Frequenzanzeige für einen 12-Band KW-Empfänger

Die meinsten modernen Empfänger besitzen PLL-Tuner, die sich in festen Schritten abstimmen lassen. Eine Digitalanzeige zeigt einen Zahlenwert an, der der abzustimmenden Frequenz entspricht. Wenn man keinen PLL-Tuner hat, hilft eine digitale Frequenzanzeige, die auf einen Zählfrequenzmesser aufbaut. Die folgende Schaltung dient als Frequenzanzeige für einen klassischen Doppelsuper R-250, der (inclusive der Modernisierungen R-250M und R-250M2) von 1948 bis 1981 produziert wurde. Man hatte also 3 Jahrzehnte gebraucht, um mit Halbleitertechnik etwas annähernd ebenbürtiges zu bauen. Der R-250 besitzt einen ersten Überlagerungsoszillator (LO1) mit 12 wählbaren Quarzfrequenzen (als Bandauswahl) und einen abstimmbaren zweiten Überlagerungsoszillator (LO2). Zur Frequenzanzeige dient eine Spiegelskala, die eigentlich recht genau ist, dafür aber auch präzise eingestellt werden müsste. Eine digitale Frequenzanzeige kann hier auf einfachem Wege die Spiegelskala ergänzen.

Produktionszeitraum: ca. 1941 .. 1981 Frequenzbereich: 1,5 ..25,5 MHz (in 12 Bändern mit je 2 MHz Breite) 1. ZF: 1,5 - 3,5 MHz 2. ZF: 215 kHz ZF-Bandbreite: 1 .. 14 kHz Audiobandbreite: 0,3 .. 8 kHz Gewicht: 80.. 90 kg Ablesegenauigkeit der Spiegelskala: 1..2 kHz

Schaltung Ein PIC12F629 misst die Frequenz des 1. Mischeroszillators (LO1) und bestimmt daraus die Bandnummer. Diese wird als 4-Bit-Code an einen PIC16F648  übermittelt. Da hier nur eine von 12 festen Quarzfrequenzen bestimmt wird, ist keine hohe Präzision der Messung erforderlich. Der PIC16F648 misst die Frequenz des abstimmbaren zweiten Mischeroszillator (LO2) des Empfängers. Aus der bekannten Frequenz des 1. LO (Quarz), der gemessenen Frequenz des 2. LO (1,5 ... 3,5 MHz) und der bekannten Mittelfrequenz des zweiten ZF-Filters (215 kHz) wird die Empfangsfrequenz berechnet und am LCD angezeigt. Die Frequenzanzeige hat einen Testmode, der eingenommen wird, wenn am Pin GP3 des PIC12F629 Vss angelegt wird. Dann arbeitet die Schaltung als einfacher Frequenzzähler mit einem festen Messbereich. Es werden dann Frequenzen bis zu 20 MHz mit einer Auflösung von 16 Hz am LO2-Eingang gemessen. Der LO1-Eingang wird dabei ignoriert. Die Schaltung sieht eigentlich den Einsatz eines einzeiligen Displays (1x16) vor. Soll ein zweizeiliges Diplay (2x16) verwendet werden (oft billiger zu bekommen), dann ist das Pin RA5 des PIC16F648 mit Vss zu verbinden. Das zu messende Signal (LO2, LO1) liegt nur mit 100..350 mV (p-p) vor, es ist also noch je ein Eingangsverstärker nötig (nicht in der Grafik enthalten). Die Widerstände R4, R5 und die 4 Dioden dienen nur dem Schutz der Eingänge vor Überspannung und können je nach Aufbau der Vorverstärker entfallen.

Zum Zählen bietet sich der Timer0 an. Dieser kann direkt oder über einen einstellbaren Vorteiler mit dem Eingangspin RA4 verbunden werden. Die feste Messdauer wird durch eine Programmschleife realisiert. Für eine Messzeit von 1/2 Sekunde benötigt man eine Warteschleife mit 1.250.000 Takten auf einem 10 MHz PIC.

