Bouwpakket: 50 MHz frequentiemeter

(gepubliceerd op 01-08-2022)

Met dit ongeveer € 15,00 kostend bouwpakketje kunt u frequenties meten tot maximaal 50 MHz bij een gevoeligheid van 75 mV. U kunt een middenfrequentie bij het meetresultaat optellen of aftrekken en op die manier de zenderfrequentie van een superhet meten.

Kennismaking met dit 50 MHz frequentiemeter bouwpakket

Fabrikant, leveranciers, prijs
Volgens gegevens op het printje wordt dit bouwpakketje ontwikkeld door 'EZM Electronics Studio'. Soms wordt echter 'ECM Electronics Studio' vermeld. Een eigen website heeft dit bedrijf blijkbaar niet.
Het bouwpakketje blijkt heel populair te zijn en is via minstens een tiental aanbieders te koop via de bekende internet-kanalen zoals Banggood en AliExpress. Wél moet u er rekening mee houden dat er diverse versie in omloop zijn die in detail van elkaar verschillen. Er bestaat bijvoorbeeld een versie waarbij het display uit drie zeven-segment indicatoren bestaat en een andere versie waar slecht één indicator de vijf digits levert. Wij kochten een pakketje met bestelnummer 19.16.521 bij Banggood voor de prijs van € 13,48. Diverse aanbieders bieden het pakket schijnbaar goedkoper aan via AliExpress, maar dan moet u rekenen op vrij hoge verzendingskosten, waardoor het totale bedrag uitkomt op ongeveer € 17,00.

Credits
Zoals wel eens vaker gebeurt bij Chinese bouwpakketjes is de schakeling 'overgenomen' uit een eerder ontwerp. Volgens een van onze lezers gebruikt dit bouwpakket (en vele andere soortgelijke frequentie countertjes van AliExpress/Banggood) de code van Wolfgang 'Wolf' Büscher, DL4YHF in de geprogrammeerde PIC. Het origineel staat op: 
Aanklikbare link ➡ Frequency counter with a PIC and minimum hardware

Wat kan deze 50 MHz frequentiemeter?
Op de eerste plaats, uiteraard, de frequentie meten en weergeven van het signaal dat u op de BNC-ingang aansluit. Het apparaat heeft een gespecificeerde gevoeligheid van 20 mV voor signalen met frequenties tussen 1 Hz en 100 kHz. Bij 50 MHz, de maximaal gegarandeerde te meten frequentie, neemt de gevoeligheid af tot 75 mV. Dat zijn uiteraard zeer goede waarden, maar die zullen wij na de bouw van ons exemplaar uiteraard testen.
Op de tweede plaats kunt u met dit apparaat de frequentie waarop een superhet ontvanger staat afgestemd digitaal zichtbaar maken. Dat vereist wellicht enige toelichting en die krijgt u in het volgende paragraafje.

Meten van de afstemfrequentie van een superheterodyne ontvanger
Analoge radio-uitzendingen in de frequentiegebieden die door het leven gaan als lange, midden en korte golf worden altijd ontvangen met zogenaamde superheterodyne ontvangers. Een superheterodyne radio-ontvanger, kortweg superhet genoemd, is een apparaat waarin het zendersignaal wordt gemengd met een door de lokale oscillator (VFO) gegenereerd sinussignaal. De frequentie van die oscillator kunt u variëren door aan de afstemknop van de ontvanger te draaien. Door dit mengen ontstaan signalen met de som- en de verschilfrequenties van beide signalen. Deze signalen worden aangeboden aan de middenfrequent versterker die een zeer smalle doorlaatband heeft rond een bepaalde middenfrequentie MF.
Een voorbeeldje. De middenfrequentie van een bepaalde superhet is 10,7 MHz. De lokale oscillator staat ingesteld op 100 MHz. Alleen een zender die uitzendt op een draaggolf van 89,3 MHz zal een verschilsignaal genereren met een frequentie van 10,7 MHz. Alle overige zenders wekken andere verschilfrequenties op en worden niet door de middenfrequent versterker versterkt en dus niet ontvangen.
Als u wilt weten wat de frequentie is van een ontvangen zender volstaat het dus de frequentie van de lokale oscillator te meten en daarvan de middenfrequentie af te trekken.
De software van deze 50 MHz frequentiemeter beschikt over de mogelijkheid deze bewerking automatisch uit te voeren, zodat u dit apparaatje kunt gebruiken als digitale indicator van de afstemfrequentie van iedere superheterodyne-ontvanger (binnen het meetbereik van het apparaatje, uiteraard). In het geheugen zijn vijf vaak gebruikte superhet middenfrequenties opgeslagen. Het enige dat u moet doen is de ingang van de meter aansluiten op de uitgang van de lokale oscillator en de offset instellen op de middenfrequentie van de ontvanger.

