دانلود بررسی طراحی و ساخت شمارنده فرکانس تا یک گیگاهرتز

فصل اول

اندازه گیری فرکانس 

1-1- ویژگی های دستگاه اندازه گیری

اصولا عمل یا حاصل مقایسه یک کمیت مفروض با یک استاندارد از پیش تعیین شده را ، اندازه گیری می نامیم. برای این که نتیجه عمل اندازه گیری که با اعداد بیان می شود، معنی داشته باشد، باید اولا استانداردی که برای مقایسه  به کار می رود، دقیقا معلوم ومورد قبول عام واقع شده باشد. ثانیا روش استفاده شده برای این مقایسه باید قابل تکرار بوده و قادر به امتحان کردن دستگاه اندازه گیری باشیم به عبارت دیگر دستگاه به کار رفته و روش اندازه گیری باید موجه باشد.

هر دستگاه اندازه گیری دارای ویژگی ها و محدودیت های خاص خود است و برای انتخاب دستگاه اندازه گیری باید کلیه جوانب در نظر گرفته شود و با توجه به و یژگی های مورد نیاز و قیمت دستگاه  اندازه گیری بهترین انتخاب انجام شود.

1-گستره ی اندازه گیری: محدوده ای از تغییرات کمیت تحت اندازه گیری که وسیله قادر به اندازه گیری آن می باشد.

2-ریزنگری یا تفکیک پذیری: کوچکترین اندازه ی تغییرات کمیت تحت اندازه گیری که می تواند توسط            دستگاه، اندازه گیری شود.

3-حساسیت: نسبت میزان تغییرات خروجی به تغییرات کمیت تحت اندازه گیری

  با بیشترین بودن حساسیت،  اندازه گیری تغییرات کوچک کمیت تحت اندازه گیری راحت تر است اما          معمولا گستره ی اندازه گیری کم می شود.

4-درستی: میزان نزدیکی مقدار قرائت شده با مقدار واقعی کمیت

  معمولا با افزایش گستره ی اندازه گیری درستی کم میشود(یا قیمت ها افزایش قابل توجه می یابد)

5-دقت: نشان دهنده ی میزان پراکندگی آماری مقادیر اندازه گیری شده در چندین بار اندازه گیری یک کمیت است. به عبارت دیگر میزان عاری بودن اندازه گیر از خطای تصادفی میزان دقت را نشان می دهد.

 

                                      2.473                                2.472

                                      2.563                                2.475                                    

                                      2.425                                2.479        

                                  دقت کمتر                               دقت بیشتر

 

در شکل (1-1) نمایش مفهومی دقت و درستی مشاهده می شود.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          

 

 

 

 

                دقت مناسب                                   دقت نامناسب                          دقت مناسب

               درستی مناسب                                درستی نامناسب                        درستی نامناسب

 

 

شکل 1-1-نمایش دقت و درستی

 

 

 

 

1-2- کالیبراسیون(برسنجیدن)

مقایسه عملکرد دستگاه اندازه گیری با مرجع استاندارد (که در رده ی درستی بالاتری قرار دارد) جهت تعیین خطای آن را کالیبراسیون گویند. به عبارت دیگر کالیبراسیون، کنترل دستگاه اندازه گیری به منظور اطمینان از عملکرد مناسب آن است. مرجع استاندارد می تواند یک کمیت یا دستگاه اندازه گیری باشد.

 

1-3- تنظیم دستگاه اندازه گیری

معمولا در دستگاه های اندازه گیری امکان تنظیم ( به صورت محدود) گذاشته می شود تا در مواردی که اندازه گیر از حالت کالیبره خارج می شود، عملکرد آن را اصلاح کنند. تنظیم می تواند به صورت تنظیم شیب یا آفست باشد.

1-4- قسمت های مختلف دستگاه های اندازه گیری

کار اکثر سیستم های اندازه گیری را می توان در قالب سه مرحله ی اساسی قرار داد:

1-مرحله ی آشکارسازی و مبدل

2-مرحله ی میانی یا تغییر دهنده

3-مرحله ی نمایش، ثبت یا کنترل

عناصری از قبیل مقاومت، سلف، خازن، ترموکوپل، کریستال، فتوسل و.  به عنوان مبدل مورد استفاده قرار می گیرد. مبدل یک پدیده ی غیر الکتریکی مانند فشار، دما، رطوبت ورا به یک کمیت الکتریکی مثل ولتاژ، جریان و.تبدیل می کنند.

