Arduino-metr. Часть 2. Частота

Arduino-metr. Часть 2. Частота.

Если с АВО-метрами (Ампер-Вольт-Ом-метр) все было достаточно просто, то с измерением частоты в прошлом веке было немного сложнее. Частотомеры представляли собой большие и дорогие устройства. Далеко не у каждого радиолюбителя было такое устройство в домашней лаборатории.

Но у нас есть мощь 16-мегагерцевого процессора, которая позволит заменить несколько килограмм железа прошлого века.

Для самой простой реализации частотомера нам понадобится любой вариант Arduino и любой индикатор, способный отображать цифры. Я взял для демонстрации Arduino Nano и 16х02 LCD, подключаемый по шине I2C, для экономии используемых контактов. На экране видна частота наводимого на входе напряжения.

Благодаря написанной еще 5 лет назад библиотеке FreqCount, мы можем реализовывать на Arduino системы измерения частоты. Код такой программы не отличается сложностью.

Собственно для измерения частоты использовано всего 2 команды. А максимально измеряемая частота зависит от частоты процессора и равняется ее половине. Так, для платы Arduino, с установленным кварцевым резонатором на 16 МГц, максимально измеряемая частота равняется 8 МГц. В случае работы от внутреннего тактового генератора (8 МГц), измеряемая частота снижается. Но согласно паспорта от производителя, штатной частотой для Atmega328 является так же и 20 МГц, а некоторые умельцы разгоняют микроконтроллер и до 27 МГц.

Однако у данной библиотеки есть одно ограничение, которое необходимо учитывать при проектировании устройств с ее использованием. Подсчет происходит за счет прерывания TIMER1, которое аппаратно привязано к цифровому контакту D5. К сожалению переназначить данный контакт никак не получится, как и реализовать подобный алгоритм с использованием других двух аппаратных таймеров микропроцессора.

Для проверки работы данного устройства был использован DDS-генератор из китайского набора для сборки. Он вполне справляется с выдачей сигналов различной формы. Вот мы и посмотрим как наш частотомер сможет их распознать.

Первым был синусоидальный сигнал. Разные частоты определялись довольно таки точно.

А дальше смотрим, будет ли на какой либо из форм сигнала, отличной от синусоиды, вести себя прибор как-то не так.

Так как наш DDS работает на частотах только до 65 кГц, у генератора есть отдельный выход ВЧ сигнала. С распознаванием которого наш частотомер справился отлично.

При измерении последняя цифра может иногда меняться, это связано с имеющей место быть некоторой погрешностью измерений. Но основное время измеряемая величина отображается стабильно.

Итог: Данная библиотека вполне может послужить основой для частотомера радиолюбителя. А если решить вопрос с реализацией «правильных» входных цепей (входной усилитель, делитель частоты и прочее), то может получится достойный измерительный прибор.

Частотомер на Arduino

Данная статья является второй в серии статей про измерение с помощью Arduino параметров различных компонентов и физических величин, используемых в радиоэлектронике. Рассмотрим измерение частоты сигнала с помощью Arduino.

Почти каждый радиолюбитель должен столкнуться со сценарием, в котором ему необходимо измерить частоту сигнала, генерируемого тактовым генератором или счетчиком или таймером. Для выполнения этой задачи мы можем использовать осциллограф, но не все из нас могут его себе позволить. Мы можем купить оборудование для измерения частоты, но эти устройства стоят дорого. Учитывая это, мы собираемся разработать с помощью Arduino и триггера Шмитта простой, но эффективный частотомер.

Частотомер на Arduino

Этот частотомер является экономически эффективным и может быть легко изготовлен. Для измерения частоты сигнала мы будем использовать Arduino Uno – сердце проекта.

Чтобы протестировать частотомер, мы собираемся создать простейший генератор сигнала. Этот простейший генератор сигнала будет изготовлен с использованием микросхемы таймера 555. Схема на таймере генерирует прямоугольный сигнал, который будет для тестирования подаваться на Arduino Uno.

В итоге у нас будет частотомер и генератор прямоугольного сигнала.

Необходимые компоненты

• микросхема таймера 555;
• микросхема триггеров Шмитта 74LS14 или элементов НЕ; ; ;
• конденсаторы 100 нФ (2 шт.) и 1000 мкФ (1 шт.);
• резисторы 100 Ом (1 шт.), 220 Ом (1 шт.) и 1 кОм (1 шт.);
• потенциометр 47 кОм; ; .

Принципиальная схема

Принципиальная схема частотомера на Arduino показана ниже. Схема проста, LCD дисплей подключен к Arduino для отображения измеренной частоты сигнала. Со схемы генератора сигналов мы подаем сигнал на Arduino через «сигнальный вход». Триггер Шмитта (микросхема 74LS14) используется для обеспечения подачи на Arduino только прямоугольного сигнала. Для фильтрации шума мы добавили на шину питания пару конденсаторов. Данный частотомер может измерять частоты до 1 МГц.

