Un fréquencemètre numérique 50 MHz

Voici un instrument de mesure compact et modulaire, idéal pour le banc d’essais de l’expérimentateur électronicien. Il mesure les signaux TTL de fréquences comprises entre 2 Hz et 50 MHz, quelqu’en soit la source. Il peut être couplé en continu. La lecture se fait sur 4 afficheurs à 7 segments au format : un chiffre entier et deux décimales plus le multiplicateur.


Le fréquencemètre numérique que nous décrivons içi, utilise un microcontrôleur PIC16F84-EF467 (le programme EF467.HEX est disponible en téléchargement sur le site de la revue) et quelques autres composants : il est idéal pour mesurer les signaux périodiques de niveau TTL (0/5 V ou même 0/3,3 V) des circuits logiques ou plus généralement des appareils numériques. La mesure est garantie de 0 Hz à 50 MHz : ce fréquencemètre est donc idéal pour analyser les circuits logiques à microcontrôleurs, μprocesseurs, PAL, GAL, Convertisseur N/A, vidéo, etc.
L’affichage est un peu inhabituel : l’appareil restitue la valeur détectée par sa sonde sous forme de 4 chiffres. Le premier (à gauche) est un nombre entier, le deuxième et le troisième, séparés par un point, constituent les décimales et le quatrième indique le facteur exponentiel à base 10 (calmez-vous, cela veut dire le multiplicateur !) par lequel la valeur indiquée doit être multipliée. Par exemple, 15000 Hz seront affichés ainsi : 1.504, soit 1.50 (chiffres significatifs 1.5 multiplié par 1 suivi de quatre 0, donc : 1,5 x 10 000 = 15 000). Le point affiché valant ici virgule, vous l’aurez compris.

Caractéristiques
Fréquence de travail ........... 2 Hz à 50 MHz
Tension d’alimentation ......... 5 Vcc
Courant consommé ............... 100 mA
Impédance d’entrée ............. 75 ohms
Sensibilité .................... 1,5 V
Compatibilité d’entrée ......... TTL (0/5 V)


Le schéma électrique
Comme le montre la figure 1, le schéma du circuit est composé essentiellement d’un PIC Microchip, de 4 afficheurs à 7 segments avec leurs 4 transistors de commande, un quartz (bien sûr) et quelques composants passifs. Le programme tournant dans le microcontrôleur supplée à cette pauvreté spartiate : il échantillonne le signal d’entrée en se servant de son “timer” interne TMR0 et le prédiviseur paramétré à 256. Le PIC lit la forme d’onde entrant par le contact INPUT au moyen de deux broches : il compte les fronts de montée observés sur la ligne RA4 pendant qu’il met RB0 en état de haute impédance. Cette sorte d’échantillonnage se fait périodiquement à chaque milliseconde (1 ms, temps d’échantillonnage imposé par la capacité de l’union TMR0 et prédiviseur, réalisant un registre compteur à 16 bits) pour les fréquences de 1 kHz à 50 MHz et à chaque 0,5 seconde (0,5 s) pour les fréquences inférieures. Ceci permet des mesures justes même en dessous de 2 Hz : toutefois, en dessous de 256 Hz, l’affichage des fréquences clignote, afin d’indiquer que la précision est moindre qu’avec des fréquences plus hautes.
Les informations provenant du comptage des fronts de montée sont acquises par la routine de visualisation pour être envoyées aux 4 afficheurs à 7 segments, tous à cathode commune, pilotés en “multiplexing”. Nous avons dû recourir à cette technique car le microcontrôleur n’a pas un nombre de broches suffisant pour piloter individuellement chaque afficheur. En fait, les données d’allumage des 7 segments sont envoyées par autant de lignes du PIC directement aux afficheurs dont les broches sont en parallèle entre elles, alors que par 4 lignes les cathodes communes sont fermées à la masse, séquentiellement, chacune par un transistor NPN. La non disponibilité des lignes de I/O a permis l’allumage d’un seul point décimal : celui du premier afficheur, ce qui implique le mode d’affichage un peu spécial décrit ci-dessus.
La routine de commande de visualisation est conçue ainsi : les données de mesure sont stockées dans le registre Hbyte_Lbyte et copiées dans les registres des unités, dixièmes et centièmes où sont écrits les 3 premiers chiffres significatifs, puis le programme effectue l’approximation au centième. Tout de suite après, dans le registre Esp (réservé au multiplicateur) est écrit le nombre de divisions par 10 nécessaires pour réduire la lecture (obtenue à partir de l’échantillonnage et placée en TMR0 et prédiviseur) à seulement 3 chiffres.
Les données sont alors complètes : dans chaque registre des unités, dixièmes, centièmes et multiplicateur se trouvent les informations pour un cycle de lecture et l’afficheur peut ainsi être mis à jour. Le microcontrôleur prend les données des unités, à afficher sur l’afficheur 1 à gauche et les envoie au registre RB, RB1 à RB7, en mettant pendant ce temps RA0 au niveau logique bas : ainsi, il active T1 et met au niveau logique bas la cathode de l’afficheur 1 qui visualise le premier chiffre.
Puis il extrait le contenu du registre des dixièmes et les envoie à RB, RB1 à RB7 et met au niveau logique bas RA0 et au niveau logique haut RA1, ce qui maintient T2 à saturation et active le deuxième afficheur de la première décimale.
Il répète l’opération en envoyant les données du registre des centièmes en RB, puis en mettant au niveau logique 0 RA1 et au niveau logique 1 RA2, ce qui fait conduire T3 et allume l’afficheur 3 : ce dernier visualise les centièmes.
Enfin, le microcontrôleur complète le cycle en écrivant les données du registre multiplicateur dans RB, les envoie aux lignes communes des segments des afficheurs, met RA2 au niveau logique 0 et RA3 au niveau logique 1, ce qui sature TA et active l’afficheur 4 : ce dernier est le multiplicateur.
Bien sûr, le tout se produit si rapidement que notre oeil n’y voit que continuité : il voit 4 chiffres et le point décimal ensemble (allumés fixe, car la broche 6 de l’afficheur 1 est relié au +5 V par R8).

