Home - Techniek - Electronica - Radiotechniek - Radio amateur bladen - UKW-Berichte - Zehnerteiler und Verstärker bis 250 MHz für Frequenzzähler
Frequenzzähler können mit (Schottky-) TTL-Bausteinen zur Zeit Frequenzen bis etwa 120 MHz messen (1), (2). Das 2-m-Band kann selbst mit ausgesuchtenExemplaren kaum erfaßt werden. Zum Zählen höherer Frequenzen eignen sich integrierte Schaltungen in ECL-Technik (3). Mit ihnen läßt sich die Eingangsfrequenz auf eine Frequenz herunterteilen, die von den gebräuchlichen Zählern mit billigen TTL-Bausteinen verarbeitet werden kann. Als günstigstes Teilverhältnis bietet sich 10 : 1 an, da dann die Zähleranzeige nur mit 10 multipliziert werden muß.
Die hier. beschriebene Baugruppe verwendet den im Vergleich zu anderen Fabrikaten preisgünstigen ECL-Zehnerteiler 95H90 der Firma Fairchild. Die obere Frequenzgrenze dieses Bausteins streut von 220 MHz bis 320 MHz (Datenblatt); Von vier in der Umgebung des Verfassers aufgebauten Teilern funktioniert einer bis 235 MHz, die anderen drei bis 265 MHz. Der Aufbau der Redaktion arbeitet in der ersten Minute nach dem Einschalten bis 280 MHz, im heißen Zustand bis 240 MHz.
Zur Vorverstärkung dient der dreifache Differenzverstärker 9582 (Fairchild), der ebenfalls in ECL-Technik ausgeführt ist. Die Empfindlichkeit ist sehr hoch. So reichen zum Beispiel im Kurzwellengebiet etwa 5 mV für eine stabile Zähleranzeige aus. Im 2-m-Band werden etwa 35 mV benötigt, an der oberen Frequenz-grenze des Teilers rund 100 mV.
Verstärker und Zehnerteiler sind auf einer einzigen, kleinen, nur einseitig kaschierten Leiterplatte aufgebaut, die außerdem noch einen ECL/TTL-Pegelwandler enthält. Damit ist ein direktes Anschließen an das Zähltor eines TTL-Zählers möglich. Die Baugruppe benötigt nur +5 V bei etwa 220 mA.
1. Eigenschaften
Untere Frequenzgrenze: ca. 100 kHz Obere Frequenzgrenze: typisch 250 MHz Eingangsspannungs-Bedarf: siehe Bild 1; unter etwa 1 MHz steigt der Eingangsspannungs-Bedarf wieder an und erreicht etwa 100 mV bei 100 kHz. Eingangsimpedanz: oberhalb 50 MHz: unter 100 Ω mit kapazitivem Anteil Ausgangsspannung: wahlweise im ECL- oder TTL-Pegel Gleichstromversorgung: + 5 V stab. ca. 220 mA
Bid 1: Eingangsspannungs-Bedarf der Zehnerteiler-Baugruppe DJ6PI 001
2. Schaltungseinzelheiten
Bild 2 zeigt das Schaltbild der gesamten Baugruppe. Die drei im Baustein 9582 enthaltenen Differenzverstärker sind hintereinander geschaltet. Ihre Arbeitspunkte sind über externe Widerstände aus einer internen Schaltung stabilisiert. Der Widerstand R1 hat einen starken Einfluß auf die Eingangsempfindlichkeit. Die angegebene Dimensionierung gewährleistet stabiles Arbeiten bei guter Empfindlichkeit. Zwei antiparallel geschaltete Silizium-Epitaxial-Planar-Dioden schützen den Eingang des ersten Verstärkers vor Überspannungen. Im normalen Betrieb stellen die beiden Dioden eine Kapazität von zusammen 4 pF bis 8 pF (je nach Typ) dar. Zusammen mit der Eingangskapazität des Verstärkers und der. Schaltkapazität ist dies der erwähnte kapazitive Anteil der Eingangsimpedanz.
