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TickyFMeas Frequenzmessung mit Soundkarte und Mikrocontroller



1.1 Vorwort

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)

1.2 Historie

  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.

2 Einführung

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
Abbildung 1 - Messprinzip Frequenzmessung

Low Frequency Input:

  • Dieser Eingang wird zum direkten Anlegen des Messsignals verwendet.
  • Die Höhe der maximal verarbeitbaren Frequenz beträgt je nach Soundkarte etwa 21 kHz.
  • Selbst für hochwertige Soundkarten ist diese Begrenzung derzeit gegeben, da das Programm "TickyFMeas" derzeit die Abtastrate auf 44.1kHz festlegt.
  • Des weiteren ist die untere Grenzfrequenz ebenfalls begrenzt .
  • Zum einen durch den Koppelkondensator der Soundkarte
  • zum anderen durch den Messalgorithmus.
  • Siehe auch --> Kapitel 4.2
  • High Frequency Input / Predivider

  • Dieser Eingang repräsentiert die Benutzung einen Predividers.
  • Der Predivider ist eine zusätzliche externe Schaltung, welche den Messbereich hin zu en Frequenzen erweitert .
  • Die Frequenz des Eingangssignals wird um einen bestimmten Faktor heruntergeteilt und dann als Rechtecksignal wieder ausgegeben. Das in der Frequenz reduzierte Signal wird der Soundkarte zugeführt.
  • Im --> Kapitel 3.2 wird ein einfacher Predivider vorgestellt, welcher auf der Benutzung einen Mikrocontrollers beruht.
  • Computer:

  • Für die grafische Oberfläche und die Signalverarbeitungsalgorithmen ist ein Computer mit Soundkarte (Stereo oder Mono) erforderlich.
  • Die grafische Oberfläche ist mit den Signalverarbeitungsalgorithmen im Programm "TickyFMeas" vereint.
    Siehe --> Programm TickyFMeas
  • Die Signalverarbeitung "Frequency Estimation" (Frequenzschätzung) schätzt die Frequenz des Eingangssignals
  • 3 Hardware und Verschaltung

    3.1 Anschluss der Soundkarte:

    Die folgende Abbildung illustriert den Anschluss sowie die Verschaltung mit dem optionalen Predivider.

    Abbildung 2 -  Verschaltung der Soundkarte zur LC-Messung
    Abbildung 2 - Verschaltung der Soundkarte zur LC-Messung

    Achtung !!
    Vorsicht ist geboten, damit die Soundkarte nicht beschädigt wird.

  • Die Spannung direkt am Eingang der Soundkarte sollte +- 1V nicht überschreiten !!
  • Also, niemals irgendeinen Anschluss in die Steckdose stecken !!
  • SoundCard In 1/2

  • Im Falle der Benutzung einer Soundkarte mit Stereoeingang sollten die beiden Eingänge miteinander verbunden werden.
  • Schutzdioden D1 / D2

  • Die beiden Dioden D1 und D2 dienen im Zusammenhang mit Widerstand R1 dem Schutz der Soundkarteneingänge.
  • Vorteilhaft für den Schutzmechanismus ist die Verwendung schneller Dioden.
  • Schutzwiderstand R1

  • Der Widerstand R1 sollte nicht zu groß sein, da er mit dem Eingangswiderstand der Soundkarte (abhängig vom Typ) einen Spannungsteiler ergibt.
  • Der Widerstand R1 sollte aber auch nicht klein sein, da sonst im Fall unzulässig hoher Eingangsspannung zu große Ströme durch die Dioden fließen.
  • R1 ca. 1 .. 10 kohm
  • 3.2 Predivider

    Überblick:
    Im Prinzip besteht der Predivider aus :

  • Einer analogen Verstärkerschaltung zur Verstärkung des analogen Eingangssignals.
  • Einem so genannten "Schmitt-Trigger" zur Umwandlung in ein rechteckförmiges digitales Signal
  • Einem Zähler / Teiler zum herunterteilen der Frequenz.
  • 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
    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:

  • Er verfügt über internen Programmspeicher. Er kann ohne weiteres Zutun das einmal einprogrammierte Programm nach Anlegen der Betriebsspannung abarbeiten.
  • Er verfügt über einen internen Taktgenerator, so dass er sich ohne weiteres Zutun seinen eigenen Takt, in diesem Fall ca. 8MHz, erzeugen kann.
  • Er ist einfach zu programmieren.
  • In diesem Fall in Assembler, da es sich um zeitkritische Vorgänge handelt.
  • Die Entwicklungsumgebung ist kostenfrei verfügbar.
  • Der Chip ist im "guten alten" DIL-Gehäuse verfügbar.
  • Der Chip selbst kostet nur 2-3 Euro !
  • Die folgende Abbildung zeigt den praktischen Aufbau der Schaltung

    Abbildung 4 -  praktischer Aufbau des Predividers Mit Mikrocontroller
    Abbildung 4 - praktischer Aufbau des Predividers Mit Mikrocontroller

    4 Programm TickyFMeas

    4.1 Überblick

    Das Programm "TickyFMeas" beinhaltet die grafische Oberfläche und die Signalverarbeitungsalgorithmen zur Messung (Schätzung) der Frequenz.

    Die folgende Abbildung zeigt die Grundansicht der Oberfläche im typischen Anwendungsfall.

    Abbildung 5 -  Grundansicht der Oberfläche
    Abbildung 5 - Grundansicht der Oberfläche

    4.2 Eigenschaften

  • Empfindlichkeit:
  • Die notwendige Signalstärke hängt von der Soundkarte und den entsprechenden Einstellungen (Verstärkung, …) ab.
  • Die optimale Aussteuerung kann unter Ausnutzung des "Level-Meters" eingestellt werden.
  • Frequenz Messbereich:
  • Maximale Messfrequenz beträgt 21kHz * Predivider Faktor
  • ohne Predivider folglich 21 kHz.
  • Minimale Messfrequenz
  • für MeasTime = 200 ms : 15 Hz * Predivider Faktor
  • für MeasTime = 500 ms : 7 Hz * Predivider Faktor
  • für MeasTime = 1s : 4 Hz * Predivider Faktor
  • Die genannten Begrenzung sind durch den Messalgorithmus vorgegeben. Es ist zu beachten, dass manche Soundkarten eine relative hohe untere Grenzfrequenz aufweisen, wodurch ggf. die obigen unteren Grenzfrequenzen nicht eingehalten werden können.
  • wählbare MeasTime
  • Average (Mittelung) Funktionalität:
  • zur Verbesserung der Genauigkeit bei schlechten Eingangssignalen können Messwerte gemittelt werden.
  • Predivider Faktor:
  • Zur Erweiterung des Messbereiches kann ein Predivider Faktor gewählt werden.
  • Qualitätsanzeige:
  • Ein "Quality-Meter" gibt Auskunft über die Qualität der Messung.
  • Zusätzliche Tools:
  • Zusätzliche Tools ermöglichen weitergehende Funktionalitäten.
  • Siehe --> TickyFMeas Tools
  • Messgenauigkeit:
  • Die Messgenauigkeit ist maßgeblich von der Frequenzgenauigkeit des Quarzes der Soundkarte abhängig.
  • Typische absolute Genauigkeit der gemessenen Frequenz: +- 0.01% (10ppm)
  • Beachte, die Frequenz des Soundkarten-Quarzes ist temperaturabhängig.
    Bei genauen Messungen macht es Sinn zu warten, bis der Computer seine Betriebstemperatur erreicht hat. (ca. 15 min)
  • Die relative Genauigkeit (Messung der Differenz zweier Frequenzen) ist deutlich höher.
  • 4.3 Bedienung

    4.3.1 Settings:

    Meas Time:

  • Hier kann man zwischen verschiedenen Messzeiten (Beobachtungszeiten) wählen.
  • Range: 200ms, 500ms, 1s
  • Bei längeren Beobachtungszeiten erhöht sich die Messgenauigkeit.
  • Die Messzeit kann nur im inaktiven Betriebszustand verändert werden.
  • Predivider :

  • Einstellung des PreDivider Faktors.
  • Range: 1,2,4,8,16,32,64,128,256
  • Average :

  • zur Verbesserung der Genauigkeit bei schlechten Eingangssignalen können Messwerte gemittelt werden.
  • Range: 1,2,5,10,20,50,100
  • 4.3.2 Action Buttons:

    Start /Stop

  • Zum starten/stoppen der Messung
  • MeasTime kann nur im gestoppten Zustand verändert werden.
  • 4.3.3 Results:

    Die Ausgabe des Messergebnisses erfolgt in der Einheit Hz.