مرحله ی میانی در یک دستگاه اندازه گیری می تواند شامل قسمت هایی از قبیل چرخ دنده ها، لوله ی هیدرولیکی، انواع فیلتر و تقویت کننده ها، سیستم های انتقال وباشد. در برخی وسایل ممکن است نیازی به مرحله ی میانی ودر برخی موارد این قسمت بسیار پیچیده باشد.

مرحله ی نهایی می تواند شامل قسمت هایی مثل عقربه واشل، لامپ اشعه کاتدی، ستون مایع، قلم متحرک وکاغذ مدرج،  ضبط مغناطیسی و باشد. علاوه بر نمایش دهنده  و ضبط کننده که در مرحله ی آخر وجود دارند، از خروجی این بخش می توان برای کنترل قسمت های دیگر استفاده کرد.

در شکل (1-2 ) قسمت های مختلف یک دستگاه اندازه گیری به صورت کلی نمایش داده شده است.

 

 

شکل 1-2-قسمت های مختلف دستگاه اندازه گیری

 

 

1-5- اندازه گیری فرکانس

یکی از مهم ترین کمیت ها در سیستم های الکتریکی و الکترونیکی فرکانس می باشد. در مدارات مخابراتی فرکانس سیگنال در قسمت های مختلف نقش مهمی را ایفا می کند ودر مراحل مختلف مدولاسیون، دمدولاسیون و پخش باید کنترل واندازه گیری شود. در سیستم های قدرت تغیر فرکانس می تواند باعث تغییر عملکرد سیستم شود، با افزایش فرکانس حجم هسته کاهش می یابد ولی امکان دارد سیستم توانایی تولید گشتاور مورد نیاز را از دست بدهد وهمچنین کاهش فرکانس می تواند باعث به اشباع رفتن هسته و آسیب رسیدن به سیستم شود، بنابراین در سیستم های قدرت هم باید فرکانس به طور دقیق اندازه گیری و کنترل شود. در سیستم های ابزار دقیق برای انتقال سیگنال با تبدیل ولتاژ به فرکانس اثرات نویز را کاهش می دهند.

با توجه به موارد ومثال های فوق اهمیت اندازه گیری فرکانس در سیستم ها بیش از پیش معلوم می شود.با استفاده از اندازه گیری فرکانس می توان کمیت هایی مثل سرعت سیال را به طور غیر مستقیم اندازه گیری نمود.

 

 

1-6- تقسیم بندی باندها وفرکانس ها

فرکانس های رادیویی مطابق جدول زیر تقسیم بندی شده اند:

 

گستره ی فرکانسی	نمادها
3-30 KHz	VLF(Very Low Frequency)
30-300 KHz	LF(Low Frequency)
300-3000 KHz	MF(Main Frequency)
3-30 MHz	HF(High Frequency)
30-300 MHz	VHF(Very high Frequency)
300-3000 MHz	UHF(Ultra high Frequency)
3-30 GHz	SHF(Super high Frequency)
30-300 GHz	EHF(Extra high Frequency)

جدول 1-1-تقسیم بندی فرکانس ها

 

امواج رادیویی طیف وسیعی از فرکانس ها را در بر می گیرند که بر حسب کاربرد طبق استاندارد هایی  تقسیم بندی شده اند. با افزایش فرکانس سیگنال کاربرد های آن تخصصی تر و همچنین اندازه گیری فرکانس آن مشکل تر می شود.

 

1-7- فرکانس متر هاو مدارات ارائه شده برای آن

اصولا یکی از ابزار های مهم که در بخش های مهم سیستم های الکترونیکی و مخابراتی به کار گرفته می شود، فرکانس متر می باشد. این ابزار می تواند به صورت آنالوگ یا دیجیتال پیاده سازی گردد، نکته ی مهم درپیاده سازی این ابزار توجه به محل استفاده و نیز محدوده ی فرکانسی مورد نظر می باشد.

امروزه عمدتا به دلیل استفاده از مدارات دیجیتال ونیز پردازنده های با سرعت بالا در دستگاه های مختلف از فرکانس مترهای دیجیتال استفاده می شود وعملکرد این دستگاه ها با بهبود سرعت این پردازنده های دیجیتال روز به روز بهتر می شود. اما هنوز در فرکانس های بالا این ابزار ها ناکارآمد هستند و از ابزارهای تبدیل آنالوگ برای آشکارسازی فرکانسی استفاده می شود.

