6 Stelliger Zähler für Frequenzen zwischen 1 Hz und typisch 100 MHz
Der im folgenden zum Nachbau beschriebene Frequenzzähler ist mit TTL-Schaltungen der preisgünstigen Serie SN74...N aufgebaut. Andere Familien von integrierten Schaltungen, wie zum Beispiel ECL-Schaltungen werden nicht verwendet, um vor allem aufwendige Pegelwandler zu vermeiden und den Nachbau nicht zu erschweren. Die derzeitigen technologischen Grenzen der TTL-Schaltungen werden durch den Einsatz von Schottky-TTLs.(SN74S...N) im Vorteiler und im Zähltor ausgenutzt.
1. Das gesamtgerät und seine Eigenschaften
Der Frequenzzähler besteht aus den vier Baugruppen Netzteil, Zeitbasis, Zähler-karte und Vorverstärker mit Impulsformer und 2 : 1-Vorteiler. Bild 1 zeigt die Zusammenschaltung dieser Baugruppen in einem Blockschaltbild.
Bild 1: Blockschaltbild des 6stelligen Zählers
Die Baugruppe Vorverstärker, Impulsformer und 2 : 1-Vorteiler auf der Leiterplatte DL8TM 003 befindet sich noch in der Erprobung und wird im folgenden Heft der UKW-BERICHTE beschrieben werden. Sie enthält je einen Vorverstärker für tiefe Frequenzen und für hohe Frequenzen, deren Ausgangssignale über eine ODER-Schaltung an den Vorteiler gelangen. Für den als 2 : 1-Teiler benutzten Flipflop vom Typ SN74S112 N gibt der Hersteller als Minimum für die obere Frequenzgrenze 80 MHz an. Der selektierte Typ SN74S112N S1 (doppelter Preis) erreicht sogar minimal 120 MHz. Das Entwicklungsmuster des HF-Vorverstärkers triggert den Vorteiler bei einer Eingangsspannung von 100 mV bei 140 MHz.
Die eigentliche Zählerkarte enthält 27 integrierte Schaltungen der TTL-Serie SN 74...N, 2 Transistoren, 1 Leuchtdiode, 6 Anzeigeröhren sowie einige W.derstände und Kondensatoren. Zur Ziffernanzeige werden neue, sehr kleine gasgefüllte Kaltkatodenröhren (Nixie-Röhren) verwendet, die bei einer Ziffernhöhe von 13,5 mm nur maximal 30,5 mm hoch sind. Ihr Kolbendurchmesser beträgt nur maximal 13 mm. Sie besitzen eingebaute Dezimalpunkte und ihre Anschlußdrähte sind so geformt, daß sie mit nur 5 mm Abstand zwischen Leiterplatte und Röhrenboden eingelötet werden können. Bild 2 gibt in einer Fotografie des Probeaufbaus einen Eindruck der Zählerkarte. Die Probeleiterplatte ist nicht durchkontaktiert.
Bild 2: Probeaufhau des Verfassers (Leiterplatte nicht durchkontaktiert)
Zur Stromversorgung dient das in (1) beschriebene Universalnetzteil mit integrierter Regelschaltung. Es hat 5 V ±5 % bei etwa 0,7 A und 170 - 250 V bei etwa 20 mA abzugeben.
Als Zeitbasis findet die in (2) beschriebene Baugruppe Verwendung. Durch den Einsatz eines Thermostaten mit einem entsprechenden Quarz und/oder durch Synchronisation mit einem Normalfrequenzsender lassen sich die hohe obere Zählgrenze und die Auflösung von 1 Hz ausnutzen. Bei einer Abweichung der Zeitbasis-Frequenz von nur ± 1 × 10-7 ist die gezählte Frequenz von z.B. 100 MHz um ± 10 Hz falsch. Der Aufwand für die Zeitbasis muß aus diesem Grund mit der Auflösung und der höchsten meßbaren Frequenz des Zählers steigen.
2. Die Zählerbaugruppe DL8TM 002
Auf der Zählerkarte sind außer den sechs Zähl- und Anzeige-Dekaden die Impulssteuerung und die Teilerkette für die Zeitbasis untergebracht. Bild 3 zeigt das Schaltbild dieser Baugruppe.
