Universalzähler

Für mein Elektroniklabor habe ich diesen kleinen Zählfrequenzmesser entwickelt, der durch minimalem Hardwareaufwand und einer großen Bandbreite an Messmöglichkeiten besticht. Die Funktionalität wurde weitestgehend einem ATMEGA 16 übertragen. Lediglich die Eingangssignalverarbeitung wird noch von konventioneller Hardware übernommen. Die Bedienung beschränkt sich auf vier Eingabetasten, die den jeweiligen Menüpunkten in der Anzeige zugeordnet sind. Es stehen zwei Messeingänge zur Verfügung. Der eine ist TTL-kompatibel, dem  anderen ist ein hochohmiger Messverstärker und Impulsformer nachgeordnet. Die Auswahl , welcher Eingang aktiv ist, erfolgt über einen Multiplexer. Die Messungen werden über die internen Timer/Counter des Controllers vorgenommen. Dazu wird das Signal sowohl direkt an den Prozessor geführt als auch über einen 16:1 Vorteiler. Der Mikrocontroller entscheidet selbst, welches Signal er optimal verarbeiten kann. Die Datenausgabe erfolgt über ein Dot-Matrix-Display mit Standardcontroller. Es ist in zwei Zeilen mit je 24 Zeichen organisiert. Alle Ausgaben werden auch an der seriellen Schnittstelle des ATMEGA bereitgestellt. Über eine optionale Erweiterung mit einem  entsprechenden Interface (COM, USB) lässt sich so recht einfach die Datenausgabe auf einem PC realisieren. Hier die Zusammenfassung der technischen Daten:

  • sechs Betriebsarten implementiert:
     
    • Frequenzmessung im Bereich von 1 bis 64 MHz. Über den Vorverstärker-Kanal ist der Frequenzbereich auf 59MHz bei einer Eingangsspannung von 3Vss begrenzt.
    • Periodendauermessung
    • Impulsbreitenmessung für positive Impulse (nur im TTL-Kanal)
    • Impulsbreitenmessung für negative Impulse (nur im TTL-Kanal)
    • Ereignismessungen <99 000 000 Impulse mit START-, STOP- und RESET-Funktion.
    • Timer mit Sekundenzähler im normalen Zeitformat bis 24h mit START-, STOP- und RESET-Funktion
       
  • 2 Messeingänge:
     
    • TTL TTL-kompatibler Eingang mit Schmidttriggerverhalten; für alle Betriebsarten auswählbar.
    • VV   Eingangswiderstand 1MOhm; minimaler Messsignalpegel 80mVss; nicht für Impulsbreitenmessung verwendbar.
       
  • Bedienung mit vier Drucktasten; Funktionszuweisung über untere Displayzeile
     
    • Taste1 (ge): Funktion zurück
    • Taste2 (sw): Funktion vorwärts
    • Taste3 (rt):  ENTER im Hauptmenü, START, STOP, RESET in den Einzelfunktionen
    • Taste4 (bl):  Kanalauswahl im Hauptmenü, QUIT in den Einzelfunktionen
       
  • automatische Bereichswahl
  • serielle Datenausgabe der Messergebnisse
  • optionaler Anschluss für PC-Interface (COM; USB)

Die Frequenzmessung beruht auf der Torzeitsteuerung des Timers 2, der einen Sekundentakt aus dem Quarztakt der Controllersteuerung erzeugt. Während dieser Zeit erfolgt die Impulszählung über die Timer 0 und 1. Je nach anliegender Frequenz wird das Resultat eines Zählers zyklisch zur Anzeige gebracht.
Die Messung der Periodendauer und der Impulsbreiten erfolgt durch flankengesteuerte Interrupts. Sie erzeugen ein Zähltor, innerhalb dessen der Systemtakt gezählt wird. Aus der Anzahl gemessener Takte werden die Impulsbreiten berechnet und zur Anzeige gebracht. Für die Impulsbreitenmessung steht nur der TTL-Eingang zur Verfügung. Im VV-Kanal würde durch die Signalformung /-Triggerung, die auch noch frequenzabhängig ist, ein zu hoher Messfehler entstehen.
Bei der Ereigniszählung werden alle ankommenden Signale in einem offenen Zähltor erfasst und angezeigt.
Die Timer-Betriebsart zählt einen 1s-Takt, der durch Timer 2 erzeugt wird. Das Ergebnis wird im normalen Zeitformat aufbereitet und angezeigt. Die Steuerung der beiden letzten Betriebsarten kann über START-, STOP- und RESET-Funktionen gesteuert werden. Grenzwertüberschreitungen werden angezeigt und führen zum Abbruch der Funktion. Die QUIT-Taste ermöglicht in jedem Fall einen Abbruch der aktuellen Funktion und somit einen Rücksprung in das Hauptmenü.

