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Ein Vorverstärker für den Frequenzzähler

Das Projekt Frequenzzähler. Teil 1

Als erstes muss ein ordentlicher Vorverstärker her sodass auch kleine Signale gemessen werden können.

Das Ziel ist Signale mit wenigen mV zählen zu können und das bis weit in den MHz Bereich hinein.

Dazu verwende ich LT-Spice von Linear Technology. Das ist kostenlos und bietet viele Funktionen.
Hier gibt es das Programm zum Download.

Ersteinmal nehmen wir eine AC Kopplung im Eingang, also einen Kondensator mit einigen uF, dann geht es bis in den Hz Bereich runter. Dann einen kleinen Eingangswiderstand zum Schutz der Schaltung gegen Eingangsspannungsspitzen.

Dazu eine NPN Transistor Verstärker Schaltung mit einem kleinen Emitterwiderstand, dann sollte er auch "höhere" Spannungen ab können. Die Basis wird mit mit einem Widerstand zum Kollektor und der Kollector wird mit einem Widerstand zu 5V verbunden. Gute Startwerte sind hier 100 kOhm für den Basiswiderstand und 500 Ohm für den Kollektorwiderstand.

Ich habe hier einen BC546B NPN Transistor verwendet, der entspricht gut dem mitgelieferten Spice Modell des BC547B. Wenn Ihr einen anderen Transistor habt, könnt Ihr den auch einbauen und anpassen. Allerdings sollte er bis weit in den MHz Bereich hinein funktionieren. Beim BC546B ist laut Datenblatt bei fT = 300MHz Schluss (Transitfrequenz > Verstärkung = 1).

Da ich mit der minimalen Eingangsamplitude weit in den mV Bereich hinunter möchte, habe ich die Verstärkerschaltung gleich zweimal hintereinander aufgebaut.

Dahinter wird noch ein TTL Baustein geschaltet um einen sauberen 5V Pegel zu bekommen. Das macht z.B. ein Inverter 7404 oder was auch immer Ihr habt. Ich habe hier einen 74HC244 Treiber genommen. Aufpassen solltet Ihr mit den 74LS Versionen, die haben Anstiegszeiten (von 0 auf 5V) von 22 ns, damit ist bei gut 4 MHz Schluss. Meine 74HC Version ist mit 6ns angegeben, also bis ca 15 MHz. Das reicht mir hier ersteinmal.

Hier der Schaltungsaufbau in LT-Spice.

Schaltungsaufbau

Das Eingangsignal ist ein Sinus mit 0,001 V Amplitude und 1000000 Hz
Über 10 Mikrosekunden wird hier die Transienten Analyse (Zeitbereich) berechent.

Ein Tip: C1 und C2 sind für ca. 10Hz als unterste Grenzfrequenz ausgelegt. Wenn diese Werte verdoppelt werden halbiert sich die untere Grenzfrequenz jedes mal.

Das ergibt folgende Spannungsverläufe für das 1 MHz Eingangssignal mit +-1mV Amplitude

Spannungen

Das rote Signal ist hinter dem ersten Verstärker (V Out1)
Das blaue Signal hinter dem zweiten Verstärker (V Out2)
Dahinter ist ein Spice Standard Inverter geschaltet und gibt das grüne Signal raus (V Out3). Hier nicht durch die 1V Amplitude verwirren lassen, das macht unser 74HC... später besser mit 5V Amplitude.

Nun kann man die Widerstände an den eigenen Transistor entsprechend anpassen und schauen welche minimalen Eingangsspannungen benötigt werden, damit hinten noch ein vernünftiges Rechtecksignal raus kommt.

Mit dieser Schaltung ergibt sich folgende Eingangsempfindlichkeit:
1mV reicht aus für den Bereich 30Hz bis 3MHz. Das ist der Hauptarbeitsbereich.
10V Eingangsamplitude werden auch noch über den Bereich sauber verarbeitet.

Die Grenzen der Schaltung liegen dann hier:
Bei 10 Hz werden ca. 20mV Amplitude benötigt, das nimmt ab bis auf 1mV bei 30Hz.
Über 3MHz nimmt die benötigte Amplitude wieder zu bis 20mV bei 15MHz benötigt werden.

Diese Eckdaten, also 10Hz bis 15MHz, sind für den geplanten Frequenzzähler auf Arduino Basis völlig ausreichend.

Mit ca. 20mA Stromaufnahme liegen wir auch in grünen Bereich und können die Schaltung später vom Arduino Board mit versorgen.

Hier die LT-Spice Verstärker Schaltung zum selbst ausprobieren.

Fragen hierzu werde ich aus Zeitgründen nicht beantworten.
Hilfreiche Links sind: LT-Spice + Getting Started Guide + Erklärungen, BC547 Datenblatt.

Ein Vorverstärker für den Frequenzzähler

letzte Änderung 12.2013