Meten: TFC-1000L frequentiemeter

(gepubliceerd op 11-03-2023)

De TFC-1000L van Long Wei is met zijn prijs van ongeveer honderd euro een betaalbare frequentie- en periodemeter voor de hobbyist. Een test van dit apparaat mag dus niet ontbreken op dit blog.

Kennismaking met de TFC-1000L van Long Wei

Fabrikant, leveranciers, prijzen
Dit apparaat wordt onder diverse namen door diverse 'fabrikanten' aangeboden. Tóch zult u de typecode TFC-1000L en de fabrikant Long Wei het vaakst aantreffen. Deze frequentiemeter wordt door alle bekende Chinese postorderbedrijven aangeprezen voor prijzen tussen € 92,00 (AliExpress) en € 110,00 (Banggood). Let echter op dat u bij de AliExpress aanbieders vaak extra verzendingskosten moet betalen!

Het meetapparaat TFC-1000L
Met dit apparaat kunt u de frequentie en de periode van wisselspanningen meten en kunt u pulsen tellen. Volgens de specificaties loopt het frequentie meetbereik van 10 Hz tot 1,0 GHz met een gemiddelde gevoeligheid van 20 mVeffectief. Omdat dit grote frequentiebereik niet met één soort ingangsversterker te behappen valt heeft de TFC-1000L twee ingangen, A en B genoemd. Met A meet u tot 100 MHz, met B meet u vanaf 100 MHz. Ingang A is hoogohmig (1 MΩ), ingang B laagohmig (50 Ω).
Het meetresultaat wordt weergegeven op een display dat uit acht ouderwetse zevensegment LED-indicatoren bestaat. De resolutie van de meting is afhankelijk van de meettijd die u selecteert: 1 s, 10 ms of 10 ms.
Volgens de fabrikant wordt de nauwkeurigheid van ±[2 ● 10^-5] per maand gegarandeerd door een temperatuur gestabiliseerde kristaloscillator die individueel in de fabriek is geijkt. Het signaal van deze oscillator staat op de achterzijde van het apparaat ter beschikking. 

De TFC-1000L zit in een volledig metalen behuizing met als afmetingen 230 mm x 200 mm x 75 mm en weegt 2 kg.

Het uiterlijk van de TFC-1000L. (© Banggood)

De achterzijde van de TFC-1000L
Op de achterzijde van de frequentiemeter ziet u linksonder de BNC-connector waarop het 13 MHz signaal van de interne kristaloscillator als rechthoekvormige TTL-puls ter beschikking staat. Rechts zit een zekeringhouder en het uitvoergat voor het geaarde, stevige netsnoer. Bij de zekeringhouder staat de indicatie 'AC 220 V' en dit wekt bij ons het vermoeden op dat dit apparaat al vrij lang op de markt moet zijn.

De achterzijde van het apparaat. (© AliExpress)

Het frontpaneel van de TFC-1000L
Het display is samengesteld uit acht grote zevensegment LED-indicatoren die goed afleesbaar zijn. In het display-kader ziet u links en rechts in totaal vijf groene LED's:

• G:
  Staat voor 'Gate', gaat branden als de meetpoort open is en de meter de perioden van het ingangssignaal telt.
• OF:
  Staat voor 'Overflow', gaat branden als er meer dan 99.999.999 pulsen zijn geteld.
• KHz:
  Gaat branden als de LED-indicatoren de frequentie in kHz weergeven.
• MHz:
  Gaat branden als de LED-indicatoren de frequentie in MHz weergeven.
• US:
  Gaat branden als de LED-indicatoren de periode in μs weergeven.

Rechts ziet u de twee BNC-connectoren waarop u de ingangsspanning moet aansluiten.

De frontplaat van het apparaat. (© Banggood)

De bediening van de TFC-1000L
De meter wordt volledig bediend door het indrukken van een combinatie van veertien forse drukknoppen. De teksten onder de drukknoppen geven de functie weer als de schakelaar is ingedrukt.