Het eindresultaat van dit bouwpakket
Op de onderstaande foto ziet u hoe het eindresultaat van dit pakket er uitziet. De frequentiemeter zit op een basisprint van 80 mm bij 63 mm. Op deze print is een tweede printje gemonteerd van 80 mm bij 35 mm. Op dit printje zit alleen het display. Rechtsonder op de basisprint ziet u de BNC-connector waarop u het ingangssignaal aansluit. Links zit de voedingsconnector die u moet aansluiten op een voedingsspanning tussen 7,0 Vdc en 9,0 Vdc. De schakeling heeft maar twee bedieningsknoppen. Links ziet u een AAN/UIT-drukknopje waarmee u de voedingsspanning met de schakeling verbindt. Rechts zit een klein drukknopje PROG waarmee u de meter programmeert. 

Het eindresultaat van dit bouwpakket. (© Banggood)

De specificaties van de 50 MHz frequentiemeter
Volgens de fabrikant voldoet de schakeling aan de onderstaande specificaties:
       - Meetbereik: 1 Hz ~ 50 MHz
       - Resolutie: 4 of 5 digits
       - Ingangsimpedantie: 1,1 MΩ // 10 pF
       - Ingangsgevoeligheid 1 Hz ~ 100 kHz: 20 mV
       - Ingangsgevoeligheid 100 kHz ~ 20 MHz: 35 mV
       - Ingangsgevoeligheid 20 MHz ~ 50 MHz: 75 mV
       - Voedingsspanning: 7,0 Vdc ~ 9,0 Vdc
       - Voedingsstroom: 50 mA
       - Automatische bereik omschakeling: ja
       - Automatische meettijd omschakeling: ja
       - Automatische meetbereik indicatie: ja
       - Automatische power-safe: ja, na 15 seconde
       - Afmetingen: 9,2 cm x 6,3 cm x 2,3 cm
       - Gewicht: 60 g

De geleverde componenten
In de onderstaande foto is de leveringsomvang van dit bouwpakketje voorgesteld. Wat opvalt is dat er één SMD-component wordt meegeleverd, namelijk een LM1117-5V. Dat had ook anders gekund, want deze spanningsstabilisator is ook in de 'ouderwetse' behuizing leverbaar. Voor een bouwpakketje dat duidelijk is bedoeld voor de beginnende hobbyist is het solderen van een SMD misschien iets te hoog gegrepen!

De geleverde componenten. (© 2022 Jos Verstraten)

De hoofdprint
Beide zijden van de hoofdprint zijn voorgesteld in de onderstaande figuur.

Beide zijden van de hoofdprint. (© 2022 Jos Verstraten)

De displayprint
Ook dit printje hebben wij even twee keer onder de scanner gelegd.

Beide zijden van de displayprint. (© 2022 Jos Verstraten)

De handleiding
Bij ons bouwpakketje zat één velletje A4 met aan de ene kant een onderdelenlijst en aan de andere kant de componentenopstelling van beide printen. Geen enkel woord over de bediening van het apparaat en de functie van het drukknopje! Gelukkig valt er hier en daar op het internet wel wat meer informatie te verzamelen over deze schakeling. Om het u gemakkelijk te maken hebben wij die verzameld in één PDF-bestand:
Aanklikbare link ➡ 50MHz_Frequency_counter_Manual.pdf

De elektronica in de 50 MHz frequentiemeter

De voeding
De voeding is uiterst eenvoudig en heeft tot taak de 7,0 Vdc tot 9,0 Vdc die u volgens de gegevens op het printje mag aansluiten te reduceren tot 5 Vdc. Dat gebeurt met een LM1117-5V chip, zie het onderstaande schema.

