20 MHz aus 10 MHz-Referenzfrequenz

für meinen Frequenzzähler
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Einleitung


In vielen Laboren und wohl auch in einigen Bastlerlaboren gibt es einen zentral erzeugten, genauen Masterclock, mit dem alle Geräte synchronisiert werden. Das ist in der Regel ein hochgenauer 10-MHz-Takt, der via Koaxialkabel und BNC-Steckverbindern allen Geräten zur Verfügung gestellt wird. (Der Pegel ist typischerweise 10 dBm, was an 50 Ohm etwa 0,7 V entspricht.)

Frühere Versionen meines Frequenzzählers hatten einen 10-MHz-Quarz als PIC-Taktquelle. Dadurch ließen sie sich recht leicht für die Speisung mit einem externen 10 MHz Referenztakt modifizieren. Inzwischen betreibe ich den Frequenzzähler aber mit 20 MHz.

Die Lösung dieses Problems ist die Erzeugung eines 20-MHz-Taktes aus dem externen 10-MHz-Referenztakt.

Dafür verwendet man normalerweise PLL-Schaltungen, aber ich wollte es einfach halten.


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Interfaces

Die Schaltung hat eine BNC-Buchse als Eingang für ein 10 MHz Referenzfrequenzsignal. Das sollte eine Leistung von 10 dBm haben, was an 50 Ohm etwa 0,7 V entspricht. Aufgrund der verwendeten Schaltung, werden an den Pegel aber nur geringe Ansprüche gestellt. Amplituden zwischen 0,1V und 10 V sollten Funktionieren. Das Eingangssignal darf 14 V aber nicht überschreiten.

Ein 4-poliger Steckverbinder verbindet die Schaltung mit dem Frequenzzähler. Zum einen liefert sie die 5V Betriebsspannung, zum anderen wird hierüber auch der 20 MHz-Takt zum Zähler geliefert. Dieses Kabel sollte möglichst kurz gehalten werden, denn 20 MHz als einfaches TTL-Signal über ein Flachbandkabel zu leiten entspricht nicht gerade der reinen Lehre.
Pin 2 dieses Verbinders führt ein TTL-Signal, welches anzeigt, ob die interne Quarzfrequenz (high) oder die externe Referenzfrequenz (low) verwendet wird. Das ist ein ungeschützter Gatterausgang. Im einfachsten Fall lässt sich hier über einen 1 kOhm-Widerstand eine LED anschließen.



Schaltungsbeschreibung

Meine Schaltung dafür besteht aus fünf einfachen IC.

Ein 20 MHz-Quarzoszillator mit einem 74LS00 erzeugt einen 20 MHz Takt, falls kein externes Referenzsignal eingespeist wird.

Ein externes Referenzsignal kann über die BNC-Buchse eingespeist werden. Ein LTC1485 wandelt den externen 10-MHz-Takt in einen Takt mit TTL-Pegel. Ein langsamer 74LS04 dient dann als Verzögerungsleitung für diesen Takt. Erfahrungsgemäß beträgt die Gatterlaufzeit bei einem 74LS04 etwa 6..9 ns.

Mit zwei Gattern eines 74HCT00 erzeuge ich nun zwei phasenverschobene 10-MHz-Takte. Beide sind unsymmetrisch. Der Low-Teil dieser Takte ist ~20 ns lang, und der High Teil ~80 ns. Die Phasenverschiebung beider Takte untereinander beträgt 45 ns (gemessen) oder 162°. (Ideal wären 50 ns.)
Ein weiteres 74HCT00-Gatter fasst beide Takte zu einem 20 MHz Takt zusammen. Hier sollte ein schneller Typ wie der 74HCT00 verwendet werden.

Der 74LS123 wird von diesem 20 MHz-Takt getriggert. Er ist auf Ausgangspulse von ~180 us eingestellt, und wird bei Anliegen eines 20-MHz-Taktes ständig retriggert. Dadurch ist sein Ausgang bei Anliegen der Frequenz ständig aktiv. Er schaltet den internen 20-MHz-Oszillator ab, und schaltet an seiner Stelle den aus dem externen Takt erzeugten 20 MHz-Takt zum Ausgang.

Am Ausgangssteckverbinder (Pin 3) liegt also immer ein 20 MHz-Takt. Entweder ist es der vom Quarzoszillator, oder - wenn ein externer Takt anliegt - die verdoppelte externe Referenzfrequenz.

