[Frequentiemeter] Waarom condensator op ingang ?

frequentiemeters tellen het aantal perioden in een gegeven tijdseenheid. Het makkelijkst is de perioden te detecteren op de nuldoorgang. Door het AC gedeelte van een signaal te superponeren op een gekend DC niveau (0V of anders), met een condensator dus, is dat klusje zo geklaard.

Stel dat je doorgangen detecteert in je teller door 2.5V in de gaten te houden. Als je nu een signaal extern aansluit dat bestaat uit 10V DC + 1V p-p AC, voor de condensator heb je 9.5V tot 10.5V. Na de condensator heb je 2V-3V. Mooi te detecteren. In geval van een 5V RMS signaal rond de GND, zelfde verhaal.

Dank je voor de uitleg.

Maar hoe zit het dan met de grootte van de condensatoren ? Ik vond diverse schema's voor frequentiemeters op internet, waarbij de waarde voor deze betreffende condensator toch net weer anders was.

Is er ergens informatie op internet hierover op te duikelen ? Het is makkelijk om domweg een schema te kopieeren, maar het is natuurlijk nog beter wanneer ik ook de details ervan begrijp over dit onderdeel (zo leer ik er meer van).

De waarde van een ingangscondensator wordt deels bepaalt door de impedantie van de ingangstrap. Hoe hoger die is, hoe kleiner de C kan zijn.
Daarnaast speelt ook het meetbereik een rol. Als je een frequentiemeter bouwt voor het RF-bereik, zal de ingangstrap er anders uitzien dan bij een frequentiemeter die ook 0.001Hz moet kunnen meten.

Het begint me al iets meer te dagen. Dus, als ik een lage signaalstroom kan verwachten of dat ik in het MHz-bereik wil meten, dan zal ik een condensator in het nF / pF-gebied moeten kiezen.

De reden waarom ik dit vroeg, was omdat ik het volgende schema bedacht had :

[Foto is aanklikbaar]

LET OP : Dit schema is dus nog niet compleet.

Componenten
- Potmeter
- LM311 (spannings-comparator)
- 4017 (10-teller)
- 4021 (par.naar ser. shift-register)
- uC

Toelichting onderdelen
Potmeter & LM311
De potmeter is aangesloten op de LM311. Door deze op de V- van de LM311 aan te sluiten, creeer ik een soort filter tegen te zwakke, storende signalen (ruis).

4017
In het schema heb ik er 2 gebruikt, zodat een 100-deler is gebouwd.
De 2e 4017 is ook aangesloten op een INT-pin van de uC. Deze interupt vindt plaats bij elke 100e puls. Zodoende kan er vrij nauwkeurig gemeten worden.

4021
Na de meting wordt via de 4021'ers de recente stand van de 4017 uitgelezen (ook met behulp van de uC)

Wat ik nog vergeten was, is een digitale switch / relais tussen meetpunt en de LM311 te zetten. Deze is om het externe signaal door te geven / onderbreken (meetperiode)

Condensator
In het schema heb ik nog geen condensator geplaatst. Dit komt omdat ik niet weet welke waarde ik het beste kan kiezen (rood circeltje).
Omdat ik tegen de max-specs van de onderdelen aan wil zitten, denk ik dat ik de 4017 de bottleneck vormt met z'n 2 MHz. Omdat ik tot 10-tallen MHz'en wou gaan, zou ik deze dus nog moeten veranderen.
Maar het gaat me om het principe van het schema en de optimale condensator-waarde.

Ik denk dat LM311 heeft een "open collector" uitgang en dat een weerstand (bijvoorbeeld 1k) tussen pin7 van LM311 en +5V onmisbaar is om met Cmos IC te werken.
Een hoge waarde weerstand tussen signaal ingang en GND is ook onmisbaar.
Met ingangsspanning grotere dan +5V of met negatieve waarde gaat uw LM311 onmiddelijk kapot...
U moet deze ingang beschermen door een weerstand in serie met pin2 van LM311 en diodes.
NB: zonder hysterese (positieve feedback)zal waarschijnlijk deze LM311 veel oscillaties veroorzaken.

[Bericht gewijzigd door Emilien op zaterdag 31 oktober 2009 08:28:04 (11%)]

Het tellen kan veel eenvoudiger. Gebruik een 74HC4040, waarvan je de Q11-uitgang aansluit op een inverter, en diens uitgang op de T1-ingang v/d AVR. Daarmee kan je Timer1 van klokpulsen voorzien. Na 4096 pulsen op de ingang wordt Q11 terug laag, hetgeen resulteert in een klokpuls (opgaande flank) voor Timer1.
Een tel-cyclus kan er dan zo uitzien:

Blokkeer ingangssignaal.
Reset de '4040.
Zet TCNT1 op 0.
Geef het ingangssignaal precies 1 seconde vrij.
Noteer de stand van TCNT1.
Laat de AVR nu klokpulsen aan de '4040 geven, tot TCNT1 met 1 verhoogd is.
Trek het aantal klokpulsen dat daarvoor nodig was af van 4096, en je kent de tellerstand die de '4040 had bij het blokkeren van het ingangssignaal.