• POWER:
  Schakelt de netspanning in of uit. Deze schakelaar zit rechtstreeks in het primaire voedingscircuit van het apparaat.
• DISPLAY HOLD:
  Bevriest de uitlezing op de laatst gemeten waarde.
• DISPLAY REST:
  Reset de uitlezing naar 00.000.000. Is alleen van belang bij het tellen van pulsen.
• GATE TIME:
  Hiermee kunt u een van de drie meettijden selecteren: 1 s, 100 ms of 10 ms. Hoe langer de meettijd, hoe hoger de resolutie van de uitlezing.
• FUNCTION CHECK:
  Alle display's doorlopen continu de telcyclus van 0 tot 9. Wat hierbij opvalt is dat het cijfer 1 wordt voorgesteld door de twee linkse segmenten van de display's en niet door de twee rechtse, zoals gebruikelijk.
• FUNCTION A.TOT:
  Telt het aantal pulsen in het signaal dat op ingang A wordt aangelegd.
• FUNCTION A.PERI:
  Meet de periode in μs van het signaal op ingang A.
• FUNCTION A.FREQ 10MHz:
  Te gebruiken voor laagfrequent signalen die met een hoge ingangsimpedantie moeten worden gemeten via ingang A.
• FUNCTION A.FREQ 100MHz:
  Meet frequenties boven 10 MHz maar onder 100 MHz op ingang A.
• FUNCTION B.FREQ 1 GHz:
  Meet hoogfrequente signalen (meer dan 100 MHz) over een lage impedantie via ingang B.
• FUNCTION A-ATTN:
  Deze knop moet u indrukken als u signalen op A met een amplitude groter dan 300 mV wilt meten.
• FUNCTION L.F.:
  Schakelt een laagdoorlaat filter in met een bandbreedte van 100 kHz voor signalen op ingang A.

De specificaties van de TFC-1000L
Volgens de fabrikant heeft de TFC-1000L de onderstaande specificaties:
       - Frequentiebereik: 10 Hz ~ 1,0 GHz
       - Gevoeligheid: 20 mVeffectief
       - Meetbereik frequentie ingang A, stand 10 MHz: 10 Hz ~ 10 MHz 
       - Meetbereik frequentie ingang A, stand 100 MHz: 10 MHz ~ 100 MHz
       - Ingangsimpedantie ingang A: 1 MΩ  // 35 pF
       - Gevoeligheid ingang A, stand 10 MHz: 20 mVeffectief tot 8 MHz
       - Gevoeligheid ingang A, stand 10 MHz: 30 mVeffectief tot 10 MHz
       - Gevoeligheid ingang A, stand 100 MHz: 20 mVeffectief tot 80 MHz
       - Gevoeligheid ingang A, stand 100 MHz: 30 mVeffectief tot 100 MHz
       - Verzwakking ingang A: x1 ~ x20
       - Laagdoorlaat filter ingang A: 100 kHz, -3 dB
       - Maximale spanning ingang A: 250 V
       - Meetbereik frequentie ingang B: 100 MHz ~ 1 GHz
       - Gevoeligheid ingang B: 20 mVeffectief
       - Ingangsimpedantie ingang B: 50 Ω 
       - Maximale spanning ingang B: 3 V
       - Frequentiebereik periode meting ingang A: 10 Hz ~ 10 MHz
       - Meetbereik periode meting ingang A: 99.999.999 μs
       - Resolutie periode meting ingang A: 10^-7 s ~ 10^-8 s ~ 10^-9 s
       - Frequentiebereik aantal pulsen meting ingang A: 10 Hz ~ 10 MHz
       - Meetbereik aantal pulsen meting ingang A: 99.999.999
       - Poorttijd frequentie meting: 1 s ~ 0,1 s ~ 0,01 s
       - Resolutie frequentie meting: 100 Hz ~ 1 kHz ~ 10 kHz
       - Tijdbasis frequentie: 10 MHz
       - Korte termijn stabiliteit: ±[3 • 10^-9] ppm
       - Lange termijn stabiliteit: ±[2 • 10^-5] ppm
       - Temperatuurscoëfficiënt: ±10^-5 ppm (0 °C ~ 40 °C)
       - Stabilisatieperiode: 20 minuten
       - Voedingsspanning: 220 Vac ±10%
       - Afmetingen: 240 mm x 205 mm x 85 mm
       - Gewicht: 2 kg