    4.3.4 Weitere Anzeigen:

    Level Meter:

  • Zur Optimierung der Genauigkeit ist es wichtig, dass die Soundkarteneingänge gut ausgesteuert sind.
  • Die "Level-Anzeige" dient der Einstellung einer optimalen Aussteuerung.
  • Am Soundkarteneingang können sowohl der Line-Eingang als auch der Mikrofoneingang benutzt werden.
  • Man kann die Lautstärke für den Soundkartenausgang so einstellen, dass die Levelanzeige im "grünen Bereich" steht.
  • Eine gelbe Levelanzeige signalisiert nichtoptimale Aussteuerung. Die Messergebnisse sind noch immer richtig.
  • Eine rote Levelanzeige signalisiert Über- oder Untersteuerung.
  • Dennoch können die Messergebnisse verwertbar sein. Es ist jedoch zu erwarten, dass sich die Genauigkeit verringert.
  • Eine Aussage über die Genauigkeit der Messung liefert das "Quality-Meter"
  • Quality Meter:

  • Diese Anzeige liefert eine Aussage über die Qualität (Genauigkeit) der Messung.
  • "grün" signalisiert maximale Qualität und damit Genauigkeit
  • "gelb" signalisiert reduzierte Qualität und damit Genauigkeit.
  • Die Stellen hinter dem Komma beginnen zu wackeln.
  • Hier macht es Sinn ggf. die Average-Funktionalität anzuwenden.
  • "rot" signalisiert schlechte Qualität und Genauigkeit.
  • Dennoch, solang der rote Balken eine gewisse Größe aufweißt, sind die Messergebnisse in der Regel noch verwertbar. Siehe --> Abbildung 4
  • Die folgende Abbildung zeigt die Empfindlichkeit anhand der Messung des Netzbrummens (50Hz), bei Anschluss eines einfachen Stückes Draht quasi als Antenne.
    Trotz minimalen Level und geringer Qualität, ist die Netzbrummfrequenz messbar !

    Abbildung 6 -  Messung der Frequenz des Netzbrummens
    Abbildung 6 - Messung der Frequenz des Netzbrummens

    Abbildung 7 -  Messbeispiel mit Predevider
    Abbildung 7 - Messbeispiel mit Predevider

    4.4 TickyFMeas Tools

    4.4.1 Capture Tool:
    noch nicht freigegeben

    4.4.2 Schätzung der Kopplung (Coupling Estimation)

    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

  • bei "offener Primärspule" , welche hier als "Freq1" bezeichnet ist
  • und bei "kurzgeschlossener Primärspule", welche hier als "Freq2" bezeichnet ist
  • den Kopplungsfaktor "k" zwischen Primär- und Sekundärspule zu bestimmen.

    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
    Abbildung 8 - Festlegung der Leerlauffrequenz der Teslaspule

    2. Schritt
    Erregung der Teslaspule bei an den gewünschten Abgriffspunkt "kurzgeschlossener" Primärspule gemäß --> Bestimmung der Resonanzfrequenz von TC's und Freq2 Button betätigen. Als Ergebnis wird der Koppelfaktor "Coupling" angezeigt.

    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
    Abbildung 9 - Festlegung der Kurzschlußfrequenz der Teslaspule

    Schritt 1 und 2 können auch in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt, bzw. beliebig wiederholt werden.




    Weiterführende Links

    http://de.wikipedia.org/wiki/Frequenzmesser
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    http://wwwex.physik.uni-ulm.de/Frequenzmessung
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    http://www.super-design.de/Frequenzmessung und Tonanalyse
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