از تفاوت های فرکانس مترهای دیجیتال و آنالوگ می توان به نحوه ی عملکرد آنها اشاره نمود، در فرکانس متر های دیجیتال عمدتا به طور مستقیم و با توجه به لبه های پالس عمل سنجش فرکانسی انجام می گیرد حال آن که در فرکانس مترهای  آنالوگ با تبدیل فرکانس به کمیت هایی مثل ولتاژ وجریان این کار انجام می شود. گاهی ترکیبی از هر دو روش در سیستم های اندازه گیری استفاده می شود، بخشی از عملیات توسط سیستم آنالوگ ومابقی دیجیتال خواهد بود.

فرکانس متر های دیجیتال نمی توانند فرکانس های بالا را اندازه بگیرند در حالی که فرکانس متر های آنالوگ برای فرکانس های در حد چندین گیگا هرتز قابل استفاده می باشند.

1-7-1- فرکانس متر های آنالوگ

این ابزارها شامل یک بخش آشکار ساز می باشند که در این بخش سیگنال های با فرکانس بالا (از آنجا که بیشتر در فرکانس های مایکرویو کاربرد دارند) به یک دیود آشکارساز می تابد واین دیود توان یا ولتاژ متناسب با آن فرکانس را ارائه می دهد.

معمولا این دیود های آشکارساز از جنس کریستال سلیکن که شامل سیم تنگستن نیز می باشد تشکیل شده است،به همین دلیل به آن دیود کریستالی نیز گفته میشود.

نوع دیگر این دیودها avalanche-transit-time diodes می باشد. این دیودها ساختار متفاوتی با دیودهای معمولی دارند، این دیودها دارای چهار لایه می باشند که به صورت  شکل (1-3) می باشند.

 

 

شکل 1-3-ساختار کلی دیود

 

برای آشنایی بیشتر با این دیودها توضیحات مختصری در ادامه آورده شده است:

دیودهای PIN:

این خانواده از دیودها به عنوان مقاومتی متغیر در فرکانس های مایکروویوی کاربرد دارند. این دیودها این قابلیت را دارند که بدون ایجاد اعوجاج در سیگنالهای مایکروویوی مقاومت مسیر خود را تغییر دهند که این کار با تغییر جریان dc دیود انجام می شود. از ویژگی مهم دیگر این سری از دیودها، قابلیت کنترل سیگنالهای مایکروویوی با دامنه زیاد می باشد. بخش میانی آن تأثیر زیادی در دوام آن و عدم ایجاد اختلال در امواج دریافتی خواهد داشت.

 

در شکل (1-4) شمای کلی این نوع دیود نشان داده شده است.

 

شکل 1-4-شمای کلی دیود PIN

شکل (1-5 ) مدار معادل دیود در حالت بایاس مستقیم را نشان می دهد. در این حالت مقاومت R_S  با جریان dc عبوری از دیود رابطه ی عکس دارد.

 

شکل 1-5-بایاس مستقیم

 

شکل (1-6 ) مدار معادل دیود در حالت بایاس مع را نشان می دهد. در این حالت دیود مانند یک خازن با صفحات موازی و مستقل از ولتاژ بایاس مع عمل می کند. در کنار خازن یک مقاومت R_P نیز وجود دارد که بیانگر تلفات در بایاس مع است.

 

شکل 1-6-بایاس مع

 

در مرحله بعدی توان دریافت شده به بخش آشکارساز انتقال می یابد. بخش آشکار ساز حساسیت بالایی دارد و در برخی از موارد و در کاربردهای موجبری و برای اندازه گیری توان منابع مایکروویوی  به دلیل خروجی توان بالایی آن از  انتقالی magic-T استفاده می گردد تا توان خروجی را به میزان مطلوب برای آشکار ساز کاهش دهند. شکل ( 1-7) این قطعه(magic-T ) را نشان می دهد.

 

شکل1-7-MAGIC-T

 

 

البته به جز magic-T ممکن است بسته به نوع خروجی سیگنال از تضعیف کننده های دیگری نیز در صورت نیاز استفاده شود . محل قرار گرفتن این تضعیف کننده ها بسته به موارد کاربرد  مختلف می باشد. بعد از مرحله بالا عملکردهای پردازش وارد سیستم خواهند شد. این عملکردها می توانند به طور کامل دیجیتال یا آنالوگ باشند. که بسته به محل استفاده و نوع مدار می توان  هر یک از بخش ها را مورد استفاده قرار داد.

