Vorige: Differentiële Probe.   Omhoog: Meettoestellen.   Volgende: Perimeter.
Inhoudsopgave   Index


FrequentieStandaard.


FS-FrontPaneel.jpg


Voorstelling.

Ik had nood aan een frequentiestandaard, voornamelijk ten behoeve van een zelfbouw-frequentiemeter. Die betrekt zijn tijdbasis momenteel uit een gewone kristaloscillator in DIP-14 formaat, en die dingen laten wat te wensen over wat nauwkeurigheid betreft.

De eisen zijn niet bijzonder hoog:

Het kloppend hart van de frequentiestandaard bestaat uit een inverter, die als kristaloscillator geschakeld is. Deze wordt opgesloten in een blikken behuizing, die omgeven wordt met een flinke laag thermische isolatie.
Naast de oscillator zit er een temperatuurregeling in de behuizing; een gelijkmatige temperatuur is immers een must voor een stabiele werking.
Verder is er ook een instelbare spanningsregelaar aanwezig. De frequentie van zo'n oscillator kan enigzins bijgesteld worden door de voedingsspanning te wijzigen.

Het ―zonodig― bijregelen van de oscillator wordt toevertrouwd aan een microcontroller, die zijn referentie uit een DCF77-module betrekt.

Praktische uitwerking.

De oscillator

Oscillator.png Zoals het schema toont, bestaat de oscillator uit weinig meer dan een inverter, twee weerstanden, een kristal en enkele condensators. Een klassiek ontwerp, dus.
Teneinde de werking van de oscillator zo min mogelijk te beïnvloeden, is aan zijn uitgang een buffer geplaatst. Voor deze buffer is doelbewust een afzonderlijk IC gebruikt, zodat de overige inverters in de 74HC04 zich rustig houden. Met P11 kan de gelijkspanning op de ingang van IC15 halfweg tussen zijn omslagpunten ingesteld worden, zodat aan zijn uitgang een evenwichtige blokgolf te voorschijn komt. Dat is noodzakelijk, omdat deze blokgolf dienst doet als klok voor een microcontroller.

Met behulp van C20 en C21 dient de oscillator ingesteld te worden op ―zo precies mogelijk― 16MHz, en dit terwijl de puls/pause-verhouding van het PWM-kanaal op 50% ingesteld staat.
Kandidaad-nabouwers kunnen hierbij tegen de beperking aanlopen, dat de gewenste frequentie niet gehaald kan worden. In dat geval kunnen voor C18 en C19 (en desnoods voor C22 en C23) andere waarden gekozen worden.


De voeding.

Vermits we de temperatuur constant houden, en de voedingsspanning regelen, is dit een onderdeel waar we niet lichtzinnig mee omspringen.
Een spanningsregelaar als de 7805 of de LM317 doet zijn werk naar behoren - tenzij we hoge eisen gaan stellen aan de nauwkeurigheid. Zowat alles ―ingangsspanning, temperatuur, uitgangsstroom― heeft invloed op de uitgangsspanning.
Wat metingen aan een 7805 leveren dit op:


IN      LOAD            I       OUT             T

 8V     470R             16mA   5.04726V        20C
10V     470R             16mA   5.04756V        20C
15V     470R             16mA   5.04775V        20C
 8V     470R || 20R     262mA   5.04664V        20C
10V     470R || 20R     262mA   5.04685V        20C
15V     470R || 20R     262mA   5.04692V        20C
10V     470R || 20R     262mA   5.04079V        40C <<

Als we de uitersten vergelijken, komen we op een verschil van meer dan 6mV. Gelukkig wordt het wat gunsiger, als we alle spanningsregelaars mee in de oven stoppen - dan zijn we alvast verzekerd van een gelijkmatige temperatuur.
Daarnaast is het verbruik van de LM317 sowieso gelijkmatig. Hij hoeft enkel de oscillator van stroom te voorzien.
Wat blijft, is de ingangsspanning. Daar passen we een mouw aan, door de ruwe ingangsspanning om te toveren naar 12V door middel van een 7812. Diens uitgangsspanning zal wel een beetje variëren ―hij zit immers niet mee in de oven― maar vermits er nog een 7809 tussen de 7812 en de LM317 zit, kunnen we er van uitgaan dat de ingangsspanning van die laatste nooit meer dan 1mV kan variëren.
Dan die weerstanden rondom de LM317. Zijn die niet temperatuurgevoelig? Ja, dat zijn ze zeker. Maar ze zitten mee in de oven, zodat hun gedrag gelijkmatig blijft.