Der Timer0 darf höchstens mit 1/4 der PIC-Frequenz getaktet werden - bei einer PIC-Frequenz von 10 MHz sind also nur 2,5 MHz zulässig. Der 2. LO des R-250 liefert aber bis zu 3,5 MHz. Deshalb muss der interne Vorteiler des Timer0 auf ein Teilverhältnis von 2:1 eingestellt werden. Damit sind am Pin RA4 theoretisch Frequenzen von bis zu 5 MHz (2 x 2,5 MHz) zulässig. Die Auflösung der Frequenzmessung verschlechtert sich dadurch um den Faktor 2.

Der Frequenzzähler zählt also Frequenzen bis zu 5 MHz mit einer Auflösung von 4 Hz.

24-Bit-Zähler
Die Erweiterung des 8 Bit breiten Timer0 auf einen 24-Bit-Software-Timer ist im Projekt '50-MHz-Frequenzzähler ' beschrieben..

Berechnung der Frequenz des 2.LO aus dem Zählwert
Um die Eingangsfrequenz der Schaltung zu erhalten, muss man den Zählwert mit dem Vorteilerverhältnis und dem Reziprokwert der Messzeit multiplizieren.
Der Vorteiler hat ein Teilverhältnis von 2:1. Die Messzeit beträgt 1/2 Sekunde, der Reziprokwert der Messzeit ist also 2. Der Zählwert muss also mit 4 multiplziert werden. Dies lässt sich durch wiederholte Multiplikation mit 2 erreichen, und diese Multiplikation ist lediglich eine Verschiebung der Bits im Zählergebnis um jeweils eine Stelle nach links.
Deshalb ist die Frequenzberechnung mit ein paar 'RLF' Befehlen "zu erschlagen".

Addition der zweiten Zwischenfrequenz und der Frequenz des 1.LO
Die gemessene Frequenz ist nicht die Empfangsfrequenz des Empfängers, sondern die Frequenz seine zweiten Mischeroszillators. Diese liegt je nach Band einen festen Wert neben der Empfangsfrequenz. Um die wirkliche Frequenz zu erhalten, muss also dieser Wert addiert werden.
Dieser Offset ist für jedes der 12 Frequenzbänder anders. Je nach Bandnummer (an RA0..RA3) wird deshalb ein anderer Offset auf den gemessenen Frequenzwert aufaddiert. Dabei kann die Zahl länger als 24 Bit werden, hier verwende ich 32 Bit.

Umrechnung der Frequenz in eine Dezimalzahl
Leider ist das Rechenergebnis eine Binärzahl, mit der wir im täglichen Leben kaum umgehen können. Deshalb steht nun noch die Umwandlung in eine Dezimalzahl an. Das würde man normalerweise durch wiederholte Division durch 10 erledigen, aber eine vollwertige 32-Bit-Divisionsroutine wäre ein zu großer Aufwand. Ich zerlege die Zahl durch Subtraktion und Division in ihre Zehnerpotenzen.

Ausgabe der Zahl
Das fertige Ergebnis kann man nun am LCD anzeigen.

Theorie der Frequenzmessung für den PIC12F629
Der 16F629 muss ermitteln welche der 12 möglichen Quarzfrequenzen (0, 2, 4, 6, ... 22 MHz) gerade aktiv ist. Dazu ist keine genaue Messung nötig. Als PIC-Takt genügt der interne 4 MHz Oszillator.

Das Messverfahren entspricht grundsätzlich dem Messverfahren des PIC16F648. Es wird am Pin GP2 mit einem 256:1-Vorteiler über einen Zeitraum von 1280 us gezählt. Dadurch wird die Frequenz des Quarzes mit einer Auflösung von 200 kHz bestimmt. Daraus wird die Bandnummer ermittelt und an den Pins GP0,1,4,5 als 4-Bit-Binärzahl ausgegeben:

• Die zu messende Frequenz wird mit TTL-Pegel an RA4 angelegt.
• Der Timer0-Vorteiler teilt die Frequenz um 2.
• Mit diesem Vorteiler wird dann eine 24-Bit genaue Zählung über 1/2 Sekunde durchgeführt.
  Das Ergebnis ist 1/4 der LO2-Frequenz.
  
