Absorption-Wavemeter


Ein Absorption-Wavemeter (AW, zu deutsch Absorptions-Frequenzmesser) dient der Bestimmung von Frequenzen und deren Harmonischen. Es arbeitet wie ein passives Dip-Meter, benötigt also keine Betriebsspannung. Einfach KISS: "keep it simple stupid". Der Nachteil ist, daß sich die Frequenz passiver Schwingkreise so nicht bestimmen läßt.

Ein AW besteht aus einem Schwingkreis, der Ankopplung an den Meßeingang, einem einfachen Diodengleichrichter und dem Anzeigeinstrument. Meine Realisierung basiert auf einem Beitrag, den ich im "Elektronischen Jahrbuch 1984" (Eljabu), Seite 183ff. gefunden habe und der wiederum auf einer Idee von H. Venhaus aus dem TV-Amateur 4 (1972) Heft 2, Seite 22 basiert. Das beschriebene AW deckt einen Frequenzbereich von 96 bis ca. 1570 MHz ab und ist relativ empfindlich.

Einen Einblick in die Funktionsweise bietet der Schaltplan (Achtung: lange Ladezeit) für das Absorption-Wavemeter.

Hier die wichtigen Stellen aus dem Eljabu:
"...Kernstück dieses Gerätes ist ein ausgedienter UHF-Konverter. Beim Autor war noch ein röhrenbestückter Konverter vorhanden, der bis auf den Drehkondensator und die Durchführungskondensatoren demontiert wurde. Grundsätzlich eignen sich auch transistorisierte Konverter.

Die entstandenen Löcher wurden mit Weißblech abgedeckt und verlötet... Sind alle überflüssigen Teile entfernt, werden die Löcher für die HF-Buchsen gebohrt. Die Bohrungen haben keinen bestimmten Platz, sie sind je nach Konvertertyp anzuordnen. Als Hinweis kann man die Skizze des Innenaufbaues benutzen.

...In die erste Kammer (vom Antrieb aus gesehen) setzt man die Absorberspule für den Frequenzbereich von etwa 120...250 MHz. Die nächste Kammer enthält den Kreis für den anschließenden Frequenzbereich von etwa 240...580 MHz. Dieser Kreis besteht aus einem Leitungskreis, der aus einem der ursprünglichen Kreise angefertigt werden kann. In der sich anschließenden Kammer ist der Leitungskreis für den Frequenzbereich von etwa 500...1500 MHz eingebaut.

Die Meßfrequenz wird jeweils über die neu eingebauten HF-Buchsen (BNC) eingekoppelt. An diese Buchsen sind die Koppelinduktivitäten angelötet, die parallel zu den Absorberkreisen liegen. Eine Ausnahme bildet der Kreis für den Bereich von 120...250 MHz. Hier kann eine Koppelwicklung (2 Wdg.) am kalten Ende des Meßkreises (L1) angebracht werden, oder der Meßkreis wird angezapft. Die Anzapfung liegt dann etwa 1,5 Wdg. vom kalten Ende entfernt. An einer weiteren Anzapfung von L1 wird die Gleichrichterdiode angeschlossen. Dieser Anschluß für VD1 liegt bei 2,5 Wdg. vom kalten Ende. Die Dioden bestimmen weitestgehend die Höhe der zu erzielenden Meßspannung.

In den beiden oberen Frequenzbereichen bilden die Dioden VD2 und VD3 mit ihren Anschlußdrähten gleichzeitig die Koppelinduktivitäten L6 und L7. Durch Abstandsveränderungen zu den Meßkreisen kann man die Höhe der Meßspannung einstellen. Die durch die Dioden gleichgerichteten Spannungen werden über die im Konvertergehäuse verbliebenen Durchführungskondensatoren geführt. Zur Anzeige eignen sich alle Meßwerke, die 100 µA Endausschlag oder weniger haben.

Komplizierter dürfte die Eichung des Absorptionsfrequenzmessers sein.... Da der Plattenschnitt des Drehkondensators etwa frequenzlinear ist, sind die Frequenzabstände auf der Skale etwa gleich. Schwierigkeiten bereitet auch die Anfertigung der Skale...."