Dan het regelen zelf.
Als de FET op de μC-print spert, stelt IC12 zijn uitgangsspanning in op 5.4V.
Wanneer de FET constant in geleiding is, daalt de voedingsspanning naar 4.4V
Dat spanningsverschil van 1V vertaalt zich in een frequentieverschil van 7ppm.
Door nu een PWM-signaal op de gate van de FET te plaatsen, kunnen we de uitgangsspanning van IC12 in kleine stapjes bijstellen door de duty-cycle te wijzigen. C13, C14 en C15 moeten daarbij beletten dat er sporen van het PWM-signaal terug te vinden zijn op de ADJ-pin van IC12, en bijgevolg ook op diens uitgang. Op het eerste zicht lijkt het dat ze danig overgedimensioneerd zijn, maar de PWM-frequentie bedraagt slechts 246Hz, en dat valt niet weg te filteren met kleine elco's.
Bij een 16-bits PWM-kanaal beschikken we over meer dan 65000 stapjes. Eén stapje komt dan in theorie overeen met 15μV. Vermits we over een bereik van amper 7ppm beschikken, zouden we ―nog steeds in theorie― de frequentie met een nauwkeurigheid van 0.0001ppm moeten kunnen instellen.
De praktijk zal er uiteraard minder gunstig uitzien...


De temperatuurregeling.

Temperatuurregeling.png De temperatuurregeling is analoog en werkt geheel zelfstandig - het is een PI-regelaar2 De μC kan de temperatuur wel uitlezen en op een scherm tonen ter controle. Opamp IC3 vergelijkt de uitgangsspanning van temperatuursensor IC2 met een instelbare spanning, die afgeleid is van spanningsreferentie IC1.
Als die niet volkomen gelijk zijn, wordt T1 ―die samen met R9 als stroombron fungeert― meer of minder opengestuurd. Voor DC is de versterking v/d opamp bijna oneindig, maar voor hogere frequenties (lees: kleine afwijkingen) blijft de versterking beperkt to 300 x.

Niet zichtbaar op dit schema, maar wel op het voedingsschema, is IC11, de 9V spanningsregelaar. Die voedt gans de temperatuurregeling, en dus ook T1. Dat houdt in, dat de 7809 óók deelneemt aan het verwarmingsproces.
Stel, dat de uitgang van de opamp 3V bedraagt. Op de emitter van T1 staat dan ±1.8V. Door R9 gaat dus een stroom lopen van 180mA. We hebben dan de volgende verbruikers:

De 7809 neemt bijgevolg 1/3 van het opwarmen voor zijn rekening. Doordat hij zich aan het tegenovergestelde uiteinde van de “verwarminsbalk” bevindt, is de warmteverdeling wat gelijkmatiger.

De microcontroller.

Als de oscillator het kloppend hart van de schakeling is, dan is de microcontroller het brein.
Hier is gekozen voor een ATmega88, maar andere types zijn uiteraard ook bruikbaar.

Zoals reeds aangehaald, kan de μC de frequentie van de oscillator bijstellen door de puls/pause-verhouding van een PWM-kanaal te wijzigen. Om dit te kunnen doen, is er wel een referentie nodig. Die referentie wordt betrokken uit een DCF77-module.

De regellus.

De uitgangsfrequentie van de oscillator wordt door de μC benut als systeem-klok. Een timer (Timer0) distilleert hier frequentie van 1Hz uit, waarmee de μC een “eigen” tijdsaanduiding aandrijft.
Ook de DCF77-module levert elke seconde (behalve de 59e) een puls. Die wordt gebruikt om een DCF77-tijdsaanduiding te sturen.

