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Frequenzteiler bis 12 GHz mit Teilerfaktor 1000

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Die Erweiterung eines Frequenzzählers mit externen Vorteilern ist eine einfache und preisgünstige Möglichkeit, um auch höhere Frequenzen messen zu können. Dieses neue Teilermodui schließt das 10 GHz-Band ein und erspart mit seinem dekadischen Teilerfaktor (1000) langwieriges Umrechnen.

1. Einführung

Ein hochwertiger, universeller 5 GHz-Frequenzteiler wurde bereits in (1) vorgesteilt. An das nachfolgend beschriebene neue Teilermodul wurden jedoch etwas andere Anforderungen gesteilt:

Es solfte das 10 GHz-Band umfassen und einen dekadischen Teilerfaktor aufweisen. Der hohe Teilerfaktor von 1000 macht es möglich, dass das Modul an nahezu jeden Frequenzzähler angeschlossen werden kann. Auch die Weiterverarbeitung des geteilten Signals (TTL-Pegel) mit einem Mikrocontroller für spezielle Aufgaben wird damit auf einfache Weise möglich. So könnte man beispielsweise mit einem Mikrocontroller eine einfache 12 MHz-Frequenzzählerschaltung realisieren und zusammen mit dem Teilermodul die Ausgangsfrequenz eines Senders anzeigen und überwachen.

2. Auflösung und Genauigkeit

In der Hochfrequenzmesstechnik ist die Bestimmung der Frequenz einer Signalquelle eine fundamentale und vor allem sehr genau durchführbare Messung. Die Durchführung einer Messung ist dabei nichts anderes, als der Vergleich einer unbekannten mit einer bekannten Größe. Die Messung wird umso genauer, je präziser die bekannte Vergleichsgröße dargestellt werden kann.

Bei der Frequenzmessung ist die Frequenz f der reziproke Wert der Periodendauer t, welche eine Zeitgröße ist. Doch gerade die Zeit ist eine der experimentell am genauesten reproduzierbaren Größen. Damit wird die Frequenzmessung eine der am genauesten durchführbaren Messungen.

Zur Frequenzmessung benötigt man einen Zahler, welcher die Anzahl der Perioden in einer bestimmten Zeitdauer (Torzeit) zählt und dann auf eine Torzeit von einer Sekunde normiert. Der Zähler ist in der Regel ein digitaler Schaltkreis, z.B. ein Mikrocontroller, der durch ein, von einer Quarzzeitbasis gesteuertes Tor gestartet und gestoppt wird.

Die Unsicherheit δf der Frequenzmessung setzt sich aus der Genauigkeit der Referenzfrequenz der Zeitbasis δfTB und der Zählunsicherheit zusammen. Die Zählunsicherheit beträgt ±t 1 Schwingung, da die Torzeit nicht mit der zu messenden Signalfrequenz synchronisiert ist. Damit kann je nach Lage der Schwingungen ein Zählimpuls mehr oder weniger während der Torzeit auftreten. Je nach der Länge der Torzeit und Höhe der Zählfrequenz tritt dieser Fehler mehr oder weniger ausgeprägt in Erscheinung.(2)


Hierbei sind:
δf = relative Unsicherheit der Frequenzmessung,
Δf = absolute Unsicherheit der Frequenzmessung,
δfTB = relative Unsicherheit der Referenzfrequenz (Zeitbasis),
tTor = Torzeit,
f = zu messende Frequenz

Bei der Messung von hohen Frequenzen (ca. > 100 MHz) müssen diese erst mit einem Frequenzteiler in eine kleiner, Frequenz, die der Zählschaltkreis verarbeiten kann, geteilt werden. Hierbei wird der von der Referenzfrequenz ausgehende Teil des Gesamtfehlers nicht beeinflusst, lediglich der zumeist kleine Einfluss der Zählunsicherheit nimmt zu.

Ebenso wichtig wie die Unsicherheit ist die Auflösung eines Frequenzzählers. Diese ist reziprok zur Torzeit, was sich mit einem Beispiel verdeutlichen lässt:

Ein Frequenzzähler soll eine Frequenz von 10 MHz zählen. Zählt er die Anzahl der Schwingungsperioden bei einer Torzeit von 1 Sekunde, so wird er 10 Millionen zählen. Damit hat er mit einer Auflösung von 106 Hz / 106 Schwingungen = 1 Hz gezählt.

Würde er mit einer Torzeit von 100ms zählen, so könnte er in dieser Zeit nur eine Million Schwingungsperioden erfassen. Die Auflösung beträgt demnach 106 Hz/ 105 Schwingungen, also 10 Hz.

Anzumerken bleibt, dass Frequenzzähler mit reziproker Zählmethode allerdings durch ihre besondere Funktionsweise bei gleicher Torzeit eine höhere Auflösung, meist um den Faktor 10 oder 100, erreichen.

