Signalaufbereitung für Frequenzzähler DC - 50MHz

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1. Allgemein
2. Schaltbild
3. Beschreibung der Schaltung
4. Musteraufbau: Bestückung + Fotos
5. einfache Schaltung, älter

Stand: 2011-09-23

Sofern ein Frequenzzähler als Modul fest in ein Gerät integriert ist, kann man zumeist ein vorliegendes TTL/HCMOS-Signal direkt auswerten. Bei kleineren Signalamplituden und/oder einem eingeschränkten Meßbereich, helfen einfache Schaltungen (Hochpaß, Tiefpaß, Komparator), das Signal digital verwertbar aufzubereiten.

Variieren die Signale bezüglich Frequenz, überlagerten Störungen, DC-Offset und Amplitude stark, müssen sie für eine sichere Triggerung aufbereitet werden. Dies erledigt die hier vorgeschlagene Schaltung. Sie arbeitet von DC - 50MHz und kommt mit einer einzigen Versorgungsspannung +5VDC / 25mA aus. Mit den Einstellmöglichkeiten von AC/DC-Kopplung, zuschaltbarer Tiefpass (ca. 100kHz) und Offset-Regler sollte man auch bei schwierigeren Signalformen einen stabilen Trigger bekommen. Die Eingangsempfindlichkeit ist in Stufen 0,03 - 0,1 - 0,3 - 1 - 3 - 10 Vrms umschaltbar. Die Eingangsimpedanz beträgt ca. 1M || 22pF und variert ein wenig mit der Einstellung des Drehschalters, was aber bei dieser Anwendung unbedeutend sein sollte.
Die Schaltung bietet sich als breitbandige Eingangsstufe für reziproke Frequenzzähler an.

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Zur Schaltung von links nach rechts:

  1. Signaleingang mit Schalter AC/DC-Kopplung
  2. kompensierter Abschwächer mit 1 - 3 - 10 Stufung
  3. symmetrischer Überspannungsschutz 440k || 500pF und 2 x 3 1N4148
  4. JFET-Differenzstufe zur Impedanzwandlung, Anhebung der DC-Pegel, Tiefpassfilter und Offset-Regler
  5. Komparator mit Hysterese, Trigger-LED und Signalausgang

Als Bauteile werden weitgehend SMD-Typen einseitig bestückt; die andere Seite der Leiterplatte ist zur besseren Schirmung als GND-Fläche ausgeführt. Um eine Spannungsfestigkeit von 100VDC zu erhalten, bestehen R1+C1 sowie R7+C7 aus einer Reihenschaltung. Um den Ausgang des Komparators vom Eingang zu entkoppeln, liegen dessen Bauteile auf der anderen Platinenseite - weit vom Eingang entfernt. Beim ersten Musteraufbau wurde die Platine nebst Schaltern+Poti in eine geschirmtes Gehäuse TEKO 372 eingebaut. Ein offener Aufbau ist möglich, wenn auf hinreichende Abschirmung geachtet wird.

Als Impedanzwandler dient hier der PMBF J620 (2 x JFET). Er ist ein entscheidenes Bauteil, da er den Eingangspegel von GND-Potential auf ca. 1,5V anhebt. Nur dadurch ist es möglich mit einer Spannungsversorgung von 5VDC auszukommen. Da zwei JFETs in einem kleinen Gehäuse sitzen, ist die Drift und Exemplarstreuung gering. Mit Trimmpoti POT1 wird der Nullpunkt abgeglichen, der durch das externe Offset-Poti entsteht. Zum Abgleich wird das Offset-Poti in Mittelstellung gebracht und dann POT1 so verstellt, daß die LED von AUS auf EIN wechselt.

Anschließend dient die LED zur Kontrolle des richtigen Triggerpunktes und schaltet mit der fallenden Flanke des Eingangssignals EIN. Diese Schaltrichtung ist gewollt, da somit Eingangssignale mit +DC-Offset durch Rechtsdrehung (im Uhrzeigersinn) des Offset-Potis kompensiert werden. Der nachfolgende Zähler sollte somit auch auf die fallende Flanke am Eingang triggern, die in der Praxis steiler als eine (passive) positive Flanke ausfällt. Als Beispiel: Hallsensor mit passiven Pullup. Am Schaltverhalten und an der Helligkeit der LED kann man den Triggerpunkt finden und optimieren. T1 aktiviert einen Tiefpass und könnte auch durch einen Schalter ersetzt werden. T1 ist ein Kompromiss, bietet aber den Vorteil des kompakten Aufbaus. Der Schalter kann wie bei Offset-Regler und LED entfernt platziert werden.