Bild 2: Schaltbild von Zehnerteiler mit Verstärker und Pegelwandler.
Die Werte der Koppel- und Abblock-Kondensatoren sind unkritisch. Voraussichtlich wird der Eingangsspannungs-Bedarf bei Frequenzen unter 1 MHz kleiner, wenn die Eingangs-Koppelkondensatoren vergrößert werden (der Verfasser hatte ursprünglich 68 nF vorgesehen), doch spielt dies im allgemeinen keine Rolle, außerdem sind so hohe Werte nicht ohne weiteres in einer für UKW geeigneten Form zu beschaffen.
I2, der eigentliche Zehnerteiler, benötigt nur wenige Verbindungen. An seinem Ausgang, am Widerstand R9, oder besser nach der gegengekoppelten Verstärkerstufe läßt sich die durch 10 geteilte Frequenz im ECL-Spannungsbereich (etwa 1 V Spitze-Spitze) entnehmen. Hier, das heißt am Kondensator C6, kann der Verstärkereingang eines Frequenzzählers über ein Koaxialkabel angeschlossen werden. Die integrierte Schaltung I3 kann dann entfallen.
Die Sechsfach-Inverterschaltung SN7404N bringt die Impulse auf TTL-Pegel. Die Spannung zwischen den Anschlußpunkten Pt2 und Pt3 kann unmittelbar oder über einen Umschalter an das Zähltor geschaltet werden.
2.1. Hinweise zu den Bauelementen
I1: 9582 (Fairchild, in D.: Electronic 2000, 8 München 40, Zieblandstr. 16)
I2: 95H90 bzw. 9590 DC (Fairchild)
I3: SN7404N
T1: BSX29 (Fairchild), BCY78 (Valvo, Siemens), 2N711 (TI), BC213 (TI) oder ähnlicher Si-PNP-Transistor
D1, D2: 1N914, 1N4148 oder ähnliche Si-Planar-Diode
C1...C5, C7: 10 nF oder mehr, keram. Scheibenkondensator 5-mm-Raster
C6, C8: 10 µF oder mehr, Tantal-Elko
Alle Widerstände: kappenlose, ungewendelte Schichtwiderstände der Größe 0309 oder 0207 (Raster: 10 mm).
3. Aufbau
Die ganze Schaltung nach Bild 2 findet auf einer nur 85 mm × 35 mm großen Leiterplatte Platz. Die einseitig kupferkaschierte Platine ist mit DJ6PI 001 bezeichnet (Bild 3). Beim Eigenentwurf ist auf eine kurze, gerade und kapazitätsarme Leitungsführung mit ausreichender Massefläche zu achten. Steckfassungen für die ECL-IS und Drahtlängen bei Widerständen und Kondensatoren sollten vermieden werden. Bild 4 zeigt einen Musteraufbau der Baugruppe.
Bild 3: Bestuckungsplan und Leiterbahnen der Baugruppe DJ6P1 001
Bild 4: Musteraufbau der Schaltung nach Bild 2
Da die beiden ECL-Bausteine je fast 500 mW in Wärme umsetzen (A-Betrieb ihrer Transistoren!), werden sie so heiß, daß man ihre Gehäuse kaum mehr anfassen kann. Es ist daher günstig, die Baugruppe DJ6PI 001 senkrecht zu montieren, so daß die Luft an den IS vorbeistreichen kann.
4. Zusammenschalten mit Frequenzzaählern
Falls die Baugruppe DJ6PI 001 vor einen fertigen Frequenzzähler geschaltet werden soll, baut man sie in ein kleines Gehäuse ein und verbindet ihren ECL= Ausgang über Koaxialkabel mit dem Zählereingang. Im allgemeinen wird man:sie jedoch in einen Zähler einbauen wollen.