Die Auflösung eines Frequenzzählers mit vorgeschaltetem Frequenzteiler verschlechtert sich allersdings urn den Wert des Teilerfaktors. Dies ergibt sich dadurch, dass der eigentliche Zähler nur noch eine um den Teilerfaktor kleinere Frequenz als Eingangssignal zählen kann.

Damit ergibt sich eigentlich auch die Forderung, den Teilerfaktor eines Frequenzteilers so niedrig wie möglich zu wählen. Nur damit erreicht man die höchste Auflösung bei einer gegebenen Torzeit!

Der hier gewählte Teilerfaktor von 1000 soll jetzt genauer analysiert werden:

Vorteile:

Nachteile:
Die Auflösung verringert sich um den Faktor 1000. Damit erhält man bei einer Messzeit von einer Sekunde eine Auflösung von 1 kHz, bei 100 ms Torzeit nur 10 kHz. Dieser Nachteil muss allerdings bei der Kombination Frequenzzähler mit Vorteiler noch genauer betrachtet werden! Hierbei sind zwei wichtige Punkte zu beachten:

  1. Praktisch alle Frequenzzähler der mittleren Preisklasse zählen nur bis etwa 100 MHz direkt. Alle höheren Frequenzen (z.B. 1,3 GHz Eingang) werden erst heruntergeteilt, häufig mit dem Faktor 64.
  2. Ermöglicht die Unsicherheit der Zeitbasis sinnvolle Messungen bei hoher Auflösung?

Zu Punkt 1:
Vorliegender 12 GHz-Frequenzteiler teilt eine Frequenz von 12 GHz auf 12 MHz. Diese kann ein typischer Frequenzzähler direkt zählen, als Auflösung ergibt sich daher bei 1 Sekunde Torzeit 1000 Hz.
Würde der 12 GHz-Frequenzteiler nur durch 10 teilen, hätte man eine Frequenz von 1,2 GHz. Diese würde ein typischer Frequenzzähler nochmals intern durch 64 teilen, bevor er diese zählen kann. Als Auflösung ergibt sich dann bei 1 Sekunde Torzeit 640 Hz. Man gewinnt also nichts.

Zu Punkt 2:
Ein üblicher Frequenzzähler mittlerer Preisklasse hat einen Quarz als Referenz mit einer typischen relativen Unsicherheit von 10-6. Würde man direktzählend, d.h. ohne Frequenzteiler bzw. mit Teilerfaktor 1, eine Frequenz von 10 GHz (= 1010 Hz) bei einer Torzeit von 1 Sekunde messen, so hätte die Messung letztendlich eine absolute Unsicherheit von 1010*10-6 = 104 Hz durch die Referenzfrequenz, plus 1 Hz durch die Zählunsicherheit, ergibt also 10,001 kHz.

Durch die Verwendung des Frequenzteilers ergibt sich bei der gleichen Eingangsfrequenz und gleicher Torzeit eine Auflösung von 1 kHz. Gleichzeitig erhält man eine absolute Unsicherheit von 10 kHz durch die Referenzfrequenz plus 1 kHz Zählunsicherheit. Das ergibt einen Gesamtfehler von 11 kHz. Wie man sieht, ist der Fehler in beiden Fällen, also direktzählend oder mit vorgeschaltetem Frequenzteiler größer als die Auflösung mit Teiler. Eine Erhöhung der Auflösung mittels Teilerfaktor ist daher nicht sinnvoll.

Damit sieht man, dass der Teilerfaktor von 1000 bei einem durchschnittlichen Frequenzzähler mittlerer Preisklasse kein Nachteil ist!

Lediglich sehr hochwertige Geräte, die mit einem Präzisions-Quarzofen bestückt sind, erreichen eine relative Unsicherheit der Referenzfrequenz in der Gegend von 10-9 bis 1011. Hier würde sich mit einem kleineren Teilerfaktor die Auflösung sinnvoll erhöhen lassen, doch auch nur dann, wenn der Zähler die vom Teiler geteilte Eingangsfrequenz auch direkt (d.h, ohne weiteren internen Vorteiler) zählen kann!


Bild 1: der Schaltplan des 12 GHz-Frequenzteiler (:1000)

3. Schaltungsbeschreibung

Der Schaltplan des Frequenzteilers ist in Bild 1 abgebildet. Das Eingangssignal gelangt über den Koppelkondensator C1 zum 12 GHz-Teilerbaustein vom Typ HMC-363 (U1).

