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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Frequenzänderung detektieren


Autor: Gast (Gast)
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Hallo,

ich habe folgendes Problem. Ich habe ein Rechtecksignal mit einer 
Frequenz von 950 kHz. Durch einen äußeren Einfluss fällt die Frequenz ab 
und soll ab einer Frequenz von 910kHz erkannt werden. Meine Frage ist 
nun wie ich das am besten auswerte?
Eine Auswertung mit einem Monoflop fällt aufgrund der geringen 
Periodendauer flach. Ich dachte schonmal an eine PLL und ich nehme die 
Steuerspannung des VCOs als Auswertegröße. Hat da jemand Erfahrung, ob 
bei solch einer Frequenzänderung die Steuerspannung eine genügende 
Änderung zum Auswerten aufweist?

Bin über Ratschläge sehr dankbar.

Gruß

Autor: oszi40 (Gast)
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Eine Idee wäre auch Hochpass/Tiefpass nehmen und Amplitude auswerten. Ob 
das jedoch genau genug selektiert wird und temperaturstabil ist? Eher 
nicht.

Genauer wäre z.B. ein Zähler und ein Zeitfenster dazu. Wenn weniger als 
950.000 Imulse pro Sekunde gezählt werden, dann ist was faul.

Autor: Pasendetektor, Typ IV (Gast)
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Die Spannungsdifferenz bei Frequenzänderungen wird durch die Steilheit 
des verwendeten VCO bestimmt und kann dem Datenblatt des Schaltkreises 
entnommen werden (evtl. noch einfache Rechnung).
Die Größenordnung deiner Frequenzänderung läßt locker die Auswertung 
duch einen Komparator zu.
Was für einen Schaltkreis willst du denn benutzen? Ich kenne einen von 
TI (TLC2932), der geht aber erst bei irgendwo über 10 MHz los.

Autor: Phasendetektor, Typ IV (Gast)
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Sorry, sollte mit 4046 und irgendeinem Komparator gehen.

Autor: Gast (Gast)
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Der HEF4046 geht je nach VDD bis 2,7MHz.
Mit dem hab ich vor einiger Zeit auch schonmal was rumgespielt. Da lief 
die ganze Sache aber noch im 300kHz Bereich und ich bekam mit der 
Monoflop Auswertung bessere Ergebnisse.

Was meinst du mit Auswertung mit Komparator?

Mit dem Zähler hatte ich auch schon gedacht, allerdings soll die Sache 
ohne uC gelöst werden.

Autor: Gast (Gast)
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Hab länger für meine Antwort gebraucht. Hat sich überschnitten und 
erledigt mit der Komparatorfrage!

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Gast wrote:
> Hallo,
>
> ich habe folgendes Problem. Ich habe ein Rechtecksignal mit einer
> Frequenz von 950 kHz. Durch einen äußeren Einfluss fällt die Frequenz ab
> und soll ab einer Frequenz von 910kHz erkannt werden. Meine Frage ist
> nun wie ich das am besten auswerte?

Mischer aufbauen und mit F=900kHz abmischen. TP nachschalten, USB 
auswerten. Da Du dies dann im Bereich 10...50kHz hast, kannst Du Dir da 
diverse Verfahren aussuchen.


> Eine Auswertung mit einem Monoflop fällt aufgrund der geringen
> Periodendauer flach.

s.o. Das wäre damit recht einfach.


>  Ich dachte schonmal an eine PLL und ich nehme die
> Steuerspannung des VCOs als Auswertegröße. Hat da jemand Erfahrung, ob
> bei solch einer Frequenzänderung die Steuerspannung eine genügende
> Änderung zum Auswerten aufweist?

Je nach Stabiltät der Schaltung über Zeit und gegen Temperaturänderung: 
Kann frickelig werden.


