FA 400-MHz -Frequenzzähler nach dem Reziprokverfahren (Rudolf Faulhaber)

Hallo Andre´,

Schön, dass Du hier einen Thread dazu eröffnet hast.
Ich hatte das eigentlich auch schon lange vor und habe meinen Aufbau vor einigen Tagen erst im Forum zu Andy's Quarzofenversuche unter: http://www.qrpforum.de/index.php?page=Thread&threadID=7514&pageNo=3 , kurz vorgestellt.
Für Andrea's Quarzofenversuche ist dieser Zähler ja sehr gut geeignet.

Wie dort beschrieben, betreibe ich meinen Zähler z.Z. mit einem FA-SY-200MHz als Referenz und am Meßport einen 10MHz OCXO von Schomandl.
Der FA-SY ist in der Frequenz noch nicht abgeglichen und wird für meine derzeitigen Versuche auch ohne Heizung betrieben.
Ich habe seit einigen Wochen verschiedene Meßreihen durchgeführt, um den 12V Eingangsspannungsbereich des MMIC zu testen.
Anfangs hatte ich große Schwierigkeiten einen halbwegs stabilen Meßwert zu erhalten, die Sprünge in den letzten beiden Stellen waren einfach zu groß. Bei einer Spannung von 12,1V waren die Werte sehr gut, etwas höher oder niedriger aber wieder mit großen Sprüngen.
Ursache war möglicherweise ein beschädigter MMIC, den ich wohl durch zu Hohen Pegel am Eingang "gekillt" habe. Dabei ist mir auch aufgefallen, dass meine 12V von der Stromversorgung zu niedrig waren (ca. 11,8V).
Nach Austausch des MMIC sieht es im Spannungsbereich von 11,9V - 13V schon ganz gut aus. Die Meßreihen muss ich aber noch aufbereiten.

Deine PLL-Platine sieht ja sehr gut aus. Hast Du damit schon eine andere Referenz verglichen und aufgezeichnet?

Ich bin gerade dabei eine kleine Software zum aufzeichnen der Daten zu schreiben.
Das geht zwar mit jedem Terminalprogramm, aber leider ist im Ausgabeformat des Zählers ein Leerzeichen zwischen der 8. und 9. Stelle enthalten, womit "Plotter" schwierigkeiten hat die Datensätze richtig zu interpretieren. Als Folge muss jede Datei, mehr oder wenig von Hand, von diesen Leerzeichen befreit werden.
Aber bis das fertig ist dauert es noch ein Weilchen.

Gruß,
Raimund,
DL3OP

Hallo André,

Kann es sein, dass ich eine Vorgängerversion der PLL-Platine habe?
Ist nur noch das Problem der Bauteile, ausprobieren würde ich das schon gerne.

Zitat von Andre_B

Hast du Rudi über diesen Umstand mal informiert? Sicherlich wäre er bereit ein Firmwareupdate zur Verfügung zu stellen, wo dieser Umstand abgeschafft ist.

Ja, wir hatten uns darüber schon ausgetauscht.
Das Problem ist nur, es sollte ein TimeStamp hinzugefügt werden, und das geht mit dem Zähler nicht so einfach ohne zusätzliche Hardware.
Ich hatte dann die Idee mit dem / einem Terminalprogramm einfach beim Empfang der Daten diesen TimeStamp hinzuzufügen, ist dann zwar nur so genau wie der PC es hergibt, aber dafür sollte es reichen, gleichzeitig kann das Problem mit dem Leerzeichen gelöst werden. In der Anzeige des Zählers stört das ja sonst nicht weiter.
Zusätzlich wollte ich diesem "Datensammler" noch etwas Komfort einbauen, wie z.B. eine kleine Online-Grafik, Meßwertanzeige und Dateihändling, und was einem später vielleicht noch gefallen könnte.

Ich hänge mal einen Screenshot einer Testversion an.

Gruß,
Raimund,
DL3OP

Hallo Raimund,

zum komfortablen editieren der Terminal-Files für "Plotter" bietet sich ein spaltenorientierter Editor an, ich benutze z.B. Crimson-Editor dafür. Bin aber auf Deine PC-SW gespannt.

Für meine 200MHz-Zeitbasis habe ich die 20. Oberwelle eines 10MHz-OCXO (Rechteckausgang) mit einem modifizierten 2-kreisigen Filter aus dielektrischen Resonatoren (Oppermann, ursprünglich ~450MHz) ausgesiebt und nachverstärkt. Die PLL mit dem CDCE913 ist jedoch an EInfachheit und Nachbausicherheit nicht zu unterbieten. Bei einem Test konnte ich keine am Zählergebnis sichtbaren Unterschiede zwischen beiden Varianten feststellen.