Leider schwingen Teilerbausteine, so auch dieser, solange kein Signal am Eingang anliegt. Dieses Verhalten ist für die Erweiterung eines Frequenzzählers sehr unschön, es täuscht ohne Eingangssignal eine unstabile Frequenzvor, die eigentlich gar nicht vorhanden ist. Bei manchen Bausteinen kann dies verhindert werden, indem man den invertierenden Eingang über einen Widerstand im kΩ-Bereich auf Masse legt. Meist reagiert der Baustein mit kleiner werdendem Widerstand mit geringerer Schwingneigung, aber er weist dann auch eine schlechtere Empfindlichkeit auf. lm vorliegenden Fall konnte mit dem Widerstand R1 die Schwingneigung unterdrückt werden, ohne die Empfindlichkeit zu stark in Mitleidenschaft zu ziehen.

Das durch 8 geteilte Signal gelangt anschließend auf den 5-Bit Zähler U2 (HMC-394). Er ist mit den Anschlüssen AO-A4 auf einen Teilerfaktor von 25 programmiert. Wer beim Betrachten des Schaltplans jetzt etwas irritiert ist, denn hilft der Hinweis: gemäß Datenblatt(3) muss man genaugenommen den gewünschten Teilerfaktor abzüglich 1 einstellen.

Das Ausgangssignal von U2 ist eine Art Rechtecksignal mit einem DC-Offset. Um daraus ein TTL-Signal zu gewinnen, welches der nachfolgende TTL-Teiler benötigt, wird der schnelle Komparator U3 (MAX 961) von Maxim verwendet. Er vergleicht das Signal von U2 mit der aus dem Widerstandsteiler R3 / R4 gebildeten Schwellenspannung und generiert damit am Ausgang ein sauberes Rechtecksignal mit einer Amplitude von 0 V bzw. 5 Volt.

Zuletzt musste noch ein synchroner Zähler als TTL-Teiler durch fünf von Hand entwickelt werden. Man benötigt, um die Zahlen 0 bis 4 darstellen zu können, 3 Bits und damit auch die drei JK-Flip-Flops U4/U5 (je 74F112). Das Signal vom TTL-Teilerwird über ein noch freies UND-Gatter als Puffer zum Ausgang geführt.

Die Betriebsspannung des Teilerbausteins (ca. 9 bisl 5 V) wird über den Durchführungskondensator C17 und die Verpolungsschutzdiode D1 dem Spannungsregler U7 zugeführt. Dieser erzeugt eine geregelte Spannung von 5 V für die Teilerbausteine. Die Betriebsspannung von U1 und U2 wird zusätzlich jeweils über ein LC-Filter geführt, um eine Uberlagerung von HF-Resten auf der Betriebsspannung zu vermeiden.


Bild 2: Platinenlayout des Frequenzteilers DG6RBP-006 (nicht maßstäblich)

4. Aufbau der Schaltung

Aus dem Schaltplan wurde ein Platinenlayout (Bild 2) mit den Maßen 71 mm x 34 mm entwickelt. Dieses Maß wurde gewählt, da es hierzu passende Weißbiechgehäuse gibt. Diese sind allerdings nur dann sinnvoll, wenn der Preis eine deutliche Rolle spielt. Ansonsten sind eindeutig Aluminium-Fräsgehäusen vorzuziehen. Soll dennoch ein Weißblechgehäuse verwendet werden, so ist ein Zwischenträger (z.B. Kupferplatte) oder ein entsprechender Kühlkörper zum Kühlen des Spannungsreglers und der Teilerbausteine (vor allem U2) vorzusehen. Der Prototyp des Frequenzteilers wurde in ein gefrästes Aluminiumgehäuse eingebaut.

Als Basismaterial für die durchkontaktierte Platine wurde das 0,81 mm dicke Substrat RO-4003C von Rogers ausgewählt. Dieses Platinenmaterial hat hervorragende Hochfrequenzeigenschaften, lässt sich aber dennoch wie herkömmliches Epoxy (FR4) bearbeiten; zudem ist es preisgünstig erhältiich. Als 50 Ω-Leiterbahnbreite ergibt sich etwa 1,8 mm; diese Breite solite zumindest vom HF-Eingang bis zum ersten Teller-IC U1 eingehalten werden. Im weiteren HF-Signalverlauf auf der Platine ist diese Leiterbahnbreite nicht immer möglich, da die Anschlüsse an die Teiler-ICs sehr eng herangeführt werden müssen. Solange jedoch die Leiterbahnen sehr kurz bleiben, ist dies nicht weiter tragisch.


Bild 3: Bestückungsplan des Frequenzteilers DG6RBP-006

Die Bestückung der Bauteile erfolgt entsprechend dem Bestückungsplan (Blid 3) von Hand. Probleme treten lediglich beim Teller U1 und beim 5 Bit-Zähler U2 auf. Das IC U1 muss auch auf seiner Unterseite (!) an die Massefläche angelötet werden! Dies kann durch vorheriges Verzinnen oder besser mit Lötpaste und Heißluft (oder Hot Plane) durchgeführt werden. Schwieriger wird es bei U2, dessen Anschlüsse weitestgehend auf der Unterseite des Chips vorhanden sind, und auch der Pinabstand mit 0,5 mm (!) extrem klein ist.