De voeding van de schakeling. (© 2022 Jos Verstraten)

De ingangsversterker
De ingangsversterker is bij iedere digitale frequentiemeter veruit dé belangrijkste schakeling. Zij bepaalt immers het in de praktijk haalbare frequentiebereik, de gevoeligheid en de ingangsimpedantie. In deze schakeling heeft men voor een heel eenvoudige schakeling gekozen, zie de onderstaande figuur.
Het ingangssignaal wordt via de weerstandsverzwakker R10-R11 aan de gate van de FET Q2 aangeboden. Die weerstanden zijn niet bedoeld voor het verzwakken van het signaal, want dat zou de gevoeligheid immers verminderen. Die zijn wél bedoeld voor het vastleggen van de ingangsimpedantie op een vaste waarde en voor het beveiligen van de schakeling tegen te hoge ingangsspanningen. Als de spanning op de gate groter wordt dan +0,65 V of lager dan -0,65 V gaat een van de diodes D5-D6 geleiden en valt de rest van de ingangsspanning over de weerstand R10. Een eenvoudige, maar effectieve beveiliging van de schakeling! Om de spanningsdeler R10-R11 ook capacitief in balans te brengen heeft men over R10 een kleine condensator C2 aangebracht.
De FET Q2 is geschakeld als sourcevolger. Deze schakeling wordt gekenmerkt door een zeer hoge ingangsweerstand op de gate en een zeer lage uitgangsweerstand op de source. Het signaal op de source wordt capacitief doorgekoppeld naar de tweede trap. Dat is een inverterende eentraps-versterker Q3 met een vrij grote versterking en een instelling via een terugkoppeling van de collector naar de basis. Het signaal wordt afgenomen van de collector van Q3. Omdat 'OUT' naar een ingang van de microcontroller gaat worden er bepaalde eisen gesteld aan de spanning op de collector van Q3. Daar komen wij nog op terug.

De ingangsversterker van de schakeling. (© 2022 Jos Verstraten)

De frequentiemeter rond de microcontroller
In het onderstaande schema is het digitale deel van de meter voorgesteld. Hart van deze schakeling is een PIC16F628A microcontroller (U1). Het ingangssignaal wordt aangeboden op ingang RA4. De uitgangen RB sturen de segmenten van het display, de uitgangen RA de digits. Omdat de PIC16F628A maar zes RA-pennen heeft en die alle zes in gebruik zijn, moest iets verzonnen worden voor het sturen van het vijfde display. Vandaar de schakeling rond Q1, die het vijfde display Dig5 naar de massa schakelt alleen als de vier signalen op RA0, RA1, RA2 en RA3 'H' zijn. De drie dioden sperren dan en de weerstand R9 stuurt transistor Q1 naar geleiding.
De schakeling werkt met een kristal van 20 MHz. Omdat de nauwkeurigheid van de frequentie van dit kristal de nauwkeurigheid van de uitlezing bepaalt is de mogelijkheid ingebouwd om de frequentie van het kristal in beperkte mate bij te regelen. Dat kan met de trimmer C7.

De schakeling rond de microcontroller PIC16F628A. (© 2022 Jos Verstraten)

 

De bouw van de 50 MHz frequentiemeter

Componententekening
Omdat de componententekening in de handleiding nogal vaag is, hebben wij deze grafisch bewerkt tot een duidelijk leesbaar geheel.

Een duidelijke tekening voor de bestukking van de hoofdprint. (© 2022 Jos Verstraten)

De bestukking van de hoofdprint
De handigste soldeervolgorde van de hoofdprint is:

1. Het enige SMD-component, de LM1117-5V.
2. De zes 1N4148 dioden. Let er op dat de diode D6 een andere kathode-positie heeft dan de vijf overige.
3. De 1N5819 diode D7.
4. De vijftien weerstanden. Met R13 is iets raars aan de hand. De geleverde waarde hangt blijkbaar af van de batch waartoe uw bouwpakket hoort. U kunt dus het best eerst alle andere weerstanden solderen en de ene die overblijft is dan deze weerstand. Bij het aan ons geleverde pakket was de waarde gelijk aan 56 kΩ. Bovendien bepaalt de waarde van deze weerstand de spanning op het knooppunt tussen R13, R14 en de collector van Q3. Dit punt is in de bovenstaande tekening aangegeven met 'TP'. De gelijkspanning op dit punt moet ongeveer gelijk zijn aan 2,2 V. Indien dat bij uw exemplaar niet het geval is, moet u de waarde van R13 aanpassen tot dit wél het geval is.
5. De condensatoren C14 en C15, met als waarde 22 pF (code 22).
6. De condensatoren C3 en C5 van 100 nF (code 104)
7. De condensator C2 van 100 pF (code 101)
8. De condensator C1 die op de print een waarde heeft van 100 nF, maar in de handleiding als 470 nF wordt vermeld. Deze waarde wordt bij ons pakket ook geleverd (code 474). Dat is de ingangscondensator, dus hoe hoger de waarde van deze condensator is, hoe lager de meetbare frequentie wordt.
9. Het kristal X1 van 20 MHz. Zorg ervoor dat dit een millimeter boven het oppervlak van de print 'zweeft' zodat de metalen behuizing geen sluiting op de print kan veroorzaken.
10. De condensatortrimmer C7 met een instelbare waarde van 5 pF tot 20 pF, waarmee u de klokfrequentie van de microcontroller iets kunt variëren en daarmee de meter kunt ijken.
11. Het IC-voetje.
12. De drie elco's C4, C6 en C8. Let op de plus en de min!
13. De drukschakelaar.
14. De voedingsconnector, helaas heeft men niet gekozen voor een standaard 5,5 mm x 2,1 mm uitvoering, maar eentje die veel kleiner is (3,5 mm x 1,35 mm) en waarvan het maar de vraag is of u een passend mannetje in huis hebt.
15. De 16-polige printheader.
16. De AAN/UIT-schakelaar.
17. De BNC-connector.
18. De twee messing afstandsbusjes.
    

De volledig gemonteerde hoofdprint. (© 2022 Jos Verstraten)

De bestukking van de displayprint
Op dat printje hoeft u maar twee onderdelen te solderen:

1. De 16-polige printconnector, deze monteert u aan de onderzijde van de print (waar het 'Made in China'-logo staat) met de kortste pennen door de print. U soldeert deze aan de andere zijde vast.
2. Het display. Vreemd genoeg heeft het aan ons geleverd exemplaar één aansluiting minder dan dat er gaatjes zijn in de print. Let uiteraard goed op de positie van de decimale punten! Die moeten aan de onderzijde van het printje staan, zie de onderstaande foto.

De volledig gemonteerde displayprint. (© 2022 Jos Verstraten)

Eindmontage
Het volstaat de displayprint in de hoofdprint te prikken en aan de onderzijde met de twee meegeleverde boutjes vast te schroeven.

De twee printjes op elkaar bevestigd. (© 2022 Jos Verstraten)

Werken met de 50 MHz frequentiemeter

Opstarten
Na het aansluiten van een geschikte voeding met een uitgangsspanning tussen 7,0 Vdc en 9,0 Vdc en het drukken op de AAN/UIT-schakelaar SW2 lichten alle display's even volledig op. Nadien is het apparaat klaar voor het meten van de frequentie van het ingangssignaal.



De diverse bereiken
Het apparaatje heeft acht meetbereiken die automatisch worden gekozen:
       - 0.009 Hz (decimale punt knippert)
       - 0.099 Hz (decimale punt knippert)
       - 0.999 Hz (decimale punt knippert)
       - 9.999 kHz (decimale punt knippert)
       - 99.999 kHz (decimale punt knippert)
       - 999.99 kHz (decimale punt knippert)
       - 9.9999 MHz (decimale punt knippert niet)
       - 99.999 MHz (decimale punt knippert niet)
Om het verschil duidelijk te maken tussen het meten van kHz en het meten van MHz wordt in het eerste geval de decimale punt knipperend aangestuurd. Bij de laagste meetbereiken wordt het meest rechtse display uitgeschakeld. Dat heeft te maken met de gate-tijd die maximaal een seconde bedraagt en waardoor de resolutie in de laagste bereiken slechts 1 Hz bedraagt.

