Projekt Frequenzmesser Reziprok

Ich wollte mir schon seit längerer Zeit eine Frequenzzähler bauen, der etwas genauer geht als die sonstigen üblichen Konzepte. Ich hatte mir vorgenommen möglichst eine Messgenauigkeit kleiner 1Hz im Kurzwellenbereich zu erreichen. Das klingt zwar etwas Übertrieben, aber für die Kontrolle geringster Frequenzabweichungen, wenn man zum Beispiel die Funktion eines Thermostates überprüfen will, ist das ein nicht zu hoch gestecktes Ziel.

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    Bilder vom Messgerät. Eingebaut in das HAMEG Modularsystem 8000.
  • Linkes Bild: Eine Messung meines DDS-VFO 10 MHz. Links die beiden Koaxbuchsen sind Rechteck Eingang und Sinus-Eingang 10 Hz bis 50 MHz. Rechts Eingang bis 1,3 GHz und Externer Takt. Die LED vom jeweiligen aktiven Eingang leuchtet. Der Takt wird automatisch auf extern umgeschaltet, wenn am Takteingang ein Signal anliegt (rote LED und ext im LCD-Display).
  • Rechtes Bild: Der Musteraufbau des Frequenzmessers. Die Baugruppen habe ich beschriftet. Der Musteraufbau besteht aus 3 Leiterplatten. Nur so war es möglich zum Ziel zu gelangen. Ich musste auf den BG noch kleine Änderungen vornehmen.


Blockschaltbild und Funktion meiner Konstruktion

Das Messprinzip bei einem Frequenzmesser Reziprok ist ganz simpel. Der Frequenzmesser hat 2 Zählketten. Eine Zählkette für die Messfrequenz und eine Zählkette für die Taktfrequenz. In meinem Fall habe ich einen Taktgenerator TCXO 12,8 MHz (erhältlich beim FA Box73) eingesetzt. Zusätzlich habe ich noch einen Koaxeingang für einen externen Takt vorgesehen. Ich nutzte mein GPS-Diszipliniertes Frequenznormal von genau 10,000000 MHz (+/- 0,05Hz) als externen Taktgenerator. Vor den beiden Zählketten sind 2 Tore, die genau zur gleichen Zeit geöffnet oder geschlossen werden.

    Der Ablauf einer Messung ist folgender:
  • Beide Zählketten löschen.
  • Beide Tore für eine definierte Zeit öffnen. Die Öffnungzeit braucht nicht so genau stimmen.
  • Nach dem beide Tore wieder geschlossen sind werden die Zählketten ausgelesen.
  • Mit der Formel

    Freq-Messung = Freq-Zählkette1 / Freq-Zählkette2 * Taktfrequenz

    wird die zu messende Frequenz errechnet.
  • Ist ein Vorteiler mit in der Zählkette wird das Messergebnis mit dem Vorteilerwert multipliziert.

    Freq-Messung = Freq-Messung * Vorteiler (64)

  • Die Messung beginnt wieder von vorn.
Der Vorteile des Reziproken Verfahrens ist die hohe Genauigkeit auch bei niedrigen Frequenzen. Auch bei diesem Verfahre ist es so, dass eine größere Torzeit die Messgenauigkeit erhöht.

Auf eine Triggerung der ersten Flanke des Messsignales mit der Toröffnung habe ich verzichtet. Die Messungenauigkeit kompensiere ich mit Erhöhung der Torzeit.