>
> Bin über Ratschläge sehr dankbar.
>

hth,
Andrew

Autor: Raimund Rabe (corvuscorax)
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Wenn einfach werden soll, sind schon Lösungen genannt worden, wenn's 
genauer werden soll/muss, ist die Lösung von Andrew ganz nett.
Wer mit HF/Mischern/... keine Erfahrung hat, dem könnte ich noch 
folgendes anbieten:
F-to-V (Frequency-to-Voltage) Converter.
Dafür gibt's div. fertige ICs von z.B. Burr-Brown (jetzt Texas 
Instruments), National oder Analog Devices und div. anderen Herstellern. 
Damit könnte man dann auch via Threshold und Komparator den 
Umschaltpunkt (Frequenzunterschreitung) einstellen. 2 ICs und ein paar 
passive Bauteile, das wars eigentlich schon.

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Raimund Rabe wrote:
> Wenn einfach werden soll, sind schon Lösungen genannt worden, wenn's
> genauer werden soll/muss, ist die Lösung von Andrew ganz nett.
> Wer mit HF/Mischern/... keine Erfahrung hat, dem könnte ich noch
> folgendes anbieten:
> F-to-V (Frequency-to-Voltage) Converter.
> Dafür gibt's div. fertige ICs von z.B. Burr-Brown (jetzt Texas
> Instruments), National oder Analog Devices und div. anderen Herstellern.
> Damit könnte man dann auch via Threshold und Komparator den
> Umschaltpunkt (Frequenzunterschreitung) einstellen. 2 ICs und ein paar
> passive Bauteile, das wars eigentlich schon.

Schau Dir mal die Tempraturdrift der von Dir angegebenen Bausteine und 
den vom TE gewünschten Bereich der Frequenzänderung an.

Autor: Gast (Gast)
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@Andrew: Kannst du mir noch ein, zwei Stichwörter wegen dem Mischer 
nennen. Hab da NULL Erfahrung mit und unter Signalmischer, Signale 
mischen,... finde ich zuviel im Netz.

Autor: Sprachtester (Gast)
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Ich heiße zwar nicht Andrew, aber Andrew würde schreiben: Goggle mal 
nach NE612N ;-)

Autor: Raimund Rabe (corvuscorax)
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@ Andrew:

Wo siehst Du da das Problem?
Ich Hab's praktisch schon gemacht und es geht ganz prächtig.


@ Alle:

950kHz auf 910kHz sind (ganz grob) etwa -4%.

Der VFC110 hat max. 100ppm/°C.
Um überhaupt auf 1% Abweichung zu kommen, müßte man den Chip z.B. um 
100°C heißer machen (etwas utopisch, gelle?). Bleibt man mit den Werten 
auf'm Teppich, d.h. man geht von 20°C bis max. 60°C Betriebstemperatur 
aus, so bleibt der Fehler bei unter 0,4%.

Also alles halb so wild und längst nicht so arg wie's Andrew's Aussage 
möglicherweise vermitteln könnte.

Autor: oszi40 (Gast)
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Wenn Du nur das Datenblatt von Schaltreisen betrachtest wird Deine 
Rechnung evtl. stimmen. Ein falscher TK beim entscheidenden C könnte 
noch einiges verbiegen.

Für mich bleibt sowieso die Frage warum wir großartige 
Kontollschaltungen entwickeln. Besser wäre es doch mit einem geeichten 
Zähler und etwas Wärme/Kälte die Ursache des Weglaufens der 950 kHz 
näher zu untersuchen!

Problem bei der ganzen Geschichte ist nämlich: wenn wir den gleichen 
Fehler 2x machen, werden wir keine Differenz bei gleicher Temperatur 
finden.

Autor: Raimund Rabe (corvuscorax)
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oszi40 wrote:
> Wenn Du nur das Datenblatt von Schaltreisen betrachtest wird Deine
> Rechnung evtl. stimmen. Ein falscher TK beim entscheidenden C könnte
> noch einiges verbiegen.

Na, es ist nicht der C der die Probleme bereitet (ein Polystrene sollte 
es schon sein), sondern eher die R's - insbesondere wenn irgendwo auch 
noch Poties auftauchen sollten.

> Für mich bleibt sowieso die Frage warum wir großartige
> Kontollschaltungen entwickeln. Besser wäre es doch mit einem geeichten
> Zähler und etwas Wärme/Kälte die Ursache des Weglaufens der 950 kHz
> näher zu untersuchen!

