Projekt Frequenzmesser Reziprok HW2

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, von links nach rechts, von Messungen und vom Messgerät. Eingebaut in das HAMEG Modularsystem 8000.

• 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, Prescaler(U813) 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).
• Die Messung der Netzfrequenz 50 Hz. Die Anzeige pendelt auf der tausender Stelle immer etwas hin und her. Referenztakt 10,000 MHz-GPS.
• Die Messung mit dem Prescaler(MC12079), SIGLENT TG 2,4 GHz. Frequenzmesser und SIGLENT Speki mit Referenztakt 10,000 MHz-GPS.
• Die Messung mit dem Prescaler(MC12079), SIGLENT TG 3,2 GHz. Frequenzmesser und SIGLENT Speki mit Referenztakt 10,000 MHz-GPS.

• 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.
• Aufbau des Frequenzmessers mit den professionellen Leiterplatten. Unten links der Vorteiler, mit MC12079 bis 3,2 GHz.

• Der neue Aufbau des Frequenzmessers. Hier habe ich die Hauptplatine auf ihre Funktion getestet. Funktioniert bestens.
• Jetzt ist sogar noch Platz geblieben für eine Referenz-Takt-Platine mit einem OCXO, links von der Mitte zu sehen. Rechts davon die neue Hauptplatine vereint die Funktionen der 3 Einzelplatinen.
• Die Hauptplatine mit größerer Ansicht.
• Die Hauptplatine von oben in 3D-Ansicht. Mit Kicad7 generiert.
• Die Hauptplatine von unten in 3D-Ansicht. Mit Kicad7 generiert.

Das Messprinzip bei einem Frequenzmesser Reziprok ist ganz simpel. Der Frequenzmesser hat 2 Zählketten. Eine Zählkette für die Messfrequenz und eine Zählkette für die Takt-Referenz-Frequenz. 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 reicht für mich völlig aus.

Schaltbilder und Leiterplatten des Projektes HW2

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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 habe ich zu einer Platine zusammen gefasst.
• Links das Schaltbild mit dem PIC18F45K22 Mikrokontroller.
• Dann das Schaltbild des Taktgenerators mit OCXO-Anschluss oder TXCO 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).
• Das Schaltbild der 3 Tasten und Potentiometer 50k für den Triggerpunkt.

Die Ansicht der 3 Platinen, mit einem Gerberviewer erzeugt. Ich habe mit diesen Gerberdateien Leiterplatten anfertigen lassen.

• frequenzzaehler_rezi_hw2_erw.pdf Beschreibung des Frequenzmessers als PDF. Am Ende sind noch Dokumente angehangen (Hochgeladen 17.01.24)
• freq_zaehl_rezi_bauteile.pdf Stückliste als PDF (Hochgeladen 22.10.23)
• freq_zaehl_rezi_bauteile.xls Stückliste als Excel (Hochgeladen 22.10.23)
• freq_zaehl_rezi_bauteile.ods Stückliste als Openoffice (Hochgeladen 22.10.23)
• stecker_hw2.pdf Stecker Belegung als PDF (Hochgeladen 24.12.23)
• mc_v2_04.hex HEX-Datei zum Programmieren des PIC18F45K22 oder PIC18F46K22 (Hochgeladen 24.12.23)
• freq_zaehl_rezi_kicad_16_10_2023.zip ZIP-Dateien der 3 Platinen (Kicad7) (Hochgeladen 22.10.23)
• hauptplatine.zip Die grosse neue Hauptplatine. Im Verzeichnis bom sind alle Bestückungshilfen ibom.html usw. zu finden.
• tasten_poti.zip Die kleine Platine mit den 3 Tasten und dem Triggerpoti. Im Verzeichnis bom sind alle Bestückungshilfen ibom.html usw. zu finden.
• vv2_8ghz.zip Die kleine Vorteiler-Platine 2,8GHz. Im Verzeichnis bom sind alle Bestückungshilfen ibom.html usw. zu finden.
• frequ_rezi_hw2.zip Assembler Quellen der PIC Firmware. Kompilierung funktioniert nur mit Linux und Packet gputils (Hochgeladen 25.10.23)