• Vom Ergebnis wird 1/4 der 2. ZF-Frequenz abgezogen.
  
• Aus dem Bitmuster an RA0..RA3 wird das monmentan verwendete Band ermittelt.
• Je nach Band wird auf das Ergebnis ein Offset (1/4 der LO1-Frequenz) aufaddiert.
• Das 24-Bit Zählergebnis wird zunächst mit 2 (1/2 Sekunde Messzeit) und anschließend mit dem Vorteilerwert (2) multipliziert.
• Die so erhaltene 32-Bit Frequenz wird in eine 8-stellige Dezimalzahl gewandelt.
• Die Dezimalzahl wird an das LCD ausgegeben.
 
• Anschließend erfolgt ein neuer Messzyklus.

• Die zu messende Frequenz wird mit TTL-Pegel an GP2 angelegt.
• Der Timer0-Vorteiler teilt die Frequenz um 256.
• Mit diesem Vorteiler wird dann eine 24-Bit genaue Zählung über 1280 Mikrosekunden durchgeführt.
  Das Ergebnis ist 1/200000 der LO1-Frequenz.
  
• Aus der Zählergebnis wird die Bandnummer ermittelt.
• Die Bandnummer wird an den Pin GP0,1,4,5 ausgegeben
  
 
• Anschließend erfolgt ein neuer Messzyklus.

Natürlich driftet die ZF-Filter-Frequenz auch je nach Temperatur ein wenig.

Letztendlich sollte es aber genügen, wenn die Anzeigetoleranz deutlich kleiner als die Bandbreite der ZF-Filter ist. Im Doppelsuper kann man die Bandbreite der 2. ZF natürlich sehr schmal auslegen, einige hundert Hertz sollten es aber dennoch sein, ansonsten macht es keinen Sinn, Funksignale zu modulieren.Beim R-250 kann sie auf bis zu 1 kHz verringert werden.

Die Fehler in der Auflösung oder Rundungsfehler in der Berechnung sind dagegen vernachlässigbar (< 10 Hz).

Kalibrierung
Ohne Kalibrierung erreicht der Zähler eine Genauigkeit von ca 0,01% (1 kHz bei 10 MHz). Die Frequenzabweichungen werden durch eine Abweichung der Quarzfrequenz von den gewünschten 10 MHz verursacht. Die meisten Quarze schwingen etwa 1 kHz zu schnell (meiner Erfahrung nach, aber Ausnahmen wird es immer geben) und müssen mit einem Trimmkondensator abgeglichen werden. Ohne Abgleich wäre der angezeigte Frequenzwert um etwa 0,01% zu klein. Als Trimmkondensator dient C1, oder es wird ein 30pF-Keramik-Trimmkondensator (nicht im Stromlaufplan enthalten) parallel zum Quarz angeschlossen, und auf ca. 20 pF eingestellt.

Das Pin GP3 des PIC12F629 wird  von Vdd getrennt und mit Vss verbunden, um in den Testmode zu gelangen. Der LO2-Eingang des Frequenzzählers wird nun im Testmode an eine Referenzfrequenzquelle (wenn man den eine findet) von maximal 19 MHz angeschlossen und durch Verstellen des Trimm-Kondensators die angezeigte Frequenz der Referenzfrequenz angeglichen. Der zulässige Anzeigefehler ist 100 Hz (bei einer Eingangsfrequenz von 10 MHz). Danach sollte der Messfehler im gesamten Frequenzbereich auf 0,001% reduziert sein (100 Hz bei 10 MHz). Höhere Genauigkeiten lassen sich nur noch mit einem Thermostat erreichen, der den Quarz auf einer konstanten Temperatur hält, nötig ist das aber nicht.

Abschließend wird das Pin GP3 des PIC12F629 wieder von Vss getrennt und mit Vdd verbunden.

• Assemblerlistings und HEX-Files (11 kByte)
  

erstellt: 09.02.2010
letzte Änderung: 24.02.2010