Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik FM: Frequenzmodulation genau messen


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von STM Fan (Gast)


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Hallo,

ich stehe vor der Aufgabenstellung, ein frequenzmoduliertes Signal mit 
einem µC zu messen. Dies sollte möglichst hochauflösend passieren.

Gegeben ist ein Signal mit z.B. einer Trägerfrequenz von 100-500kHz, 
0-3.3V, Sinus oder Rechteck, welches sich um wenige +/- kHz ändern kann.

Wenn beispielsweise die Trägerfrequenz 500kHz beträgt und es eine 
Bandbreite von 6kHz hat, würde es sich von 497 bis 503kHz ändern.

500kHz kann ich mit meinen µC nicht wirklich hochauflösend messen, der 
Unterschied zwischen 500kHz und 503kHz beträgt nur ein paar Bit.

Wenn ich dieses Signal per Demodulation so ändern kann, dass dieses in 
eine Gleichspannung von 0-3.3V übersetzt wird, könnte ich dieses mit 
einem 12bit ADC messen.

Da mir 12bit eigentlich noch zu wenig sind, könnte ich einen extern ADC 
verwenden oder dieses Signal wiederum in eine niedrige Frequenz (VCO) 
umwandeln, welche ich z.B. mit 32bit Timer genau messen kann.

Vermutlich wäre der extern ADC die einfachste Möglichkeit. Aber wie 
setze ich die Demodulation am besten um?

Danke für alle Tips! Wenn ich irgendwelche Daten vergessen habe, sagt 
mir was ich nachliefern muss.

von Maxx (Gast)


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Genügend schnelle sample&hold Schaltung per Timer (Frequenz des unteren 
Seitenbands) triggern. Tiefpass dahinter und mit 12+kHz Adc messen. FFt 
drauf.

Stichwort Undersampling.

von Dergute W. (derguteweka)


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Moin,

Was willst du messen - Die Frequenz des Traegers, des 
Modulationssignals, den Frequenzhub, oder was, oder alles?
Was ist ueber das FM Signal bekannt und konstant?
Und warum so genau? 12Bit oder mehr, nur weils der ADC im Datenblatt 
hergibt? Was passiert weiter mit dem/n Messergebnis/sen?

Gruss
WK

von Hirnschaden, H. (Firma: Happy Computing MDK Inc.) (hirnschaden)


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Ainen gudden!

STM Fan schrieb:
> ich stehe vor der Aufgabenstellung

Wenn Du wüßtest wovon Du redest könnte man Dir vielleicht helfen. ?

Dwianea
hirnschaden

von Jens G. (jensig)


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>Wenn ich dieses Signal per Demodulation so ändern kann, dass dieses in
>eine Gleichspannung von 0-3.3V übersetzt wird, könnte ich dieses mit
>einem 12bit ADC messen.

Gleichspannung geben die meisten FM-Demodulatoren aus, wie der gute alte 
Koinzidenzdemodulator. oder aber auch PLL-Demodulatoren.
Oder Du gibst die 500kHz in einen Monoflop mit entspechender 
Zeitverzögerung, so daß man eine PWM erhält, die man dann mit einem C 
glätten kann.

: Bearbeitet durch User
von Hirnschaden, H. (Firma: Happy Computing MDK Inc.) (hirnschaden)


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Ainen gudden!

STM Fan schrieb:
> Wenn ich dieses Signal per Demodulation so ändern kann, dass dieses in
> eine Gleichspannung von 0-3.3V übersetzt wird, könnte ich dieses mit
> einem 12bit ADC messen.

Du weißt ja nichmal was Du messen willst.

Die Informationen in einem FM-Signal stecken nämlich ganz woanders. ?

Dwianea
hirnschaden

von Martin (Gast)


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Wie genau brauchst du die Frequenz denn? Wie schnell ändert sich die 
Frequenz?

von Detlef _. (detlef_a)


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Stimme Maxx zu, da könnte mit 'undersampling' gehen. Wenn Du 500kHz mit 
100ks/s ( vllt. ok für den uC) abtastest siehst du 'Gleichspannung', 
weil du jede 5. Welle an der gleichen Stelle erwischt. 503kHz siehst du 
dann als 3kHz, der Abtaster mischt direkt runter ('direct down 
conversion'). der ADC ist aber kritisch, insbesondere der 'sample/hold' 
Teil.