Het DCF77-signaal kan bij tijd en wijle flink gestoord zijn, dus is het een must om dit ter dege te controleren, en bij de minste twijfel als “onbruikbaar” te bestempelen.
Na het opstarten wacht de μC tot er twee voorwaarden vervuld zijn:

Zodra deze voorwaarden vervuld zijn, wordt de eigen tijdsaanduiding éénmalig gelijk gezet met de DCF77-tijd. Vanaf dat ogenblik worden beide tijden constant vergeleken. Is er een verschil, dan wordt de frequentie van de oscillator aangepast.

Merk op, dat het hierbij niet enkel om de seconden gaat - dat zou maar een resolutie van 1/86400 (per dag) opleveren. Als vergelijkingsmateriaal wordt het begin van een DCF77-secondenpuls gebruikt. Als de frequentie van de oscillator heel precies 16MHz bedraagt, zal de tellerstand van Timer0 (TCNT0) bij het begin van elke DCF77-secondenpuls gebruikt steeds dezelfde waarde hebben.

Hier doet zich wel een probleem voor: de DCF77-zender in Mainflingen laat elke puls precies bij het begin van een seconde beginnen, maar dat betekent geenszins dat de DCF77-ontvanger dat nauwkeurig volgt. Goedkope modules zijn vaak gebaseerd op een U4224B. Volgens de datasheet van dit IC kan er tussen het begin van een zender-puls en het tijdtip waarop de uitgang hoog wordt een verschil tussen 30mS en 60mS zitten.
De software dient hier rekening mee te houden.

De firmware.

Low Fuse Byte.

De Low Fuse Byte van de AVR stellen we in op “External Oscillator”.
Dat wordt dan 0x60 voor een ATmega88.
CKDIV8, die de klok door 8 deelt, schakelen we ook uit.

Timer/counter0.

Timer0 tikt de seconden weg. Die klokken we via een prescaler die op 1024 staat. Hij krijgt dus ―bij een systeemklok van 16MHz― een klok aangeboden van 15625Hz.
We laten Timer0 tellen van 0 tot en met 1243. Dat doen we zo:


    TCCR0A = _BV(WGM01);					// CTC-mode
    TCCR0B = _BV(CS00) | _BV(CS02);				// 16000000 / 1024 = 15625
    OCR0A = 124;						// 15625 / 125 = 125
    TCNT0 = 0;							// Hij houdt de seconden bij
    TIMSK0 = _BV(OCIE0A);					// Enable compare-interrupt

De bijpassende compare-match ISR wordt dus 125 maal per seconde aan het werk gezet - hij kan main() waarschuwen als er een seconde voorbij is - daartoe houdt hij een tellertje (ovf_cnt) bij.
Dat vergt slechts enkele regels code:


ISR(TIMER0_COMPA_vect)
{								// Hier komen we 125 maal per seconde voorbij
    ovf_cnt++;							// overflow-counter verhogen
    if (ovf_cnt == 60) {					// Staat de tellerstand op 60,
	secondenflag = 1;					// dan geven we main() een seintje,
	PORTB |= _BV(PB0);					// en maken we PB0 hoog, de LED licht op
    } else if (ovf_cnt == 70) {					// Als die op 15 staat
	PORTB &= ~(_BV(PB0));					// maken we PB0 laag - de LED dooft
    } else if (ovf_cnt == 125) {				// Als de overflow-counter op 125 staat
	ovf_cnt = 0;						// Maken we hem terug 0,
    }
}

Merk op, dat we de seconden niet verhogen als ovf_cnt van 125 naar 0 springt, maar op het ogenblik dat die van 59 naar 60 springt. Ook bij het instellen van de initiele tijd wordt ovf_cnt op 60 gezet.
Dat heeft het voordeel, dat we bij elke puls van de DCF77-module kunnen verwachten dat ovf_cnt ergens halfweg van zijn minimale/maximale tellerstand zit, en we er geen rekening mee moeten houden dat hij van 0 naar 124 (een verschil van -1) kan springen.

Wie de volledige broncode wil inzien, kan hier een kijkje nemen

Timer/counter1.