Принципиальная схема частотомера на Arduino

Генератор сигналов на микросхеме таймера 555

Генератор сигналов на микросхеме таймера 555. Схема электрическая принципиальная

Прежде всего, мы поговорим о генераторе прямоугольного сигнала на микросхеме 555, или, я бы сказал, о нестабильном (астабильном, автоколебательном) мультивибраторе на 555. Эта схема необходима, потому что для проверки частотомера нам необходим сигнал, частота которого известна. Без этого сигнала мы не сможем рассказать о работе частотомера. Если у нас есть прямоугольный сигнал с известной частотой, мы можем использовать его для проверки частотомера на Arduino и для подстройки точности в случае любых отклонений. Макет генератора сигнала на микросхеме таймера 555 показан ниже.

Макет генератора сигналов на микросхеме таймера 555

Ниже показана типовая схема таймера 555 в нестабильном режиме, из которой мы получили вышеприведенную схему генератора сигналов.

Типовая схема на таймере 555 в автоколебальном режиме

Частота выходного сигнала зависит от резисторов RA и RB и конденсатора C. Формула будет следующей:

Здесь RA и RB – значения сопротивлений, а C – значение емкости. Подставляя значения сопротивлений и емкости в приведенную выше формулу, мы получаем частоту выходного прямоугольного сигнала.

Можно увидеть, что RB на схеме выше заменен в нашей схеме генератора сигналов потенциометром; это сделано для того, чтобы для лучшего тестирования мы могли получить на выходе прямоугольный сигнал переменной частоты. Для простоты можно заменить этот потенциометр простым резистором.

Триггер Шмитта

Мы знаем, что не все тестовые сигналы являются прямоугольными. У нас есть сигналы треугольные, пилообразные, синусоидальные и так далее. Поскольку Arduino Uno может детектировать только прямоугольные сигналы, нам необходимо устройство, которое могло бы преобразовывать любые сигналы в прямоугольные. Поэтому мы используем триггер Шмитта. Триггер Шмитта представляет собой цифровой логический элемент, предназначенный для арифметических и логических операций.

Этот элемент обеспечивает выходной сигнал (OUTPUT) на основе уровня напряжения входного сигнала (INPUT). Триггер Шмитта имеет пороговый уровень напряжения (THERSHOLD): когда уровень входного сигнала выше порогового уровня элемента, уровень сигнала на выходе будет равен высокому логическому уровню. Если уровень входного сигнала ниже порога, на выходе будет низкий логический уровень. Обычно у нас нет отдельного триггера Шмитта, за ним всегда следует элемент НЕ.

Мы собираемся использовать микросхему 74LS14, которая содержит 6 триггеров Шмитта. Эти шесть элементов внутри подключены, как показано на рисунке ниже.

Микросхема 74LS14, содержащая шесть триггеров Шмитта. Распиновка

Таблица истинности инвертированного триггера Шмитта показана ниже, в соответствии с ней мы должны запрограммировать Arduino Uno для инвертирования положительных и отрицательных периодов времени на ее выводах.

• H – высокий логический уровень;
• L – низкий логический уровень.

Теперь, когда мы подадим сигнал любого типа на элемент триггера Шмитта, у нас на выходе будет прямоугольный сигнал с инвертированными временными периодами, и этот сигнал мы подадим на Arduino Uno.

Как Arduino измеряет частоту

Arduinio Uno имеет специальную функцию pulseIn , которая позволяет нам определять длительность положительного или отрицательного состояния конкретного прямоугольного сигнала:

Данная функция измеряет время, в течение которого высокий или низкий логический уровень присутствует на выводе 8 Arduino Uno. Таким образом, в одном периоде сигнала у нас будут продолжительности положительного и отрицательного уровней в микросекундах. Функция pulseIn измеряет время в микросекундах. В заданном сигнале мы имеем время высокого логического уровня = 10 мс и время низкого логического уровня = 30 мс (частота 25 Гц). Таким образом, в Ltime будет сохранено целое число 30000, а в Htime – 10000. Если мы сложим эти два значения, то получим длительность периода, а инвертировав её, мы получим частоту.

Таблица частот LPD, PMR и FRS

Иногда сталкиваюсь с ситуацией, когда у одного человека радиостанция использует заранее вбитую сетку каналов, а другой вводит частоту вручную. Либо используются две рации с разными типами сеток. Вот и приходится сканером шуршать по каналам, чтобы понять кто и где сидит. Для этого я сделаю себе шпоргалку для трёх сеток: LPD, PMR и FRS.

И так в LPD используется 69 каналов, в PMR используется 8 каналов и в FRS используется 22 канала. Начну я с самой большой группы.

Таблица частот LPD каналов

LPD (Low Power Device) — это диапазон радиочастот для маломощных устройств, входящий в международную сетку промышленных, научных и медицинских частот. На этой частоте работают маломощные радиостанции, брелоки различных сигнальных систем и радиопульты.

В России применение маломощных устройств, в том числе радиостанций диапазона LPD, разрешается при мощности передатчика не более 10 мВт.

Каналы располагаются на частотах от 433.075 МГц до 434.775 Мгц с шагом в 25 кГц.