An dieser Stelle will ich den Artikel verlassen und meine eigenen Gedanken zur Realisierung einbringen. Ein UHF-Konverter war in den 70ern und frühen 80ern ein nettes Gerät, um die immer beliebter werdenden UHF-Fernsehbänder auf die VHF-Bänder der alten Fernsehgeräte umzusetzen. Diese Konverter bestehen aus einem HF-dichten Gehäuse mit 3 Kammern, einem 3fach-Drehkondensator mit Getriebe und einem Abwärtsmischer, der die UHF-Frequenzen auf die VHF-Frequenzen alter Fernsehgeräte umgesetzt hat und bis in die frühen 80er Jahre einen festen Platz in der DDR-Fernsehlandschaft hatten. Heute sind sie noch manchmal auf Flohmärkten zu bekommen. Das einzig interessante ist wirklich das Gehäuse und der Drehko. Einziger Nachteil: der Drehko ist fest mit dem Gehäuse verbunden und meist untersetzt um den Faktor 4:1. Die Platten des Drehkondensators benötigen eine halbe Umdrehung, dafür muß man die Achse des eingebauten Getriebes mehr als zweimal drehen. Das wirft einige Probleme auf.

In der heutigen digitalisierten Zeit hat ein Drehko eigentlich keine Berechtigung mehr. Oder etwa doch? Ein Drehko benötigt für seine Funktion keine Betriebsspannung wie z.B. Kapazitätsdioden, die zudem noch rauschen. Okay, das tun Drehkos auch, wenn die Massekontaktfedern des Rotors verschmutzt oder von schlechter Qualität sind. Aber das läßt sich ja mit Tunerspray oder Ballistol beseitigen. Zudem gibt es spezielle Drehkos, wie den Schmetterlingsdrehko, der diese Massefeder nicht benötigt. Auch täuschen die Digitalskalen heutiger Meß- und Funkgeräte eine höhere Genauigkeit vor, als sie tatsächlich besitzen. Sowas oder so ähnliches hört man immer noch auf den Amateurfunk-Bändern: "...aber ich bin doch genau auf der Frequenz und trotzdem kommst du 1kHz daneben..." Selbstverständlich sind solche Digitalskalen immer noch genauer als eine mechanische Skala, die schlecht konstruiert oder zu klein ist. Jedoch haben Drehkos den Vorteil, daß sie keinerlei Betriebsspannung benötigen. Man könnte die Skalen in drei Kategorien einteilen:

  1. Digitale Skalen
    Hierzu zähle ich die Skalen, die die eingestellte Frequenz mittels einer Digitalanzeige anzeigen, wobei die Anzeige direkt aus der Frequenzsynthese abgeleitet ist, also einer echten Frequenzmessung mit einem Zählfrequenzmesser entspricht.
    Vorteile: Die Anzeige ist, dem Aufwand entsprechend, sehr genau, weil die Anzeige vom Istwert abgeleitet wird. Wenn man mit schmalbandigen Übertragungsverfahren arbeitet oder allgemein Frequenzen sehr genau messen muß, gibt es fast keine Alternative. Kommerzielle Hersteller wollen eben nur löten und nicht schrauben. Hier liegt auch das Hauptargument für diesen Typ von Skala.
    Nachteile: Die Anzeige verbraucht relativ viel Strom, der dann im Gerät nicht mehr für andere Aufgaben bereitsteht. Die Technik läßt sich mit amateurmäßigen Mitteln nicht immer realisieren. Der Zähler und die Anzeige arbeiten mit Taktfrequenzen, die bei schlechter Abschirmung im gesamten Gerät vagabundieren und alles mögliche verursachen können. So manche Pfeifstelle hat in Digitalschaltungen im Gerät ihre Ursachen.


