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TickyFMeas Frequenzmessung mit Soundkarte und Mikrocontroller |
Viele Freunde von Elektronikbasteleien, speziell aber im Zusammenhang mit Teslaspulen,
stehen irgendwann vor Aufgabe, die Frequenz eines periodischen Signals zu messen.
Frequenzmessgeräte gibt es im Handel in einer Vielzahl von Qualitätsklassen und ebenso Preisklassen.
Aber für den Hobbyelektroniker zählt oftmals die preisgünstige Lösung
oder es geht darum, sich der Herausforderung des Machbaren zu stellen.
Dieser Artikel behandelt die Frequenzmessung unter Nutzung der Soundkarte
und im weiteren der speziellen Anwendung im Zusammenhang mit Teslaspulen.
Es ist Ziel diese Projektes ein sehr kostengünstiges, sehr einfaches und
trotzdem recht genaues Instrument zur Messung der Frequenz periodischer Signale bereitzustellen.
Basis für dieses Messmittel soll eine Soundkarte,
sowie ein Softwareprogramm mit grafischer Nutzeroberfläche sein.
Eine optionale äußerer Zusatzschaltung soll beispielhaft aufzeigen,
wie der prinzipbedingt eingeschränkte Messbereich der Soundkarte auf einfachste Art und Weise
bis in den Megahertz Bereich erweitert werden kann.
Hardy Scheidig
(Februar 2009)
| Version | Datum | Bemerkung |
| 1.0 | 01.03.09 | Grundversion |
| 1.1 | 31.05.2009 | geringfügige Änderungen |
1.3 Urheberrechtsbestimmung
Der Inhalt dieses Werkes mit allen Texten und Abbildungen ist, soweit nicht anders gekennzeichnet,
das geistige Eigentum von Hardy Scheidig.
Es unterliegt den deutschen und internationalen Urheberrechtsbestimmung.
Alle Rechte vorbehalten.
Überblick:
Mit der im Computer standardmäßig vorhandenen Soundkarte
steht ein recht empfindliches Signalerfassungssystem zur Verfügung.
Das digitalisierte Signal kann unter anderem einem in Software realisierten
Signalverarbeitungsalgorithmus zur Messung der Frequenz zugeführt werden.
Die Messung der Frequenz mittels Soundkarte ist in erster Linie durch die
Bandbreite der Soundkarte eingeschränkt.
Einfache Soundkarten sind in der Lage Frequenzen im Audiofrequenzbereich,
das heißt bis ca. 20 kHz, zu verarbeiten.
Hochwertige Soundkarten hingegen können Frequenzen bis etwa 90 kHz verarbeiten
(vom Programm TickyFMeas derzeit nicht unterstützt).
Möchte man also höhere Frequenzen messen, benötigt man einen so genannten Vorteiler,
welcher die Frequenz um einen bestimmten Teilfaktor reduziert.
Messprinzip:
Die folgende Darstellung illustriert das Messprinzip.
Abbildung 1 - Messprinzip Frequenzmessung
Low Frequency Input:
High Frequency Input / Predivider
Computer:
Siehe --> Programm TickyFMeas
Die folgende Abbildung illustriert den Anschluss sowie die Verschaltung mit dem optionalen Predivider.
Abbildung 2 - Verschaltung der Soundkarte zur LC-Messung
Achtung !!
Vorsicht ist geboten, damit die Soundkarte nicht beschädigt wird.
SoundCard In 1/2
Schutzdioden D1 / D2
Schutzwiderstand R1
Überblick:
Im Prinzip besteht der Predivider aus :
Eine praktische Anwendung des soundkartenbasierende Frequenzmessers ist die Benutzung zur Bestimmung
der Resonanzfrequenz von Teslaspulen.
Für diese spezielle Anwendung ist es notwendig, Frequenzen bis ca. 1MHz zu messen.
Beschränkt man sich auf diesen Messbereich, so ist folgende einfache und sehr kostengünstige Lösung möglich.
Abbildung 3 - Predivider mit Mikrocontroller ATMega88
Funktion:
Der untere Teil der Schaltung gemäß Abbildung 3 dient lediglich der Erzeugung der 5V Betriebsspannung
aus einer entsprechend höheren Spannung, wie z.B 9V aus einer Batterie.
Zur Realisierung der eigentlichen Funktionalität kommt ein Mikrocontroller,
in diesem Fall der ATMega88 zum Einsatz.
Dieser Mikrocontroller verfügt über die notwendigen Ressourcen um in einer "single chip" Lösung
die Funktion des Predividers zu erfüllen.
Als Eingang wird der Analog Comparator Eingang AIN0 verwendet.
Der zweite Comparator Eingang AIN1 wird auf Vcc/2 gelegt.
Das Eingangsnetzwerk R16..R19, C11..C13 ist so ausgelegt,
dass das für Teslaspulen typische Frequenzband( 50kHz..1000kHz ) gut erfasst werden kann
und niedrige Frequenzen, wie z.B. das 50 Hz Netzbrummen gedämpft werden.