Bild 3: Schaltbild der Zähler-Baugruppe DL8TM 002
2.1. Schaltungseinzelheiten
Die sechs Zähldekaden bestehen aus Anzeigeröhre, Decoder-Treiber, Speicher und Zähler. In der ersten Dekade ist ein Zähler (I216) vom Typ SN74196N eingesetzt. Seine obere Frequenzgrenze ist mit 50 MHz garantiert. Durch den 2 : 1Vorteiler erreicht der Zähler somit 100 MHz, falls das Flipflop im Vorteiler besser als das garantierte Minimum von 80 MHz ist und seine typische Frequenz-grenze erreicht. Falls beide, die obere Zählgrenze bestimmenden Bausteine ihre typischen oder gar Maximalwerte erreichen, kann der Zähler Frequenzen bis 120 MHz oder sogar 140 MHz messen.
Der Dekadenzähler des Typs SN74196N kann nicht ohne weiteres als Ersatz für den Typ SN7490N benutzt werden. In der hier vorliegenden Anwendung ist vor allem zu beachten, daß der Rücksetzimpuls umgekehrte Polarität haben muß.
Wegen der 2 : 1-Vorteilung der zu messenden Frequenz muß die Taktzeit um den Faktor 2 verlängert werden, damit eine ziffernrichtige Anzeige erscheint. Dies geschieht in der einen Hälfte von I222 (SN7473N).
Das Zählprinzip ist das gleiche wie in (3) ausführlich beschrieben. Für eine vorbestimmte (umschaltbare) Zeit wird das Zähltor (I219) geöffnet. Die zu zählende Frequenz, zu Impulsen geformt, wird zu den Zähldekaden (I201,I 204,I 207, I210, I213, I216) durchgelassen. Nach dem Schließen des Zähltores erfolgt die Übernahme des binär codierten Zählerstandes in die Speicher (I202, I205, I208, I211, I214, I217). Über die Decodier- und Treiberstufen (I203, I206, I209, I212, I215, I218) wird das Ergebnis durch die Ziffernröhren (V201... V206) dezimal angezeigt. Die Zähldekaden werden auf Null gesetzt und während das Zählergebnis mit Hilfe der Speicher weiterhin angezeigt wird, läuft einneuer Zählzyklus ab.
Der Zähler arbeitet mit einer festen Zählfolgezeit (Anzeigetakt) von 1 s, das heißt, jede Sekunde wird eine Zählung durchgeführt und das Ergebnis angezeigt, unabhängig von der Toröffnungszeit. Diese Zählfolgefrequenz hat sich als ausreichend erwiesen.
Mit Hilfe des Impulsdiagramms in Bild 4 wird im folgenden die Funktion der Impulssteuerung des Zählers beschrieben: Davon ausgehend, daß J = 0 (I222, Anschluß 7; Zeile 7 in Bild 4) und Rücksetzimpuls I = 1 ist (I216, Anschluß 13; Zeile 4 in Bild 4), dann steht an I220, Anschluß 11 eine 1. Diese 1 ergibt zusammen mit der 1 am Ausgang 8 von I220 eine 0. Folglich ist J tatsächlich 0. Die nächste ansteigende Flanke des 1-Hz-Signals (Pt206, Zeile 1 in Bild 4), differenziert durch C205/R205, setzt den Ausgang 6 von I 220 kurzzeitig auf 0 (Zeile 2 in Bild 4). Damit nimmt Ausgang 8 von I 220 kurzzeitig 1 an. Somit wird J = 1. Gleichzeitig geht Anschluß 11 von I220 auf 0. Da nun Anschluß 9 von I 220 an Nullpotential liegt, bleibt der Zustand erhalten. Weitere 0-1-Flanken des 1-Hz-Taktsignals bleiben ohne Wirkung.
Bild 4: Impulsdiagramm der Zählersteuerung
Die nächste 1-0-Flanke, die vom Takt-Vorteiler (Zeile 6 in Bild 4) an den Eingang (Anschluß 5) von I222 gelangt, bringt das Flipflop in die andere Lage; an Ausgang Q erscheint 1, an Q erscheint 0 (Zeilen 8 und 9 in Bild 4). Die zu zählende Frequenz steuert, vom Vorteiler der Baugruppe DL8TM 003 kommend, das Zähltor I219 am Anschluß 12 bis zur nächsten 1-0-Flanke der Taktfrequenz (Zeile 6 in Bild 4). Damit kippt das Flipflop wieder; Q wird 0, Q wird 1, das Tor wird gesperrt und der Zählvorgang ist beendet.
