1GHz-Frequenzzähler

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Ein Projekt, dass ich schon vor Jahren beginnen wollte: ein Frequenzzähler, der allen nur erdenklichen Ansprüchen genügt. Folgende Features soll er einmal haben:

  • max. Frequenzbereich 1 GHz
  • hohe Empfindlichkeit (<50mV)
  • hohe Grundgenauigkeit
  • +/- Offset beliebig einstellbar
  • verschiedene Gate-Zeiten
  • Periodendauer-Messung
  • Ereignis-Zählung
  • PC-Kopplung zum Fernsteuern + Protokollieren der Messwerte

Das Projekt befindet sich noch in der Entwicklungsphase. Hier die ersten Überlegungen: es wird wieder ein ATMEL-Controller Anwendung finden. Meine Wahl fiel auf den MEGA88. Der hat ausreichend Speicher - und vor allen Dingen: er ist schnell. Meinen Testaufbau betreibe ich mit 24.576Mhz. Das ist zwar außerhalb der Spezifikation - er läuft wunderbar! - hat aber den Vorteil, dass Frequenzen bis 10 MHz gemessen werden können. PIC-Anwender werden sich jetzt wundern, warum nur bis 10 MHz? Der Grund ist ganz einfach: die PICs haben asynchron von Außen triggerbare Zähler. Dabei kann die zu zählende Frequenz sehr viel höher als die Taktfrequenz sein. Bei den ATMEL-AVR-Controllern ist das leider anders: hier werden alle Eingangssignale mit der Taktfrequenz synchronisiert. Damit gilt das Nyquist-Shannonsche Abtasttheorem: die höchste zu messende Frequenz ist gleich der halben Taktfrequenz. Und das gilt auch nur bei symmetrischen Taktverhältnissen - der kürzeste 0/1-Pegel bestimmt die höchste registrierbare Frequenz. Sinnvollerweise sieht man deshalb direkt vor dem Eingangspin wahlweise einen Teiler durch 2 vor. Für noch mehr Messbereichserweiterung sind Prescaler vorgesehen, z.B. der U813BS, der das Messen bis 1 GHz erlaubt.

Fig. 1: Hier der erste Versuchsaufbau

Fig. 2 

Fig. 3: Den Quarz und die beiden Kondensatoren habe ich direkt an die Controller-Pins gelötet. Benachbarte Streifen des Experimentierboards haben zu hohe Kapazität, sodass sich die Frequenz nicht korrekt einstellen ließ

Fig. 4: Die beiden Vorverstärker / Vorteiler und die weitere Verarbeitungslogik

Hier der erste Wurf des Schaltbildes. Wichtig war mir, dass der 1. Vorverstärker (10 Hz...80 Mhz) ausreichende Empfindlichkeit und eine hohe Eingangsimpedanz hat und keinerlei Schwingneigung zeigt. Die Empfindlichkeit liegt zwischen ca. 5 mVeff (100 KHz) und 30 mVeff (75 MHz). Mit den Potis P1 und P3 lassen sich die Arbeitspunkte der beiden BFR90 (Transitfrequenz: 5 GHz!!) optimal einstellen (Kontrolle mittels Oszilloskop). Dem Vorverstärker folgt der Schmitt-Trigger (74AC14). Es folgen 3 Teilerstufen, die bei Bedarf hinzugeschaltet werden können. Je nach benötigten Frequenzbereich kann die Genauigkeit optimiert werden. Über einen Multiplexer erfolgt die Auswahl des Frequenzbereichs: -10 MHz, -20 MHz, -40 MHz, -80 MHz, -640 Mhz, -1,1 Ghz. Es gibt auch einen TTL-Eingang. Darüber geschieht die Ereigniszählung und die Messung der Periodendauer. Optionen sind: -normal, -invertiert, -mit zusätzl. Teiler durch 2.


Um Nachfragen vorzubeugen: NEIN, die Software ist noch nicht fertig! Das verwendete Demo-Programm können Sie hier einsehen.


Der U813BS hat eine "Macke": ohne ausreichend hohem Eingangssignal (<40mV) schwingt der Prescaler wild. Ich habe auf anderen Webseiten gelesen, dass der das immer macht - dafür ist er unschlagbar preiswert. Ggf. verwende ich einen anderen Teiler...


Wird (irgend wann einmal ...) fortgesetzt!

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