Помимо 69 канальных радиостанций в диапазоне LPD есть ещё и 8 канальные радиостанции. На вский случай приведу восьмиканальную сетку, чтобы не выискивать в других источниках. В скобочках указан аналог из 68 канального диапазона.

Таблица частот FRS каналов

FRS — безлицензионная система персональной подвижной радиосвязи на коротких расстояниях в странах Северной и Южной Америки.

Не входит в список радиостот лицензированных в России.

Таблица частот PMR каналов

Европейская безлицензионная система. Шаг сетки: 12,5 кГц, симплексный тип радиосвязи. Ограничение максимальной выходной мощности: 0,5 Вт.

Государственная Комиссия по радиочастотам выделила полосы радиочастот 446.0000—446.1000 МГц для портативных радиостанций в ноябре 2005 года.

Радиостанции для работы в указанных частотных диапазонах являются по большей части семейными и не используются для дальней радиосвязи. Они даже не подойдут для связи в пределах города с плотной застройкой. В лесу и в деревне они будут работать хорошо. Для всех видов этих радиостанций можно использовать репитеры. Но не все рации семейного типа умеют работать с полноценными репитерами, которые принимают на одной частоте, а передают на другой. Для таких простейших раций подходят репитеры типа «попугай». «Попугай» слушает эфир на определённой частоте и записывает сообщение которое услышит, а после того как будет завершен приём, «попугай» проиграет записанное сообщение на этой же частоте.

У некоторых раций есть возможность подключить внешнюю антенну, что улучшит их приёмопередающие характеристики и увеличит радиус связи.

Частота 5G сетей в России и в мире — все диапазоны

Частоты 5G в каждой отдельной стране выделяют местные власти. Безусловно, при этом учитывается мнение экспертов и мобильных операторов. С точки зрения технологий, наибольшее значение имеет тот факт, будет ли выделенный диапазон 5G находиться ниже 6 ГГц или выше. Это важно, потому что от длины волны зависит особенности распространения и отражения сигнала, а также дальность работы устройств и базовых станций, плотность подключений и трафика, которую можно использовать.

При этом, есть некоторые сложности для выделения диапазона частот 5G с частотой ниже 6 ГГц, поскольку, там уже работают не только сети 4G и 3G, но и Wi-Fi, который сегодня присутствует в каждом здании. Естественно, что никакие чиновники не будут отдавать эти частоты для запуска сетей пятого поколения, так как, старые стандарты будут востребованы еще минимум 10 лет, а то и больше.

На каких частотах работает 5G в мире сегодня?

Разработчики сетей связи нового поколения хотят использовать широкий спектр частот, в зависимости от задач и подключаемых устройств. Диапазон 700 МГц вместе с 3,4-3,8 ГГц планируется отдать под использование в беспилотных автомобилях, роботах и автоматизированном оборудовании в промышленности. Это связано с тем, что именно в этих частотных диапазонах 5G может передавать данные без задержек и поддерживать максимально устойчивое соединение даже с быстродвижущимися объектами.

Дополнительное преимущество частот ниже 1 ГГц – это легкость и дешевизна построения инфраструктуры, оборудования, а также же гарантировано хорошее покрытие на местности. Скорее всего, именно в этом диапазоне будут работать умные датчики, счётчики и техника, интернет вещей (IoT).

Высокие частоты необходимы для достижения максимальной пропускной способности, вплоть до 20 Гбит/сек. Именно, здесь будут работать устройства 3D-видео, технологии дополненной и виртуальной реальности, связь с использованием голографических и тактильных технологий, мощные облачные сервисы для игр и бизнес-задач.

Плюсы различных диапазонов частот

Легко обеспечить хорошее покрытие территории, сигнал хорошо проникает в здания и внутрь помещений.

Низкая стоимость построения инфраструктуры, требуется меньшее количество базовых станций.

5G частоты в России

Полный спектр частот и диапазонов еще не определен правительством России. Государственная комиссия по радиочастотам (ГКРЧ) рекомендует для выделения и использования частотный диапазон 27,1-27,5 ГГц.

Кроме этого, рассматривается вопрос о выделении диапазонов 694-790 МГц, 3,4-3,8 ГГц, 4,8-4,99 ГГц. В настоящее время, некоторые из них заняты, в том числе Министерством обороны для военных нужд.

Помимо требований российского законодательства, Международный союз электросвязи выдвигает свои требования к стандарту 5G. В их числе:

• Скорость передачи данных в режиме Downlink – до 20 Гбит/сек.
• Скорость передачи данных в режиме Uplink – до 10 Гбит/сек.
• Количество поддерживаемых устройств на территории площадью 1 квадратный километр – не менее 1 миллиона.
• Задержка для услуг eMBB (высокоскоростной связи) – не более 4 мс.
• Задержка для услуг URLLC (ультранадежной связи) – не более 0,5.

Для соединения точка – точка планируется также задействовать дополнительные диапазоны 71-76 и 81-86 ГГц. Оборудование и соответствующие стандарты уже разработала компания Huawei.