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Der HF-Vorteiler basiert auf den 1-GHz-Teiler U664B in
SIP-Ausführung.
Dieser Chip ist zwar ein Auslaufmodell, kostet aber weniger als 3 Euro.
Er enthält einen 1GHz Teiler mit empfindlichem Eingang und einem
Teilerverhältnis
von 64:1. Die Schaltung geht auf Miroslav Sinko zurück, die
Transistorstufe
musste ich ändern.
Alternativ kann man z.B den U664B im DIL-Gehäuse, den U893, den
MB501 von Fujitsu, den MC12052A von Motorola oder den SAB6456 von
Philips
(sind natürlich alle nicht Pin-kompatibel) verwenden. Die
Beschaffung
des Vorteiler-ICs ist der schwierigste Punkt beim Aufbau dieses
Zählers.
Diese schnellen ECL-Vorteiler sterben aus, da ihre Funktion zumnehmend
in moderne PLL-Schaltkreise integriert wird. Man sollte sich hier also
nicht auf einen Typ versteifen, sondern nehmen was man bekommen kann.
Vorteiler-Details
Es gelang mir nicht, das originale Datenblatt für den U664B zu
finden. Es gab aber übereinstimmende Hinweise an mehreren Ecken
des
Web, und schließlich mailte mir jemand die technischen Daten zu:
Die hohe Eingangsempfindlichkeit macht den Eingang empfindlich für Einstrahlungen. Ein offener Eingang ohne Eingangsspannungsteiler (R7, R9, R10) fing im Laboraufbau immer den 10 MHz PIC-Takt ein. Der Eingangsspannungsteiler soll auch eine Übersteuerung der U664B-Eingangs verhindern.
Es fällt auf, dass der U664B bei zu geringer Eingangsfrequenz auf ein kleineres Teilungsverhältnis 'umschaltet'. Bei 10 MHz teilte er nur im Verhältnis 4:1, bei 20 MHz im Verhältnis 8:1. Bei 50 MHz funktionierte er dagegen korrekt (64:1). Um Fehlmessungen zu vermeiden, sollte sichergestellt sein, dass man eine ausreichend hohe Eingangsfrequenz (wenigstens 30 MHz) hat.
Der U664B liefert seinen Ausgangstakt mit ECL-Pegel, also mit Vdd
und
Vdd-0,8V. Um diesen Pegel auf den PIC-Eingang anzupassen habe ich eine
Transitorstufe verwendet. (Die originale von Miroslav Sinko war nicht
verwendbar).
Bei einer Eingangsfrequenz von 1,3 GHz gibt der U664B eine Frequenz von
20 MHz aus. Der PIC-Eingang hat eine Eingangskapazität von 50 pF.
Bei 20 MHz entspricht das einer 'Impedanz' von 160 Ohm. Die
Pegelanpassstufe
muss also ausreichend niederohmig sein, Um den 5V-Pegel im PIC auf
mindestens 3V zu halten. Daraus errechnet sich für R5 ein Wert von
max. 260 Ohm. Ich habe 220 Ohm gewählt.
Damit der Transistor im durchgeschalteten Zustand noch den nötigen
High-Pegel von 4V erreicht, muss R4 sehr niederohmig ausfallen Die
verwendeten 49 Ohm sind schon ein Maximalwert. C3 verbessert die
Flankensteilheit.
Als Ttransistor eignet sich ein schneller pnp-Schalttransistoren
für
wenigstens 150 mA Kollektorstrom.(z.B. BC328).
Der 1-GHz-Zähler verwendet einen externen 64:1 Vorteiler mit dem Telefunken-Chip U664B. Dieses zusätzliche Teilerverhältnis muss natürlich in der Software berücksichtigt werden.
Um Messwerte im GHz-Bereich anzuzeigen, ist eine 10-stellige Ausgabe des Messergebnisses nötig
Die zu messende Frequenz wird im U664B durch 64 geteilt und dann an RA4 angelegt.
Vor der eigentlichen Frequenzmessung macht das Programm eine
Grobmessung
der Frequenz an RA4. Mit einem internen Timer0-Vorteiler von 256:1,
einer
Messzeit von 256 Mikrosekunden und einer Genauigkeit von 8 Bit.
Damit
wird die Eingangsfrequenz an RA4 in Megaherz bestimmt. Dem Ergebnis
entsprechend
wird der Vorteiler des Timer0 im PIC eingestellt. Mit steigendem
Vorteilerwert
verringert sich die Auflösung der Messung.
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Mit diesem Vorteiler wird dann eine 24-Bit genaue Zählung
über
1/2 Sekunde durchgeführt.
(Selbstverständlich wird der Timer0-Vorteiler 32:1 in der Praxis
mit einem U664B nie erreicht werden.)
Das 24-Bit Zählergebnis wird zunächst mit 2 (1/2 Sekunde Messzeit) und anschließend mit dem Vorteilerwert und abschließend mit 64 (externer Vorteiler) multipliziert.
Die so erhaltene 32-Bit Frequenz wird in eine 10-stellige Dezimalzahl gewandelt
Die Dezimalzahl wird an das LCD ausgegeben.
Anschließend erfolgt ein neuer Messzyklus.
Die obere und die untere Grenzfrequenz des Frequenzzählers ergeben sich aus dem Limits des Vorteilers. Erfahrungsgemäß erreicht der U664B eine maximale Eingangsfrequenz von 1,3 GHz. Durch Nutzung schnellerer Vorteiler ließe sich ohne weitere Änderung die obere Grenzfrequenz bis auf 4,29 GHz erhöhen. Für höhere Frequenzen müsste die Software modifiziert werden.