De handleiding
Een goed verzorgde Engelstalige handleiding van acht pagina's wordt meegeleverd. Wij hebben deze gescand en op ons account bij archive.org geplaatst:
Aanklikbare link ➡ TFC_1000L_Frequency_Meter_Manual.pdf

De elektronica in de TFC-1000L

Het openen van de behuizing
Na het verwijderen van zes kleine schroefjes kunt u de metalen kap van de behuizing verwijderen. In de onderstaande twee foto's hebben wij de interne elektronica van de TFC-1000L van de voorzijde en de achterzijde gefotografeerd.
Wat onmiddellijk opvalt is dat onze eerdere indruk wordt bevestigd. De TFC-1000L is geen nieuwe-generatie meetapparaat, maar het ontwerp moet al tamelijk bejaard zijn. Op de printplaat treffen wij nog DIL-versies van TTL-IC's en een oeroude microprocessor aan en over het begrip SMD heeft deze meter nog nooit iets vernomen.
Dat is uiteraard geen afbrekende kritiek, want waarom zou zo´n ontwerp met bejaarde onderdelen geen goede frequentiemeter kunnen opleveren? Een eerste oppervlakkige inspectie van het interieur laat zelfs een zeer goede indruk achter. De bedrading is keurig verzorgd, met krimpkous over die solderingen die gevaarlijke spanningen voeren. Alle schroeven en connectoren die eventueel zouden kunnen lostrillen zijn afgewerkt met een laklaag. De twee voorversterkers en de oscillator zijn volledig ingeblikt om het strooien en oppikken van stoorsignalen te vermijden. Keurig! 

De interne elektronica van het apparaat, de achterzijde. (© 2023 Jos Verstraten)

De interne elektronica van het apparaat, de voorzijde. (© 2023 Jos Verstraten)

De interne voeding van de TFC-1000L
Een groot voordeel van het ouderwetse ontwerp van deze frequentiemeter is dat er een traditionele trafo op de achterzijde van de behuizing is bevestigd. Dus geen geschakelde voeding met alle nadelen daarvan, maar een vertrouwde lineaire +5 V voeding! In de onderstaande foto hebben wij dit deel van de basisprint uitvergroot. U herkent een bruggelijkrichter, twee elco's, twee ontkoppelcondensatoren en een 7805 op een koelplaatje.

De +5 V voeding voor de elektronica. (© 2023 Jos Verstraten)

De kristaloscillator
Die zit in een metalen afscherming die op de achterkant van de behuizing is bevestigd. In de bovenzijde zit een gaatje waaronder een trimmercondensator aanwezig is die afregeling van de frequentie mogelijk maakt. De frequentie die dit onderdeel genereert is onduidelijk. In de handleiding staat bij de technische gegevens dat de tijdbasis frequentie gelijk is aan 10 MHz. De kristaloscillator levert echter op de BNC-connector op de achterzijde van de behuizing een TTL-signaal met een frequentie van 13 MHz.
In de handleiding is sprake van een 'high-stabilized crystal oscillator'. Op pagina 8 wordt zelfs het woord 'oven' gebruikt. Wij hebben een thermokoppel op de behuizing van de oscillator geplakt en gemeten of de temperatuur oploopt tot een waarde boven de kamertemperatuur. Dat is niet het geval. Wij hebben dus niet kunnen vaststellen of er inderdaad sprake is van een thermostatische regeling van de kristaltemperatuur. 

De kristaloscillator op de achterzijde van de behuizing.
(© 2023 Jos Verstraten)

Een absolute doodzonde!
Tot nu toe lijkt het apparaat ontworpen volgens alle regels des kunst. Echter, toen wij de voeding wat nauwkeuriger bekeken troffen wij een onvoorstelbare en gevaarlijke slordigheid aan. De linkse drukknop schakelt de netspanning aan en uit. Deze schakelaar is op de onderzijde van de print gemonteerd en een van de pads die met de schakelaarcontacten is verbonden en waar dus 230 V op staat, zit op amper één millimeter van de koelplaat van de 7805, zie de onderstaande foto.
Ook de manier waarop de twee draden die de netspanning aan- en afvoeren op die pads zijn gesoldeerd verdient absoluut geen schoonheidsprijs! Een van de pads zit één millimeter verwijderd van het massa-vlak van de print.
Waarom een ontwerper een dergelijke print layout verzint gaat ons verstand te boven! Gelukkig kan het eerste punt gemakkelijk worden opgelost door het schroefje waarmee de koelplaat op de print zit los te schroeven en dit deel van de koelplaat iets te verbuigen.

