Das Magazin für Funk Elektronik · Computer

Einfacher Frequenzmesser
als Vorsatz für Multimeter
Dipl.-Ing. ANDREAS KÖHLER
Ein Frequenzmesser ist für den Elektronikamateur ein oft gebrauchtes
Meßinstrument. Leider ist der Preis eines Zählers nicht gerade gering.
Selbst einfach aufzubauende Geräte, wie z. B. der CONRAD-Bausatz
19 01 60, dürften einschließlich allen notwendigen Zubehörs wie Netzteil,
Vorverstärker und Gehäuse nicht wesentlich unter 200 DM realisierbar
sein. Für einen Anfänger, der sich oft noch in der Ausbildung befindet, ist
das ein stolzer Preis.
Nicht immer wird diese Anwendergruppe jedoch den vollen Leistungsumfang
solcher Geräte benötigen. Es liegt deshalb nahe, nach Alternativen
Ausschau zu halten. Eine Entscheidung wäre die Möglichkeit,
eine Zusatzbaugruppe für ein Universalmeßgerät aufzubauen, die die zu
messende Frequenz in einen Spannungswert umsetzt.
Bild 1 zeigt die Schaltung des Frequenz/
Spannungs-Wandlers. Das wichtigste Bauteil
dieses Zusatzgerätes ist der Schaltkreis
4151.
Um die Funktion der Baugruppe besser
verstehen zu können, zeigt Bild 2 die Innenschaltung
dieses Schaltkreises. Die Beschreibung
nimmt auf diese Prinzipschaltung
Bezug.
Über einen Spannungsteiler aus zwei gleich
großen Widerständen ist der nichtinvertierende
Eingang des internen Komparators
auf die halbe Betriebsspannung gelegt. Die
Impulse am Eingang der Schaltung werden
durch den Kondensator differenziert. Sobald
der differenzierte Impuls mit seiner
fallenden Flanke die halbe Betriebsspannung
unterschreitet, aktiviert der Ausgang
des Komparators den internen Monoflop.
Seine Zeitkonstante ist durch die Beschaltung
am Pin 5 des 4151 variierbar.
Der Monoflop seinerseits schaltet eine Referenzspannungsquelle
zu. Über Pin 2 ist
eine Variation der Referenzspannung möglich.
Diese bestimmt ihrerseits den Strom,
den eine Konstantstromquelle mit Ausgang
an Pin 1 liefert. Ihre Stromimpulse, die alle
die gleiche Impulslänge haben, laden den
Kondensator am Ausgang der Schaltung
auf.
10k 5,1k
Cein
7
10k 10k
8
6,8k
6
RC/XR
4151
2
5
3 4
1
CPin5
10k
10k
Wegen der großen Zeitkonstante am Ausgang
werden die Impulse integriert. Je
höher die Frequenz am Eingang ist, je
schneller folgen die Konstantstromimpulse
aufeinander. Das führt dazu, daß bei steigender
Frequenz die Spannung am Kondensator
steigt.
Für den linearen Zusammenhang zwischen
Spannung am Ausgang und der Eingangsfrequenz
ist es wichtig, daß zwischen den
Vorschläge für die Kondensatorwerte
Bereich CEin CPin5 CPin1 0 bis 1,0 kHz 22 nF 100 nF 100 µF
0 bis 10 kHz 2,2 nF 10 nF 10 µF
0 bis 100 kHz 200 pF 1 nF 1 µF
einzelnen Monoflop-Impulsen immer noch
Pausen bleiben. Daraus folgt, daß die Zeitkonstante
des Monoflops je nach maximaler
Eingangsfrequenz verändert werden
muß. Der Schaltkreishersteller empfiehlt
dazu die Variation des Kondensators am
Pin 5.
Wie schon erwähnt, wird der Ausgangskondensator
durch Stromimpulse geladen.
Daraus folgt, daß jeder Impuls eine kleine
Spannungserhöhung am Kondensator verursacht.
In der Pause zwischen zwei Impul-
100k
Ca
A
Bild 1:
Stromlaufplan
des Frequenzmessers
Praktische Elektronik
sen entlädt sich der Kondensator geringfügig
über den parallel geschalteten Widerstand.
Dies führt zu einer Welligkeit der
Ausgangsspannung. Wenn man mit einem
Digitalvoltmeter am Ausgang mißt, wird
durch diese Spannungsschwankung eine
unruhige Anzeige verursacht. Gehen wir
von einer zulässigen Schwankung der Anzeigespannung
von einem Millivolt aus, so
ist auch der Integrationskondensator am
Ausgang dem zu messenden Frequenzbereich
anzupassen.
Das dritte Bauelement ist der Eingangskondensator,
der abhängig vom Frequenzbereich
anzupassen ist. Er soll die zu messenden
Impulse differenzieren. Das heißt, die
Zeitkonstante, die er zusammen mit den
Widerständen am Eingang bildet, muß klein
gegenüber der Periodendauer der Eingangsfrequenz
sein. Für die Dimensionierung
sind in der Tabelle Vorschläge gemacht.
Höhere Frequenzen als etwa 100 kHz kann
der 4151 nur noch eingeschränkt verarbeiten.
Aus diesem Grund sind auch keine
weiteren Werte angegeben.
Durch eine weitere Vergrößerung der Kapazität
an Pin 1 läßt sich eine „ruhigere“
Anzeige erreichen. Man muß dabei allerdings
beachten, daß sich die Einstellzeit für
einen Wert ebenfalls erhöht.
Zum Abgleich wird eine bekannte Frequenz
von etwa 5 V ss an den Eingang der Schaltung
gegeben. Günstig ist ein Tastverhältnis
von etwa 1:1. Mit dem Einstellregler am
Pin 2 wird jetzt im oberen „Frequenzdrittel“
die Anzeige in Übereinstimmung mit der
Referenzfrequenz gebracht. Damit ist der
Abgleich der Schaltung beendet.
An dieser Stelle sei aber auch gleich darauf
hingewiesen, daß zu einem komfortablen
Frequenzanzeiger eine gute Triggerstufe
und eventuell Vorteiler gehören. Insbesondere
die Erstgenannte sollte so ausgelegt
werden, daß eine ausreichende Spannungsfestigkeit
gegeben ist. Schaltungen dazu sind
in der Literatur ausreichend beschrieben.
Literatur
Bild 2:
Innenschaltung
der IS 4151
[1] Linear Integrated Circuits, Firmenschrift Raytheon
Semiconductor Devision 1984
1
2
3
4
schaltbare
Stromquelle
schaltbare
Spannungsquelle
Monoflop
Spannungsreferenz
+
-
8
7
6
5
FA 3/95 • 269