Projekt:
          Frequenzzähler
    
    
    zurück zu HF , zurück zur Elektronik , Homepage
    
    
    
    
    Einleitung
    
    Ein Frequenzzähler ist bis zu ca. 50 MHz problemlos mit einem
    Mikrocontroller zu realisieren. Für höhere Frequenzen gibt es
    spezielle ECL-Vorteiler (z.B. MB506). Damit lassen sich
    Frequenzzähler bis zu ca. 2,5 GHz aufbauen. Darüber hinaus wird es
    aber anspruchsvoller.
    Noch höhere Frequenzen lassen sich mit einem Frequenzkamm oder einer
    einstellbaren Frequenz in das Frequenzband herunter mischen, welches
    die ECL-Teiler wiederum beherrschen. Dadurch sollten sich 6 GHz
    erreichen lassen. Dieser Wert ist einfach mal geraten. Natürlich
    wären auch 10 GHz denkbar, aber die DIY-Probleme sind gewaltig. Auch
    4 GHz wäre schon erfreulich.
    
    Ein Frequenzkamm lässt sich aus einer Grundfrequenz mit Hilfe einer
    Step-Recovery-Diode erzeugen, was aber schaltungstechnisch nicht
    trivial ist. Es gibt aber auch fertige "Comb Harmonics Train
    Generators" z.B. von HP. Da muss man halt nur drankommen. Dann
    braucht man noch einen sehr breitbandigen Mixer oder Sampler als
    Eingangsstufe. Der Rest ist vergleichsweise simpel.
    
    
    
    Überlegungen zum Bau
    
    Frequenzkamm 
    In der HF-Technik gibt es nur Signale in Sinus-Form. Alle anderen
    Signalformen betrachtet man als die Summe einer Grundfrequenz und
    deren Vielfachen. Je nachdem, wie stark die unterschiedlichen
    Vielfachen sind, erhält man jede beliebige Wellenform. 
    Man braucht auch nicht immer alle Vielfachen der Grundschwingung. Um
    ein symmetrisches 1 GHz Rechtecksignal zu erzeugen, addiert man 1
    GHz, 3 GHz, 5 GHz, 7 GHz, ..... zusammen (dabei ist die Amplitude
    der einzelnen Sinusse jeweils unterschiedlich). Die gerade
    Vielfachen der Grundschwingung braucht man bei einem symmetrischen
    Rechteck nicht. Will man dagegen einen unsymmetrischen Rechteck
    erzeugen (kurze positive Pulse mit langen Lücken dazwischen), dann
    braucht man auch die geraden Vielfachen.
    
    Wie viele Wellen braucht man nun eigentlich? Reicht 7 GHz, als
    Maximum? Das hängt davon ab, wie kompliziert die zu erzeugende
    Wellenform ist (insbesondere wie stark der Anteil an schnellen
    vertikalen Änderungen in der Wellenform ist) und wie genau man die
    gewünschte Wellenform nachbilden will.
    Wenn man z.B. extrem kurze Pulse mit entsprechend langen Lücken
    erzeugen will, dann braucht man dafür eine extrem hohe Zahl an
    Vielfachen der Grundfrequenz. 
    
    Das lässt sich auch umgekehrt betrachten: Erzeugt man eine Folge
    sehr kurzer Impulse, dann erzeugt man in Wirklichkeit viele Sinusse.
    Eine Sinus mit der Pulsfolgefrequenz und viele andere Sinusse mit
    den Mehrfachen dieser Frequenz. Das ist dann ein Frequenzkamm.
    Nur leider ist die Erzeugung einer 1 GHz Pulsfolge gar nicht so
    einfach. Es gibt dafür aber ein geeignetes Bauelement: die
    Step-Recovery-Diode. Diese findet man leider nicht bei Conrad, also
    muss man etwas im Web suchen. Dafür findet man dann hoffentlich eine
    komplette Baugruppe mit einer Step-Recovery-Diode und der nötigen
    Beschaltung drum herum. So eine Diode brauch ein starkes
    Eingangssignal, so um die 20 ... 25 dBm. Also nimmt man einen 1
    GHz-Generator, einen Verstärker und speist das verstärkte Signal in
    die Diode ein. An deren Ausgang hat man dann viele Vielfache von 1
    GHz.
    
    Sampling
    Stellen wir uns vor, wir hätten so einen Frequenzkamm mit
    brauchbaren Signalamplituden von 1 GHz bis 10 GHz. Wenn wir ein
    unbekanntes Eingangssignal (es sei hier einmal 6,2 GHz) in einem
    sehr breitbandigen Mischer mit dem Frequenzkamm mischen, was
    bekommen wir dann? Zu den schon vorhandenen Signalen erhalten wir
    noch die Summenfrequenz und die Differenzfrequenz des
    Eingangssignals mit jeder einzelnen Frequenz des Kamms. Die meisten
    davon sind viele GHz hoch, aber eine ist auch erfreulich niedrig.
    Das ist die Differenz aus 6,2 GHz mit 6 GHz. Das wären dann also 200
    MHz.
    Man kann sich leicht überlegen, dass es für jede Eingangsfrequenz
    eine Differenzfrequenz gibt, die nicht höher als 500 MHz sein wird.
    Wenn man hinter dem Mixer also einen 500 MHz Tiefpass anordnet, dann
    wird dort nur noch diese relativ niedrige Frequenz sein, und die
    kann man mit einfachen ECL-Vorteiler auch problemlos zählen. 
    
    Frequenzbestimmung
    Dummerweise gibt es viele mögliche Eingangsfrequenzen, die hinter
    dem Mischer 200 MHz erzeugen können. Zum Beispiel 200 MHz / 1,2 GHz
    / 2,2 GHz / 3,2 GHz ...... aber auch 800 MHz / 1,8 GHz / 2,8 GHz
    ..... Wenn man also nun 200 MHz misst, dann ist das Ergebnis
    mehrdeutig, jede der verdächtigen Frequenzen könnte das
    Eingangssignal sein. 
    
    Nun hilft ein Trick. Speist man in die Step-Recovery-Diode nun z.B.
    1,01 GHz ein, dann erhält man alle Vielfachen von 1,01 GHz. (1,01
    GHz / 2,02 GHz / 3,03 GHz ... 6,06 GHz ... ) Das änder auch das
    Ergebnis des Mischvorganges etwas. Die niedrigste Mischfrequenz ist
    nun die Differenz aus 6,06 GHz (6 x 1,01 GHz) und den 6,2 GHz. Das
    sind nun  nicht mehr 200 MHz sondern 140 MHz. Die
    Kamm-Grundfrequenz wurde um 10 MHz verändert, aber das Mischergebnis
    hat sich sechs mal so stark verändert, um 60 MHz. Folglich ist sie
    das Ergebnis der Mischung mit der versechstfachten Grundfrequenz
    von  6 x 1,01 GHz = 6,06 GHz. Da das Mischergebnis geringer
    geworden ist, liegt die Eingangsfrequenz oberhalb dieser 6,06 GHz,
    und nun können wir die Eingangsfrequenz eindeutig bestimmen, es ist
    6,06 GHz + 140 MHz = 6,2 GHz.
    
    Das ist die Lösung. Mann muss zwei Mal (manchmal auch drei Mal) eine
    leicht veränderte Frequenz in die Step-Recovery-Diode einspeisen,
    jeweils die Frequenz des niedrigsten Mischergebnisses messen und
    berechnet dann leicht die Eingangsfrequenz. 
    
     
    
      
      
zurück zu HF , zurück zur Elektronik , Homepage
    Autor: sprut 
      erstellt: 16.02.2019