Über zwei Integrierglieder wird die 0-1-Flanke vom Q-Ausgang des Flipflop I222 (Anschluß 8) verzögert. Und zwar um etwa 12 µs durch R201/C201 für den Speicherübernahme-Impuls und um etwa 70 µs durch R 203/C203 für die Rücksetzimpulse. Die folgenden Inverter regenerieren die durch die Verzögerung verschliffenen Impulse. Anschließend differenziert das RC-Glied C202/R202 den Impuls für die Speicherübernahme (Zeile 3 in Bild 4). Letzte Stufe dieser Kette ist der als Inverter geschaltete Transistor T202. Er muß den Rückstrom der 6 Speicher von etwa 40 mA aufnehmen können.
Der Rücksetzimpuls wird durch C204/R204 differenziert und anschließend noch einmal invertiert und verstärkt. Anschluß 6 von I219 liefert den Rücksetzimpuls I für den ersten Zähler I216 (Zeile 4 in Bild 4). Dieser Impuls setzt gleichzeitig den Ausgang (Anschluß 11) von I220 auf 1. Über Anschluß 8 von I220 wird J (Zeile 7 in Bild 4) auf 0 gesetzt. Der Rücksetzimpuls II (Zeile 5 in Bild 4) für die Zähler vom Typ SN7490N wird durch Invertieren aus dem Rücksetzimpuls I gewonnen. Mit der nächsten 0-1-Flanke des Taktsignals beginnt der Vorgang von Neuem.
Eine weitere Besonderheit ist die Anzeige der Toröffnungszeit durch eine Leuchtdiode. Solange das Zähltor geöffnet ist, liegt ein hoher Pegel am Anschluß 13 von I219. Dadurch schaltet der Transistor T201 in den leitenden Zustand und die Diode leuchtet auf. Diese Anzeige ermöglicht eine Funktionskontrolle des takterzeugenden Schaltungsteils.
2.2. Bauelemente
| V201...V 206 | 5870 S (ITT), ZM 1330 (Siemens) | ||||
| Anzeigediode | hp 5082-4440 oder ähnlich | ||||
| I201 | SN7490N | I210 | SN7490N | I219 | SN74S00N |
| I202 | SN7475N | I211 | SN7475N | I220 | SN7400N |
| I203 | SN74141N | I212 | SN74141N | I221 | SN7404N |
| I204 | SN7490N | I213 | SN7490N | I222 | SN7473N |
| I205 | SN7475N | I214 | SN7475N | I223 | SN7490N |
| I206 | SN74141N | I215 | SN74141N | I224 | SN7490N |
| I207 | SN7490N | I216 | SN74196N | I225 | SN7490N |
| I208 | SN7475N | I217 | SN7475N | I226 | SN7490N |
| I209 | SN74141N | I218 | SN74141N | I227 | SN7490N |
| T201 | BC108B oder ähnlich | ||||
| T202 | 2N2219A, 2N1613 oder ähnlich | ||||
| C201 | 0,1 µF ± 10 %/100 V, Kunststoff-Kondensator, Raster 10 mm | ||||
| C202 | 0,1 µF ± 10 %/100 V, Kunststoff-Kondensator, axiale Anschlüsse, max. 25 lg | ||||
| C203 | 0,68 µF ± 10 %/100 V, Kunststoff-Kondensator, Raster 15 mm | ||||
| C204 | 0,1 µF ± 10 %/100 V, Kunststoff-Kondensator, axiale Anschlüsse, max. 25 lg | ||||
| C205 | 0,1 µF ± 10 %/100 V, Kunststoff-Kondensator, Raster 10 mm | ||||
| C206 | 22 nF keram. Kondensator, Raster 5 mm | ||||
| C207, C208 | 1 µF/10 V Tantal-Kondensatoren in Tropfenform | ||||
| R201 | 220 Ω | R205 | 270 Ω | R209 | 4,7 kΩ |
| R202 | 270 Ω | R206 | 1 kΩ | R210 | ca. 100 Ω |
| R203 | 220 Ω | R207 | 1,5 kΩ | R211 | 470 kΩ |
| R204 | 270 Ω | R208 | 2,2kΩ | ||
| R212...R217 | R = Ub 3 150 ; R in kΩ; Ub in V (an Pt212) | ||||
| Ub | R |
|---|---|
| 170 V | 7,5 kΩ |
| 200 V | 18 kΩ |
| 250 V | 36 kΩ |
Alle Widerstände für 10 mm Rasterabstand (z. B. Beyschlag) Typ SBB). R 201...R 207 mit ± 5 %
2.3. Aufbauhinweise
Bild 5 zeigt die 170 mm × 100 mm große, beidseitig kaschierte Leiterplatte DL8TM 002. Sie enthält die vollständige Zählerbaugruppe. Da die Leiterplatte an den Lötösen durchkontaktiert ist und keine Drahtbrücken erforderlich sind, ist der Aufbau anhand des Bestückungsplans in Bild 6 praktisch "narrensicher" durchzuführen. Die Anoden-Vorwiderstände der Anzeigeröhren werden auf der Unterseite der Leiterplatte angelötet.