  2. Quasianaloge oder quasidigitale Skalen
    Darunter verstehe ich die Anzeige der Frequenz, die aus der Sollwertvorgabe für die Frequenzerzeugung abgeleitet ist. Dazu zählt die digitale Einstellung mittels BCD-Codierschaltern, ein gerasteter und mit einer Zehnerskale versehene Drehkoantrieb (gerne in Militärgeräten verwendet), die mechanische Einstellung der Abstimmspannung mittels eines Zehngang-Potentiometers und einer entsprechenden Skala, die digitale Anzeige der Abstimmspannung mit einem Digitalvoltmeter oder die analoge Anzeige der Abstimmspannung mit einem Zeigerinstrument.
    Vorteile: Der Aufwand ist geringer als bei digitalen Skalen und auch mit Amateurmitteln realisierbar.
    Nachteile: Die Genauigkeit bleibt dabei auf der Strecke, weil die angezeigte Größe vom Sollwert und nicht wie bei der "echten" Digitalskala vom Istwert abgeleitet wird. Stimmt man ein Gerät mit einem Zehngang-Potentiometer ab, muß man immer noch den Skalenwert mit dem Sollwert verknüpfen, z.B. mit einer Tabelle oder einem Diagramm. Soll der echte Wert mit einer Digitalanzeige angezeigt werden, ist eine elektronische "Umrechnung" oder wie beim Zehngang-Poti notwendig. Auch die quasianaloge Skala benötigt (außer bei BCD-Schaltern und gerasteten Drehkoantrieben) eine Spannungsversorgung.


  3. Analoge (d.h. mechanische) Skalen
    Sie besteht aus einer mechanischen Konstruktion, deren Ausführung im wesentlichen die Genauigkeit bestimmt. Hierbei ist die Sollwertvorgabe durch das mechanische Gespann "Drehko - Skala" fest mit dem Istwert verknüpft. Die "Kalibrierung" bestimmt letztendlich die Genauigkeit.
    Vorteile: Eine Stromversorgung wird hierbei (außer vielleicht für eine - möglichst abschaltbare - Skalenbeleuchtung) nicht benötigt. Die Genauigkeit wird allein von der sauberen und exakten Konstruktion und Verarbeitung der mechanischen Teile bestimmt und ist letztendlich von der gesamten mechanischen Größe und der "Kalibrierung" abhängig.
    Nachteile: Der Aufwand ist - hauptsächlich von der Konstruktion abhängig - mit amateurmäßigen Mitteln nicht so einfach zu realisieren.

Unsere Altvorderen hatten noch gutes Know-How im Bereich Mechanik und Konstruktion und es lohnt sich auch heute noch, sich damit zu beschäftigen. Einen guten Einblick in die Technik und Konstruktion von mechanischen Skalen bietet [07], Seite 371ff.. Teile für den Bau von mechanischen Skalen sind im Conrad-Katalog unter "Technischer Modellbau" und auf einschlägigen Flohmärkten noch relativ gut erhältlich und meist preiswert. Tüfteln, bohren und feilen muß man aber immer noch selbst.

Um auf das Absorptions-Wavemeter zurückzukommen: Hat die Skala keine entsprechende Genauigkeit, dann hat das ganze AW keinen nutzbringenden Wert, weil sich die eingestellte Frequenz nicht genau genug und wiederholbar einstellen läßt. Ich habe für den Nachbau einen ehemals transistorisierten Konverter benutzt, dessen Drehko eine 6mm-Achse hat und eine Untersetzung von 4:1 aufweist. Der Drehwinkel an der nach außen geführten Achse beträgt etwas mehr als 2 Umdrehungen. Die Skala habe ich als Linearskala ausgeführt, weil die doch sehr große Bandbreite des Gerätes eine Rundskala in entsprechender Genauigkeit verbietet. Sie hätte mit derselben Genauigkeit einen zu großen Durchmesser gehabt. Benutzt habe ich Teile aus dem technischen Modellbau, nämlich Zahnriemen. Sie weisen keinen Schlupf (auch "Toter Gang" genannt) auf und die Wiederkehrgenauigkeit der Einstellung ist sehr gut. Angeordnet ist der Zahnriemen und die beiden gleichgroßen Zahnriemenscheiben zwischen zwei Alu-Montageplatten, die mit Bolzen auf Abstand gehalten werden. Auf dem Zahnriemen ist der Zeiger montiert, der aus einem geschwärzten Weißblechstreifen besteht. Er dient mit seiner "Tiefe" dazu, die Parallaxe bei der Ablesung zu vermindern. Der Skalenknopf ist direkt mit der Skala und über einen festen Achsverbinder mit der Drehkoachse des umgebauten Konverters verbunden. Das Gehäuse des umgebauten Konverters ist mit Abstandsbolzen starr mit der zweiten Montageplatte verbunden. Die Zahnriemenscheiben sind mit 6mm-Silberstahlwellen und entsprechenden Lagern (6mm-Achsdurchführungen) zwischen den beiden Montageplatten montiert. Hierbei habe ich die Bohrungen für die Lager so angebracht, daß die nötige Spannung des Zahnriemens gegeben ist. Notfalls muß man eine Mechanik vorsehen, die den Zahnriemen spannt. Entsprechende Details sind auf den Fotos (Achtung: lange Ladezeit) zu sehen. Bei Bedarf stehe ich mit Rat mail me! zur Verfügung.

