Programowany generator częstotliwości (ATmega48)

---

Jest to prosty generator sygnału prostokątnego o wypełnieniu 50%, zasilany stabilizowanym napięciem
Vcc=4.75-5.25V. Umożliwia uzyskanie różnych częstotliwości wyjściowych z rezonatora kwarcowego X1,
w zależności od stopnia podziału wybranego zworkami J1-J7. Na pewno przyda się w pracowni każdego
elektronika-amatora, np. podczas testowania różnych prototypowych układów cyfrowych.
Sercem generatora jest popularny mikrokontroler ATmega48. Zamiast niego można użyć modeli
ATmega88/168/328, które różnią się jedynie większą ilością pamięci. Program sterujący napisałem
w asemblerze i jest on identyczny dla każdego z wymienionych mikrokontrolerów (zajmuje 2594 bajty
pamięci FLASH).
Mikrokontroler jest taktowany zewnętrznym rezonatorem kwarcowym X1 o dowolnej częstotliwości CLK,
ale nie przekraczającej 20 MHz (jest to maksymalna częstotliwość pracy mikrokontrolera). W zależności
od użytego rezonatora może być konieczna zmiana wartości kondensatorów C4 i C5 na takie, jakie są
podane przez producenta w jego nocie aplikacyjnej. W praktyce przy wartościach C4=C5=22pF każdy
rezonator działa, ale nie oznacza to że generuje on częstotliwość idealnie równą jego częstotliwości no-
minalnej. Niemniej jednak w zastosowaniach amatorskich, nie jest wymagane uzyskanie sygnału o tak
dużej dokładności.
Po włączeniu zasilania lub resecie mikrokontrolera przyciskiem S1, program sterujący konfiguruje pin
PB0 (nr 14) jako wyjście z niskim stanem logicznym (LOW), a wszystkie pozostałe piny jako wejścia z
wysokim stanem logicznym (pull-up - włączone wewnętrzne rezystory podciągające). Następnie mikro-
kontroler odczytuje stan zworek J1-J7, które są podłączone do pinów PD0-PD6. Jeśli wszystkie zworki
są rozwarte (OFF), to program przechodzi do wykonywania pustej pętli (tryb 0). Wtedy na wyjściu gene-
ratora (złącze CON1) ciągle panuje niski stan logiczny (LOW). Natomiast, jeśli na zworkach jest usta-
wiona jakaś wartość binarna X>0 (J1 - bit najmłodszy), to program skacze do odpowiadającej jej pętli
(tryb X), która jest wykonywana bez przerwy. W każdej takiej pętli znajdują się dwie instrukcje zmienia-
jące stan wyjścia PB0 na przeciwny, a pomiędzy nimi są instrukcje/pętle decydujące, po jakim czasie
(liczba cykli) następują te zmiany. Każda pętla ma ustawiony inny czas opóźnienia pomiędzy zmianami,
ale zawsze czas pomiędzy jedną i drugą zmianą jest równy. Dzięki temu na wyjściu generatora uzysku-
je się sygnał prostokątny o różnej częstotliwości, ale zawsze o wypełnieniu 50%.
Rezystor R2 i kondensator C1 tworzą filtr dolnoprzepustowy, tłumiący zakłócenia oraz niebezpieczne
dla pinu PC6 mikrokontrolera szpilki napięcia, które powstają podczas drgań styków przy włączaniu
przycisku S1. Jednocześnie rezystor R2 zabezpiecza styki samego przełącznika S1, które są narażone
na przepływ prądu podczas zwierania kondensatora C1 do masy. Tranzystory T1 i T2 połączone rów-
nolegle pracują jako bufor wyjściowy, o wydajności do 100 mA.
Jak można łatwo zauważyć w tym generatorze mikrokontroler pracuje jako programowany dzielnik czę-
stotliwości CLK, która pochodzi z rezonatora kwarcowego i taktuje pracę mikrokontrolera. Częstotliwość
Fout na wyjściu generatora, zależy od częstotliwości CLK rezonatora oraz od ustawionego zworkami J1-
J7 stopnia podziału DIV. Można ją obliczyć ze wzoru: Fout=CLK/DIV [Hz].
Wszystkie możliwe do ustawienia kombinacje zworek J1-J7 i odpowiadające im stopnie podziału, znaj-
dują się w poniższej tabeli. Minimalny stopień podziału przy zachowaniu wypełnienia sygnału 50%, wy-
nosi CLK/6. Zmieniając program można uzyskać dowolnie wysoki stopień podziału, ale z krokiem co 2
(6, 8, 10, 12...). Niestety nie da się uzyskać dzielnika nieparzystego (7, 9, 11, 13...).
Po wlutowaniu wszystkich elementów w typowej kolejności (najpierw zworki) i upewnieniu się o braku
zwarć, wkładamy mikrokontroler w podstawkę. Następnie włączamy zasilanie i programujemy go wsa-
dem przez złącze CON3, przy użyciu dowolnego programatora ISP (In-System Programming). Złącze
CON3 zawiera sygnały rozmieszczone w standardowy sposób zalecany przez firmę Atmel, a pokazany
na schemacie ideowym. Konieczne jest również ustawienie odpowiednich wartości fuse i lock bitów:
FL (Fuse Low): $F7, FH (Fuse High): $DF ($D9 dla ATmega328), FE (Fuse Extended): $F9 ($FF dla
ATmega48/328), LB (Lock Bits): $FF. Takie ustawienia powodują, że mikrokontroler korzysta z zew-
nętrznego rezonatora kwarcowego (bity CKSEL3-0=0111); wyłączony jest dzielnik częstotliwości przez
8, co powoduje taktowanie mikrokontrolera pełną częstotliwością rezonatora (CKDIV8=1); wydłużony
jest czas jego startu do ok. 65ms po włączeniu napięcia zasilania (SUT1-0=11); wyłączone jest genero-
wanie częstotliwości taktującej mikrokontroler na pinie PB0 (CKOUT=1); włączona jest możliwość jego
resetowania przez pin PC6 (RSTDISBL=1) oraz programowania przez interfejs szeregowy (SPIEN=0).
Należy bardzo uważać, aby nie dokonać zmian w fuse/lock bitach, które uniemożliwią dalsze progra-
mowanie mikrokontrolera.
Po prawidłowym zaprogramowaniu mikrokontrolera, odłączamy programator od generatora. Następnie
na zworkach J1-J7 ustawiamy kombinację, odpowiadającą wybranemu stopniowi podziału częstotliwości
i naciskamy przycisk S1. Na wyjściu generatora powinien pojawić się sygnał prostokątny, o określonej
częstotliwości i wypełnieniu 50%.
Jeśli planujemy korzystać z jednego zestawu częstotliwości wyjściowych, możliwych do uzyskania za po-
mocą zmiany dzielnika, to rezonator kwarcowy wlutowujemy w płytkę. Natomiast, aby móc łatwo i wygo-
dnie korzystać z różnych rezonatorów, w miejsce X1 można wlutować żeńskie goldpiny precyzyjne. Dzię-
ki nim wymiana rezonatora będzie polegała tylko na szybkim wyjęciu starego i włożeniu nowego o innej
częstotliwości, bez potrzeby lutowania.
Generator zmontowałem na płytce jednostronnej o wymiarach 50x50 mm (2 zworki). W rogach płytki
znajdują się otwory montażowe o średnicy 3 mm, które mogą służyć do jej przykręcenia do obudowy lub
zamocowania w nich specjalnych nóżek, na których płytka będzie stała. Jako małą ciekawostkę dodam,
że płytkę prototypową wykonałem bez trawienia (mini wiertarką z małym frezem).
Ten generator ma identyczną płytkę drukowaną, jak Programowany generator PWM. Oba projekty
różnią się jedynie częstotliwością rezonatora kwarcowego X1, która w tym wypadku może wynosić
1-20 MHz oraz programem sterującym.

