel caso si desideri sommare la MF alla frequenza misurata, selezioneremo attraverso il pulsante P1 (UP) il simbolo  (+) altrimenti il simbolo (-). Di seguito premendo P3 (ENTER) per cambiare campo e P1 (UP) per cambiare il valore, va impostata la media frequenza desiderata.

Importante: il nuovo valore viene memorizzato solo dopo essere ritornati con il cursore lampeggiante al numero di memoria. Ovviamente possiamo cambiare quante volte vogliamo il valore della MF, l'importante è ricordarsi che il nuovo valore viene accettato solo dopo essere ritornati con il cursore al numero di memoria.

Ricordiamo che è possibile memorizzare fino a 9 media frequenza e che ogni MF è preceduta dal segno che determina il tipo di operazione desiderato. Facciamo un esempio. Se vogliamo memorizzare la media frequenza dei normali ricevitori FM, possiamo salvare nella memoria 1 il valore

1>-10.700

per poter sottrarre la MF alla frequenza misurata, mentre nella memoria 2 possiamo salvare il valore

2>+10.700

e avere la possibilità, se necessario, di sommare la MF alla frequenza misurata.

E il funzionamento è piuttosto intuitivo, all'accensione il frequenzimetro si predispone di default al tempo di 100ms e la MF selezionata prima dell'ultimo spegnimento. Ricordo che se non volete la MF, dovete selezionare la memoria (0>---.---). La media frequenza viene selezionata dal pulsante P4 (END) tra quelle disponibili in memoria. Con il pulsante P1 (UP), è possibile passare dal tempo di misura di 100ms a quello di 1s e a quello selezionato dipendente dal tipo prescaler.

Nel caso sia stata impostata la misura con una media frequenza da sottrarre e frequenza in ingresso risulti inferiore alla media frequenza impostata, al posto della frequenza viene visualizzato il seguente messaggio:

MF>Freq

cioè la media frequenza è maggiore della frequenza misurata.

Lo strumento che vi abbiamo proposto, non mancherà di dare soddisfazioni a chi avrà la pazienza di costruirlo. Oltre tutto sia il PIC che il display possono essere riutilizzati in altre applicazioni. Allo stesso modo il progetto può essere modificato aggiungendo altre applicazioni per soddisfare le esigenze di chiunque.

Puoi scaricare il pacchetto completo dal sito di Fare Elettronica

Il pacchetto non è più raggiungibile dal sito della rivista: scaricalo QUI.

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