Ein kleiner Tip: beim Bohren der beiden Montageplatten sollte man zuerst diagonal zwei der Befestigungslöcher auf der einen Montageplatte bohren und dann damit die Frontplatte anreißen. Dann kennzeichnet man beide Platten eindeutig, z.B. mit einem Körner. Edding- oder Staedtler-Permanentmarker sollte man nur dort benutzen, wo die Striche und Markierungen später wieder entfernt werden können oder sollen. Beim Bohren sind sie eher hinderlich, weil beim Alu-Bohren Spiritus als Kühlmittel eingesetzt wird, der den Permanentmarker wieder auflöst. Beim Markieren sollte man darauf achten, Vorder- und Rückseite sowie oben und unten bei beiden Platten einwandfrei unterscheiden zu können. Nun schraubt man die beiden Montageplatten zusammen, feilt mit einer Schlüsselfeile an zwei diagonalen Ecken sogenannte Paßmarken über beide Platten hinweg in die Ränder und bohrt anschließend alle anderen Löcher zusammen durch beide Platten gleichzeitig. Damit ist gewährleistet, daß sich alle Bohrungen an derselben Position befinden und man die Platten für eventuelle Nachbearbeitungen wieder ganz genau übereinanderbekommt. Bei der einzelnen Nachbearbeitung der Bohrungen sollte man trotzdem entsprechende Vorsicht walten lassen, um nicht jeweils in die "falsche" Richtung zu arbeiten.

Zur Schaltung hier noch einmal der Schaltplan (Achtung: lange Ladezeit). Die Außenbeschaltung des umgebauten Konverters ist relativ simpel. Die BNC-Buchsen am umgebauten Konverter sind über hochwertige 50Ohm-Teflonleitungen mit einem guten 3-poligen Drehschalter verbunden; der Schleifer ist mit der gleichen Art von Leitung mit einer BNC-Buchse auf der Frontplatte verbunden. Die drei mittels Durchführungskondensatoren nach außen geführte Diodenanschlüsse sind parallel geschaltet. Die Meßspannung wird mit einem Keramikkondensator 22nF gegen Masse geglättet und mit einer geschirmten Leitung zum Anzeigeteil geführt. Der besteht im wesentlichen aus einem 25µA-Drehspulmeßwerk, das ich aus einem alten, gebrauchten Hochspannungsnetzteil gewonnen habe. Die Empfindlichkeit des AW ist dadurch sehr hoch.

Als VD1-3 sind im Eljabu Dioden vom Typ GA100 vorgesehen. Der internationale Vergleichstyp ist die AA131. Verwendbar ist auch der Typ GA104 (AA117/118) sowie Schottky-Dioden vom Typ BAT41 (2pF Sperrschichtkapazität), BAT85 oder hp5082-2800 (1N5711). Einige Versuche bringen die empfindlichsten Dioden ans Tageslicht. In meinem Gerät sind BAT41 eingebaut. Mit der Änderung des Abstandes des jeweiligen Anodenanschlusses zur Kreisinduktivität läßt sich die Höhe der Meßspannung über den gesamten Meßbereich konstant justieren.

Verwunderlich ist vielleicht der Schalter mit der Bezeichnung "Operate / Transport". Das Meßinstrument ist aufgrund seiner Konstruktion (die Drehspule ist Spannbandgelagert) sehr empfindlich gegen Stöße und Schläge, wie sie beim Transport auf jeden Fall auftreten. Diese Erschütterungen können im Extremfall zum Zerreißen des Spannbands und somit zur irreparablen Zerstörung des Instruments führen. Schließt man aber die Anschlüsse des Instrumentes kurz, so wirkt die durch die mechanische Bewegung des Zeigers entstehende Induktionsspannung dieser Bewegung entgegen, der Zeiger wird also extrem gedämpft und somit das ganze Meßwerk geschützt. Man darf nur nicht vergessen, beim Messen wieder umzuschalten. Schaden nimmt das AW dadurch aber nicht.