Hier das Hauptmenü mit den sechs Betriebsarten: Sie können mit den Tasten 1 und 2 zyklisch durchgeklickt werden. Über die ENTER-Taste erfolgt die Auswahl. Mit Taste 4 erfolgt die Selektion des zu verwendenden Eingangs:
 
Frequenzmessung
Periodendauermessung
Impulsbreite positiver Impuls
Impulsbreite negativer Impuls
Ereigniszählung
Timerfunktion

 

Als Beispiel für eine Betriebsartenanzeige soll hier die Timerfunktion näher erläutert werden. Das Messergebnis wird immer in Zeile 1 ausgegeben. In Zeile 2 steht links die Betriebsart und rechts betriebsart- und zustandsspezifische Kommandos, die den darunter liegenden Tastern zugeordnet sind. Mit "Stop" kann der Timer angehalten werden. An dieser Stelle erscheint dann ein "Reset"-Kommando, um die Uhr wieder auf 0 zu stellen. Mit dem daraufhin angezeigten "Start" kann der Timer wieder gestartet werden. Der "Quit"-Befehl bricht die aktuelle Betriebsart sofort ab und verzweigt wieder in das Hauptmenü.

 

Der Aufbau des Zählers erfolgt auf einer 100x160mm großen, doppelseitigen Leiterplatte. Die ist eigentlich viel zu groß, passt aber dafür ideal in das verwendete Halbschalengehäuse. Für die vier Frontplatten-Taster wurde eine separate Leiterplatte angefertigt. Sie wird im  rechten Winkel an die Vorderkante der Hauptleiterplatte gelötet. Dazu wird sie an den Außenseiten zunächst mit Lötpunkten geheftet. Anschließend wird mit dem Lötkolben eine Naht über die gesamte Breite gezogen. Das erfolgt von beiden Seiten, sodass ein T-förmiges Gebilde entsteht. Wichtig ist, dass die vier Leiterzüge der Taster auf beiden Platten miteinander fluchten. Somit entsteht neben einer mechanischen Einheit auch die elektrische Verbindung zwischen beiden Baugruppen. Die Verbindungen zu den BNC-Buchsen werden so kurz wie möglich ausgeführt. Die Leitungen am Display sind direkt angelötet. Am anderen Ende des 10poligen Flachbandkabels erfolgt die Kontaktierung mit der Hauptleiterplatte über einen MICROMATCH-Stecker. Für ein eventuelles PC-Interface ist ebenfalls ein 4poliger MICROMATCH-Stecker vorgesehen. An ihm stehen das TXD-Signal sowie GND und +5V an. Das Display muss individuell in die Frontplatte eingebaut werden. Der Netzschalter wird ebenfalls frei in der Frontplatte angebracht. Die Verbindung von Schalter- und Netzzuleitung erfolgt an den Schraubklemmen KL1 und KL2. Bei der Netzleitung ist auf eine sichere Verbindung und Zugentlastung zu achten.

Innenansicht  

Der Abgleich des Gerätes beschränkt sich auf wenige Handgriffe. Als erstes sollte die Betriebsspannung gemessen und die Bauelemente auf überdurchschnittliche Erwärmung geprüft werden (IC1, Br1). Danach ist an R15 der Display-Kontrast einzustellen. Bleibt nur noch die Einstellung des Arbeitspunktes von T2 mittels R5. Dazu ist ein Sinussignal an VV einzuspeisen. Am  Ausgang des Gatters IC6c (Pin6) sollte ein frequenzgleiches Rechtecksignal erscheinen. R5 ist so zu trimmen, dass dieses Signal bei möglichst hoher Freqenz erhalten bleibt.

Achtung, die Installation von Netzspannungsgeräten darf nur durch Fachleute oder Fachkundige erfolgen!