Figure 1 : Schéma électrique du fréquencemètre numérique 50 MHz.

Liste des composants
R1 = 2,2 kΩ
R2 = 2,2 kΩ
R3 = 2,2 kΩ
R4 = 2,2 kΩ
R5 = 10 kΩ
R6 = 470 Ω
R7 = 10 kΩ
R8 = 180 kΩ
C1 = 33 pF céramique
C2 = 33 pF céramique
C3 = 2,2 nF céramique
C4 = 200 nF céramique
D1 = 1N4148
U1 = PIC16F84-EF467*
Q1 = Quartz 4,000 MHz

Divers :
1 Support 2 x 9
1 Prise RCA à 90° pour ci
1 Prise d’alimentation
1 Circuit imprimé EF467*

* Le programme du PIC et le circuit imprimé sont disponibles en téléchargement sur le site de la revue.


La réalisation pratique
Une fois que l’on a réalisé le circuit imprimé par la méthode préconisée et décrite dans l'article : "Comment fabriquer vos circuits imprimés facilement ?" (la figure 2b en donne le dessin à l’échelle 1), ou qu’on se l’est procuré, on monte tous les composants dans un certain ordre en regardant fréquemment la figure 2a et la liste des composants.
Montez tout d’abord, sur la face composants, le support du circuit intégré PIC : vérifiez bien les soudures (ni court-circuit entre pistes et pastilles, ni soudure froide collée). Enfoncez puis soudez les 9 picots d’interconnexions.
Montez ensuite toutes les résistances, sans les intervertir. Montez la diode, bague repère-détrompeur orientée vers l’afficheur 1. Montez les condensateurs : ce sont tous des céramiques. Montez le quartz Q1 de 4 MHz couché. Montez la prise RCA coudée pour circuit imprimé (entrée signal). Montez enfin la prise d’alimentation. C’est tout pour cette face.
Retournez la platine, vous êtes côté soudures. A partir de supports de circuits intégrés au pas double (par exemple 2 x 12, 2 x 14 ou 2 x 20), recoupez 4 2 x 5 (pour supporter les 4 afficheurs) et soudez-les sur les pastilles prévues de ce côté : cela demande un peu de dextérité, d’autant qu’il faut bien aligner les 4 afficheurs et que leurs bords verticaux soient bien parallèles.
Vous pouvez maintenant enfoncer avec délicatesse, d’un côté, le circuit intégré PIC dans son support en orientant bien son repère-détrompeur en U vers l’extérieur et, de l’autre, les 4 afficheurs à 7 segments en vous souvenant que le point décimal est en bas. Mettez la platine dans un boîtier plastique de taille adaptée, à l’aide de 4 entretoises à vis 3MA, découpez le couvercle pour laisser affleurer les afficheurs et fermez-le avec les 4 vis, comme le montrent les figures 4 et 5.
Aucun réglage : l’appareil fonctionne aussitôt sous tension de +5 V stabilisée.

Figure 2a : Schéma d’implantation des composants.

Figure 2b : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé.

Figure 3a : Photo de la platine du fréquencemètre, côté composants où on monte le PIC, le quartz et les prises.

Figure 3b : Photo de la platine du fréquencemètre, côté soudures où on monte les 4 afficheurs à 7 segments sur des supports.

Figure 4 : Le montage dans le boîtier plastique.

Il s’effectue à l’aide de 4 entretoises à vis 3MA, de longueurs telles que les afficheurs puissent affleurer à travers les évidements rectangulaires pratiqués dans le couvercle. Faire aussi, sur le grand bord inférieur, deux trous, l’un pour la prise RCA d’entrée du signal et l’autre pour la prise d’alimentation +5 V.

Figure 5 : Les 4 évidements rectangulaires du couvercle laissent affleurer les 4 afficheurs à 7 segments.

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