Преобразователь периода в число оборотов в минуту для очень низких частот

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июнь 2017

Ricardo Jiménez, Fernando D. Pacheco, Blanca L. Rodríguez

Electronic Design

Задача измерения низких частот, возникающая во многих реальных ситуациях, таких как приложения для биомедицины или измерения скорости, сложна из-за больших периодов измеряемых временных интервалов. Однако, используя КМОП микросхемы средней степени интеграции (Рисунок 1), ее можно решить для диапазона частот от 0.33 до 3.00 Гц (что эквивалентно 20…180 об/мин).

Рисунок 1.	В схеме преобразователя периода в число оборотов в минуту для низкочастотных сигналов использованы различные стандартные микросхемы средней степени интеграции.

Алгоритм работы разработанной схемы реализует формулу

где

RPM – число оборотов в минуту,
T – период входного сигнала,
«60» – представление одной минуты.

Сначала схема измеряет период, подсчитывая 100-герцовые заполняющие импульсы, двоичное количество которых запоминается в счетчике 74HC4040, а затем выполняются циклы преобразования, в результате которых определяется, сколько этих периодов содержится в константе 6000.

Сравнение выполняется с помощью восьмиразрядного синхронного вычитающего счетчика CD40103, первый выходной импульс которого появляется, когда приходит первый импульс с логического элемента «И-НЕ» A. Этим импульсом запускается мультивибратор IC6 (CD4538), который с периодом T загружает вычитающий счетчик.

Рисунок 2.	На вычитающий счетчик (CD40103) поступают импульсы с частотой 18 кГц. По достижении нуля на выходе счетчика вырабатывается импульс ZERO.

Генератор 18 кГц продолжает работу, и каждый раз, когда счетчик обнуляется, задние фронты его выходных импульсов запускают ждущий мультивибратор IC6 (Рисунки 2 и 3). Этот сигнал запуска служит импульсом обратной связи, который асинхронно предустанавливает микросхему IC2 (CD40103), подготавливая ее к новому циклу счета. Описанный процесс повторяется для цепочки длиной 6000 импульсов.

Рисунок 3.	Импульс ZERO вычитающего счетчика.

Цепочка импульсов управляется генератором 18 кГц и делителем частоты на 6000. Деление частоты производится микросхемами MC14553 (IC4), CD4518 (IC5) и логическим элементом «И», входящим в состав микросхемы IC13 (CD4081).

Весь процесс управляется счетчиком Джонсона CD4017 (IC1), который, фактически, является главным элементом схемы. В исходном положении логическая «1» присутствует на выходе Q0 этого счетчика. После прихода первого импульса логическая «1» перемещается на выход Q1 и разрешает работу генератора импульсов 100 Гц (Рисунок 4). Затем период входного сигнала фиксируется в счетчике IC2 (74HC4040).

Рисунок 4.	Для измерения периода используется счетчик Джонсона Q1 и 100-герцовые импульсы заполнения.

С приходом второго импульса на выходе Q1 устанавливается логический «0», а на выходе Q2 – логическая «1», дающая старт процессу сравнения (Рисунок 5). В этом процессе используется 18-килогерцовый генератор на логическом элементе A. По завершении сравнения общее количество импульсов, накопленное в двоично-десятичных счетчиках IC8 и IC9 (оба типа CD4518), будет представлять период, измеряемый количеством импульсов в минуту.

Рисунок 5.	Переход выхода Q2 в состояние логической «1» разрешает работу генератора 18 кГц.

Кроме того, по завершении процесса сравнения на выходе логического элемента «И» IC13 формируется импульс. Этот импульс очищает содержимое счетчика IC2 и сбрасывает счетчик IC1, устанавливая «1» на его выходе Q0. При смене логического уровня выхода Q0 с низкого на высокий запускаются два ждущих мультивибратора на микросхеме CD4538 (IC7), управляющих функциями Запись и Сброс двоично-десятичных счетчиков и дешифраторов ЖК дисплея (Рисунок 6). Сигнала Фаза для ЖК индикатора формируется еще одним 100-герцовым генератором на логическом элементе «И-НЕ» (D) с входными триггерами Шмитта, входящем в состав микросхемы CD4093.

Рисунок 6.	Импульсы Фаза и Сброс генерируются двумя половинами микросхемы сдвоенного мультивибратора (IC7).

Если вам нужно расширить диапазон измерений, увеличьте количество разрядов счетчика периода CD4040 и каскадно подключите второй счетчик CD40103. В связи с тем, что генератор на логическом элементе «И-НЕ» (B) имеет время задержки запуска, для компенсации задержки и получения правильных результатов счета подстроечным резистором R2 установите частоту этого генератора равной 120 Гц. RC-цепочка сброса по включению питания (R7 и C7) гарантирует, что IC1 начнет счет с состояния Q0 = 1, а IC2 начнет счет с нуля.

Частота импульсов всех используемых в схеме генераторов на логических элементах описывается формулой

(1)

а время задержки импульса запуска для каждого генератора равно

(2)

где

V_P – напряжение положительного порога,
V_N – напряжение отрицательного порога,
V_DD – напряжение источника питания 5 В.

Длительность импульсов всех используемых в схеме ждущих мультивибраторов определяется формулой

(3)

Длительность импульса сброса по включению питания равна

(4)

Все использованные в этом проекте логические элементы «И-НЕ» (CD4093BE) имеют триггеры Шмитта на входе.

Ссылки

Материалы по теме