73, Andreas, DH7AZ

Hallo André und Andreas,

Zitat von Andre_B

da kann einer Nachts nicht schlafen, oder?

Ja, manchmal zwingen einen die Gedanken das Bett wieder zu verlassen.

Zitat von Andre_B

Wie gesagt, eine fertig bestücke Version könnte ich dir zukommen lassen, dann kannst du selbst probieren.

Ich hatte Dir dazu schon eine PM geschickt, ich würde das gerne ausprobieren.

Zitat von DH7AZ

zum komfortablen editieren der Terminal-Files für "Plotter" bietet sich ein spaltenorientierter Editor an, ich benutze z.B. Crimson-Editor dafür. Bin aber auf Deine PC-SW gespannt.

Das editieren ist aber wieder so ein schritt, den man sich gerne ersparen möchte.
Mal sehen ob meine SW dann auch alltagstauglich ist, bin ja kein Professioneller Programmierer, aber langsam geht es voran und ich hoffe bald mal ein Ergebnis vorstellen zu können.

Gute Nacht,
oder besser Guten Morgen,

Raimund,
DL3OP

Hallo André,

Zitat von Andre_B

Wie gesagt, eine fertig bestücke Version könnte ich dir zukommen lassen, dann kannst du selbst probieren.

Vielen Dank für die Platine, habe sie heute in Betrieb genommen und an meinen Zähler als Referenz gehängt.
Im Gegensatz zum FA-SY (der immernoch ohne Temp. Regelung betrieben wurde), ist die Kurve bedeutend ruhiger geworden.
Die Schaltung läuft anscheinend Super.
Im Anhang mal die ersten Stunden, weitere Test's folgen.

73,
Raimund,
DL3OP

Hallo André,

das Layout, das Raimund und Wolfgang haben, entstammt der Urschaltung von Andreas und mir, wie sie Dir auch vorliegt. Der einzige Unterschied ist der clock shaper, auf den ich nicht verzichten wollte. Vielen Dank für die rasche Hilfe für Raimund.

Raimund, ist der Wunsch zur Entfernung der Leerzeichen noch aktuell? Wäre bis Mitte Juni kein Problem, aber für eine Bildschirmanzeige des Messwertes sind sie sehr nützlich. Für die Auswertung benutzte ich immer suche " " und ersetze durch "", ähnlich hab ich die Einheiten entfernt.

Dein Plot sieht schon fast perfekt aus, könnte erfahrungsgemäß aber noch etwas ruhiger sein. Fall die Sprünge aber wirklich an Deinem XO liegen, würde der Zähler hier seine Leistungfähigkeit beweisen. Ein guter Test ist mit Andrés PLL (oder ihrer Vorfahren) leicht machbar: verbinde einen zweiten Ausgang des CDCE913 (10 oder 20MHz) über ein Dämpfungsglied mit dem Messeingang. Die Anzeige muss 10-stellig stabil die Frequnz wiedergeben, ohne Gewackel.

Wünsche allen einen guten Morgen und einen schönen Tag,
73, Rudi, DC2YF

Hallo,

ich würde die Leerzeichen doch eher vermissen. In 99,9 % der Fälle schaut man beim Zähler ja auf´s Display, und nicht in das Logfile. Die schnelle Erfassbarkeit des Zählerstandes wäre dahin...

Es sind ja nun wirklich nur ein paar Mausklicks, die Leerzeichen im Logfile zu eliminieren. Und Raimund kann das ja auch in seiner PC-Software im handumdrehen erledigen.

just my 5 cents...

73, Andreas, DH7AZ

Hallo,

die Leerzeichen würde ich wirklich nur im Log entfernen, vom Zähler kann das Format so bleiben. Zum ablesen der Anzeige ist es
übersichtlicher, wenn dort die letzten Stellen etwas abgesetzt sind, wie Andreas es schon beschrieb. Ich werde das in die Software wieder
einbauen, ist kein großes Problem.

Die Referenz speise ich momentan über ein Dämpfungsglied in den "Richtigen" Eingang mit BFG540
ein. Der Eingangspegel beträgt dort ca.-2dBm, 178mV.

Den Zähler habe ich noch einmal mit 200MHz aus der PLL nach Rudi's Anleitung getestet, beide Eingänge mit einem kurzen Draht überbrückt und an den Meßport 50 Ohm, ohne diesen war die Anzeige nicht ganz ruhig.
Kein "wackeln" in der Anzeige, über mehrere Stunden immer 200.0000000MHz im Log, mit 1s Zyklus. Ich hänge den Plot aber jetzt hier nicht dran, ist zu langweilig , wenn ihn jemand haben möchte stelle ich ihn auch gerne zur Verfügung.
Mit dem 10MHz Ausgang und dem 2. 200MHz Ausgang werde ich das auch noch einmal testen, wird aber etwas dauern, weil gerade 25°C im Schatten und
den "Familienfrieden" wollen wir mal nicht aufs Spiel setzen ;).

Im Plot vom 24.5. ist im ersten Teil noch der FA-Sy zu sehen, ab ca. 15:30 war dann Andrés PLL als Referenz angeschlossen.

So, das soll mal auf die Schnelle reichen,
schönen sonnigen Nachmittag wünsche ich.

Raimund
DL3OP

Hallo André,

Zitat

Hast du schon mal versucht, das PLL-Signal direkt einzukoppeln, also den BFG540 zu entfernen?

Nein habe ich nicht versucht, will jetzt noch nicht riskieren etwas an der Platine kaputt zu machen.

Da ich aber mal wieder nicht schlafen konnte :(, habe ich doch schon mal einen weiteren Versuch gestartet und von der
PLL den 10MHz Ausgang über ein 40 dB Dämpfungsglied an den Meßport gelegt. Der Test läuft nun schon einige Stunden und den Plot hänge ich
wieder nicht dran, ist zu langweilig, nur eine gerade Linie und immer 10.00000000MHz.
Mit dem 200MHz Ausgang geht es so nicht mehr, der Pegel ist etwas niedriger 200MHz ca. +6dBm, 10MHz etwa 10 dBm.

Also der Zähler läuft doch super. Nun würde mich noch brennend interessieren was herauskommt wenn das Meßsignal phasenverschoben ankommt. Aus der PLL kommen sie ja phasenstarr heraus.

73,
Raimund,
DL3OP

Hallo zusammen,

noch ein kurzes Wort zu den Leerstellen im Ergebnis: Diese unterteilen die Nachkommastellen in Dreier-Gruppen! Damit kann man das Ergebnis mit einem Blick in kHz oder Hz ablesen und erkennt sofort, ob die letzte Stelle nun mHz oder 10mHz anzeigt, z.B. 10.000 001 23 MHz, das sind 1.23 Hz über dem runden Wert.

Zu Deiner Frage Raimund. was bei phasenverschobenem Messsignal herauskommt, darf man zurecht annehmen, dass sich nichts ändert, solange sich diese Phase nicht ändert. Die jetztige Phase ist ja bereits zurm Takt verschoben, aber eben starr und unveränderlich. Veränderst Du die Phase während einer bestimmten Zeit, erzeugst Du eine Frequenzänderung, die auch angezeigt wird. Deshalb ist es auch zu vermeiden, Verzögerungsleitungen wie Gatter oder Komparatoren in den Signalpfad zu legen, wenn deren thermische Empfindlichkeit nicht genau definiert und unterhalb der Auflösung begrenzt ist. Die Auswirkungen sind gering und deshalb schwer zu messen, aber sie sind existent und können die Genauigkeit reduzieren. Und wer misst schon die Durchlaufzeit eines Gatters oder seines Kabels bei verschiedenen Temperaturen?? Und wer kontrolliert den Temperaturgradienten innerhalb seiner Werkstatt oder in den Geräten?

Mit einer Phasenverschiebung von 9° pro 10s bei 10MHz ergibt sich ein Fehler vom 10mHz, der gerade noch angezeigt wird. Gleiches passiert, wenn ein Gatter im Signalpfad seine Durchlaufzeit um 2,5ns in dieser Zeit verändert (z.B. durch Temperatureinfluss), oder der Verkürzungsfaktor eines langen Koaxkabels (Signallaufzeit) sich minimal ändert.

Die Phasenlage ist solange egal, solange sie konstant bleibt. Nun gibt es auch den Fall, dass beide Flanken (Ref und Mess) in das Unsicherheitsfenster des Synchronizers (<1ns) fallen. Auch bei gegebener Phasenkopplung schwankt dann die Anzeige um die letzte Stelle. Dieser Fall kann vorkommen, ist aber eher theoretich, zudem bei 10 s Messzeit bereits ein Zappeln der letzten Stelle um Faktor vier verhindert wird, denn die Auflösung von 10 Stellen wird bereits mit 2,5s Messzeit erreicht.

Für die Bewertung Deines Plots wäre es hilfreich zu wissen, wie aufwändig denn Dein TCXO thermisch isoliert oder beruhigt war. Wenn Du die Platine offen auf dem Tisch betrieben hast, wären Deine Aufzeichnungen grandios und ein voller Erfolg. Und einen Applaus für André für die Wahl dieses TCXO!

Viel Erfolg beim Messen und Probieren!
73, Rudi, DC2YF

Hallo,
auch wenn ich mich nicht mit eurem Projekt auskenne, hätte ich doch eine Anregung zu eurem Leerzeichen-Problem. Wenn der Mikrokontroller noch einen Pin frei hat, könnte man eine einfache Umschaltung integrieren. Eine andere Möglichkeit ist eine Befehlsübermittlung über die serielle Schnittstelle. Eine dritte Möglichkeit ist eine Doppelbelegung einer Taste. Wenn z.B. beim Einschalten eine bestimmte Taste gedrückt wird, schaltet der Zähler in einen Ausgagbemodus ohne Leerzeichen. Möglichkeiten gibt es viele, wenn es gewünscht wird und der Programmierer es für wichtig hällt ;-).
Grüße Jörn

Hallo Rudi,

danke für die Aufschlussreiche Erläuterung zur "Phasenlage".

Die PLL liegt nur zwischen zwei Schaumstoffmatten, leicht eingeklemmt, auf dem Tisch. Die fallenden Werte im Plot könnten durch die Einlaufphase und den Temperaturverlauf im Raum entstanden sein.

Meine nächsten Schritte sind dann mal eine "Temperatur beruhigte Zone" zu schaffen und PLL, OCXO, Zähler getrennt und zusammen darin zu betreiben.
Momentan messe ich noch die 10MHz der PLL und es ist alles wie gehabt, kein Wackeln in den Aufzeichnungen.
Ich werde weiter berichten und dann mal ein Foto vom Aufbau anhängen.

Jörn, das "Leerzeichenproblem" ist ja eigentlich kein Problem. An der Hardware muss nichts geändert werden, die Anzeige auf dem Display des Zählers ist gut so wie es ist. Für die Datenerfassung, bzw. die spätere Auswertung, ist es schon wichtig darüber zu diskutieren, an welcher Stelle Trennzeichen oder sonstiges steht. Das macht die Arbeit nachher leichter und solange man noch in der Entwicklung steckt sind kleine Änderungen in der SW manchmal nicht so schlimm .

Bis bald,
Raimund,
DL3OP

Hallo Raimund, André, und alle Interessenten des Themas,

nach langer Pause gibt es was neues: das Thermometer ist nun endlich (fast) fertig und liefert sehr schöne Ergebnisse . Bei der Aufzeichnung fiel mir aber erneut der große Unterschied bei der Frequenzmessung auf. Das Gezappel beim Übergang der Frequenz zum nächsten Wert ist bei mir deutlich geringer. Ich will baldmöglichst auch die PLL aufbauen, aber die Temperaturmessung war mir erst noch wichtiger. Man kann die beiden Plots direkt vergleichen, denn die Drift ist ähnlich groß. Auch die Länge der Aufzeichnung ist ähnlich (einige Stunden).

Was mir nun noch fehlt, ist ein zweites Thermometer, um gleichzeitig die Umgebung zu erfassen, während das erste direkt am TCXO befestigt ist. Die MCU hat noch genügend Platz und Reserven dafür.

Hoffentlich sehe ich hier auch mal die Plots der anderen, damit ich die PLL als "Jittergenerator" ganz sicher ausschließen kann.

Noch eine Neuigkeit: Der Prescaler von Andreas wird nun auch von der Firmware unterstützt, damit ist der Zähler mit geringstem Mehraufwand bis ca. 9 GHz einsetzbar.

Allen ein schönes Wochenende,
73, Rudi, DC2YF

Hallo Rudi und Interessenten,

schön, dass das Thermometer und der Prescaler jetzt funktionieren, die Temperaturkurve sieht ja richtig gut aus.

Zitat von DC2YF

Hoffentlich sehe ich hier auch mal die Plots der anderen, damit ich die PLL als "Jittergenerator" ganz sicher ausschließen kann.