230 V pads op de printplaat! (© 2023 Jos Verstraten)

De TFC-1000L van Long Wei getest

Opmerking vooraf
Wij zijn niet in staat alle specificaties van dit apparaat te testen. Wij hebben immers geen apparatuur in huis waarmee wij signalen met een frequentie tot 1 GHz nauwkeurig kunnen genereren of meten. Tóch hopen wij dat u uit de onderstaande tests een idee krijgt over de mogelijkheden en onmogelijkheden van de TFC-1000L.

De stabiliteit van de kristaloscillator
Deze meting wordt uitgevoerd met geopende behuizing. Om deze parameter te testen hebben wij op de afscherming rond de oscillator een thermokoppel geplakt. Vervolgens hebben wij het apparaat laten afkoelen in een kamer die slechts 12 °C warm was. Nadien hebben wij het apparaat verplaatst naar een ruimte die warm was gestookt tot 25 °C. Tijdens het langzaam opwarmen van de TFC-1000L hebben wij de temperatuur op de afscherming en de frequentie van het uitgangssignaal van de oscillator gemeten. De resultaten zijn samengevat in de onderstaande tabel. De frequentie werd gemeten met onze ET3255 multimeter. Deze heeft een nauwkeurigheid voor frequentie metingen van ±[0,005 % + 3]. Over een temperatuurbereik van 13 °C verloopt de frequentie van de oscillator dus slechts 300 Hz of 0,0023 %.

De stabiliteit van de kristaloscillator.
(© 2023 Jos Verstraten)

De stabiliteit van de frequentie meting
Deze meting wordt uitgevoerd met gesloten behuizing. Er wordt een klein gaatje in de achterplaat van de behuizing geboord en het thermokoppel wordt via dit gaatje tot ongeveer in het midden van de behuizing geschoven. Eerst wordt het apparaat, nu echter gesloten, afgekoeld in de kamer waar het 12 °C is. Nadien wordt het apparaat verplaatst naar de kamer waar het 25 °C en wordt een sinussignaal met een stabiele en nauwkeurige frequentie van 20,00000 MHz aan ingang A aangeboden. De resultaten van deze metingen zijn weer samengevat in de onderstaande tabel. Er wordt gemeten met een poorttijd van één seconde, dus met een resolutie van 100 Hz. Omdat het minst significante digit een paar eenheden heen en weer springt wordt telkens het gemiddelde van vijf metingen genoteerd.
De uitgelezen frequentie verloopt dus 500 Hz hetgeen overeen komt met een verloop van 0,0025 %.

De stabiliteit van de frequentie meting.
(© 2023 Jos Verstraten)

De gevoeligheid van ingang A
Bij het testen van de gevoeligheid zijn wij beperkt door het feit dat wij slechts tot 20 MHz de grootte van een sinusspanningen nauwkeurig kunnen instellen. De functie van het apparaat wordt ingesteld op ingang A en met de verzwakker in stand x1. Dat is waarschijnlijk de in de praktijk meest toegepaste functie. Aan de ingang worden sinusoidale spanningen aangeboden met variërende frequentie. Voor iedere frequentie wordt de effectieve waarde genoteerd waarbij een stabiele frequentie-uitlezing op de TFC-1000L ontstaat. Nadien worden de metingen herhaald, maar nu met de verzwakker in stand x20. De resultaten zijn weer samengevat in de onderstaande tabel.