Je kan ook de 74HC4060 inzetten, die heeft 2 bits meer. En het feit dat niet alle uitgangen naar buiten uitgevoerd zijn, maakt niets uit. Je hebt enkel Q13 nodig.

Is het niet veel gemakkelijker dit op te lossen (voor het MHz+ gebied) door te werken met een prescaler? Daar zit meestal alle electronica als comparators al ingebouwd.

Prescalers hebben vaak een deeltal van 64 en een uitgang die ttl/cmos compatible is (evt met een pull-up weerstand). Vervolgens kun je hier prima een 4040 mee aansturen, de HCT variant is te klokken tot 80 MHz... daarmee zou je tot dik 5 GHz kunnen tellen, mocht je een prescaler vinden die dat haalt

@Emelien :
Dank voor je uitleg. Ik was inderdaad een paar dingetjes vergeten in het schema. Verder had ik alleen gedacht aan signalen tussen 0 en 5V. Ik had inderdaad niet stil gestaan bij hogere en / of negatieve spanningen. Die hogere spanningen zouden toch afgevangen kunnen worden door een zenerdiode ? Voor de negatieve spanningen kan ik zo 1, 2, 3 geen oplossing vinden. Ook wist ik niet dat een LM311 zo snel defect zou kunnen raken met verkeerde spanningen.

@Pros :
Ik had in eerste instantie ook gedacht aan een binary ripple-counter, ware het niet dat ik er problemen mee verwachtte. Stel ik heb een (voor het gemak) een 8-stage binary ripple counter met de volgende aansluitingen (fantastisch om zelf een IC te verzinnen):

          --------
 bit 1 --| 1   12 |-- Vcc
 bit 2 --| 2   11 |-- CLK (Input)
 bit 3 --| 3   10 |-- MR  (Master Reset)
 bit 4 --| 4    9 |-- bit 8
 bit 5 --| 5    8 |-- bit 7
   GND --| 6    7 |-- bit 6
          --------

En dan hier wat ik op de pinnen verwacht te meten :

            1 2 3 4 5 7 8 9 (Output pin)
            1 2 3 4 5 6 7 8 (bit) 
Waarde
1           1 0 0 0 0 0 0 0
2           0 1 0 0 0 0 0 0
3           1 1 0 0 0 0 0 0
....
128         0 0 0 0 0 0 0 1
129         1 0 0 0 0 0 0 1
130         0 1 0 0 0 0 0 1
...
255         1 1 1 1 1 1 1 1

Stel dat ik pin 9 (bit 8) rechtstreeks verbind met pin 10 (Master Reset) maar ook nog eens verbind met de counter van de uC.
Met een dergelijke schakeling heb ik dan een 128-teller gebouwd. Maar als de MR langzaam reageert op een hoog (5V), dan zal ik een of meerdere te meten pulsen kunnen missen. Reageert de MR razendsnel, dan vraag ik mij af of de counter van de uC nog wel kan meten of pin 9 (bit 8) even hoog (5V) is geweest.
Kortom, juist vanwege deze onduidelijkheden had ik besloten om voor de "10-teller"-oplossing te gaan.

Dat van het doortellen had ik totaal niet aan gedacht. Ik vind het een hele eenvoudige maar doeltreffende oplossing. Als ik het probleem van de MR en de counter op de uC kan oplossen wil ik graag voor de "binary ripple-counter" kiezen. Zoals ik al had aangegeven, heb ik nu nog het idee dat het een binary criple-counter is. Ik heb hier een 4020 liggen. Da's geen 4040 of een 4060, maar wel aardig identiek.

Echter, ik realiseer me nu -dankzij Emelien- dat ik 1 groot hoofdprobleem heb. Ongeacht welke telwijze (binary ripple counter of 10-teller) ik kies, bij de ingang naar de LM311 gaat het al mis.
Laat ik voorop stellen dat het voor mij alleen interessant is om in het gebied van 0 to +5V te gaan meten.
Hoge spanningspulsen (> +5V) kunnen waarschijnlijk opgevangen worden met een zenerdiode (4V7 of 5V1). Zodra er onder de 0V wordt gedoken, dan zal de LM311 defect raken. (Of is dezelfde zenerdiode ook het toverwoord bij dit probleem ?)

[EDIT : 02-11-2009 - 2:25]
Oh wacht, die ripple-counter, dat is helemaal geen probleem. Die reset zichzelf. Alleen om netjes te starten bij een meting, dien ik de MR even te genereren. Nou, dan is dat probleem opgelost.
Mijn 4020 kan tellen tot bij een 10-tal MHz'en. Nu snap ik ook meteen waarom je voor de 74HC4040 koos : kan tot 90 MHz.