Der Mikrocontroller wird im Inneren so programmiert,
dass vom Analog Comparator Block bei steigende Flanken ein Flag gesetzt wird.
Wenn immer das Flag gesetzt ist, wird ein modulo 256 Zähler inkrementiert und
das Flag wieder zurückgesetzt. Die oberen 4 bit des Zählers werden kontinuierlich auf PortC(3..0)
ausgegeben. Damit erzeugt man an PC1 beispielsweise ein Signal mit Teilfaktor 64 und
an PC2 mit Teilfaktor 128.
Die Portausgangssignale PC1 und PC2 (die anderen werden nicht benötigt) durchlaufen
noch einen Spannungsteiler (R4-R14; R5-R15), um einen für Soundkarten geeigneten Pegel zu erzeugen.
An den Ausgängen "Div128_out" und "Div64_out" steht
sodann das frequenzmäßig durch 64 bzw. durch 128 geteilte Signal zur Verfügung.
Im Falle "Div64_out" wird beispielsweise der Frequenzbereich von 50 ... 600 kHz
auf einen Frequenzbereich von 781.25 ... 15625 Hz abgebildet, welcher mit der Soundkarte gut erfassbar ist.
Mikrocontroller:
Der ATMega88 ist für dies Aufgabe sehr gut geeignet.
Dabei wird nur ein geringer Teil seiner Möglichkeiten ausgenutzt.
Von besonderem Vorteil für diese Anwendung sind:
Die folgende Abbildung zeigt den praktischen Aufbau der Schaltung
Abbildung 4 - praktischer Aufbau des Predividers Mit Mikrocontroller
4.1 Überblick
Das Programm "TickyFMeas" beinhaltet die grafische Oberfläche und die Signalverarbeitungsalgorithmen
zur Messung (Schätzung) der Frequenz.
4.3 Bedienung
4.3.1 Settings:
Predivider :
Average :
4.3.2 Action Buttons:
4.3.3 Results:
4.3.4 Weitere Anzeigen:
Quality Meter:
Die folgende Abbildung zeigt die Empfindlichkeit anhand der Messung des Netzbrummens (50Hz),
bei Anschluss eines einfachen Stückes Draht quasi als Antenne.
4.4.1 Capture Tool:
4.4.2 Schätzung der Kopplung (Coupling Estimation)
den Kopplungsfaktor "k" zwischen Primär- und Sekundärspule zu bestimmen.
2. Schritt
Schritt 1 und 2 können auch in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt, bzw. beliebig wiederholt werden. Weiterführende Links
Die folgende Abbildung zeigt die Grundansicht der Oberfläche im typischen Anwendungsfall.
Abbildung 5 - Grundansicht der Oberfläche
Bei genauen Messungen macht es Sinn zu warten,
bis der Computer seine Betriebstemperatur erreicht hat. (ca. 15 min)
Meas Time:
Start /Stop
Die Ausgabe des Messergebnisses erfolgt in der Einheit Hz.
Level Meter:
Trotz minimalen Level und geringer Qualität, ist die Netzbrummfrequenz messbar !
Abbildung 6 - Messung der Frequenz des Netzbrummens
Abbildung 7 - Messbeispiel mit Predevider
noch nicht freigegeben
Überblick :
Unter dem Menüpunkt Tools kann man mittels "Coupling Estimation"
ein Messtool zur Bestimmung des Koppelfaktors zwischen Primär- und Sekundärspule einer Teslaspulenanordnung
aktivieren bzw. deaktivieren.
Es handelt sich hierbei um eine sehr spezielle Anwendung,
deren genauere Zusammenhänge im Dokument -->
Bestimmung der Resonanzfrequenz von TC's
beschrieben sind.
In Kurzform sei hier erwähnt, dass es möglich ist, aus den Resonanzfrequenzen
Messablauf:
1. Schritt
Erregung der Teslaspule bei "offener" Primärspule gemäß -->
Bestimmung der Resonanzfrequenz von TC's
und Freq1 Button betätigen.
Abbildung 8 - Festlegung der Leerlauffrequenz der Teslaspule
Erregung der Teslaspule bei an den gewünschten Abgriffspunkt "kurzgeschlossener" Primärspule
gemäß -->
Bestimmung der Resonanzfrequenz von TC's
und Freq2 Button betätigen.
Beachte, die "Kursschlussfrequenz" ist immer höher als die Leerlauffrequenz.
Anderenfalls ist der Messaufbau falsch und als Koppelfaktor wird "0" angezeigt.
Abbildung 9 - Festlegung der Kurzschlußfrequenz der Teslaspule
http://de.wikipedia.org/wiki/Frequenzmesser.
http://wwwex.physik.uni-ulm.de/Frequenzmessung.
http://www.super-design.de/Frequenzmessung und Tonanalyse.