Frequenzzähler
by Martin Clausen (mc AT rotgradpsi DOT de)
Ein schlichter Frequenzzähler mit LED-Anzeige
Inhaltsverzeichnis:
- Standard Bauteile
- Signalaufbereitung mittels Komperator oder TTL-Eingang
- Meßbereich:
- über Komperator: 1Hz bis mindestens 24 MHz, typisch 45 MHz
- über TTL-Eingang: 1Hz bis mindestens 42 MHz, typisch 65 MHz (für 74HC390 von ST)
- Meßdauer: 1 Sekunde
- Anzeige wird jede Sekunde aktualisiert
- 6 Digit LED Anzeige, 2 Meßbereiche mit 1 Hz und 100 Hz Auflösung
Einsatzgebiet
Die Schaltung eignet sich zur Messung von Frequenzen ab einigen 10Hz. Sie kann zum Beispiel als Erweiterung in einen analogen Frequenzgenerator eingebaut werden oder auch als eigenständiges Gerät nützlich sein.
Obwohl kein spezielles IC noch ein Mikrocontroller zum Einsatz kommt, ist die Anzahl der Bauteile relativ gering. Weiters zu den damit verbunden Einschränkungen im Abschnitt Genauigkeit.
Ablauf der Messung
Der Zähler 4521 generiert aus dem 4,194304 MHz Takt des Quarzoszillators eine positive Flanke, die genau eine Sekunde nach dem Ende des Resetsignals kommt. Während der Ausgang des 4521 low ist, ist das Ausgangssignal des des Komperators NE527 freigegeben. Alle fallenden Flanken am Ausgang des NE527 werden von den BCD-Zählern 4553 erfaßt.
Wird nun der Ausgang des 4521 high, so wird das Ausgangssignal des Komperators gesperrt. Gleichzeitig wird von C4, R5 und U2,1 ein low Impuls am LE Eingang der 4553 erzeugt. Dadurch wird der Zählerstand, der während der einen Sekunde Meßzeit erreicht wurde, gespeichert.
Weiterhin wird von U2,2, C3, R4 und U2,3 an der steigenden Flanke des low Impulses von U2,1 ein high Impuls am MR Anschluß der 4553 erzeugt. Dieser bewirkt, daß die Zähler in den 4553 zurückgesetzt werden.
Außerdem wird an der fallenden Flanke des Impulses von U2,3 von C2, R6 und U2,4 ein high Impuls am Reseteingang des 4521 erzeugt und damit ein neuer Zyklus eingeleitet.
Mittels des Schalters kann ein Vorteiler zu Erweiterung des Meßbereichs aktiviert werden.
Genauigkeit
Die Genauigkeit der Schaltung ist im Prinzip nur durch die Frequenzgenauigkeit des Quarzoszillators bestimmt. Die Grundgenauigkeit eines solchen Oszillators liegt bei 100ppm entsprechend 0,01%. Hinzu kommt noch die Dauer des Resetsignals des 4521. Dies ist zwar mit erheblichen Schwakungen belegt, aber liegt mit 1µs im 1ppm Bereich der Gesamtmesszeit von einer Sekunde. Die Genauigkeit der Anzeige nimmt mit geringer werdener Frequenz ab, denn es können nur ganze Impulse gemessen werden. Es tritt also eine Unsicherheit von +/- 1 Hz bzw. mit Vorteiler +/- 100 Hz auf.
Um bei niedrigen Frequenzen eine bessere Auflösung bei gleicher Meßhäufigkeit zu erreichen, müßte die Breite der Impulse statt ihrer Anzahl in der Zeit gemessen werden. Um beide Verfahren miteinander effektiv zu kombinieren, ist ein Mikrocontroller oder ein großer schaltungstechnischer Aufwand notwendig.
Eingangssignalaufbereitung
Der Eingangskondensator entfernt den Gleichstromanteil im Meßsignal. Der Widerstand R8 sorgt für einen minimalen Schutz des Komperators. R11 verhindert, daß der Eingang des Komperators auf undefiniertem Potential liegt. R7 und R10 sorgen für eine Hysterese von 0,5 Volt, die sicheres Umschalten bei flachen Flanken garantiert. Außerdem legen sie die Schaltpunkte auf 0 bzw. 0,5 Volt. Wichtig ist auch R26. Er verhindert, daß es im Komperator zu einem Latch-up kommen kann, der den Komperator zerstören würde.
- Halbleiter:
- 6 1N4001
- 3 MPSA 13
- 1 NE 527
- 1 74HC 00
- 1 74HC 132
- 1 74HC 390
- 2 4511
- 1 4521
- 2 4553
- 6 LED-Anzeigen, gemeinsame Kathode, rot (sonst Vorwiderstände anpassen)
- 1 4,194304 MHz Quarzoszillator
- 1 7805
- 1 78L08
- 1 79L08
Kondensatoren:
- 4 1nF ker
- 18 100nF ker
- 1 1µF
- 6 10µF
- 2 220µF
- 1 1000µF
Widerstände:
- 14 33 Ohm
- 1 2,7k
- 3 4,7k
- 6 10k
- 1 100k
- 1 470k
Mechanik:
- 1 Trafo 9V / 4,8VA
- 1 Umschalter
- 1 Gehäuse
- 1 Lochpunktrasterplatine
- 1 Spule Fädeldraht
- 2 Bananenbuchsen
- Der IC 4521 besitzt zusätzliche Versorgungsspannungsanschlüße: Pin 3: GND sowie Pin 5: +5V
- Für den NE527 keine Fassung verwenden.
- R7 bis R11 und C6 bis C8 sollten SMD sein.
- Leitungen in der Eingangsschaltung mit dem NE527 sollten besonders kurz sein.
- Die Eingangsschaltung mit dem NE527 besitzt keinen Überspannungsschutz.
- Liegt als Eingangssignal ein 5 Volt Rechtecksignal vor, kann der NE527 mit Beschaltung entfallen und U8 Pin 15 mit U3 und U4 je Pin 11 verbunden werden.
- Die erste LED Anzeige - also die die Einer darstellt - wird von U3, Pin 2 angesteuert, die der Hunderttausender von U4, Pin 15
siehe auch Datenblatt des 4553 Fig. 4, in Fig. 5 ist die Reihenfolge irreführend aber richtig beschriftet dargestellt.
Die Bauteilebeschriftung ist wie folgt zu lesen:
Bauteiltyp + Wert in exponential Form + Gehäusebezeichnung + Unternummer der Funktionseinheit
zum Beispiel: C1040805,1 ist ein Kondensator, 100nF, Gehäuse SMD 0805, erste Funktionseinheit im Gehäuse
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