Geht, aber nicht so schlicht.

Cheers
Detlef

von Martin (Gast)


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STM Fan schrieb:
> Sinus oder Rechteck,

Beachtet die Forderung von  STM Fan

von Detlef _. (detlef_a)


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Martin schrieb:
> STM Fan schrieb:
>> Sinus oder Rechteck,
>
> Beachtet die Forderung von  STM Fan

Die Oberwellen des Rechtecks werden auch mit runtergemischt, das macht 
keinen pinzipiellen Unterschied.

Cheers
Detlef

von Ralph B. (rberres)


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STM Fan schrieb:
> Wenn beispielsweise die Trägerfrequenz 500kHz beträgt und es eine
> Bandbreite von 6kHz hat, würde es sich von 497 bis 503kHz ändern.

Das ist nicht die Bandbreite sondern der Spitzenhub. In dem Fall +-3KHz.

Die Bandbreite bei extrem kleinen Hub errechnet sich (Hub + 
Mod-Frequenz)*2

Mit Hilfe einer Gilbertzelle kann man das als Gleichspannung ausgeben 
lassen, wenn man wenn man die modulierte Trägerfrequenz auf Eingang 1 
gibt und die unmodulierte Trägerfrequenz um 90° phasenverschoben auf den 
Eingang 2 gibt.

So arbeiten auch die ganzen ZF Demodulatoren welche in analoge ZF-ICs 
gebacken sind.

Die Kunst ist es aus dem FM modulierten Träger , welches ja zwischen 
100KHz und 500KHz betragen kann, den reinen Träger mit 90° 
Phasenverschiebung zu gewinnen.

Ralph Berres

von Günter Lenz (Gast)


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Mit was ist Moduliert, Musik Sprache oder mit einem Sinusdauerton?
Wie wäre es mit einem SDR-Empfänger? Das Prinzip ist wie ein
Direktmischempfänger. Das Mischergebnis kommt auf den Audioeingang
eines Computers. Der Rest ist dann Software. Auf dem Bildschirm
wird ein Spektrum abgebildet, an dem man auch die Bandbreite
der Signale sehen kann. Ich selbst habe aber damit weiter
keine Erfahrung, ich habe es nur bei jemand anderen gesehen.

von STM Fan (Gast)


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Trägerfrequenz, sowie Bandbreite sind noch nicht festgelegt (können 
kalibriert werden). Es handelt sich um einen Positionssensor, der analog 
eine Frequenz erzeugt und über eine zweiadrige Leitung ausgibt (GND, 
Signal).

Die Position soll jetzt zurückgerechnet werden. Die Position ändert sich 
relativ langsam.

Evtl. sollen über die selbe Leitung auch auf anderen Frequenzbändern 
Schalterstellungen übertragen werden.

von m.n. (Gast)


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STM Fan schrieb:
> Trägerfrequenz, sowie Bandbreite sind noch nicht festgelegt

Kleiner Tipp: Melde Dich wieder, wenn Du weißt, was Du willst.
Und dann beginne mit den Antworten auf:

Dergute W. schrieb:
> Was willst du messen - Die Frequenz des Traegers, des
> Modulationssignals, den Frequenzhub, oder was, oder alles?
> Was ist ueber das FM Signal bekannt und konstant?

von Guenter W. (Gast)


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Ah, ja, alle Konstanten sind variabel. Alles andere ist ansonsten 
relativ.
Aber genau muss es sein, 12 bit absolute Position (rate ich mal). Mir 
fällt dazu nur der Thread ein, warum das Forum so anfängerfeindlich 
waere. Warum sind eigentlich manche Gäste in ihren Formulierungen so 
forumsfeindlich?

Wenn sich dein Sensor 'sehr langsam' ändert, geht sein Frequenzhub gegen 
'sehr klein'. Du brauchst also zuerst eine Oszillatorschaltung mit 'sehr 
kleinem' Störhub resp. Phasenrauschen. Da kann es passieren, dass ich 
den Sensor durch die Gegend schiebe und du merkst nix davon, weil der 
Nutzhub der Sensor-FM im Störhub untergeht. Geht vielleicht, aber über 
Kostenrahmen schweigt des Gastes Höflichkeit eh erst mal.