 

1-7-2- فرکانس متر های دیجیتال

این گروه از فرکانس متر ها به شکل های مختلف قابل پیاده سازی می باشند. معمولا در انواع پیشرفته ی آن از پردازنده های قوی و پرسرعت استفاده میشود0 انعطاف پذیری این دسته، بسته به فرکانس کاری پردازنده بالا می باشد. علاوه بر استفاده از این پردازشگر ها این امکان را می دهد تا علاوه بر عملیات تعیین فرکانسی برای عملکرد های همزمان دیگر نیز از آن بهره گرفته شود. صورت های دیگری همچون پیاده سازی با گیت ها نیز در برخی موارد مورد استفاده قرار می گیرد که به دلیل حجم زیاد کمتر مورد توجه قرار می گیرد، مگر اینکه این توابع توسط پردازنده هایی با بلوک های گیتی (همچون FPGA و CPLDها) پیاده سازی گردند. مزیت این پردازنده ها سرعت بالای آنها است که این خاصیت به اندازه گیری فرکانس های بالا کمک می کند.

به طور خلاصه عملکرد این سری از مدارها به دو صورت می باشد که باتوجه به مورد استفاده ی آن ممکن است هر یک از آنها انتخاب گردد.

اولین روش آن استفاده از تایمر ومحاسبه ی زمان، از زمان اولین پرش تا پرش بعدی می باشد. به عبارتی دقیقا یک اندازه گیری شده واز روی آن فرکانس تعیین می گردد. واضح است که در این روش با توجه به قابلیت وقفه در پردازنده ها زمان انتظار زیادی مورد نیاز نمی باشد ومعمولا در سیستم هایی مورد استفاده قرار می گیرد که نیاز به سرعت پردازش بالا می باشد. مسلما چنین سیستمی دارای دقت پایین تری خواهد بود، البته برای فرکانس های پایین بسیار مناسب عمل می کند اما در فرکانس های بالا ممکن است با مشکل مواجه شود.

دومین روش استفاده از شمارنده می باشد. این بار برخلاف حالت قبل زمان ثابتی را در نظر گرفته و در طی این مدت زمان ثابت تعداد پالس های رسیده شمرده می شود. سپس با استفاده از پردازنده ها و اطلاعات موجود، فرکانس سیگنال ورودی تعیین می گردد. این روش مدت زمان بیشتری نسبت به روش قبلی نیاز دارد ولی دقت عملکردی آن بسیار بیشتر از حالت قبلی می باشد. معمولا از این روش در تعیین فرکانس سیگنال هایی با فرکانس بالا،  بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد.

در این پروژه از روش دوم برای طراحی فرکانس متر استفاده شده است و برای قسمت پردازنده ی آن از میکروکنترلر AVR استفاده شده است.

قسمت های مختلف فرکانس متر در طی دو مرحله در فصل های بعدی بررسی می شوند.

 

 

فصل دوم

پیش تقسیم کننده و شکل دهنده ی سیگنال

 

2-1- بخش تقسیم کننده ی فرکانس

اصولا مدارات الکترونیکی امکان کار در هر فرکانسی را ندارند و در یک محدوده ی فرکانسی معین کار می کنند. بنابراین برای اندازه گیری فرکانس های بالا ابتدا بایستی با استفاده از پیش تقسیم کننده فرکانس را با نسبت معین کاهش داده و سپس به مدارات شمارنده ی فرکانس داده شود. معمولا شمارنده های فرکانس رادیویی و مایکروویوی به پیش تقسیم کننده نیاز دارند.

اساس کار مدار تقسیم کننده ی فرکانسی با استفاده از شمارنده ها می باشد. شمارنده ها به این صورت عمل می کنند که با اعمال پالس ورودی پایه های آن تغییر وضعیت می دهند و یک رشته اعداد را دنبال میکنند. هر شمارنده با توجه به مدار خود دارای یک دنباله ی اعداد مخصوص به خود است که با توجه به این دنباله ها می توانیم از شمارنده ها استفاده کنیم. مثلا وضعیت پایه های خروجی یک شمارنده ی دودویی به صورت زیر است:

 

                                                 A₀             A₁             A₂                 A₃                                     0        0        0                                                 0                                             1        0        0        0                                                                              0          1            0       0                                    1        1                                                 0          0                                           0        0        1        0                                                                                 1            0       1        0                                    0                                                 1          1          0                                        1        1        1        0                                                                                       0       0        0        1                                                                            .           .           .             .                                    .         .         .                                                 .                                              .         .         .         .        

 

 

                رشته شمارش دودویی

 

 

با در نظر گرفتن شکل کلی برای شمارنده ها، همان گونه که در شکل (2-1) و (2-2) نشان داده شده است با استفاده از خروجی های A₀، A₁، A₂، A₃، 000 می توان انواع تقسیم های فرکانسی را به دست آورد:

 

 

 

شکل 2-1-شمارنده ونسبت تقسیم های به دست آمده

 

 

 

شکل 2-2-شکل موج پایه های شمارنده

 

 یک شمارنده ساده چهاربیتی ساده بااستفاده از فیلیپ فلاپ نوع D می تواند به صورت شکل ( 2-3) باشد.

