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Wir bestimmen die Frequenz von digitalen Impulsen


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Frequenzzähler


Frequenzzähler

In der dynamischen Digitaltechnik haben wir es mit sich ändernden Zuständen zu tun. Die Schaltungen werden von einem Takt gesteuert.

Wenn wir einzelne Leitungen betrachten, haben wir es mit sich ständig ändernden Zuständen zu tun. Eine solche Folge von Zuständen nennt man Impulse.

An dieser Stelle interessiert uns, wie viele Impulse pro Zeiteinheit (meistens eine Sekunde) auftreten. Wir wollen die Frequenz der Impulse bestimmen.

Wie machen wir das?

Frequenz bedeutet Impulse pro Sekunde. Also machen wir genau das: Wir zählen, wie viele Impulse pro Sekunde auftreten.

Impulse haben Änderung, d.h. Flanken oder . Wir müssen uns entscheiden welche Flanke wir nehmen. Aber eigentlich ist es egal.

Die Schaltung ist ziemlich klar. Wir brauchen

  • einen Zähler,
  • den wir nach einer Sekunde anhalten
  • und dessen Wert wir anzeigen.

Entwurf eines Frequenzzählers

Aber wie erzeugen wir die Sekunde? Außerdem wollen wir, dass die Frequenz immer wieder automatisch gemessen wird.

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Bild 1: Schaltung eines Frequenzzählers

Bild 1 zeigt das Prinzip eines Frequenzzählers.

Wir haben einen Takt, der am Eingang eines BCD-Zählers liegt. Hinter dem BCD-Zähler befindet sich ein D-Register, dessen Inhalt auf einer Sieben-Segment-Anzeige angezeigt wird.

Die wichtigste Funktion hat der Taktgenerator X1, der eine Frequenz von 0,5Hz erzeugt. Dieser Generator erzeugt eine Sekunde lang eine 1 und eine Sekunde lang eine 0.

Während der Generator eine 1 erzeugt, wird der Zähler zurückgesetzt. Während der 0 zählt der Zähler und wird danach wieder zurückgesetzt.

Das D-Register übernimmt den Zustand des Zählers, wenn der Generator von 0 auf 1 wechselt. Es speichert den Wert des Zählers kurz vor der -Flanke seines Takts und das ist die Anzahl der Impulse, die der Zähler in der vorhergehenden Sekunde erhalten hat. Dies ist die Frequenz der gemessenen Impulse.

Notwendige Erweiterungen

Wir wollen natürlich eine etwas genauere Anzeige als nur eine Stelle. Das erreichen wir, indem wir mehrere Zähler hintereinander schalten.

Ein Problem haben wir nicht bedacht: Was passiert, wenn bei einem einstufigen Zähler mehr als 9 Impulse am Eingang anliegen? Das kann auch bei mehrstufigen Zählern passieren. Dann gehen einige Impulse verloren und die Anzeige zeigt nur noch den Rest an. Wir müssen erkennen, ob der Zähler überläuft.

Wenn der Zähler überläuft, gibt es am Ausgang Q3 von U2A einen Übergang von 1 nach 0, eine -Flanke. Mit dieser Flanke setzen wir ein D-Register auf 1, d.h. am Eingang des D-Registers liegt eine 1. Den Zustand dieses Registers speichern wir ebenso wie den Zählerstand und zeigen ihn mit einer LED an. Wenn die LED leuchtet, ist der Zähler übergelaufen.

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Mehrstufige Zähler

Wenn mehrere Zählstufen hintereinander geschaltet sind,

  • zeigt die Zählstufe, die in der Kette ganz vorne liegt, die letzte Stelle der Frequenz an.
  • Die erste Stelle der Frequenz wird von der letzten Zählstufe angezeigt.

Wenn wir z.B. Frequenzen bis 1MHz messen wollen, brauchen wir einen Zähler, der bis 1000000 zählen kann. Wir müssten sechs Zählstufen hintereinander schalten, die aber nur bis 999999 zählen können. Oder sieben Zählstufen. Dann könnten wir bis 9999999 zählen, also 9,9999999Mhz.

Für unsere Versuche reichen drei Stellen aus. Damit sind aber nur Frequenzen bis 999Hz möglich.

Wir haben zwei Wege aus diesem Dilemma:

1.
Wir messen einfach für eine kürzere Zeit
  • Wenn der Generator X1 5Hz erzeugt, können wir mit drei Stellen bis 9,99kHz messen.
  • usw.
2.
Wir bauen eine Reihe von Zählstufen auf, zeigen aber nur die ersten Ziffern an.
  • Diese Zähler werden vor unsere Schaltung gesetzt. Sie teilen die Frequenz am Eingang.

Den Generator für die 0,5Hz haben wir noch nicht näher betrachtet. Das Symbol zeigt einen Quarzgenerator. Ein Quarzgenerator liefert eine sehr genaue Frequenz. Wenn diese Frequenz nicht genau ist, wird die angezeigte Frequenz nicht genau sein. Wie ein solcher Generator aufgebaut ist, haben wir im Praktikum Quarzgenauer Takt betrachtet.

Wir wollen hier keine hochgenauen Messungen durchführen, sondern das Prinzip verstehen. Dazu können wir auch einen Timer 555 verwenden.

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Bild 2: Erweiterte Schaltung des Frequenzzählers

In Bild 2 wurde vor den eigentlichen Zähler eine Zählstufe geschaltet, die die Eingangsfrequenz durch zehn teilt. Die tatsächliche Frequenz ist also zehnmal so hoch wie die angezeigte.

Der Überlauf ist durch zwei D-Register realisiert. Das erste D-Register U3A erkennt den Überlauf. Der Takt für U3A muss über ein Gatter invertiert werden, damit es auf die fallende Flanke reagiert. Der Reset für U3A muss ebenfalls invertiert werden.

Das zweite D-Register U3B speichert den Zustand des Überlaufs am Ende der Zählperiode. U3B wird wie U5 betrieben.

Der Timer 555 liefert die 0,5Hz. Er ist allerdings nicht besonders genau. Wegen des Kondensators können Abweichungen von mehr als 10% auftreten.

Eigene Versuche

  • Anstelle des Vorteilers wird der Zähler auf zwei Stellen erweitert. Die Schaltung kann Binär zählen entnommen werden.
  • Die Referenz-Frequenz des Timers 555 wird auf 5Hz erhöht (C1=1µF).
  • Aufbau eines dreistelligen Zählers
  • Quarzoszillator als Referenz (Uhrenquarz und CD4040).

Fazit

  • Die Schaltung eines Frequenzzählers ist im Prinzip nicht sehr schwierig.
  • Ein Frequenzzähler benötigt eine genaue Referenzfrequenz mit Quarz.
  • Ein Frequenzzähler ist recht aufwendig an Bauelementen:
  • Mehrere Zählstufen mit
  • Register
  • Sieben-Segment-Dekoder
  • Sieben-Segment-Anzeige
  • Zähler für den Vorteiler
  • Umschalter für den Vorteiler
  • Erkennung des Überlaufs
  • Darum werden einfache Frequenzzähler
  • oft mit programmierbaren Mikrocontrollern aufgebaut
  • Diese Schaltung wird oft als Bausatz im Internet angeboten. Die Krux bei den Bausätzen ist, dass das Ganze manchmal nicht funktioniert :-(