Bei sehr kleinem Hub nähert sich ein FM-Spektrum in seiner 
Charakteristik der AM an, siehe Phasenrauschen. Es ist schon sehr 
sportlich, daraus allein eine Richtung der Bewegung des Sensors 
herauszufinden, oder ist das auch egal? Daraus folgt, dass dein 
Demodulator an seinem Umsetzoszillator fast noch hoehere Forderungen 
stellt. Demodulation ist Multiplikation: denk mal drüber nach, was 
Rauschen mit Rauschen multipliziert ergibt.

Ich rate auch mal, dass 'Sinus oder Rechteck' oben sich auf die 
Trägerfrequenz bezieht. Dessen Modulationsfrequenz wäre dann also die 
Ableitung der Sensorbewegung nach der Zeit. Da hast du noch die Aufgabe, 
die Richtung der Sensor-Bewegung unterzubringen.

von HildeK (Gast)


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Dein Problem war ja:
STM Fan schrieb:
> 500kHz kann ich mit meinen µC nicht wirklich hochauflösend messen, der
> Unterschied zwischen 500kHz und 503kHz beträgt nur ein paar Bit.

Wenn die Trägerfrequenz oder zumindest der Bereich für minimale und 
maximale Frequenz für die Messung fest und bekannt ist, kannst du das 
ev. analog heruntermischen auf wenige kHz. Dann ist die Messung mittels 
µC in besserer Auflösung möglich.
Beispiel: 500kHz +/- 3kHz mit z.B. 490kHz oder 510kHz mischen, du 
erhältst dann 10kHz +/-3kHz. Das sollte dann wesentlich leichter und mit 
besserer Auflösung auswertbar sein.
Nur so eine Idee ...

Günter Lenz schrieb:
> Mit was ist Moduliert, Musik Sprache oder mit einem Sinusdauerton?
> Wie wäre es mit einem SDR-Empfänger?

So wie ich das entnehme, liefert der Sensor eben eine Frequenz um eine 
Mittenfrequenz herum. Die Ablage von der Mittenfrequenz wäre ein Maß für 
den Sensorwert und den will er wohl bestimmen.
Ich glaube fast, der Ausdruck "frequenzmoduliertes Signal" ist hier 
missverständlich verwendet worden. Aber der TO könnte das mal aufklären.

von Dergute W. (derguteweka)


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Moin,

STM Fan schrieb:
> Es handelt sich um einen Positionssensor, der analog
> eine Frequenz erzeugt und über eine zweiadrige Leitung ausgibt (GND,
> Signal).

Ein Link mit Infos zu dem Sensor koennte evtl. weiterhelfen.

> Die Position soll jetzt zurückgerechnet werden. Die Position ändert sich
> relativ langsam.

Positionen in km,m,mm? Aenderung in Jahren, Tagen, Sekunden, 
Yoctosekunden?

>
> Evtl. sollen über die selbe Leitung auch auf anderen Frequenzbändern
> Schalterstellungen übertragen werden.

Hört sich erstmal ganz ungut an. Solange obige Parameter noch voellig in 
der Luft haengen...
Apropos: Was ist das denn fuer eine Leitung? Wie lange, welche 
Daempfung, was laufen fuer Leitungen in der Naehe,etc.pp? Kanns sein, 
dass die "Leitung" auch mal irgendwann drahtlos werden soll?

Sieht aus, als braeuchte man erstmal ein Geraet, um Rosinen einzeln aus 
der Nase zu ziehen...

Gruss
WK

von Günter Lenz (Gast)


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HildeK schrieb:
>So wie ich das entnehme, liefert der Sensor eben eine Frequenz um eine
>Mittenfrequenz herum. Die Ablage von der Mittenfrequenz wäre ein Maß für
>den Sensorwert und den will er wohl bestimmen.

Wenn es nur eine langsam schleichende Frequenzänderung ist,
ist doch einfach ein Frequenzzähler bestens geeignet und
genau ist es auch.

von m.n. (Gast)


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Dergute W. schrieb:
> Sieht aus, als braeuchte man erstmal ein Geraet, um Rosinen einzeln aus
> der Nase zu ziehen...

