Was ist ein Frequenzzähler?
Ein Frequenzzähler ist ein digitales Gerät zur Messung der in elektronischen Schaltungen auftretenden Frequenzen.
Elektrische Signale können durch drei Parameter ausgedrückt werden: Frequenz, Amplitude und Phase. Es ist auch möglich, die Periode durch den Kehrwert der Frequenz zu bestimmen, was die Frequenzmessung zu einem wichtigen Parameter bei der grundlegenden Messung elektrischer Signale macht.
Ein Universalzähler ist ein Zähler, der neben der Frequenzzählung mehrere zusätzliche Funktionen hat, wie z. B. die Messung des Tastverhältnisses, der Impulsanstiegszeit und des Zeitintervalls.
Verwendungszwecke von Frequenzzählern
Frequenzzähler werden wie Amperemeter und Voltmeter als grundlegende Messinstrumente bei der Messung elektrischer Signale verwendet. Obwohl einige Produkte als eigenständige Frequenzzähler erhältlich sind, wurden viele Produkte mit Frequenzzählerfunktionalität als Teil der Funktionalität von Geräten mit vielen Funktionen entwickelt, wie z. B. digitale Multimeter, Oszilloskope und optische Spektrumanalysatoren.
Frequenzzähler zeichnen sich dadurch aus, dass ihr Prinzip sehr einfach ist. Da es möglich ist, sie selbst zu bauen, sind auch Bausätze erhältlich. Bausätze für Frequenzzähler sind von verschiedenen Firmen für Frequenzen von mehreren zehn MHz erhältlich. Der Grund dafür ist, dass sich direkte Frequenzzähler durch ihre unkomplizierte Bedienung auszeichnen.
Einige Multitester sind auch mit einem Bereich ausgestattet, der eine Frequenzmessung ermöglicht. Diese Typen sind besonders nützlich an Orten, an denen keine großen Messgeräte mitgeführt werden können, da sie leicht zu handhaben sind. Sie haben zwar den Vorteil, dass sie einfach zu bedienen sind, doch ihr Nachteil ist, dass sie sich nicht für Anwendungen eignen, bei denen hohe Frequenzen oder eine große Anzahl signifikanter Stellen erforderlich sind.
Die meisten Bausätze sind LSI-basiert, so dass es nicht möglich ist, die gesamte Struktur zu erlernen, aber man kann ein Gefühl dafür bekommen.
Prinzip von Frequenzzählern
Ein Frequenzzähler besteht aus einer Schaltung zur Formung der Wellenform, einem Gatter, einem Quarzoszillator und einer Zählschaltung.
1. Schaltung zur Formung der Wellenform
Das Eingangssignal wird in eine “Impulsfolge” umgewandelt.
2. Quarzoszillator
Erzeugt Impulse mit einer festen Zeitbreite. Er erzeugt ein Zeitfenster (Torzeit) für die Messung der vorgenannten Impulsfolge, und das Zeitfenster dient als Fenster für die Messung der Frequenz.
3. Messschaltung
Die Frequenz des ursprünglichen Signals wird durch Zählen der Anzahl der Impulse im Zeitfenster gemessen. Die Auflösung der Frequenzmessung wird durch die zeitliche Breite des vom Quarzoszillator erzeugten Zeitfensters bestimmt. Die Auflösung ist proportional zum Kehrwert der Zeitbreite des Zeitfensters, d. h. ein Zeitfenster von 1 Sekunde wird in Einheiten von 1 Hz angezeigt, ein Zeitfenster von 0,1 Sekunde wird in Einheiten von 10 Hz angezeigt und so weiter.
Bei einem Frequenzzähler tritt der größte Fehler an dem Punkt auf, an dem die Impulsfolge erzeugt wird, insbesondere wenn das Eingangssignal Rauschen enthält, das dazu führen kann, dass die ansteigende Flanke des Impulses instabil wird oder zusätzliche Impulse erzeugt, die nicht vorhanden sein sollten.
Eine Methode zur Vermeidung von Fehlern besteht darin, wiederholte Messungen durchzuführen und die Rauschkomponenten zu mitteln. Dadurch werden die Fehler, die bei der Erzeugung der Impulsfolge auftreten, reduziert.