Bild 5: Leiterplatte DL8TM 002
Bild 6: Bestückungsplan DL8TM 002
Die zwischen den Baugruppen nötigen Verbindungen sind aus dem Blockschaltbild (Bild 1) ersichtlich. Vor allem die Leitung für die zu messende Frequenz zwischen Vorteiler und Zählereingang Pt208 muß kurz und gerade sein, damit die Impulse bei den höchsten Frequenzen nicht verschliffen werden, wodurch die obere Zählgrenze herabgesetzt wird. Dies ist auch der Grund für den Einbau des 2 : 1-Vorteilers unmittelbar hinter dem Vorverstärker auf der Leiterplatte DL8TM 003.
Mit einer zweiten Schaltebene des Zeitbasisschalters werden die Anschlußpunkte Pt213... Pt216 wechselweise an Masse gelegt. Die in den Röhren eingebauten Dezimalpunkte leuchten so auf, daß die Anzeige immer in kHz erfolgt. Die Frequenz 98,7654 MHz wird als 98765.4 kHz angezeigt. Durch Umschalten der Taktfrequenz erfolgt ein "Überlauf" der ersten Stellen, so daß schließlich die erwähnte Frequenz als 765.432 (kHz) angezeigt wird.
Der beschriebene Zähler kann provisorisch mit dem Vorverstärker und Impulsformer DL8TM 001(4) in Betrieb genommen werden. Diese Baugruppe funktioniert bis 80 MHz. Die Zählerbaugruppe zeigt jedoch die doppelte Frequenz an, falls nicht der Vorteiler in I222 außer Betrieb gesetzt wird.
2.4. Literatur
- H. Kahlert: Universal-Netzteil mit integrierter Regelschaltung, UKW-Berichte 10 (1970), H. 4, S. 240 - 243
- R. Görl, B. Rößle: Ein stabiler Quarzoszillator der Genauigkeitsklasse 10-7 zur Frequenz- und Zeitmessung, UKW-Berichte 12 (1972), H. 1, S. 22 - 27
- F. Weingärtner: Vierstelliger Zähler-Baustein für Frequenzen bis 30 MHz, UKW-Berichte 11 (1971), H. 1, S. 30 - 42
- W.R. Kritter: Vorverstärker für Frequenzzähler bis 60 MHz, UKW-Berichte 11 (1971), H. 2, S. 101 - 103
DL8TM, W.R. Kritter.
Hinweise, Verbesserungen, Korrekturen
Obwohl die vom Verlag UKW-BERICHTE dem Autor zur Verfügung gestellte Muster-Leiterplatte fehlerfrei war, wies die erste ausgelieferte Serie aus ungeklärten Ursachen teils zwei, teils drei falsche Verbindungsstellen auf:
Bei I215 hat die breite Massebahn Verbindung mit Pin 13; Bei I216 hat die +Ub-Bahn Verbindung mit Pin 8;
Die Basis von T201 hat Verbindung mit Pin 13 von I222.
Leider erfuhren wir erst von diesen Fehlern, als die erste Serie weg und das Heft 3/72 in Druck war. Bitte trennen Sie die genannten Verbindungen auf. Die ab 10. November 1972 ausgelieferten Platinen haben diese Fehler nicht mehr.
PA0HAL regt eine Erweiterung des Zählers an, die der Autor DL8TM in der ersten, nicht veröffentlichten Version seines Zählers ebenfalls vorgesehen hatte:
Durch Anschließen eines einfachen Unijunktion- Transistor- Oszillators an Pin 5 von I221 (Verbindung zu Pt206 unterbrechen) läßt sich der Anzeigetakt veränderlich machen. Wird noch ein Ausschalter eingesetzt, so läßt sich die Anzeige sogar "einfrieren". Die Redaktion hält dies nach wie vor für überflüssig - trotzdem sei hier für Interessenten die Schaltung angegeben:
Bild 7: