Das Sieben-Millionen-Zählwerk - Bastelei: Preiswerter 7-MHz-Frequenzzähler
Thomas Mokler und Thomas Peuß
Eine kleine Schaltung und eine pfiffige Software versetzen den ST in die Lage, Frequenzen bis 7 MHz zu messen. Mit verschiedenen Wandlern ergeben sich unzählige Anwendungsgebiete.
Mit dem hier beschriebenen Frequenzzähler können Sie Frequenzen von 0 bis rund 7 MHz messen. Die Pegel des Signals sollten dabei TTL-kompatibel sein.
Mit handelsüblichen Vorverstärkern für Frequenzzähler können Sie fast beliebige Signalpegel und -formen verarbeiten. Einen solchen Vorverstärker gibt es zum Beispiel bei der Firma LC-Electronic als Bausatz (Nummer 34 für 19,50 Mark).
Oft sind solche Vorverstärker gleich mit nachgeschaltetem Frequenzteiler ausgestattet. Dessen Vorteilverhältnis müssen Sie dann unserem Frequenzzählprogramm mitteilen. Ein solcher Vorverstärker wird von Conrad Electronic (Bestellnummer 191361-22 für 74 Mark), LC-Electronic (Nr. 101 für 67,50 Mark) und vielen anderen Firmen angeboten.
Die beschriebenen Vorverstärker erweitern die Meßmöglichkeiten erheblich. Damit können Sie auch Sensoren wie (induktive) Durchflußmengenmesser, Reed-Kontakte oder Lichtschranken zur Drehzahlmessung und dergleichen anschließen. Zur Umrechnung der Meßwerte dient der Menüpunkt zur Relativmessung. Als Relativfrequenz geben Sie die Frequenz ein, die bei der Messung der Basiseinheit, also 1 Liter/s beim Durchflußmengenmesser, 1 km/h oder 1 m/s beim Geschwindigkeitsmesser etc. angezeigt wird. Dadurch eichen Sie das Meßverfahren, und die Anzeige erfolgt direkt in Liter/s, km/h, m/s etc.
Weitere analoge Größen messen Sie mit Hilfe eines astabilen Multivibrators. Das kann im einfachsten Fall ein NE 555 sein, den Sie so beschälten, daß er seine Frequenz je nach Sensorwiderstand ändert. Der Sensor kann ein licht-, druck-, oder temperaturempfindlicher Widerstand sein. Gegenüber der direkten Widerstandsmessung hat dieses Meßverfahren einen entscheidenden Vorteil: Es wandelt den Analogwert direkt am Sensor in eine Frequenz. Diese Frequenz können Sie dann über lange Kabel weiterleiten, da ein digitales Frequenzsignal gegen Leitungswiderstände und Einstreuungen wesentlich unempfindlicher ist als ein analoger Spannungswert.
Weitere Meßmöglichkeiten ergeben sich bei Verwendung eines spannungskontrollierten Oszillators (VCO). Eine solche Schaltung wandelt eine angelegte Spannung in eine entsprechende Frequenz. Dadurch können Sie noch viele andere Meßaufgaben mit diesem Computer-Frequenzzähler realisieren. Bitte schreiben Sie uns, wenn Sie eine interessante Zusatz-Schaltung entwickelt haben - wir würden uns freuen, diese veröffentlichen zu dürfen.
Aufbau des Frequenzzählers
Zunächst müssen Sie eine Platine nach dem untenstehenden Layout herstellen. Bestücken Sie die Platine mit Hilfe des Bestückungsplans. Die Meßleitung und die Zuleitung zum Computer sollten abgeschirmt sein. Die Versorgungsspannungentnehmen Sie dem Joystickport (Pin 7).
Bedienung des Frequenzzählers
Das Programm »FREQMESS.GFA« lädt die Dateien »FREQMESS.EXE« und »FREQMESS.DOO« nach. All diese Dateien sollten im Ordner »FREQMESS« stehen. Das Programm läuft auf jedem Atari ST, der mit 8 MHz getaktet ist, in der höchsten Auflösung (640 x 400 Pixel).
Nach dem Start des Programms gelangen Sie in das Hauptmenü des Frequenzzählers. Hier lesen Sie den aktuellen Meßwert ab und beeinflussen den Meßvorgang mit diversen Parametern.
Das oberste Fenster zeigt den aktuellen Meßwert. Weiter unten sind die Knöpfe, mit denen Sie die Messung beeinflussen. Mit den kleinen Buchstaben, die links oben an manchen dieser Buttons stehen, betätigen Sie den entsprechenden Knopf. Ganz unten sehen Sie das Dialogfenster.
Die einzelnen Funktionen
Range-Buttons
Der Frequenzzähler verfügt über vier Bereiche (Ranges), in denen er messen kann. Das Frequenzzählprogramm schaltet zwischen den Bereichen automatisch um. Die obigen Buttons sind eigentlich keine Buttons, sie haben nur Anzeigefunktion.
Meßzeit-Buttons
Mit Hilfe dieser Buttons stellen Sie die Meßzeit ein. Eine große Meßzeit hat den Vorteil eines genaueren Ergebnisses. Allerdings müssen Sie dann lange auf den Meßwert warten. Hier gilt es je nach Meßproblem einen günstigen Kompromiß zu finden. Voreingestellt ist 1 Sekunde.
Quit-Button
Mit diesem Button verlassen Sie das Programm.
Reset-Button
Er ist für den Notfall gedacht. Er setzt alle Einstellungen auf den Einschaltwert zurück. Das gesamte Programm wird neu initialisiert.
Hilfe-Button
Bei Betätigung gibt das Programm eine Kurz-Anleitung auf dem Bildschirm aus.
Hold-Button
Dieser schreibt den aktuellen Meßwert in das zweite Fenster (hält ihn also fest). Hier können Sie ihn dann in aller Ruhe ablesen.
f/T-Button
Er schaltet zwischen Frequenz-und Periodendauer-Messung um.
f rel-Button
Die gemessene Frequenz wird relativ zu einer eingegebenen Frequenz gemessen. Geben Sie zum Beispiel 20 KHz ein, zeigt das Programm an, um welchen Faktor die gemessene Frequenz größer oder kleiner als 20 KHz ist. Das zweite Anzeigefenster stellt die eingegebene Frequenz (20 KHz) dar.
Teiler-Button
Verwenden Sie einen Vorteiler, müssen Sie mit Hilfe dieses Buttons das Vorteilverhältnis eingeben, damit Meßwert und Maßeinheit wieder stimmen.
f(t)-Button
Nach dem Betätigen dieses Buttons fragt das Programm nach der Zeit, wie lange es zwischen den Messungen warten soll. Anschließend mißt es 600 mal die Frequenz, die Anzeige bleibt stehen. Drücken Sie während des Messens irgendeine Taste, unterbrechen Sie den Meßvorgang. Danach errechnet der Computer ein Frequenz-Zeit-Diagramm. Dieses Diagramm können Sie im DOODLE-Format speichern. Eine Druckfunktion ist nicht vorgesehen, da der Druckerport ja von der Frequenzmeß-Hardware belegt ist.
Funktionsweise
Der im Atari ST eingebaute Multifunktionsbaustein MFP, der unter anderem die RS-232-Schnittstelle verwaltet, enthält auch einen Ereigniszähler. Mit diesem zählt er bestimmte Impulse. Wer es genauer wissen will, kann es im Atari ST Profibuch (Seite 699 ff) nachlesen. Um damit Frequenzen zu messen, müssen wir noch folgende Voraussetzungen schaffen:
- eine definierte, genaue Zeitbasis bestimmen
- oftmaliges Auslesen des Zählregisters, da die Auflösung dieses Registers nur 8 Bit beträgt
- einen Vorteiler einsetzen, da die maximale Frequenz, bei der der MFP noch sicher zählt, nur rund 50 kHz beträgt.
Die Hardware (siehe Schaltplan) besteht zunächst aus einem CMOS-Treiber 74 HC 4050. Dieser sorgt für konstante Pegel, verstärkt das Signal und verkraftet (da in CMOS-Technologie) Spannungen bis 7 Volt. Der CD 4050 würde bis zu 15 Volt tolerieren, ist aber nicht so schnell. Ein Frequenzteiler teilt dann die zu messende Frequenz zwölfmal durch zwei. Wir benutzen aber nur die Ausgänge »:16«, »:256« und »:4096«. Nach dem Teiler stehen so drei geteilte und eine ungeteilte Frequenz zur Verfügung, von denen der Multiplexer softwaregesteuert das richtige Signal auswählt.
Die Software ist zusätzlich noch in der Lage, den Teiler zurückzusetzen. Nach dem Multiplexer führen wir dem MFP die zu messende Frequenz über die Busy-Interruptleitung zu. Diese Schaltung, besonders der Treiber und der Teiler sind sehr geschwindigkeitskritisch. Eigentlich müßten wir deshalb auf die Verwendung der CMOS-Technologie verzichten. Da es aber in TTL-Technik keinen geeigneten Teiler-Baustein gibt, sind wir auf die 74 HC 40XX-Serie ausgewichen. Sie vereinigt die Vorteile der CMOS-Technologie mit vertretbaren Schaltzeiten. Diese ICs sind nur unwesentlich teurer als die normalen CMOS-Chips und inzwischen fast überall zu bekommen (zum Beispiel bei Conrad-Electronic).
Software
Wie schon erwähnt, gibt es bei der Realisierung der Steuersoftware ein paar Probleme; zum Beispiel ist es schwierig, eine definierte Zeitbasis im Computer zu finden. Aber irgendwie muß der Prozessor eine definierte Zeit warten.
So eine Warteschleife ist nicht in Basic zu realisieren, sie wäre viel zu ungenau. Daher mußten wir diesen Teil des Programms in Assembler schreiben. Aber auch da tauchen Probleme auf. So ruft zum Beispiel das Betriebssystem alle 5 ms eine Routine zum Bewegen der Maus und ähnlichem auf. Diese Routine kann mal kürzer und mal länger dauern, und genau das würde Meßfehler nach sich ziehen. Aus diesem Grund müssen wir all diese Unterbrechungen (man nennt sie im Fachchinesisch auch Interrupts) abschalten.
Das ist auch der Grund, warum wir in unserem Programm keine Maus verwenden. Da alle Interrupts abgeschaltet sind, kann der Tastaturprozessor seine Mausdaten nicht mehr dem AES (Application Environment Services, so eine Art Mädchen für alles) abliefern und läuft Amok. Abhilfe schafft wie immer ein strenger Befehlston, man verbietet ihm einfach irgendwelche Probleme zu machen (siehe Basic-Listing). Danach initialisieren und starten wir den Zähler im MFP und warten.
Nun stoppen wir den Zähler und lesen ihn aus. Außerdem stellen wir fest, ob der Zähler während des Wartens übergelaufen ist, und setzen entsprechend ein Flag. Das Flag und den ausgelesenen Wert erhält das Basic-Programm zur weiteren Verwendung. Dann
schalten wir wieder alle Interrupts frei und kehren zurück zum Basic. Als Anmerkung zum Assemblerprogramm wäre noch zu sagen, daß es vollkommen PC-relativ geschrieben ist.
Die Aufgaben des Basic-Programms sind folgende:
- Maus ab- und anschalten
- Meßwerte des Assembler-Programms umrechnen
- Hardware steuern
- Schnittstelle zum Benutzer.
Das Programm näher zu beschreiben, würde den Rahmen des Artikels sprengen. Außerdem kann jeder, der ein wenig Basic versteht, sich das gut dokumentierte Listing (auf der TOS-Disk) anschauen. (ts)
Technische Paten
- Meßbereich von 0 bis 7 MHz (unter guten Bedingungen bis 19 MHz)
- Eingang TTL-kompatibel (Rechteck-Signal)
- Ausgang an Centronics-Port
- umfangreiche Software mit grafischer Auswertung
- vorbereitet für Vorteiler und Vorverstärker
- einfach aufzubauen und zu bedienen
- günstig zu reproduzieren
Für Fragen, Fehlermeldungen und Ähnliches stehen die Autoren gerne zur Verfügung. Zu erreichen sind sie unter folgenden Adressen:
Hardware:
Thomas Mokier. Rühlingshäuser Straße 29, 7100 Heilbronn (auch im Z-Netz unter TMOKLER@NATBOX.ZER)
Software:
Thomas Peuß, Bismarckstraße 63, W-7100 Heilbronn (auch im Z-Netz unter TPEUSS@NATBOX.ZER)
Adressen:
LC-Electronic GmbH, Sumpfweg 10, 2083 Halstenbek
Conrad Electronic GmbH, Klaus-Conrad-Straße 1, 8452 Hirschau
Literatur:
Atari ST Profibuch, Sybex Verlag, ISBN 3-88745-563-0 ECA Datenlexikon CMOS 4000, ECA, ISBN 3-88109-040-1
Bauteileliste
| Anzahl | Art | Bezeichnung |
|---|---|---|
| 1 | IC | CD 4052 74 HO 4040 |
| 1 | IC | |
| 1 | IC | 74 HB 4050 |
| 3 | IC-Sockel | 16pin |
| 1 | Stecker | 9?ol. Sub-D (weiblich) |
| 1 | Stecker | 25pol. Sub-D (männlich) |
| Im | Kabel | ladrig/abge- schirmt |
| Im | Kabel | 1 adrig |
| Im | Kabel | 4adrig/abge- schirmt |
| 1 | Platine | 5,5 x 2,5 cm/ einseitig |
| 1 | Gehäuse | 7 x 3,5 x 2,5 cm |
| 2 | Klemmen | lötbar |