../../../icons/Logo.pngPraktische Elektronik

Frequenzzähler

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

Wenn wir die einzelnen Leitungen betrachten haben wir sich laufend ändernde Zustände. Eine solche Folge von Zuständen werden als Impulse bezeichnet.

An dieser Stelle betrachten wir, wie viele Impulse pro Zeit (meistens eine Sekunde) anliegen. Wir wollen die Frequenz der Impulse bestimmen.

Wie können wir das bewerkstelligen?

Frequenz heist Impulse pro Sekunde. Dann tun wir das doch: Wir zählen wie viel Impulse pro Sekunde vorkommen.

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

Die Schaltung ist ziemlich klar. Wir brauchen

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

Entwurf eines Frequenzzählers

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

Frequenzzaehler_s.png
Bild 1: Schaltung eines Frequenzzählers

In Bild 1 ist das Prinzip eines Frequenzzählers dargestellt.

Wir haben einen Takt, der am Eingang eines BCD-Zählers liegt. Hinter dem BCD-Zähler liegt ein D-Register, dessen Inhalt mit 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 er und wird anschließend wieder zurückgesetzt.

Das D-Register übernimmt den Zustand des Zählers, wenn der Generator von 0 nach 1 geht. Es speichert den Wert des Zählers kurz vor der -Flanke seines Takts und das ist die Zahl der Impulse, die der Zähler in der vorangehenden Sekunde empfangen hat. Es ist die Frequenz der gemessenen Impulse.

Notwendige Erweiterungen

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

Ein Problem haben wir nicht bedacht: Was passiert, wenn mehr als 9 Impulse am Eingang liegen? Bei mehren Stellen kann es auch passieren. Dann gehen eine Reihe von Impulsen verloren und die Anzeige zeigt nur 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.

Wenn wir, sagen wir mal, Frequenzen bis 1MHz messen wollen, brauchten wir einen Zähler, der bis 1000000 zählen kann. Wir müssten sechs Zähler hintereinander schalten, die aber nur bis 999999 zählen können. Oder sieben. Dann könnten wir bis 9999999 zählen, d.h. 9,9999999Mhz.

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

Wir haben zwei Wege aus diesem Dilemma:

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

Wir haben den Generator für die 0,5Hz bisher nicht näher betrachtet. Das Symbol stellt einen Quarzgenerator dar. Ein Quarzgenerator liefert eine sehr genaue Frequenz. Wenn diese Frequenz nicht genau ist, wird die angezeigte Frequenz nicht genau angezeigt. Wie ein solcher Generator aufgebaut wird, haben wir im Praktikum Quarzgenauer Takt betrachtet.

Wir wollen hier keine hoch genauen Messungen durchführen, sondern das Prinzip verstehen. Aus diesem können wir auch einen Timer 555 einsetzen.

Frequenzzaehler-2_s.png
Bild 2: Erweiterte Schaltung des Frequenzzählers

In Bild 2 wurde vor den eigentlichen Zähler ein Zähler geschaltet, der die Eingangsfrequenz durch zehn teilt. Die tatsächliche Frequenz ist damit zehn mal so hoch wie die angezeigte.

Der Überlauf wird mit zwei D-Registern realisiert. Der Takt für U3A muss über ein Gatter invertiert werden, damit es auf die fallende Flanke reagiert. Ebenso muss der Reset invertiert werden.

U3B wird wie U5 betrieben. Es speichert den Zustand des Überlaufs am Ende der Zählperiode.

Der Timer 555 liefert die 2Hz. Er ist allerdings nicht besonders genau. Wegen des Kondensators können über 10% Abweichung vorkommen.

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 Zählers mit drei Stellen.
  • Quarzoszillator als Referenz (Uhrenquarz, CD4040 und 74HC74).

Fazit

  • Die Schaltung eines Frequenzzählers ist im Prinzip nicht sehr schwierig.
  • Ein Frequenzzähler braucht eine genaue Referenzfrequenz mit Quarz.
  • Ein Frequenzzähler ist ziemlich aufwändig 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 vielfach im Internet als Bausatz angeboten. Die Krux bei der Sache ist, dass das Ganze manchmal nicht läuft :-(