Die untere Grenzfrequenz hängt von der Eingangsbeschaltung des U664B und von diesem Chip selbst ab. Unterhalb von 50 MHz arbeitet der U664B nicht stabil, der Hersteller fordert mindestens 70 MHz. Da die Auflösung des Messergebnisses in diesem Fall 256 Hz beträgt, ergibt sich eine Messgenauigkeit von 0,0005% des Messwerts. Ab 128 MHz bis zur oberen Grenzfrequenz besträgt die Auflösung zwischen 0,0002% und 0,0001% des Messwertes.
Kalibrierung
Ohne Kalibrierung erreicht der Zähler eine Genauigkeit von ca
0,005%. Die Frequenzabweichungen werden durch eine Abweichung der
Quarzfrequenz
von den gewünschten 10 MHz verursacht (ohne spezielle
Maßnahmen
ca. 50ppm). Die meisten 10 MHz Quarze schwingen etwa 500 Hz zu schnell
(meiner Erfahrung nach, Ausnahmen wird es auch geben), und müssen
mit einem Trimmkondensator abgeglichen ('gezogen') werden. Ohne
Abgleich
wäre der angezeigte Frequenzwert etwa 0,005% zu klein.
Als Trimmkondensator wird ein 30pF-Keramik-Trimmkondensator zwischen
OSC1 und Masse angeschlossen, und auf ca. 20 pF eingestellt (20 pF
'bremsen'
den 10-MHz-Quarz um etwa 600 Hz). Der Frequenzzähler wird nun an
eine
Referenzfrequenzquelle (wenn man denn eine findet) angeschlossen und
durch
Verstellen des Trimm-Kondensators die angezeigte Frequenz der
Referenzfrequenz
angeglichen. Der zulässige Anzeigefehler ist je nach
Messbereich
2,5 kHz (bei f < 256 MHz) bis 13 kHz (bei f > 1 GHz).
Danach sollte der Messfehler im gesamten Frequenzbereich auf
0,001%
reduziert sein. Höhere Genauigkeiten lassen sich nur noch mit
einem
Termostat erreichen, der den Quarz auf einer konstanten Temperatur
hält.
Normale Quarze, Quarzoszillatoren, PLL-Tuner von Super-Empfängern
u.ä. eignen sich nicht als Lieferant für eine
Referenzfrequenz,
da sie zu ungenau sind!
Wer (wie die Meisten) keine präzise Referenzfrequenz zur Verfügung hat, kann wie hier beschrieben vorgehen. Dazu wird der Frequenzzähler komplett aufgebaut, und von OSC1 nach Masse ein 30-pF-Trimmkondensator angeschlossen. Danach wird die Software aus dem Lernbeispiel LCD-UHR in den PIC gebrannt. Genau zur vollen Stunde (nach der Fernseh-Uhr) wird die Null-Taste an der Uhr gedrückt (also RB1 kurz mit Masse verbunden). Die Uhr startet mit 00:00:00. Nach 24-Stunden wird festgestellt, ob die Uhr mehr als 1 Sekunde vor oder nach geht. Ist dass der Fall, wird der Trimmkondensator verändert, und die Uhr zur vollen Stunde wieder auf 00:00:00 gesetzt. Eine vergrößerte Kapazität bremst eine zu schnell laufende Uhr, eine verkleinerte Kapazität beschleunigt eine zu langsame Uhr. Eine Veränderung des Trimmkondensators um 1 pF bewirkt eine Gangänderung von ca. 0,25 Sekunden pro Tag. Nach einigen Tagen sollte man eine Trimmerstellung gefunden haben, bei der die Uhr genau läuft. Nun wird die Frequenzmesser-Software in den PIC gebrannt: fertig.
Mögliche Verbesserungen
Eine Vereinigung mit dem
50-MHz-Frequenzzähler
mit Vorverstärker und TTL-Eingangsstufe würde die Schaltung
zu
einem universellen Frequenzmesser von 4 Hz bis 1 GHz aufwerten. Die
Umschaltung zwischen den verschiedenen Eingängen (TTL / 50MHZ /
1GHz)
könnte über einen Multiplexer oder einen einfachen
Drehschalter
erfolgen.
Ein schnellerer Vorteiler ermöglicht ein Vordringen in das
S-Band
bis zu 4,29 GHz..
Ein MB506 von Fujitsu ermöglicht z.B. 2,4 GHz. Er erfordert aber
leider eine Softwareänderung, da er ein 128:1 Teiler ist.
;8 Zeichen fertig
;ACHTUNG
;die folgenden 2 Zeilen nur bei einem
1-Zeiligen
Display 1x16
movlw
B'11000000' ; Sprung zur virtuellen 2.
Zeile
bei 1x16
call
OutLcdControl ; Sprung zur virtuellen 2. Zeile bei
1x16
Wird dies nicht beachtet, dann werden nur die ersten 8 Zeichen im Display dargestellt.
Ein Beispiel für die Nutzung eines 1x16-Displays findet sich in der Frequenzanzeige für UKW-Empfänger .
Entwicklungsstand
| Die Software wurde angepasst und
funktioniert. Der Vorteiler ist erst bis 200 MHz erprobt.Änderungen an der Eingangsbeschaltung und dem Treibertransistor sind noch möglich. Z.Z. ist der Vorteiler als Steckplatine ausgelegt, die auf
meine PIC-Testplatinen
gesteckt werden kann. Einige Nachbauten sind mit anderen Vorteilern und modifizierter Software in der Lage, Frequenzen bis zu 2,5 GHz zu messen. |
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Autor: sprut
erstellt: 12.06.2002
letzte Änderung: 12.05.2007