    Vorgesehen habe ich:
  • (0,5 Sek.), 1 Sek., 2 Sek., 4 Sek., 8 Sek., 16 Sek. und 32 Sek.
Mit den 32 Sekunden Torzeit ist selbst bei sehr hohen Frequenz (Vorteiler / 64) eine Auflösung von etwa 2 Hz möglich. Die Genauigkeit der Messung hängt von der Höhe der Taktfrequenz und der Torzeit ab.
    Bei einer sehr genauen externen Taktfrequenz von 10000000,00 Hz (GPS-Diszipliniert), ergeben sich folgende Genauigkeiten der Frequenzmessung:
  • Torzeit 1 Sek: +/- 1 Hz. Mit Vorteiler (DIV 64) +/- 64 Hz.
  • Torzeit 2 Sek: +/- 0,5 Hz. Mit Vorteiler (DIV 64) +/- 32 Hz.
  • Torzeit 4 Sek: +/- 0,25 Hz. Mit Vorteiler (DIV 64) +/- 16 Hz.
  • Torzeit 8 Sek: +/- 0,125 Hz. Mit Vorteiler (DIV 64) +/- 8 Hz.
  • Torzeit 16 Sek: +/- 0,063 Hz. Mit Vorteiler (DIV 64) +/- 4 Hz.
  • Torzeit 32 Sek: +/- 0,03 Hz. Mit Vorteiler (DIV 64) +/- 2 Hz.

Eine höhere Taktfrequenz wäre noch besser, aber die Konfiguration, die ich jetzt habe recht für mich völlig aus.


Messungen Beispiele

Überprüfung der Frequenzdrift meines SIGLENT Trackinggenerators nach PowerON

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Ich habe die Frequenzdrift meines SIGLENT-Trackinggenerators bei 1,2 GHz sehr genau verfolgen können. Die Drift nach 10 Minuten liegt im Bereich von etwa 70 Hz, je nach Zimmertemperatur. Die absolute Abweichung beträgt 310 Hz, auch nach 10 Minuten gemessen. Zur Messung habe ich den GPS-Taktgenerator als externe Taktquelle in den Frequenzmesser eingespeist.

Bild links ist SIGLENT-TG ohne externen Takt GPS-10,0 MHz, dann habe ich den GPS-10,0 MHz Takt an den Siglent angeschlossen. Rechts ist die maximale Frequenz von 3,2 GHz am TG eingestellt.

Bei meinem DDS-DoppelVFO ist der DDS-Takt 400 MHz in ein Thermostat eingebaut. Links die Frequenzabweichung nach PowerON. Rechts nach einer Einlaufzeit von 5 Minuten.

Mehrere Messungen der 220 Volt Netzfrequenz. Die meisten Messergebnisse sind größer als 50 Hz.


Minimale Auflösung bei einer Torzeit von 32 Sekunden und Abweichung von 1 Digit.

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Meinen DDS-Generator habe ich auf 10 000 000,0 Hz eingestellt. Links eine Messung mit 4 Sek. Torzeit. Rechts mit 32 Sek. Torzeit eine Abweichung von 1 Digit ergibt 0,03 Hz Abweichung.


Schaltbilder und Leiterplatten des Projektes

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Das gesamte Schaltbild des Frequenzmessers mit Prescaler bis 2,8 GHz (3,2 GHz). Die Platine des Prescalers ist direkt in der Frontplatte eingeschraubt. Die anderen 3 Platinen hatte ich zu einer Platine zusammen geführt und musste leider feststellen, dass das nicht so gut funktioniert. Ich bin also wieder auf meine ursprüngliche Testversion mit 3 Platinen zurück gekommen, plus 1 Platine Prescaler. Hier die 4 Schaltbilder dazu. Bilder von links nach rechts.

Links das Schaltbild mit dem PIC18F45K22 Mikrokontroller.

Dann das Schaltbild des Taktgenerators 12,8 MHz.

Das Eingangsteil mit Impedanzwandler (30 Hz bis 50 MHz [70 MHz]), Eingang für Rechtecksignale und Eingang für den Vorteiler bis 2,8 GHz.

Das Schaltbild des Prescalers. Angegeben ist der MC12079 bis 2,8 GHz, aber er funktioniert auch bei 3,2 GHz noch (Pegel 0 dBm).

Die Ansicht der 4 Platinen von Oben und von Unten, mit einem Gerberviewer erzeugt. Ich habe mit diesen Gerberdateien Leiterplatten anfertigen lassen.


Dateien des Projektes


Schlusswort

Ich wünsche viel Spaß beim Nachbauen. Eventuelle Nachfragen bitte per E-Mail DL4JAL@t-online.de