UWAGA! Generator nie jest w żaden sposób zabezpieczony przed odwrotnym podłączeniem napięcia
zasilania Vcc. Pomylenie polaryzacji tego napięcia spowoduje uszkodzenie mikrokontrolera.

Wszystkie możliwe kombinacje zworek J1-J7 i odpowiadające im stopnie podziału:

J7...J1 DIV 0000000 --- 0000001 6 0000010 8 0000011 12 0000100 16 0000101 24 0000110 32 0000111 48 0001000 64 0001001 96 0001010 128 0001011 192 0001100 256 0001101 384 0001110 512 0001111 768 0010000 1024 0010001 1536 0010010 2048 0010011 3072 0010100 4096 0010101 6144 0010110 8192 0010111 12288 0011000 16384 0011001 24576 0011010 32768 0011011 49152 0011100 65536 0011101 98304 0011110 131072 0011111 196608

J7...J1 DIV 0100000 262144 0100001 393216 0100010 524288 0100011 786432 0100100 1048576 0100101 1572864 0100110 2097152 0100111 3145728 0101000 4194304 0101001 6291456 0101010 8388608 0101011 12582912 0101100 16777216 0101101 10 0101110 20 0101111 30 0110000 40 0110001 50 0110010 60 0110011 70 0110100 80 0110101 90 0110110 100 0110111 200 0111000 300 0111001 400 0111010 500 0111011 600 0111100 700 0111101 800 0111110 900 0111111 1000

J7...J1 DIV 1000000 2000 1000001 3000 1000010 4000 1000011 5000 1000100 6000 1000101 7000 1000110 8000 1000111 9000 1001000 10000 1001001 20000 1001010 30000 1001011 40000 1001100 50000 1001101 60000 1001110 70000 1001111 80000 1010000 90000 1010001 100000 1010010 200000 1010011 300000 1010100 400000 1010101 500000 1010110 600000 1010111 700000 1011000 800000 1011001 900000 1011010 1000000 1011011 2000000 1011100 3000000 1011101 4000000 1011110 5000000 1011111 6000000

J7...J1 DIV 1100000 7000000 1100001 8000000 1100010 9000000 1100011 10000000 1100100 11000000 1100101 12000000 1100110 13000000 1100111 14000000 1101000 15000000 1101001 16000000 1101010 17000000 1101011 18000000 1101100 19000000 1101101 20000000 1101110 22 1101111 222 1110000 2222 1110001 22222 1110010 222222 1110011 2222222 1110100 44 1110101 444 1110110 4444 1110111 44444 1111000 444444 1111001 4444444 1111010 66 1111011 666 1111100 6666 1111101 66666 1111110 666666 1111111 6666666

  0 - zworka rozwarta (OFF), 1 - zworka zwarta (ON).

---

SPIS ELEMENTÓW:

Rezystory: R1 - 10k R2 - 470 Kondensatory: C1, C2 - 100n C3 - 100u/10V C4, C5 - 22p

Tranzystory: T1 - BC547 (lub inny NPN) T2 - BC557 (lub inny PNP) Układy scalone: U1 - ATmega48/88/168/328

Rezonatory: X1 - kwarcowy 1-20 MHz Przełączniki: S1 - mikroprzełącznik Złącza: CON1, CON2 - goldpin 2x1 (męskie) CON3 - goldpin 3x2 (męskie)

Inne:
U1 - podstawka DIP28 zwykła
J1-J7 - zworka 2x1