Der Pegel am Pin2 des Ausgangssteckverbinders zeigt an, welche Taktquelle benutzt wird. High-Pegel steht für den internen Quarzoszillator und Low-Pegel für die Referenzfrequenz.

Stromlaufplan

Das nebenstehende Diagramm zeigt das Ergebnis.
  • Violett ist der 10-MHz-Eingangstakt am ersten Inverter des 74LS04 (Pin 1, V1).
  • Gelb und Grün sind die beiden neuen unsymmetrischen 10-MHz-Takte an den Pins 1 & 2 des 74HCT00 (V1).
  • Blau ist der resultierende 20 MHz Takt.

Der erzeugte 20-MHz-Takt ist zwar nicht perfekt symmetrisch, reicht für den Zweck aber aus. Auf jeden Fall ist er phasenstarr zum 10-MHz-Referenztakt, und durch die PIC-interne 4:1-Teilung verschwindet dann auch die leichte Asymmetrie wieder.

Der Frequenzzähler wird ohne den Quarz Q1 sowie den Kondensatoren C10 und C15 aufgebaut. Der 20-MHz-Takt wird am PIC16F628 am Pin 16 (OSC1) eingespeist. Die aktuelle Version des Zählers hat dafür einen Steckverbinder.

Die verschiedenen 74-er Familien haben unterschiedliche Gatterlaufzeiten. Aus diesem Grunde ist unbedingt ein 74LS04 für die Verzögerungsleitung zu verwenden. Vertreter andere 74er-Familien sind zu schnell. Der 74LS04 hat zwar eine nominelle Gatterlaufzeit von 10ns, in der Praxis sind es aber manchmal auch nur 6 ns. Der 74LS04steckt bei mir in einem IC-Sockel. Dadurch konnte ich verschiedene 74xx04 ausprobieren, und denjenigen aussuchen, bei dem der erzeugte Takt am symmetrischsten aussieht. Bei mir versieht ein DL004 aus DDR-Altbeständen seinen Dienst :)
Diagramm



Stromversorgung

Die Schaltung benötigt eine stabile Gleichspannung von 5V (±0,25V) und zieht etwa 100 mA. Die kann der Frequenzzähler liefern. Die aktuelle Zählerversion liefert die Spannung über den 4-poligen Steckverbinder mit.



Aufbau, Inbetriebnahme, Funktiontest

Der Einfachheit halber habe ich ein Layout entwickelt, das für DIL-Schaltkreise vorgesehen ist. Für den LTC1485 war das vielleicht nicht optimal, da dieser bei Reichelt nur im SMD-Gehäuse erhältlich ist, aber Conrad hat die DIL-Version im Angebot. Für den 74LS04 war die DIL-Bauform aber ein Muss, da dieser in einen IC-Sockel gesteckt werden sollte.

Die Schaltung wird komplett aufgebaut, und dabei für V1 ein IC-Sockel eingelötet, in den der 74LS04 gesteckt wird. Am BNC-Steckverbinder wird zunächst nichts angeschlossen. Nun speist man über die Pins 1 und 4 des Steckverbinders SV1 die 5V Betriebsspannung ein und misst die Stromaufnahme überschreitet diese 200 mA, dann trennt man die Versorgungsspannung sofort ab, und sucht nach der Ursache des hohen Stromverbrauchs. Dafür kommen Kurzschlüsse oder verdreht eingesetzte ICs in Frage.

Stimmt die Stromaufnahme, dann misst man den Pegel am Pin 2 des Verbinders SV1. Diese muss über 2,5 V liegen. Am Pin 3 sollte nun ein Takt von ca 20 MHz anliegen.

Nun verbindet man die BNC-Buchse mit einem 10-MHz Takt. Dann misst man den Pegel am Pin 2 des Verbinders SV1 erneut. Diese muss nun unter 0,8 V liegen. Am Pin 3 sollte auch nun ein Takt von ca 20 MHz anliegen.

 


Kalibrierung

Um auch ohne externe Referenzfrequenz eine gute Taktversorgung zu garantieren, muss der Quarzoszillator mit dem Trimmer C7 auf 20 MHz abgeglichen werden. Das muss nicht angeschlossener Referenzfrequenz getan werden. Am besten misst man einfach die Referenzfrequenz mit dem Frequenzzähler während dieser mit dem Quarzoszillator getaktet wird. Dann stellt man C7 so ein, dass die Anzeige 10 000 000 Hz anzeigt.



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Autor: sprut
erstellt: 05.12.2015
letzte Änderung: 17.04.2016