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Bestückungsdruck und Fotos vom Musteraufbau ca. 51 x 45 mm²:

  1. Anordnung der Bauteile: Bestückungsseite mit Drehschalter
  2. Anordnung der Bauteile und Steckverbinder: Rückseite
  3. Foto der Bestückungsseite
  4. Foto der Rückseite

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alte Version einer einfachen Signalaufbereitung:

Der hier gezeigte Schaltungsvorschlag ist älteren Datums, soll aber die Entwicklung zur obigen Schaltung deutlich machen. Mit neueren Bauteilen kann sie als Volage für Eigenentwicklungen dienen.
Die Schaltung bietet sich als breitbandige Eingangsstufe insbesondere für den reziproken Frequenzzähler an. Die Schaltung liefert die Grundlage für individuelle Lösungen und sollte noch um einen Eingangsabschwächer sowie Hochpaß- und Tiefpaßfilter ergänzt werden. Die Dimensionierung der Bauteile muß eventuell angepaßt werden, da der FET Q1 und Komparator IC1 Exemplarstreuungen aufweisen können. Die Eingangsempfindlichkeit kann auf 10mVrms abgeglichen werden; der Frequenzbereich geht von 1Hz bis über 30MHz (abhängig vom Aufbau).

Das Eingangssignal wird über C1 - R1 von Gleichspannungsanteilen befreit und über R2/C2 dem FET Q1 zugeführt, der als Impedanzwandler arbeitet. D1 und D2 bilden eine Eingangsschutzschaltung für zu große Amplituden; C2 kompensiert die Streukapazitäten, die sonst mit R2 einen Tiefpaß bilden würden. Über R3 gelangt das Signal an den schnellen Komparator NE529. Seine Differenzeingangsstufe (Eingänge A und B) benötigt am Eingang B ein Referenzsignal. Dieses wird aus dem Ruhepegel Source-Q1 abgeleitet: Filterung über R4 und C4/C5. Die Exemplarstreuungen des Ruhestroms vom BF245 (A,B,C) bleiben auf diese Weise unwirksam. Allerdings ergibt sich durch den Eingangsstrom (bias+offset current) des Komparators über die unterschiedlichen Werte von R3 und R4 eine Offsetspannung am Komparatoreingang: diese wird von R7 kompensiert, der einen (nahezu) konstanten Strom für Eingang B liefert. Der Wert 1MOhm für R7 muß unter Umständen angepaßt werden.

Ideal wäre hier eine Differenzeingangsstufe mit 2 x BF245; wegen der dann möglichen DC-Kopplung könnte diese auch sehr niedrige Frequenzen im mHz-Bereich verarbeiten. Letzlich driftet aber solch eine Eingangsstufe sehr stark mit der Temperatur, sodaß die vorliegende Schaltung stabiler arbeitet. Für Messungen im mHz-Bereich eignen sich Komparatoren mit FET-Eingängen besser (z.B. TLC272).

Das Ausgangssignal liefert der Komparator an OUT-A; R6 sorgt für die notwendige Schalthysterese; beim Verhältnis R3/R6 = 1/220 und bei ca. 4Vss an OUT-A wird eine Eingangsempfindlichkeit von etwa 20mVss (<10mVrms) erreicht. Hierzu ist R7 abzugleichen, indem man ein Sinussignal 50Hz/50mVss am Eingang anlegt und durch Verändern von R7 ein 50% Tastverhältnis am Ausgang einstellt. Die weiteren Kondensatoren in der Schaltung dienen dem Abblocken der Versorgungsspannungen. Die +9V und -9V sind unkritisch und können vom MAX232 abgegriffen werden (Pin2 '+', Pin6 '-').

Die Schaltung arbeitet auch mit einem Komparator LT1016, der nur +5V Versorgungsspannung benötigt; hierbei ist allerdings R5 so anzupassen, daß die Eingangsspannung am Komparator ca. 2,3V beträgt. Die Eingangsempfindlichkeit wird ebenfalls mit R7 angepaßt.

Den Überspannungsschutz mit D1 und D2 kann man ändern, indem man die beiden Dioden antiparallel zwischen Gate-Q1 und GND schaltet; die Signalbegrenzung setzt dann bei kleineren Spannungen ein: Ausprobieren. Unerwünschte höherfrequente Signalanteile (Rauschen) lassen sich unterdrücken, indem ein Kondensator ca. 10-100nF parallel zu R5 geschaltet wird. Das ergibt ein Tiefpaßfilter im zig-kHz-Bereich. Eine Signalabschwächung wird direkt am Eingang als Widerstandsteiler realisiert. Dabei ist es wichtig, den Teiler kapazitiv zu kompensieren; wird beispielsweise eine Abschwächung von 10:1 benötigt, verwendet man einen Teiler mit 1M/100k Widerständen, zu dem parallel Kondensatoren im Verhältnis 22pF/220pF geschaltet werden. Nachfolgende Streukapazitäten bilden dann keinen Tiefpaß in Verbindung mit den ohmschen Widerständen.

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