Messtechnik

Stand: 2004-03

Thomas Mertin
Netzwerk- und Elektrotechnik
D-41334 Nettetal

Frequenzzähler

1. Blockschaltbild

Meßunsicherheit ist bei niederfrequenten Signalen sehr hoch. Zeitbasis kann vergrößert werden (längere Torzeit) oder Meßfrequenz wird mit einem konstanten Faktor vergrößert.

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2. PLL (Phase locked loop)

PLL-Schaltung zur Vervielfachung der Meßfrequenz

VCO

VCO = Voltage Control Oscillator (Spannungsgesteuerter Oszillator)

Annahme: UF = 0
VCO schwingt auf seiner Mittenfrequenz (Ruhe- oder Centerfrequenz)

Phasenkomparator vergleicht f1 und f2.

Bei einer Phasenverschiebung zwischen U1 und U2 liefert der Komparator ein Rechteck mit unterschiedlichem Impuls-Pausenverhältnis. Der Tiefpaß bildet den arithmetischen Mittelwert. Die Regelspannung UF zieht den VCO nach.

Der PLL-Kreis wird in drei Frequenzbereiche eingeteilt:
- Haltebereich (Hold in range)
- Fangbereich (Lock in range)
- Ziehbereich (Pull in range)

Haltebereich: Ist der PLL-Kreis einmal synchronisiert worden, bleibt der VCO statisch stabil, auch wenn die Eingangsfrequenz im Haltebereich liegt. Bei unsynchronisierten VCO und Eingangsfrequenz im Haltebereich ist keine Synchronisation möglich.

Ziehbereich: Liegt die Eingangsfrequenz im Ziehbereich ist eine Synchronisation möglich.

Fangbereich: Liegt die Eingangsfrequenz innerhalb des Fangbereichs aber außerhalb des Ziehbereichs ist eine Synchronisation nur nach einer Verzögerungszeit tV möglich. Es tritt ein Pendelvorgang auf.

Phasenkomparator I

Phasenkomparator als Vergleicher (EXOR), einfacher Aufbau mit Nachteilen

Gleiche Steuerspannung bei zwei verschiedenen Phasenwinkeln.

Im eingerasteten Zustand bei f1 = f2 und φ = 90°.
Eingangsspannung und VCO-Ausgangsspannung haben ein Impuls-Pausenverhältnis von 1:1 (Linearität besteht nicht mehr).

VCO kann auf einer Oberwelle der Eingangsfrequenz einrasten.

VCO ohne Nullpunktverschiebung

ohne Eingangsspannung: VCO schwingt auf
Frequenzbereich: 2fL = gesamter PLL Frequenzbereich

VCO mit Nullpunktverschiebung

ohne Eingangsspannung: VCO schwingt auf
Frequenzbereich:


Phasenkomparator II

Phasenkomparator II aufgebaut mit flankengesteuerten Flip-Flop's. Keine Beeinflussung durch unterschiedliche Impuls-Pausenverhältnisse. Phasendifferenz über den gesamten Frequenzbereich ist 0.

VCO:
R1 > 10k, linearer Zusammenhang von IR1 und der angelegten Steuerspannung am VCO.
Mittenfrequenz mit C1
Nullpunktverschiebung mit R2
R3 - C2 = Tiefpaß


f1 = 0

Pinbelegung (CD 4046)

Pin

Funktion

Pin

Funktion

1

Phasen Puls Ausgang

10

Demodulatorausgang

2

Phasenkomparator I Ausgang

11

R1

3

Phasenkomparator Eingang

12

R2

4

Ausgang VCO

13

Phasenkomparator II Ausgang

5

Freigabe (VCO arbeitet)

14

Eingangssignal

6,7

Kondensator C1

15

Spannungsstabilisierung über Z-Diode

8

Masse (GND)

16

+UB

9

Eingang VCO

 

 

Aufbau eines Frequenzvervielfacher mit CD 4046, 4017 und 4518

Aufbau eines Frequenzvervielfacher mit CD 4046 und 7490

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