Das funktioniert aber nur bei einem Stutenkerl ;-)

HildeK schrieb:
> Beispiel: 500kHz +/- 3kHz mit z.B. 490kHz oder 510kHz mischen, du
> erhältst dann 10kHz +/-3kHz. Das sollte dann wesentlich leichter und mit
> besserer Auflösung auswertbar sein.

Wenn die Meßrate nicht sehr hoch sein muß, muß man weder schütteln, 
rühren noch mischen. Ein ATtiny2313 schafft 100 Messungen/s bei 5-stell. 
Auflösung direkt ohne Vorteiler: 
http://mino-elektronik.de/fmeter/fmeter.htm
Selbst mit BASCOM gibt's eine schnelle Lösung: 
http://mino-elektronik.de/fmeter/fm_software.htm#bsp12

Ein richtiger STM-Fan kann die Meßrate locker auf >= 1000 Messungen/s 
steigern: Input Capture beim F4xx.
Bislang ist alles aber noch unklar.

von my2ct (Gast)


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Guenter W. schrieb:
> Wenn sich dein Sensor 'sehr langsam' ändert, geht sein Frequenzhub gegen
> 'sehr klein'.

Vielleicht geht es gar nicht um ein frequenzmoduliertes Signal, sondern 
einfach um ein Signal, dessen Frequenz linear (oder zumindest streng 
monoton) von der Position abhängt, i.e. die Information liegt in der 
Abweichung des Signals von der Nennfrequenz.

von Guenter W. (Gast)


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Vor gefühlt 10k Jahren gab es mal eine TV-Sendung 'Heiteres 
Beruferaten'. Ich wünsche mir bald ein Unterforum 'Heiteres 
Schaltungsraten'.

(natürlich mit der Verteilung der Preisgelder in bitcoin)

von Alef el Ahrab (Gast)


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STM Fan schrieb:
> ich stehe vor der Aufgabenstellung, ein frequenzmoduliertes Signal mit
> einem µC zu messen. Dies sollte möglichst hochauflösend passieren.

Dopplerfilter?

von Jens G. (jensig)


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Ralph B. (rberres) schrieb:

>Mit Hilfe einer Gilbertzelle kann man das als Gleichspannung ausgeben
>lassen, wenn man wenn man die modulierte Trägerfrequenz auf Eingang 1
>gibt und die unmodulierte Trägerfrequenz um 90° phasenverschoben auf den
>Eingang 2 gibt.

>So arbeiten auch die ganzen ZF Demodulatoren welche in analoge ZF-ICs
>gebacken sind.

Nö. So arbeiten die nicht (wenn Du FM-ZF Koinzidenz-Demodulatoren 
meinst).
Auf Eingang 1 kommt die modulierte Frequenz, und auf Eingang 2 
ebenfalls, nur eben mit einer durch einen Phasenschieber-LC-Schwingkreis 
je nach Frequenzabweichung verursachten Phasenverschiebung, was dann der 
Gilbertzelle nach RC-Filterung eine entsprechende Ausgangsspannung 
entlockt.

Das was Du beschrieben hast, ist eine simple Mischung zweier Frequenzen.

: Bearbeitet durch User
von Ralph B. (rberres)


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Jens G. schrieb:
> Nö. So arbeiten die nicht (wenn Du FM-ZF Koinzidenz-Demodulatoren
> meinst).

Doch das funktioniert genau so

Jens G. schrieb:
> je nach Frequenzabweichung verursachten Phasenverschiebung, was dann der
> Gilbertzelle nach RC-Filterung eine entsprechende Ausgangsspannung
> entlockt.

Nein die Phasenverschiebung ist gegenüber dem Träger genau 90°

Da ist die FM Ausbeute am größten und die AM Unterdrückung am besten.

Wäre er 0° dann wäre es ein AM-Demodulator.

Das kann man am Zeigerdiagramm der Seitenbänder bei einer Modulation 
beweisen.