Wegen des sehr weiten Frequenzbereichs und der äußerst hohen Empfindlichkeit liegt der Gedanke nahe, ausschließlich diese Baugruppe als Eingangsteil eines Zählers zu verwenden und auf einen nicht-teilenden Vorverstärker zu verzichten. Dazu ist aber zu bedenken, daß für eine Auflösung von beispielsweise 100 Hz die Zählzeit wegen der Zehnerteilung von 10 ms auf 100 ms erhöht werden muß, oder für 1-Hz-Auflösung von 1 s auf 10 s. Im gleichen Maß, nämlich um den Faktor 10, steigen die Anforderungen an Stabilität und Genauigkeit der Zeitbasis. Von speziellen, begrenzten Anwendungen abgesehen, wird daher die Baugruppe DJ6PI 001 und eine andere Eingangsbaugruppe, wie zum Beispiel DL8TM 003 (2), wahlweise an das Zähltor geschaltet werden müssen. Bild 5 zeigt dazu einen einfachen Schaltungsvorschlag. Die Betriebsspannung wird ebenfalls umgeschaltet, um die Lebensdauer-Erwartung der ECL-Bausteine zu erhöhen.
Bild 5: Schaltungsvorschlag zum Einsatz der Baugruppe DJ6PI 001
Falls der nichtteilende Verstärker nur bis etwa 30 MHz arbeitet, genügt als Umschalter eine einfache Kunststoff-Ausführung. Liefert der direkte Kanal dagegen wesentlich höhere Frequenzen, so sollte ein Umschalter in Keramik-Bauweise oder ein kleines HF-Relais verwendet werden. Die beiden Ausgänge können aber auch elektronisch über eine Oder-Verknüpfung mit dem Zähltor verbunden werden. Eine derartige Schaltung ist in der Baugruppe DL8TM 003 (2) zu finden. Sie verwendet drei NAND-Gatter, die in Negativ-Logik ein NOR-Gatter darstellen. Bis rund 30 MHz genügt dazu der Baustein SN7400N, bei wesentlich höheren Frequenzen verwendet man die Schottky-Ausführung SN74S00N.
Den Einbau dieses Zehnerteilers in einen Frequenzzähler nach DL8TM (1), (2) führte die Redaktion folgendermaßen durch:
Der Ausgang Pt2 des Zehnerteilers wurde durch einen kurzen, dicken Draht mit dem freien Flipflop-Eingang Pt 308 der Baugruppe DL8TM 003 verbunden. Nach der Frequenzteilung durch zwei (die erforderlich ist, weil auf der Zählerbaugruppe DL8TM 002 die Taktfrequenz zusätzlich durch zwei geteilt wird), werden die Anschlüsse Pt309 und Pt304 mit den Umschaltkontakten eines Relais verbunden. Vom gemeinsamen Kontakt führt ein ebenfalls dicker, kurzer Draht zum Anschluß Pt208 der Zählerplatine. Als Relais wird ein gekapseltes Miniatur-Relais RH-12 (wie in der Linearverstärker-Baugruppe DC6HL 009 verwendet. Es ist billiger als ein Schottky-Gatter SN74S00N. Ein zweipoliger Schalter schaltet die Betriebsspannung des Relais (12 V Gleichspannung) und die des Zehnerteilers zusammen ein. Die Gleichspannung für die Relaisspule wird aus der 12-V- Heizspannung für den Thermostaten gewonnen. Dazu sind nur eine beliebige Silizium-Diode und ein Elko von etwa 25 µF erforderlich.
Bild 6 zeigt als Anregung einen solchen Zähler im Blockschaltbild.
Bild 6: Blockschaltbild für den Einbau des Zehnerteilers in einen Frequenzzähler nach DLBTM
Ein Hinweis ist abschließend noch angebracht:
Die Baugruppe DJ6PI 001 läßt sich allgemein als nichtteilender Eingangsverstärker für Frequenzzähler verwenden, indem der Zehnerteiler 95H90 und der Widerstand R8 weggelassen, und eine Verbindung zwischen Pin 2 des 9582 und der Basis des Transistors T1 hergestellt wird. Die Empfindlichkeit ist den bisher in den UKW-BERICHTEN beschriebenen Eingangsbaugruppen weit überlegen.
