Frequenzzähler

Frequenzzähler
Frequenzzähler (oben) mit vorgeschaltetem Funktionsgenerator (unten)

Ein Frequenzzähler (zutreffender oft auch als Zähl-Frequenzmesser bezeichnet) ist ein elektronisches Messgerät, welches die Frequenz einer Wechselspannung bestimmt, indem es die Anzahl der Schwingungsperioden bzw. Impulse während eines definierten Zeitraumes – der so genannten Torzeit – zählt.

Die Torzeit wird dazu so gewählt, dass der Zählerstand unmittelbar – nur ergänzt um Kommastellung und Einheit – als Messwert anzeigt werden kann. Dieser ist stets ein arithmetischer Mittelwert über die Dauer der Torzeit; Frequenzänderungen während dieser Zeit oder das Vorliegen eines nichtperiodischen Ereignisses werden nicht erkannt.

Häufig haben diese Messgeräte zusätzliche Funktionen wie eine hoch auflösende Zeitmessung. Sie werden dann als Universalzähler bezeichnet.

Wegen des sehr großen Umfangs möglicher Messbereiche und wegen der geringen Fehlergrenzen wird die Frequenzzählung heute der analogen Frequenzmessung vorgezogen. Meistens wird das Ergebnis in der Einheit Hz (Impulse bzw. Perioden pro Sekunde) angezeigt.

Zählschaltung mit Zusatzeinrichtungen, aber ohne Eingangsstufe und Zeitbasis

Ein konventioneller Frequenzzähler besteht aus folgenden Teilen:

  • Eingangsstufe und Trigger: Das zu zählende Signal wird ggf. verstärkt und in eine Abfolge von Rechteckschwingungen umgewandelt. Zähler für sehr hohe Frequenzen (über ca. 100 MHz) besitzen zusätzlich vorgeschaltete schnelle Frequenzteiler (Vorteiler).
  • Torschaltung: Das Rechtecksignal wird in einer UND-Schaltung mit dem Torsignal verknüpft.
  • Zählerkette: Ein digitaler dekadischer Ereigniszähler zählt die Anzahl der Impulse, die von der Torschaltung kommen. Je nach Anforderung an die digitale Auflösung umfasst der Zähler meistens 4 bis 8 Dekaden.
  • Anzeige (Display): Der Zählerstand wird in Ziffernform angezeigt. Meistens besitzt die Anzeige einen Speicher, so dass der vorige Zählerstand so lange angezeigt wird, bis der nächste Messwert ermittelt ist.
  • Zeitbasis: Die Torzeit (umschaltbar in Schritten einer Zehnerpotenz, z. B. 0,01 s, 0,1 s, 1,0 s, 10 s) wird durch einen präzisen Quarzoszillator mit nachfolgendem, umschaltbarem Frequenzteiler erzeugt.
  • Ablaufsteuerung: Durch eine Steuerelektronik werden folgende Aktionen nacheinander durchgeführt: 1. Zählerkette auf null stellen (Reset); 2. Tor für die durch die Zeitbasis bestimmte Dauer öffnen und dann wieder schließen; während dieser Zeit Impulse zählen; 3. Zählerinhalt in den Anzeigespeicher übernehmen.

Je länger die Torzeit ist, desto genauer ist die Messung, desto länger dauert sie aber auch. Sie sollte zur Erzielung einer geringen relativen Quantisierungsabweichung bzw. hohen Auflösung so gewählt werden, dass die führende Ziffer größer null wird, aber nicht überläuft.

Bei langsamen Vorgängen wird vielfach statt der Frequenz deren Periodendauer gemessen und daraus die Frequenz als Kehrwert berechnet. Die Torzeit wird aus einer Anzahl von Perioden der unbekannten Frequenz gebildet. Die Anzahl ist vorzugsweise eine glatte Zehnerpotenz: 1, 10, 100 usw. Gezählt werden die Perioden des präzisen Quarzoszillators, die in die Torzeit passen.

Beispiel: Die Messung einer Frequenz von 50 Hz mit fünfstelliger Anzeige dauert 1000 s. Ein vom Quarzoszillator abgeleiteter Takt mit 1 MHz misst eine einzige 50-Hz-Periode fünfstellig mit einem Zählerstand 20.000 in 20 ms.

Die Fehlergrenze eines Frequenzzählers hängt von der Fehlergrenze der Zeitbasis, vom Fehler der Torschaltung (Schaltzeit), vom Fehler der Triggerschaltung und von der Anzahl der signifikanten Stellen ab. Typisch sind Werte von 10 bis 0,1 ppm. Zur Erhöhung der Genauigkeit kann manchmal eine externe Zeitbasis (hochgenaue Frequenz aus einem DCF77 oder GPS-synchronisierten Oszillator) angeschlossen werden.

Mögliche Fehlmessungen: Bei der Frequenzmessung von Frequenzgemischen (nicht spektralreine Signale, Klänge usw.) kommt es je nach Einstellung der Triggerschaltung zu Verfälschungen des angezeigten Wertes.

Anwendung

Messung der Frequenz von elektrischen Signalen (Netzfrequenz, Niederfrequenz, Hochfrequenz von Oszillatoren und Funksendern). Zusammen mit Sensoren können auch die Frequenzen von mechanischen Schwingungen, Drehzahlen, Zeitspannen oder anderen physikalischen Vorgängen gemessen werden.

Frequenzzähler lassen sich häufig auch als Impuls- bzw. Ereigniszähler betreiben. Das Zähltor ist dann ständig offen und der aktuelle Zählerstand wird angezeigt.

Eine Sonderform des Frequenzzählers ist das elektronische Stimmgerät zum Stimmen von Musikinstrumenten. Diese Geräte besitzen ein eingebautes Mikrofon und rechnen die Frequenz in Tonhöhen um (z. B. Mikrotuner).

Digitale Vielfachmessgeräte (Tisch- und Handgeräte) und digitale Oszilloskope sind häufig mit einem Zählfrequenzmesser ausgerüstet und zeigen die Frequenz einer anliegenden Wechselspannung oder periodischen Impulsfolge mit an.

Siehe auch

Digitale Messtechnik#Zähler

Weblinks

Agilent AN200: "Fundamentals of electronic frequency counters" [1]


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