Ralph Berres

von Jens G. (jensig)


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Klar ist die (in Ruhelage) um 90° verschoben, aber es ist eben keine 
unmodulierte Trägerfrequenz, sondern immer noch dieselbe FM, nur eben 
durch den Schwingkreis je nach Frequenzauslenkung variabler 
Phasenverschiebung um die 90° herum (sozusagen eine modulierte 
Schwingkreisverstimmung ;-)

: Bearbeitet durch User
von S. R. (svenska)


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Wie wäre es mit der Billigstdemodulation durch Tiefpass (es werde AM) 
und Diode (es werde Basisband)?

von Pandur S. (jetztnicht)


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Das einfachste und wahrscheinlich guenstigste ist einen PLL mitlaufen zu 
lassen und dessen Steuerspannung am VCO zu messen.

von Ralph B. (rberres)


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Jens G. schrieb:
> Klar ist die (in Ruhelage) um 90° verschoben, aber es ist eben keine
> unmodulierte Trägerfrequenz, sondern immer noch dieselbe FM, nur eben
> durch den Schwingkreis je nach Frequenzauslenkung variabler
> Phasenverschiebung um die 90° herum (sozusagen eine modulierte
> Schwingkreisverstimmung ;-)

dann käme als Ausgangsprodukt genau 0 raus

Ralph Berres

von Hirnschaden, H. (Firma: Happy Computing MDK Inc.) (hirnschaden)


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Ainen gudden!

STM Fan schrieb:
> Trägerfrequenz, sowie Bandbreite sind noch nicht festgelegt (können
> kalibriert werden). Es handelt sich um einen Positionssensor, der analog
> eine Frequenz erzeugt und über eine zweiadrige Leitung ausgibt (GND,
> Signal).

Dann mußt Du Dir mal alle Tips durch den Kopf gehen lassen und Butter 
bei die Fische tun.

Du baust ein Experiment mit einer Übertragungsstrecke Deiner Wahl, einer 
Frequenz Deiner Wahl, einem Hub Deiner Wahl und einem Wandler Deiner 
Wahl auf und läßt Dich überraschen. ?

Dwianea
hirnschaden

von Ralph B. (rberres)


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Jens G. schrieb:
> Klar ist die (in Ruhelage) um 90° verschoben, aber es ist eben keine
> unmodulierte Trägerfrequenz, sondern immer noch dieselbe FM, nur eben
> durch den Schwingkreis je nach Frequenzauslenkung variabler
> Phasenverschiebung um die 90° herum (sozusagen eine modulierte
> Schwingkreisverstimmung ;-)

so ich habe mir das ganze noch mal genauer durch den Kopf gehen lassen.

Du hast natürlich in sofern recht, das die Phasenverschiebung am 
Referenzschwingkreis natürlich nicht frequenzunabhängig 90° bleibt. 
Selbst wenn das fm modulierte Signal als Quelle verwendet wird. Die 
Phasenverschiebung ändert sich mit der Frequenz.

Da lag wohl ein Missverständnis vor.

Wenn allerdings bei jeder Frequenz die Phasenverschiebung 90° bliebe 
dann käme tatsächlich immer eine Gleichspannung von Null raus ( NF ) und 
die doppelte Frequenz ( welche ja im Tiefpass eh weggefiltert wird).

Wenn man eine feste Frequenz als Referenz vorgibt, dan hat man auch 
einen PM Demodulator aber mit einer unendlich kleinen Bandbreite.

Genaugenommen müsste man das FM-Signal für den Referenzeingang um eine 
feste Zeit verzögern, welche so bemessen ist das bei der Mittenfrequenz 
eine Phasenverschiebung von 90° entsteht. Revox hat das bei seine Tuner 
A76 so gemacht, in dem sie eine Verzögerungsleitung benutzt haben. Nur 
so ist eine ideal lineare Demodulatorkennlinie zu realisieren, welche 
für einen niedrigen Klirrfaktor anzustreben ist.

Nutzt man ein einfachen Schwingkreis , so ergibt sich eine S-förmige 
Kennlinie, welche man mit einen Bandfilter im Referenzkreis etwas 
verbessern kann.

Der Klirrfaktor ist dann naturgemäß höher,
welches mit der frequenzabhängigen Verzögerungszeit zwischen Signal und 
Refrenzeingang zusammenhängt, da die Gruppenlaufzeit eines simplen 
Schwingkreises als Verzögerungsglied nicht konstant ist.


Auf jeden Fall ist das ganze eine Multiplikation der beiden Signale also 
ein Mischer.

Also möcht ich mich für das Missverständnis entschuldigen.

Ralph Berres

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