Frequenzzähler-Messverfahren
Ein Frequenzzähler ist ein Gerät, das die Frequenz eines Eingangssignals misst und das Ergebnis anzeigt. Es gibt zwei Messmethoden: die direkte Methode, die einfach zu implementieren ist und seit langem verwendet wird, und die reziproke Methode, die teurer ist, aber eine hohe Anzahl signifikanter Ziffern liefern kann.
1. Direkte Methode
Nullpunkt-Kreuz-Messung
Bei der direkten Methode misst der Frequenzzähler, wie oft sich die Frequenz des Eingangssignals im Nullpunkt kreuzt. Handelt es sich bei dem Eingangssignal um eine Sinuskurve, wird gezählt, wie oft sie den Nullpunkt entweder nach unten oder nach oben kreuzt. Der Frequenzzähler nach der direkten Methode hat den Vorteil, dass er einfach und nur mit Hardware realisiert werden kann. Aus diesem Grund wird diese Methode seit langem verwendet, und die Anzahl der Nulldurchgänge pro Sekunde wird als Frequenzmessung angezeigt.
Der Frequenzzähler der direkten Methode zeichnet sich dadurch aus, dass im Gerät ein genauer Referenztakt erzeugt wird und die Anzahl der Nulldurchgänge durch das Öffnen eines Zeitfensters für diese Zeitspanne gemessen wird.
Anzahl der signifikanten Ziffern der Messung
Die Anzahl der signifikanten Stellen in einem Frequenzzähler mit direkter Methode wird durch die Zeitbreite des Zeitfensters und die Eingangsfrequenz bestimmt. Beträgt die Eingangsfrequenz beispielsweise 1 GHz und das Zeitfenster 1 Sekunde, so beträgt der Messwert 1×10^9 und die Anzahl der signifikanten Stellen 10. Bei einer Eingangsfrequenz von 1 kHz beträgt die Anzahl der signifikanten Stellen 4, beide mit einer Auflösung von 1 Hz.
Wird die Zeitfensterbreite vergrößert, erhöht sich die Auflösung, z. B. wenn die Zeitfensterbreite auf 100 s erhöht wird, beträgt die Anzahl der signifikanten Stellen 6 bei 1 kHz und die Auflösung 0,01 Hz. Es ist jedoch unpraktisch, für eine einzige Messung mindestens 100 Sekunden zu benötigen, was die Praktikabilität erheblich einschränkt. Außerdem sollte man sich darüber im Klaren sein, dass die Messungen immer mit einem Quantenfehler von ±1 behaftet sind.
Wenn nur hochfrequente Signale gemessen werden sollen, können Frequenzzähler mit der direkten Methode problemlos verwendet werden, aber um die Genauigkeit mit der direkten Methode zu erhöhen, muss die Zeitfensterbreite vergrößert werden. Der Nachteil ist jedoch, dass sich mit der Vergrößerung der Zeitfensterbreite bei der direkten Methode auch die für jede Messung benötigte Zeit erhöht, was zu einer äußerst geringen Effizienz führt. Unter diesen Umständen sind “reziproke” Frequenzzähler die Alternative.
2. Reziproke Methode
Reziproke Frequenzzähler zählen die Eingangswellenform, wie sie ist, oder teilen sie durch einen internen Referenztakt. Der Vorteil ist, dass eine hohe Anzahl signifikanter Stellen erreicht werden kann, insbesondere bei der Messung niedriger Frequenzen. Die Anzahl der signifikanten Stellen in einem reziproken Frequenzzähler wird durch den internen Referenztakt und die Torzeit bestimmt und wird nicht von der Eingangsfrequenz beeinflusst.
Beträgt der interne Referenztakt beispielsweise 10 MHz und die Torzeit 1 s, so beträgt die Anzahl der signifikanten Stellen sieben; wird derselbe Referenztakt verwendet und die Torzeit beträgt 10 s, so beträgt die Anzahl der signifikanten Stellen acht. Die reziproke Methode ermöglicht zwar eine hohe Anzahl signifikanter Stellen bei Messungen im Niederfrequenzbereich, doch ist die Funktionsweise des Zählers selbst komplex und hat den Nachteil, dass sie teuer ist.