Dan blijft het spanningsprobleem nog staan. Hoe los ik dat op ???
[/EDIT]

Als je enkel en alleen op TTL-niveau wil meten, heb je geen LM311 nodig. Wel een beveiliging tegen te hoge of negatieve spanningen, natuurlijk.

D1 en D2 bieden uiteraard onvoldoende bescherming tegen een ingangsspanning van 230V~

Mijn 4020 kan tellen tot bij een 10-tal MHz'en. Nu snap ik ook meteen waarom je voor de 74HC4040 koos : kan tot 90 MHz.

Daar heb je nogal wat aan met een LM311 die een responsetijd heeft van 200nsec. Boven de Mhz kom je niet

Waarom gooi je trouwens dat AVR prul er niet uit. Met een PIC heb je die delers en shiftregisters niet nodig en kan je tot 50 MHz ?

Hmm,. misschien leg ik niet goed uit wat ik probeer te bereiken.

Als er een sinus-signaal is die varieert tussen -1 en +1V wil ik dat ook graag kunnen tellen. Indien de spanningswissel groter is, bijvoorbeeld 12V (+ 12V en -12V) dan ook.
Maar ik dien de chip (74HCT4040) te beschermen tegen een frequentie met een negatieve ingangsspanning, alsook een te hoge ingangsspanning. Voor de meting maakt het verder niet uit : er hoeft alleen maar de positieve "hobbels" gemeten te worden, om alsnog vrij nauwkeurig de frequentie te meten.

Voorbeeld 1

+5V    .''.      .''.
 0V  -'----'----'---- (etcetera)
-5V         '..'

Maar de +/-5V kan netzogoed in mV's of zelfs +/- 12V zijn. +/-12V is trouwens redelijk om als max. waarde te verwachten, denk ik. Ik denk namelijk dat een heel groot scala aan electronica binnen dit gebied opereert)

Maar ook :

Voorbeeld 2

5V
4V  .---.   .---.
3V  |   |   |   |
2V  |   |   |   |
1V  |   '---'   ' (etcetera)
0V -+------------

Door die LM311 in combinatie met de potmeter, dacht ik dat ik de 1V "ruis" van voorbeeld 2 weg te kunnen "filteren". Zou ik dat niet doen, dan blijft het signaal altijd positief en zal de 74HCT4040 blijven steken bij een geturfde frequentie van "1 Hz".

Wat ik dus eigenlijk wil bereiken is dat ik bij diverse spanningen kan meten. Misschien kan ik beter zeggen : ik wil er ondermeer XTallen mee kunnen controleren (wat op 5V nivo zou werken, volgens mij). Maar ook outputs van uC's, logische IC's, maar ik zie ook frequentietellers die voorzien zijn van een antenne om frequenties op te pikken. Ik vermoed dat het dan juist om mV's gaat (eerlijk is eerlijk, ik ontbeer de ervaring / kennis op dit specifieke gebied van RF).

Vanwege dit brede scale aan mogelijke spanningen, verwachtte ik eigenlijk dat er een condensator wordt gebruikt op de ingang, in combinatie met een snelle transistor...

Als het met een comparator moet, neem dan een sneller type. De MAX961, bv.

Of doe het met een tor, zoals hier:

( Schaamteloos gejat uit http://www.hamradioindia.org/circuits/fcount.php )

U1A mag weg, omdat een 74HC4040 over een Schmitt-trigger CLK-ingang beschikt.

Pros :
Het dan waarschijnlijk om het onderste schema. Maar werkt dit schema alleen voor RF-signalen, of ook voor de tragere signalen met hogere spanningsamplitudes. (Ah, eindelijk het gezochte woord gevonden)

En, ik heb hier nog een BFR92 liggen (5GHz). Mag ik deze gebruiken ter vervanging van de 2N918, of dien ik dan ook nog R2 te veranderen ?

Voor mij is de notering ".1" een beetje onduidelijk. Zijn C2, C3 en C4 nu 100 nF of 100 pF ?

[Bericht gewijzigd door oxurane op dinsdag 3 november 2009 16:19:51 (12%)]

Je kan C1 en C2 wat groter nemen; 1µF bv.
Of je een BRF92 kan gebruiken? Ik denk het wel - test het eens uit op een breadbordje.

Verder kan je de frequentiemeter voorzien van 2 ingangen: een AC-gekoppelde HF-ingang en een DC-gekoppelde ingang op TTL-niveau.

Op 3 november 2009 16:35:40 schreef pros:
Verder kan je de frequentiemeter voorzien van 2 ingangen: een AC-gekoppelde HF-ingang en een DC-gekoppelde ingang op TTL-niveau.

Dat kan volgens mij nog eenvoudiger, door het bij 1 connector te houden, waarbij met een relais geschakeld wordt.
Tsja, het is dus een keuze tussen relais of 2e connector...