Wer sich an den Nachbau des Teilers wagt, sollte daher über große Erfahrung beim Löten kleiner SMD-Teile verfügen.

Der Teiler U2 wird mit seiner Stromaufnahme von knapp 200 mA übrigens relativ warm. Gekühlt wird er über seine Massefläche und die Durchkontaktierung zum Alugehäuseboden.

In Bild 4 ist der Prototyp des Teilermoduls abgebildet.


Bild 4: Der betriebsbereit aufgebaute Prototyp des 12 GHz-Frequenzteilers (A000)

5. Stückliste

SMD-Kondensatoren:
C1,C2,C5,C6 100 pF, 0805
C3,C7,C8 1 nF, 0805
C1O,C12-C16 100 n F, 0805
C4,C9 10pF / 35 V SMD Tantal
C11 4,7 pF / 35V SM D Elko
C17 1 nF DF-Kond., Actipass FC-102P-1OA
Ll,L2 10 pH SIMID 1210
R6,R1O-R12 OR, 1206
R2,R5,R7-R9 10 k0, 1206
R3 15 k2, 1206
R4 33 kn, 1206
R1 82 kgl, 1206
D1 DL4001
U1 HMC 363 S8G
U2 HMC 394 LP4
U3 MAX961 CS8
U4, U5 74F112 SMD
U6 74F08, SMD
U7 7805
1 X LP DG6RBP-006
1 X Alu-Fräsgehäuse oder 1 X Weißblechgehäuse 71 x 34 x 30 mm
2 x SMA-Buchsen (f) mit 4-Loch-Flansch

6. Messergebnisse

Zur Überprüfung des Frequenzteilers wurde mit einem 20 GHz-Signalgenerator HP-83732A ein Signal mit einer Leistung von 1 mW (0 dBm) eingespeist und dabei die Frequenz von 500 MHz bis 15 GHz variiert. Mittels Frequenzzähler und Oszilloskop wurde das Verhalten des Tellers überprüft, es konnten hierbei keine Fehifunktionen beobachtet werden. Die Ausgangssignalform des Teilers zeigt Bild 5 bel einer Eingangsfrequenz von 10 GHz.


Bild 5: Ausgangssignalform bel einer Eingangsfrequenz von 10 GHz

Wird der Teller ohne Eingangssignal betrieben, so hat der Ausgang entweder Low- oder High-Pegel, je nachdem, in welchem Zählschritt sich der TTL-Teiler (:5) gerade befindet. Eine Schwingneigung ohne Eingangssignal trat lediglich beim Anschluss von längeren, leerlaufenden Koaxialleitungen auf.

In einem zweiten Test wurde bei konstanter Frequenz (1 GHz) die Leistung variiert. Hierbei wurde festgestelit, dass bel sehr kleinen Leistungen falsche und sogar krumme Teilerfaktoren auftreten! Die genaue Eingangsleistung bei der dieses Verhalten auftritt ist abhängig von der Eingangsfrequenz und legt den erforderlichen Mindestpegel für den Frequenzteiler fest.

Diese mindestens erforderliche Eingangsleistung für den Teilerbaustein ist in Bild 6 dargesteilt.


Bild 6: Erforderlicher Mindest- und Maximalpegel über der Frequenz

7. Technische Daten

Frequenzbereich
- Eingang mind. 0,5 bis 12 GHz
- Ausgang 0,5 bis 12 MHz
Teilerfaktor 1000
Eingangspegel ca. -10 bis +5 dBm
Ausgangspegel1 5V TTL
SWR (HF-Eingang) typ. 2 ... 6
Schwingneigung bei offenem Eingang nein2
Steckverbinder SMA-Buchsen (f)
Betriebsspannung +15VDC
Stromaufnahme max. 350 mA
1) Ohne Eingangssignal ist am Ausgang entweder ein Low- oder High-Pegel. 2) Beim Anschluss längerer, offener Koaxialkabel oder ähnlichen Situationen kann in bestimmten Fällen ohne Eingangssignal eine Schwingneigung auftreten.

8. Literaturhinweise

  1. Alexander Meier: Frequenzteiler (:10) bis 5 GHz, UKW-Berichte 3/2001, Verlag UKW-Berichte, Baiersdorf
  2. Thumm/Wiesbeck/Kern: Hochfrequenz Messtechnik, TeubnerVerlag 1997, Stuttgart
  3. Datenblatt HMC-394, Hittite Microwave Corporation, 12 Elizabeth Drive, Chelmsford MA 01824

DG6RBP