Projekt:
Frequenzzähler
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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.
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Autor: sprut
erstellt: 16.02.2019