Das 10k-Potentiometer zur Einstellung der Empfindlichkeit ("Sense") sollte eine gekapselte Cermet-Ausführung sein, um ungewollte Zeigerbewegungen, die ein kratzender Schleifer bewirken würde, auszuschließen.

Als Gehäuse für das AW habe ich einen gebrauchten 19''-Rahmen benutzt. Deckel und Boden sind nicht unbedingt notwendig, wenn man das Gerät in ein entsprechendes 19''-Gehäuse einbaut. Alle Bauteile sind an der Frontplatte angeordnet. Am Durchmesser des Drehknopfs sollte man nicht sparen. Je größer er ist, desto feinfühliger läßt sich die Frequenz einstellen. Die Skalenöffnung ist mit einer dünnen Plexiglasscheibe abgedeckt, die mit zweiseitigem Klebeband von hinten an der Frontplatte angeklebt ist.

Die Kalibrierung des Gerätes

Je sorgfältiger die Kalibrierung erfolgt, desto besser und genauer läßt sich nachher mit dem Gerät arbeiten. Übrigens ist das keine "Eichung", weil uns als "Bastlern" normalerweise keine staatlich geprüften Standards und Meßverfahren zur Verfügung stehen. Zur Kalibrierung genügt der Referenzausgang eines Spektrumanalyzers, ein UHF-Generator mit einem parallelgeschalteten genauen Frequenzmesser oder ein Eichmarkengeber. Gearbeitet wird wie unten beschrieben. Die Skala sollte man aus Millimeterpapier zuschneiden und mit Tesa auf die vordere Montageplatte kleben und als erstes eine Marke auf Skala und Montageplatte machen, um auch später Deckungsgleichheit zu bekommen. In meinem Fall ist die Skala kleiner als 300mm. Das hat einen Grund: das ermöglicht es, später die Rohskala mit einem Zeichenprogramm - wie etwa AutoSketch - auf ein A4-Blatt nachzuzeichnen und auszudrucken. AutoSketch ermöglicht es, Objekte millimillimetergenau per Tastatur zu platzieren. Durch das Millimeterpapier der Rohskala ist diese Arbeit leicht nachvollziehbar. Dann trägt man auch die Frequenzen ein und kann mittels der oben erwähnten Referenzmarke die neue Skala genau platzieren. Selbstverständlich kann man auch gleich sauber auf Millimeterpapier arbeiten und die erste Skala an ihrem Platz belassen.

Die Skala des 25µA-Instruments ist relativ unwichtig, weil das Instrument ohnehin nur Relativwerte (Maxima) anzeigt.

Meinen Schätzungen zufolge kommt man mit einer gut gearbeiteten Mechanik und einer sauber gezeichneten Frequenzskala auf einen Fehler von etwa 5%. Das ist für ein Gerät dieser Einfachheit eigentlich schon ganz gut.

Zur Arbeit mit dem Gerät

Die Arbeit mit dem Gerät ist sehr einfach. Wer schon mal mit einem Dip-Meter gearbeitet hat, fühlt sich wie zuhause: den Meßbereich einstellen und die Frequenzeinstellung unter der vermuteten Frequenz einstellen. Den Empfindlichkeitssteller auf Mitte stellen. Dann die Meßfrequenz anlegen und die Skala langsam hochdrehen. Die Meßkreise haben keine sehr hohe Güte, so daß man die Annäherung an die Resonanzfrequenz (das Anzeige-Maximum) ganz gut mitbekommt. Dann kann man die Empfindlichkeit so einstellen, daß die Ablesung bei ca. 2/3 des Skalenendwertes erfolgen kann. Das Maximum der Anzeige zeigt die Resonanz an. Dann kann man noch überschlägig den Oberwellengehalt des Meßsignals abschätzen, indem man auf die doppelte und dreifache Frequenz der Grundwelle (2. und 3. Harmonische) abstimmt und den relativen Skalenwert mit dem der Grundwelle (1. Harmonische) vergleicht, sofern es der Meßbereich dieses simplen Gerätes hergibt.

Viel Spaß beim Nachbauen!

mail
   
last update: 16.01.2001 home  back  top