Fehler vermeiden ist besser als Fehler detektieren. ;-)

> Problem bei der ganzen Geschichte ist nämlich: wenn wir den gleichen
> Fehler 2x machen, werden wir keine Differenz bei gleicher Temperatur
> finden.

Möglich - aber ist es auch wahrscheinlich?

Autor: Messknecht (Gast)
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> Problem bei der ganzen Geschichte ist nämlich: wenn wir den gleichen
> Fehler 2x machen, werden wir keine Differenz bei gleicher Temperatur
> finden.

Deshalb wird ein Teil immer als temperaturstabile Referenz ausgeführt, 
z.B. wird die Vergleichsfrequenz von einem Quarz abgeleitet.

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Messknecht wrote:
>> Problem bei der ganzen Geschichte ist nämlich: wenn wir den gleichen
>> Fehler 2x machen, werden wir keine Differenz bei gleicher Temperatur
>> finden.
>
> Deshalb wird ein Teil immer als temperaturstabile Referenz ausgeführt,
> z.B. wird die Vergleichsfrequenz von einem Quarz abgeleitet.

Korrekt. Wenn man es sich einfach machen will, nimm man eine preiswerten 
1MHz Quarz, mischt und hat ein verläßliches System.

Raimund Rabe wrote:
> @ Andrew:
>
> Wo siehst Du da das Problem?


Kaum. In dem Frequenzbereich des TE bist Du wenn Du was Verläßliches 
bauen willst mit der F/V Methode gekniffen.
Wie Dir andere schon schreiben: Der Wandler ist nciht allein.

> Ich Hab's praktisch schon gemacht und es geht ganz prächtig.

Das heißt dann Du hast es einmal aufgebaut, es hat den Probelauf 
überstanden und das bezeichnest Du als prächtig.

Ich habe das hier in 2006 auch mit diversen F/V aufgebaut und es als 
wenn sinnig erkannt. Entweder nutzt man sauteuere F/V converter, dann 
hat man eine geringe Chance . Bei bezahlbaren Chips, und in dem 
Frequenzbereich, und langzeitig stabil: Vergiß es.


> Also alles halb so wild und längst nicht so arg wie's Andrew's Aussage
> möglicherweise vermitteln könnte.

Alles ist wesentlich schwieriger als Raimund hier vorgauklen möchte.

Autor: Raimund Rabe (corvuscorax)
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@ Andrew:

Jeder macht so seine eigenen Erfahrungen. Und das ist auch gut so!

Über die Anzahl hatte ich nichts gesagt. Es war übrigens kein 
Einzelstück und alle laufen seit mittlerweile etwa 8 Jahren - bislang 
ohne Probleme.
Es ist ja durchaus möglich, daß es der Eine in den Griff bekommt und der 
Andere eben nicht. Natürlich kann auch ich die Physik nicht überlisten 
und der erste Prototyp hatte tatsächlich seine 'Macken'.

Autor: oszi40 (Gast)
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Dann sollte sich unser Gast erst mal einen Zähler und einen Fön besorgen 
zur Fehlersuche. Wir erwarten dann neue Forschungsergebnisse hier.

Autor: Gasst (Gast)
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Wo liegt eigentlich das Problem?
Ist die Frequenzänderung sehr schnell und muß sehr schnell (<10µs) 
erkannt werden, oder hat die Auswertung Zeit?

Analog ginge das doch mit einem 74HC4046, deren Grenzfrequenz bis über 
20MHz reicht und hinreichend stabil arbeitet.

Wenn wir im µC-Forum wären, würde ich einen Tiny2313 (Taktfrequenz mit 
Quarz) vorschlagen, der mit Timer0 konstante Intervalle (z.B. 1ms) 
erzeugt. Timer1 zählt die eintreffenden Impulse und wird in 
T0-Intervallen ausgelesen.
Ob dann in T1 950 oder 910 steht, läßt sich doch bestens unterscheiden.
Und wenn man in Assembler fit ist, reicht auch ein Tiny13 (o.ä.) für 
diesen Spaß.