Timer1 laten we een PWM-signaal genereren. Daarmee regelen we de voedingsspanning van de oscillator.
Initialiseren doen we zo:


    TCCR1A = _BV(WGM11) | _BV(COM1A1);				// 16-bit fast-PWM
    ICR1 = 59999;						// Resolutie = 1/60000 = 0.013mV
    TCCR1B = _BV(CS10) | _BV(WGM12) | _BV(WGM13);		// geen prescaler
    OCR1A = 30000;						// puls/pauze-verhouding = 50%
    DDRB |= _BV(PB1);						// OC1A (PB1) = PWM-uitgang

Timer/counter2.

Timer2 wordt gebruikt om de breedte van een DCF77-puls te meten. We zorgen er voor, dat hij elke milliseconde een interrupt veroorzaakt:


    TCNT2 = 0;
    TCCR2A = _BV(WGM21);					// CTC-mode
    TCCR2B = _BV(CS22);						// Prescaler = 64; CLK = 250kHz
    OCR2A = 249;						// 250kHz / 250 = 1kHz
    TIMSK2 = _BV(OCIE2A);					// Interrupt bij compare-match

De taak van de bijbehorende ISR vergt slechts één regel code:


ISR(TIMER2_COMPA_vect)
{								// Timer2 is zodanig ingesteld,
    milliseconden++;						// dat hij elke milliseconde een interrupt produceert
}

De DCF77-pulsen komen op de INT0-pin terecht. Zowel de opgaande als de neergaande flank veroorzaken een interrupt. Bij elke flank wordt eerst de stand van de variabele “milliseconden” naar een andere variabele gecopieerd. Vervolgens wordt "milliseconden" terug op nul gezet.
Bij een neergaande flank weten we nu, hoeveel mS de laatste puls duurde, waaruit we kunnen afleiden of het een korte, een lange of een “foute” (te kort of te lang) puls was.
Bij een opgaande flank kennen we het tijdsverloop tussen de vorige puls en de huidige. Is dat ―bij benadering― 1800 à 1900 mS, dan ontbrake er een seconde en geeft de huidige puls het begin van een nieuwe minuut aan.

Communicatie.

Als ik een stuk elektronica ontwerp, stop ik er graag een microcontroller in.
En als er ergens een microcontroller inzit, communiceer ik daar graag mee.

Zo ook hier. Een galvanische scheiding met de PC was daarbij meer dan gewenst. Dat is de reden waarom er op het μC-printje een tweede trafo en wat optocouplers terug te vinden zijn.
De werking is gelijk aan die van de Labvoeding82.

Plaatjes.

Enkele plaatjes van de opbouw:

Het oscillatorprintje, reeds in zijn blikken verpakking, maar zonder de isolatie:

FS-OscillatorPrintje.jpg


Centraal is een koperen balkje te zien, waarmee alle spanningsregelaars alsmede de BD651 thermisch zijn verbonden.
In het balkje is een uitsparing gemaakt voor het kristal. Het ALU-hoekprofiel houdt het kristal op zijn plaats.
De LM35 heeft eveneens een plaatsje in het balkje, teneinde een goed thermisch contact te bekomen.



Het μprocessor-printje:

FS-uC-PrintBoven.jpg

Een belangrijk onderdeel ontbreekt op de foto: een GAL16V8, die als frequentiekiezer dienst doet.
Daarnaast is het koellichaam in de definitieve versie veel groter. Niet, omdat er geweldig veel warmte moet afgevoerd worden, maar omdat er zo weinig ruimte is tussen het koellichaam en de buffer-elco's. Door het koellichaam groter te maken kan het zijn warmte beter kwijt en blijft zijn temperatuur draaglijk voor de elco's.



Voetnoot

...0.1ppm 1
parts per million
...PI-regelaar 2
Proportioneel Integrerende Regelaar
...124 3
Dat is delen door 125!



Vorige: Differentiële Probe.   Omhoog: Meettoestellen.   Volgende: Perimeter.
Inhoudsopgave   Index

Pros Robaer - 2014