Die obere Frequenzgrenze wird allerdings durch den Transistor T1 und vor allem durch den Pegelwandler-Baustein SN7404N beschränkt.
Für Zähler, die Frequenzen bis über 60 MHz verarbeiten können, empfiehlt sich für I3 die Schottky-Ausführung SN74S04N.
Abschließend sei noch A. Winter, DC1CL, für die Anregungen beim Aufbau und bei den Messungen, B. Rößle, DJ1JZ, für das Anfertigen der Leiterplatte und dem Mikrowellen-Institut der TU München für die Meßmöglichkeiten gedankt.
5. Literatur
- W. R. Kritter: 6stelliger Zähler für Frequenzen zwischen 1 Hz und typisch 100MHz, UKW-Berichte 12 (1972) H. 2, S. 66 - 72 und 96 - 97
- W. R. Kritter: Doppel-Eingangsverstärker mit 2 : 1-Vorteiler für Frequenzzähler von 1 Hz bis minimal 100 MHz, UKW-Berichte 12 (1972) H. 3, S. 171 - 174
- F. Campanelli und A. Vimercati: 10 : 1-Frequenzteiler für Eingangsfrequenzen bis 180 MHz, UKW-Berichte 12 (1973) H. 1, S. 52 - 57
Hinweise - Verbesserungen - Änderungen
5. ÄNDERUNGSVORSCHLÄGE ZUM ZÄHLER MIT ZEHNERTEILERIm Anschluß an die Beschreibung des 250-MHz-Vorteilers nach DJ6PI wurde das Blockschaltbild eines Gesamtkonzepts für den Zähler angegeben (Heft 2/1973, S. 85). Hier ist zu beachten, daß das gepolte Relais RH-12 mit seinem Anschluß-stift 3 an der Katode der Diode liegen muß; Anschlußstift 5 ist mit dem Schalter zu verbinden. Außerdem muß der Minuspol des Elkos mit der Wechselspannungsleitung zum Schalter (und zu Anschluß 5) verbunden sein, nicht mit Masse.
Der Zähler zeigt manchmal an der Einerstelle ohne Eingangsspannung eine 1. Dies ist auf das Flipflop I302 (SN74S112) zurückzuführen, das nach einem Eingangsimpuls sowohl hohen wie auch niedrigen Pegel am Ausgang haben kann. Hört der Zählvorgang mit hohem Pegel an dieser Stelle auf, so bleibt an der Einerstelle eine 1 stehen. Durch den folgenden Umbau wird auch dieser Schönheitsfehler eseitigt:
Bei I222 (DL8TM 002) werden die Stifte 1 und 12 ausgelötet und weggebogen, und die beiden Lötaugen durch eine Drahtbrücke verbunden. Somit wird die Taktfrequenz nicht mehr durch zwei geteilt, so daß bei höchster Auflösung der Anzeigetakt nur noch halb so lang wie vorher dauert. Im Zusammenhang mit dieser Änderung muß I302 (DL8TM 003) entfernt werden, wozu es zwei Möglichkeiten gibt:
a) Man verwendet von der Eingangsplatine DL8TM 003 nur den NF-Teil ohne I301 und I302. Dann werden alle Frequenzen über 1 MHz über den Zehnerteiler DJ6PI 001 gemessen, wodurch die Auflösung statt 1 Hz nur noch 10 Hz beträgt. Hierfür schaltet man den Ausgang des NF-Verstärkers (Stift 1 von I301) und den Ausgang des Zehnerteilers (Pt2) über das Relais an Pt208.
b) Man entfernt lediglich I302 (SN74S112) und überbrückt Eingang und Ausgang dieser IS. Dann bleiben alle drei Eingänge erhalten, der HF-Eingang arbeitet aber nur noch bis 50 oder 60 MHz. Ebenso weit steht dann die volle Auflösung von 1 Hz zur Verfügung. Wenn man sich für diese Version entscheidet, läßt sich statt DL8TM 003 auch der neue Verstärker mit hochohmigem Eingang nach DJ6TA (Heft 1/1974) verwenden.
DJ6PI, J. Grimm.