Autor: Raimund Rabe (corvuscorax)
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Tja, wenn unser OP nicht im seinem 2-ten Post (absolut war's der 5-te 
Post) gesagt hätte er wolle es ohne µC machen, hätte ich es ihm auch so 
unterbreitet, und man hätte sich hier hitzige Meinungsäußerungen sparen 
können. ;-)

Autor: Gasst (Gast)
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Nur wenn man über den Tellerrand kuckt, sieht man, daß dort auch noch 
etwas zu essen liegt :-)

Autor: Dieter S. (accutron)
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Hallo,

die Mischung könnte man sich ggf. auch ohne diskreten Mischer 
vorstellen. Man muss nur beide Signale (die Referenz und das zu 
beurteilende Signal) über ein UND-Glied schicken und das Ausgangssignal 
einem TP zuführen.


Dieter

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Dieter S. wrote:
> Hallo,
>
> die Mischung könnte man sich ggf. auch ohne diskreten Mischer
> vorstellen. Man muss nur beide Signale (die Referenz und das zu
> beurteilende Signal) über ein UND-Glied schicken und das Ausgangssignal
> einem TP zuführen.
>
>

Genau so.


Andrew

Autor: Gast (Gast)
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Hallo Zusammen,

sorry das ich mich jetzt erst wieder melde. Ist momentan etwas stressig 
und muss gleich auch wieder weg.

Ich danke euch allen für eure Hilfe.

Das mit dem Tellerrand ist richtig, es liegt aber leider nicht in meinem 
Ermessen das zu entscheiden.

Die Lösung mit dem UND Glied finde ich interessant. Hier muss aber dann 
die zu mischende Frequenz unterhalb der niedrigsten (zu erreichenden) 
Frequenz liegen, oder? Es könnte ja sonst einen ziemlichen worst case 
bei Frequenzgleichheit geben.

(Es gehört zwar nicht in den Threat hier, aber wie lange seit ihr schon 
im Job? Ich bin grad in den allerersten Anfängen und merke das ich sehr 
vieles, was ich eigentlich als nicht so wichtig gehalten hab, jetzt doch 
brauche. Gestern ist mir das bei dem Mischer nochmal bewusst geworden. 
Die Prüfung hab ich zwar bestanden, aber das heißt echt garnix)

Vielen Dank nochmal.

Gruß

Autor: Carsten (Gast)
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Hallo,

> die Mischung könnte man sich ggf. auch ohne diskreten Mischer
> vorstellen. Man muss nur beide Signale (die Referenz und das zu
> beurteilende Signal) über ein UND-Glied schicken und das Ausgangssignal
> einem TP zuführen.

Müssen dann die beiden Signale nicht auch noch synchronisiert sein und 
sich in ähnlichen Frequenzbereichen bewegen? Ohne Synchronisierung 
entstehen doch irgendwelche Frequenzen.

Autor: Dieter S. (accutron)
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Nein. Bei Rechtecksignalen entstehen naturgemäß eben auch die 
Differenzfrequenzen der Harmonischen. Das würde bei jeder Mischart 
passieren.

Dieter

Autor: Carsten (Gast)
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Hallo Dieter,

ich habe diese Schaltung aufgebaut, um den Mischer mal auszuprobieren. 
Die feste Frequenz habe ich mit dem ersten Nand erzeugt und die zweite, 
veränderbare mit einem Freuqenzgenerator. Nun hatte ich erwartet, das 
sich die Amplitude von Uout ändern würde, wenn ich die 2. Frequenz 
ändere. Der Gleichanteil von Uout hat sich aber nicht verändert. Je nach 
Frequenz von f2 entsanden unterschiedliche frequenzen.

Autor: Raimund Rabe (corvuscorax)
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Das Ausgangssignal vom Mischer müßte man korrekt filtern um die 
gewünschte heruntergemischte Frequenz detektieren zu können. Hier gilt 
es das RC-Filterglied am Ausgang, bezüglich der Grenzfrequenz, richtig 
zu dimensionieren. Dann sollte auch das funzen.

