Projekt: Frequenzzähler


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Einleitung
Überlegungen zum Bau

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Einleitung

Ein Frequenzzähler ist bis zu ca. 50 MHz problemlos mit einem Mikrocontroller zu realisieren. Für höhere Frequenzen gibt es spezielle ECL-Vorteiler (z.B. MB506). Damit lassen sich Frequenzzähler bis zu ca. 2,5 GHz aufbauen. Darüber hinaus wird es aber anspruchsvoller.
Noch höhere Frequenzen lassen sich mit einem Frequenzkamm oder einer einstellbaren Frequenz in das Frequenzband herunter mischen, welches die ECL-Teiler wiederum beherrschen. Dadurch sollten sich 6 GHz erreichen lassen. Dieser Wert ist einfach mal geraten. Natürlich wären auch 10 GHz denkbar, aber die DIY-Probleme sind gewaltig. Auch 4 GHz wäre schon erfreulich.

Ein Frequenzkamm lässt sich aus einer Grundfrequenz mit Hilfe einer Step-Recovery-Diode erzeugen, was aber schaltungstechnisch nicht trivial ist. Es gibt aber auch fertige "Comb Harmonics Train Generators" z.B. von HP. Da muss man halt nur drankommen. Dann braucht man noch einen sehr breitbandigen Mixer oder Sampler als Eingangsstufe. Der Rest ist vergleichsweise simpel.




Überlegungen zum Bau

Frequenzkamm
In der HF-Technik gibt es nur Signale in Sinus-Form. Alle anderen Signalformen betrachtet man als die Summe einer Grundfrequenz und deren Vielfachen. Je nachdem, wie stark die unterschiedlichen Vielfachen sind, erhält man jede beliebige Wellenform.
Man braucht auch nicht immer alle Vielfachen der Grundschwingung. Um ein symmetrisches 1 GHz Rechtecksignal zu erzeugen, addiert man 1 GHz, 3 GHz, 5 GHz, 7 GHz, ..... zusammen (dabei ist die Amplitude der einzelnen Sinusse jeweils unterschiedlich). Die gerade Vielfachen der Grundschwingung braucht man bei einem symmetrischen Rechteck nicht. Will man dagegen einen unsymmetrischen Rechteck erzeugen (kurze positive Pulse mit langen Lücken dazwischen), dann braucht man auch die geraden Vielfachen.

Wie viele Wellen braucht man nun eigentlich? Reicht 7 GHz, als Maximum? Das hängt davon ab, wie kompliziert die zu erzeugende Wellenform ist (insbesondere wie stark der Anteil an schnellen vertikalen Änderungen in der Wellenform ist) und wie genau man die gewünschte Wellenform nachbilden will.
Wenn man z.B. extrem kurze Pulse mit entsprechend langen Lücken erzeugen will, dann braucht man dafür eine extrem hohe Zahl an Vielfachen der Grundfrequenz.

Das lässt sich auch umgekehrt betrachten: Erzeugt man eine Folge sehr kurzer Impulse, dann erzeugt man in Wirklichkeit viele Sinusse. Eine Sinus mit der Pulsfolgefrequenz und viele andere Sinusse mit den Mehrfachen dieser Frequenz. Das ist dann ein Frequenzkamm.
Nur leider ist die Erzeugung einer 1 GHz Pulsfolge gar nicht so einfach. Es gibt dafür aber ein geeignetes Bauelement: die Step-Recovery-Diode. Diese findet man leider nicht bei Conrad, also muss man etwas im Web suchen. Dafür findet man dann hoffentlich eine komplette Baugruppe mit einer Step-Recovery-Diode und der nötigen Beschaltung drum herum. So eine Diode brauch ein starkes Eingangssignal, so um die 20 ... 25 dBm. Also nimmt man einen 1 GHz-Generator, einen Verstärker und speist das verstärkte Signal in die Diode ein. An deren Ausgang hat man dann viele Vielfache von 1 GHz.

Sampling
Stellen wir uns vor, wir hätten so einen Frequenzkamm mit brauchbaren Signalamplituden von 1 GHz bis 10 GHz. Wenn wir ein unbekanntes Eingangssignal (es sei hier einmal 6,2 GHz) in einem sehr breitbandigen Mischer mit dem Frequenzkamm mischen, was bekommen wir dann? Zu den schon vorhandenen Signalen erhalten wir noch die Summenfrequenz und die Differenzfrequenz des Eingangssignals mit jeder einzelnen Frequenz des Kamms. Die meisten davon sind viele GHz hoch, aber eine ist auch erfreulich niedrig. Das ist die Differenz aus 6,2 GHz mit 6 GHz. Das wären dann also 200 MHz.
Man kann sich leicht überlegen, dass es für jede Eingangsfrequenz eine Differenzfrequenz gibt, die nicht höher als 500 MHz sein wird. Wenn man hinter dem Mixer also einen 500 MHz Tiefpass anordnet, dann wird dort nur noch diese relativ niedrige Frequenz sein, und die kann man mit einfachen ECL-Vorteiler auch problemlos zählen.

Frequenzbestimmung
Dummerweise gibt es viele mögliche Eingangsfrequenzen, die hinter dem Mischer 200 MHz erzeugen können. Zum Beispiel 200 MHz / 1,2 GHz / 2,2 GHz / 3,2 GHz ...... aber auch 800 MHz / 1,8 GHz / 2,8 GHz ..... Wenn man also nun 200 MHz misst, dann ist das Ergebnis mehrdeutig, jede der verdächtigen Frequenzen könnte das Eingangssignal sein.

Nun hilft ein Trick. Speist man in die Step-Recovery-Diode nun z.B. 1,01 GHz ein, dann erhält man alle Vielfachen von 1,01 GHz. (1,01 GHz / 2,02 GHz / 3,03 GHz ... 6,06 GHz ... ) Das änder auch das Ergebnis des Mischvorganges etwas. Die niedrigste Mischfrequenz ist nun die Differenz aus 6,06 GHz (6 x 1,01 GHz) und den 6,2 GHz. Das sind nun  nicht mehr 200 MHz sondern 140 MHz. Die Kamm-Grundfrequenz wurde um 10 MHz verändert, aber das Mischergebnis hat sich sechs mal so stark verändert, um 60 MHz. Folglich ist sie das Ergebnis der Mischung mit der versechstfachten Grundfrequenz von  6 x 1,01 GHz = 6,06 GHz. Da das Mischergebnis geringer geworden ist, liegt die Eingangsfrequenz oberhalb dieser 6,06 GHz, und nun können wir die Eingangsfrequenz eindeutig bestimmen, es ist 6,06 GHz + 140 MHz = 6,2 GHz.

Das ist die Lösung. Mann muss zwei Mal (manchmal auch drei Mal) eine leicht veränderte Frequenz in die Step-Recovery-Diode einspeisen, jeweils die Frequenz des niedrigsten Mischergebnisses messen und berechnet dann leicht die Eingangsfrequenz.


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Autor: sprut
erstellt: 16.02.2019