 

 

 

 

شکل 2-3-شمارنده 4 بیتی

 

 

در تراشه های مقسم فرکانس که کاربرد های زیادی در مدارات مختلف دارند (مثلا در حلقه های قفل شونده در فاز ) علاوه بر قسمت شمارنده که قسمت  میانی است،  طبقه ی ورودی و خروجی  هم اضافه   می شوند. همچنین در اغلب این تراشه ها علاوه بر پایه های ورودی و خروجی وتغذیه پایه هایی هم برای انتخاب نسبت تقسیم در نظر گرفته میشوند.

 شماتیک کلی تراشه های تقسیم کننده ی فرکانس را می توان به صورت  شکل (2-4 ) در نظر گرفت:

 

 

 

شکل2-4-بلوک دیاگرام کلی تقسیم کننده ها

 

 

 

2-1-1- معرفی تقسیم کننده SP8704

تراشه تقسیم کننده ای که در این پروژه استفاده شده است، تراشه ای به نام SP8704 می باشد که دارای مشخصات زیر می باشد:

• عملکرد فرکانسی تا فرکانس 950 مگاهرتز
• کار با ولتاژ تغذیه ی 3 تا 5 ولت
• جریان ورودی کم
• حفاظت ESD (تخلیه ی الکترواستاتیکی) روی تمام پایه ها
• دارای چهار مد کاری تقسیم بر 64، 65، 128، 129
• کار در دمای 40- تا 85 درجه ی سانتیگراد

محدودیت ها :

• ماکزیمم ولتاژ تغذیه ی 7 ولت
• حداکثر ولتاژ ورودی5/2 ولت پیک تا پیک
• حداکثر محدوده ی دمایی 55- تا 125 درجه ی سانتیگراد
• حداکثر دمای پیوند 175 درجه ی سانتیگراد

تعیین نسبت تقسیم به صورت زیر می باشد:

 

نسبت تقسیم	پایه6	پایه 3
129	L	L
128	H	L
65	L	H
64	H	H

 

جدول 2-1-نسبت تقسیم تراشه

در این تراشه با تغییر ولتاژ منطقی روی پایه های 3 و 6 مطابق جدول فوق می توان نسبت تقسیم را تغییر داد. سیگنال خروجی این تراشه پالسی شکل و ضعیف می باشد.

 

2-2- قسمت تقویت و شکل دهی سیگنال

باتوجه به این که سیگنال خروجی تراشه ی تقسیم کننده ی فرکانس ضعیف می باشد و به طور مستقیم قابل اعمال به میکروکنترلر برای شمارش نمی باشد، بنابراین بایستی این سیگنال به طور مناسب تقویت و شکل دهی شود.در این پروزه از یک تقویت کننده ی فیدبک دار به همراه یک تراشه ی اشمیت تریگر برای این کار استفاده شده است.

 

 

شکل 2-5-بخش تقویت و شکل دهی سیگنال

 

مدار قسمت A یک تقویت کننده با بهره ی بالا است.

نوع فیدبک: موازی – موازی

 

 

 

 

 

در این تقویت کننده با تغییر مقاومت R₁   می توان نقطه ی کار مدار را تغییر داد و به این وسیله THD موج خروجی را تغییر داد.

 

شکل 2-6-تعیین نقطه کار ترانزیستور

 

در مرحله ی بعدی بایستی موج خروجی از تقویت کننده به یک پالس TTL با شکل مناسب تبدیل شود. برای این کار از اشمیت تریگر از استفاده شده است، اشمیت تریگر یک مدار الکترونیکی دو سطحی است که دارای منحنی هیسترزیس است. با توجه به منحنی هیسترزیس این نوع مدارات اگر سیگنال ورودی آن از یک مقدار مشخص بیشتر شود سیگنال خروجی به سطح دیگر پرش می کند و اگر سیگنال ورودی از یک مقدار مشخص  کمتر شود سیگنال خروجی به سطح دیگر ولتاژ پرش می کند و به این وسیله از اثرگذاری  نویز  بر روی سیگنال جلوگیری به عمل می آید.

در مداراتی که به اشمیت تریگر نیاز می باشد می توان از مدارات اشمیت تریگر آماده موجود در بازار که به صورت تراشه می باشند استفاده کرد. در این پروژه از تراشه 7414 که به صورت NAND اشمیت تریگر می باشد، استفاده شده است. منحنی هیسترزیس این تراشه به صورت شکل (2-7 ) است.