Versucht man's statt dem UND-Gatter mit 'nem XOR, dann sollte es 
ebenfalls funzen. Nennt sich dann aber Phasen-Komparator und arbeitet 
wie im 4046-PLL-IC (zumindest der "Phase Comparator 1" arbeitet so, der 
"Phase Comparator II" ist geringfügig komplexer aber arbeitet ähnlich. 
Wie's in ihm drin aussieht kann man bei Texas Instruments im Application 
Report SCHA003B "CMOS Phase-Locked-Loop Applications Using the 
CD54/74HC/HCT4046A and CD54/74HC/HCT7046A" vom September 2002 auf Seite 
7 nachschauen (rechte Hälfte des Functional Block Diagrams).
Das was an Uout (bei deinem <Mischer.png>) rauskommt wäre das 
Steuersignal für den VCO (wenn man ihn als geschlossenen PLL-Regelkreis 
betreiben würde). Dieses Steuersignal ist ganz grob gesagt nichts 
anderes als der Unterschied der beiden Frequenzen.

Autor: gast (Gast)
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Jedoch immerhalb eines Regelkreises.

Autor: hypergast (Gast)
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Ich hätte kein UND-Gatter, sondern ein EXOR-Gatter zum Mischen 
verwendet.

Autor: Dieter S. (accutron)
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Hallo,

NAND, AND, EXOR bringen bezüglich Mischung immer dasselbe Resultat. Ich 
erwähnte UND, weil es die reinste Form der Multiplikation zweier 
Einheitssignale bedeutet.

Wenn man Phasenbeziehung sehr dicht beieinanderliegender Frequenzen 
erhalten möchte, ist der TP mit hoher Zeitkonstante zu versehen, wenn 
man aber die Differenzfrequenzen auswerten möchte, muss die 
Zeitkonstante natürlich hinreichend klein sein. In diesem Fall sollen 
ggf. nur die Eingangssignale oder die Summenfrequenzen gedämpft werden, 
je nach Schaltung.

Dieter

Autor: hypergast (Gast)
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Hi Dieter,

Ich verstehe Deinen Einwand, ich halte dennoch das EXOR-Gatter für die 
reine Form: Mischen heisst multiplizieren. Der Sinus wird zum Rechteck, 
dessen Spannung zwischen -1 und +1 liegen muss. Digital wird aus -1 die 
0 und aus +1 die 1. Logiktabelle:

  A    B                      EXNOR  EXOR
-----------------------------------------
  0    0    -1  x  -1  =  +1    1     0
  0    1    -1  x  +1  =  -1    0     1
  1    0    +1  x  -1  =  -1    0     1
  1    1    +1  x  +1  =  +1    1     0

Ob EXNOR oder EXOR spielt tatsächlich keine Rolle und ist reine 
Definitionsfrage.

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Dieter S. wrote:
> Hallo,
>
> NAND, AND, EXOR bringen bezüglich Mischung immer dasselbe Resultat.

Nun, dann neben EXNOR auch noch dazu. Für alle 4 gilt: Als Mischer 
einstellbar; für die gestellte Aufgabe hier.



> Ich
> erwähnte UND, weil es die reinste Form der Multiplikation zweier
> Einheitssignale bedeutet.
>
> Wenn man Phasenbeziehung sehr dicht beieinanderliegender Frequenzen
> erhalten möchte, ist der TP mit hoher Zeitkonstante zu versehen, wenn
> man aber die Differenzfrequenzen auswerten möchte, muss die
> Zeitkonstante natürlich hinreichend klein sein. In diesem Fall sollen
> ggf. nur die Eingangssignale oder die Summenfrequenzen gedämpft werden,
> je nach Schaltung.

Richtig. Da muß man halt ein bißchen hirnen, und nicht die Schaltung nur 
hinkloppen. Im oben skizzierten Fall (950...910kHz, 1 MHz oder 900kHz 
als Festfrequenz) ist das Filtern per Tiefpaß noch relativ einfach 
überschau- und handhabbar.

hth,
Andrew

Autor: Dieter S. (accutron)
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@Hypergast,

Geschmackssache. Man könnte auch 0 = 0 und 1 = 1 nehmen, damit macht das 
UND die formal richtige Multiplikation. Aber ich nehme auch EXOR an, das 
habe ich insgeheim auch schon "angedacht".

Dieter

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