De gevoeligheid van ingang A. (© 2023 Jos Verstraten)

De ingangsimpedantie van ingang A
Bij de specificaties wordt vermeld dat de ingangsimpedantie van die ingang 1 MΩ bedraagt. Dat is het geval in verzwakkerstand x20, maar zeer zeker niet in verzwakkerstand x1. In die stand is de impedantie groot tot ongeveer 300 mV. Bij een hogere ingangsspanning gaat de ingangsimpedantie heel sterk dalen.



Dat wordt mooi geïllustreerd met de onderstaande twee oscillogrammen. U ziet het uitgangssignaal van onze Philips sinusgenerator PM5109S met een uitgangsimpedantie van 50 Ω. De frequentie is ingesteld op 100 kHz, de effectieve waarde op 5 V. Het bovenste oscillogram toont aan dat in de verzwakkerstand x20 het uitgangssignaal van de oscillator niet wordt aangetast door de TFC-1000L. Het onderste oscillogram laat zien wat er overblijft van het signaal van de PM5109S als de verzwakker in de stand x1 wordt geschakeld. De ingangsimpedantie van de TFC-1000L wordt dan zo laag dat er van het over een uitgangsimpedantie van 50 Ω aangeleverde signaal weinig overblijft!
Wij moeten de effectieve waarde van het generatorsignaal reduceren tot 280 mV om weer een mooie sinus op het scherm te zien verschijnen. In de praktijk is het dus verstandig steeds te meten in de verzwakkerstand x20 en alleen om te schakelen naar x1 als het écht noodzakelijk is vanwege de grootte van het gemeten signaal.

Aantasting van de ingangsspanning in de verzwakkerstand x1 (onder).
(© 2023 Jos Verstraten)

De gevoeligheid van ingang B
Omdat wij de effectieve waarde van een signaal tot slechts 20 MHz nauwkeurig kunnen instellen kunnen wij deze parameter alleen bij benadering testen. Wij hebben een HF-sinusgenerator TF2015 van Marconi. Deze levert signalen van 10 MHz tot 520 MHz met een amplitudevlakheid binnen ±2 dB over dit bereik. Wij zetten de generator op 100 MHz en meten met onze oscilloscoop XDS2012A van OWON de effectieve waarde van het uitgangssignaal. De TFC-1000L gaat dit 100 MHz signaal stabiel meten vanaf een effectieve waarde van 32 mV. Nadien verhogen wij de frequentie van de TF2015 tot 520 MHz en hopen dat de generator inderdaad aan zijn specificaties voldoet en dus nu ook 32 mV ±2 dB levert. De TFC-1000L meet de frequentie van dit signaal stabiel en zonder enig probleem.

Het meten van perioden
De TFC-1000L meet de periode van het ingangssignaal in slechts één bereik, namelijk een uitlezing in μs. Als u de poorttijd instelt op één seconde bedraagt de resolutie van deze metingen 1 ns. Uiteraard kan de nauwkeurigheid van die 1 ns en 10 ns digits niet gegarandeerd worden. De toegepaste chip's zijn niet snel genoeg om dergelijke tijden te kunnen meten!
Met onze functiegenerator DG1022 van Rigol kunnen wij zeer nauwkeurig de periode van een puls instellen. Deze periode wordt gemeten met de TFC-1000L. Wij meten met een blokgolf van 1 Vtop-tot-top op ingang A. De meetresultaten zijn samengevat in de onderstaande tabel. Tot een periode van 70 ns wordt nog goed gemeten, bij smallere perioden blijft de uitlezing op 0,068 μs hangen.

De nauwkeurigheid van periode metingen.
(© 2023 Jos Verstraten)

Onze opinie over de TFC-1000L van Long Wei

Deze frequentie- en periodemeter voldoet in grote lijnen aan de door de fabrikant opgestelde specificaties. Op de meetresultaten valt dus weinig aan te merken.
Als wij niet de in het artikel genoemde gevaarlijke slordigheid in het printontwerp hadden ontdekt zou hetzelfde gelden voor de hardware. Het ontwerpen van een print waarbij een pad dat op de netspanning staat maar één millimeter is verwijderd van een massa-plane en een koelplaat is echter absurd en niet goed te praten. Er is ruimte genoeg op de print om dit anders te doen!

(Banggood sponsor advertentie)
TFC-1000L Frequency Meter