De programmeer drukknop
Na het even drukken op de drukknop 'PROG' (SW1) verschijnt de tekst 'Prog' op het display. Door nu een aantal keren op dit knopje te drukken doorloopt u alle opties van het programma:

• Quit:
  U verlaat de programmeermodus en gaat weer naar het meten van de frequentie.
• NoPSU:
  Met deze optie schakelt u de automatische power-safe in.
• Add:
  Telt de geselecteerde middenfrequentie (lees verder) op bij de meetresultaten.
• Sub:
  Trekt de geselecteerde middenfrequentie af van de meetresultaten.
• Zero:
  De frequentie-offset wordt weer op nul gezet, de meter meet weer de echte frequentie van het ingangssignaal.
• Table:
  U kunt de middenfrequentie selecteren die u bij het meetresultaat wilt optellen of er van aftrekken: 455 kHz ~ 3,999 MHz ~ 4,1943 MHz ~ 4,4336 MHz ~ 10,700 MHz.

Het activeren van de geselecteerde optie
U activeert een optie door op de 'PROG'-knop te drukken tot het display gaat knipperen.

Het programmeren van de offset
Dat gaat vrij eenvoudig.
       1 - Druk op de knop tot ' Prog' verschijnt.
       2 - Druk weer op de knop tot 'Table' verschijnt.
       3 - Druk lang op de knop tot 'Table' gaat knipperen.
       4 - Selecteer nu de offset-frequentie.
       5 - Druk op de knop tot het display gaat knipperen.
       6 - Selecteert 'Add' of ' Sub'.
       7 - Druk weer op de knop tot het display gaat knipperen.
De geselecteerde offset-frequentie wordt nu opgeteld of afgetrokken van de ingangsfrequentie.

Een paar testjes op de 50 MHz frequentiemeter

Onze frequentie-referentie
Om de nauwkeurigheid van een frequentiemeter te testen moet u uiteraard beschikken over een HF-generator die een zeer nauwkeurige frequentie levert. Wij zijn de gelukkige bezitters van een Marconi TF2015 hoogfrequent sinusgenerator met een TF2171 Digital Synchroniser. De TF2171 heeft intern een uiterst stabiele frequentie standaard van 5 MHz en een hoop digitale frequentiedelers, waarmee u de frequentie van de TF2015 door middel van zeven draaischakelaars tot op 100 Hz nauwkeurig kunt instellen. Beide apparaten zitten in een teruggekoppeld systeem dat via een PLL de frequentie regelt die de TF2015 genereert. Op deze manier wordt de nauwkeurigheid en stabiliteit van de frequentie gegarandeerd binnen ±1/10.000.000 parts.

De TF2015/TF2171 combinatie van Marconi. (© 2022 Jos Verstraten)

De nauwkeurigheid
Zelfs zonder aan de trimmer C7 te draaien levert dit bouwpakketje een nauwkeurige uitlezing. Wij testen bij twee frequenties:
       - Instelling op de TF2015 10,0000 MHz: gemeten 10,001 MHz
       - Instelling op de TF2015 50,0000 MHz: gemeten 50,006 MHz
Door het verdraaien van de trimmer (geen metalen schroevendraaier gebruiken!) kon de nauwkeurigheid iets worden opgevoerd:
       - Instelling op de TF2015 10,0000 MHz: gemeten 10,000 MHz
       - Instelling op de TF2015 50,0000 MHz: gemeten 50,003 MHz

Maximaal te meten frequentie
Wij kunnen de meter aansturen met een signaal van maximaal 165,0 mV effectief. Met dit signaal meet ons exemplaar nog keurig tot 79,0000 MHz. Bij 80,0000 MHz op de ingang gaat het mis, de meter meet 79,803 MHz. Bij hogere frequenties laat ons exemplaar het volledig afweten, de gemeten waarden zijn tientallen MHz te laag.

De gevoeligheid
De gevoeligheid is de effectieve sinusspanning die u aan de ingang moet aanbieden om een stabiele en exacte frequentie-aflezing te krijgen. In de onderstaande tabel ziet u de meetresultaten. U ziet dat dit goedkope metertjes best wel aardig presteert! Ons exemplaar doet het beter dan de specificaties beloven.

De gevoeligheid in functie van de frequentie.
(© 2022 Jos Verstraten)

(Banggood sponsor advertentie)
50 MHz frequentiemeter kit