Aua, immer auf's schlimme .

Da mein Schomandl OCXO derzeit noch eine Macke hat und meine Messungen eine deutliche Temperaturabhängigkeit zeigen, wobei ich nicht genau feststellen kann ob die PLL oder der OCXO am schlimmsten dabei wegkommt, habe ich mir inzwischen als Referenz ein Rb-Normal zugelegt, danke Rudi für den Tip.

Ich stelle hier jetzt zwei Meßreihen zur Verfügung, wobei einmal die PLL "lose" auf dem Tisch liegt und zum anderen in eine Thermoskanne geschoben und mit einem dicken Styropordeckel verschlossen ist. Der Aufbau ist aber nicht sehr luftdicht und auf möglichst dünne Zuleitungen habe ich auch erstmal verzichtet.
Für die Temperaturmessung ist noch ein USB-Temperaturfühler mit drin, die Auflösung ist aber bei weitem nicht so gut wie bei dir Rudi .
Die Werte dazu muss ich aber erst noch aufbereiten und in die Grafik einfügen, das macht etwas Mühe und dauert noch etwas.
Am 09.09., der lose Aufbau, lag die Temperatur etwa zwischen 24°C und 25°C, in der Kanne am 11.09. ziemlich konstant bei etwa bei 35°C.

Jetzt fehlt noch ein Langzeittest um zu sehen wie die Drift sich einstellt oder so bleibt.

Meine PLL habe ich nach einer Beschädigung nun wieder am laufen, nur programmieren funktioniert immer noch nicht, aber eigentlich braucht sie auch nicht umprogrammiert werden und ich lasse das so.

Der nächste Versuch wird dann der Test des Rb-Normal mit einem gleichartigen Modell am Zähler sein. Mal sehen was dabei herauskommt, da muss ich aber noch um etwas Geduld bitten.

Weiterhin wäre dann ein GPSDO oder das Rb-Normal an die PLL zu koppeln, wobei letzteres relativ einfach zu erledigen ist.

Schönen Abend,
73, Raimund, DL3OP

Hallo,

es ist mal wieder soweit, ich will über meine weiteren Ergebnisse berichten.

Wie bereits angekündigt, habe ich inzwischen am Zähler zwei Rubidium Normale vom Typ FE-5650A zu laufen. Rudi hat mir freundlicherweise sein Exemplar für die Tests überlassen, vielen Dank.

Beide Rb's haben die Option 58, also mit 1PPs Ausgang und einem Frequenzausgang, der in dieser Grundeinstellung 8,388608MHz liefert.
Ich habe für die Referenz und damit zur Ansteuerung der PLL, ein Rb auf 10 MHz umprogrammiert, das zweite Rb auf Originaleinstellung belassen.
Die Ergebnisse der letzten Stunden sind in den beiden Plot's zu sehen, wobei ein Ausschnitt von einer Stunde herausgezogen ist.
Prinzipiell liegen diese Werte über mehrere Tage in diesem Bereich, ich hatte in meiner Langzeitmessung einige Aussetzer bei der Erfassung und zeige deshalb stellvertretend nur einige Stunden.
Der Meßwert "zappelt" maximal um eine Stelle, also 10 mHz Änderung. Bei den gezeigten 4 Stunden gab es 79 Änderungen, das entspricht etwa 5% der 10s-Meßzyklen. Wenn ich richtig liege beträgt der Fehler 10mHz X 5% = 0,5mHz.

Leider kenne ich nicht die "ganz" genaue Frequenz der Rubidium-Normale und wann diese letztmalig kalibriert oder justiert wurden. Und am C-field potentiometer will ich mal nicht so ohne weiteres "Equipment" herumspielen.

Im Netz habe ich auch nicht gerade viele Informationen über diesen Typ gefunden aber es gibt gemeinsamkeiten mit dem FE-5680, die wichtigste Quelle war u.a.:"http://www.leapsecond.com/museum/fei5650a/" und z.B. "http://www.ko4bb.com/dokuwiki/doku.php?id=precision_timing:rubidium_oscillators".

Trotzdem sind die jetzigen Ergebnisse mit einer hochwertigen Referenz doch sehr beruhigend und zeigen, dass bei den vorherigen Meßreihen mit Thermoskanne usw. nur der OCXO das "schlimmste Übel" war. Die PLL und der Zähler funktionieren sehr gut, Temperatureinflüsse kann ich so erst einmal nicht mehr feststellen.

Gute Nacht,
Raimund