Eingangsverstärker für den Arduino Frequenzzähler 10 Hz bis 10 MHz

Für den Arduino Uno Frequenzzähler wird ein Eingangsverstärker entwickelt um auch kleinere Signale messen zu können und den Arduino zu schützen.

Die Forderungen

Eine einfache 5V Spannungsversorgung.
Eine Transistor Schaltung für kleine und hohe Eingangsspannungen.
Ein breiter Frequenzbereich soll abgedeckt werden, von wenigen Hz bis 8 MHz.
Nur Standard Bauteile kommen zum Einsatz.
Am Ausgang soll eine saubere 5V TTL Spannung enstehen.

Die Schaltung

Eingangsverstärker

Eingangsverstärker

Die Bauteile

Es werden BC547B Transistoren verwendet mit einer Transitfrequenz (Verstärkung = 1) von ca. 300 MHz. Die sollten bis 8 MHz ausreichend Verstärkung haben.

Um die Schaltung zu schützen wird ein Eingangswiderstand und 2 Dioden gegeneinander zu Masse geschaltet. Der 1kOhm Widerstand muss bei 30V knapp 30mA Strom vertragen, was eine Gleichspannungs Verlustleistung von 0,9W ergibt. Bei einer Wechselspannung ist das ca. die halbe Leistung, also 0,5W. Es kann ein Metallschicht Widerstand verwendet werden. Die Dioden 1N4148 sind mit 30mA auch weit unter ihrem Maximalstrom von 300mA.

Die erste Stufe wird mir einem Kondensator gekoppelt um einen stabilen Gleichspanungsarbeitspunkt zu bekommen. Für kleine Frequenzen wird ein 4,7uF Keramik Kondensator vorgeschaltet. Zur Sicherheit für den Resonanzfall wird ein 100nF Kondensator parallel geschaltet. Im Emitter wird ein Widerstand verwendet um die Schaltung etwas hochohmiger zu machen, dafür sinkt die Verstärkung. Der CB Widerstand R2 wird auf eine Kollektorspannung von ca. 2,5V ausgelegt.

Die zweite Stufe wird auch über einen Kondensator gekoppelt, hier 2 x 4,7uF parallel zu 100  nF, da die Ausgangsspannung der ersten Stufe höher ist und diese 2. Transistorstufe ohne Emitterwiderstand im Eingang niederohmiger ist.

Dahinter ist ein Inverter eingesetzt. Das wird in der Schaltung später ein 7400 TTL Baustein werden. Hier reicht ein Koppelkondensator von 100nF. Damit ist eine saubere 5V TTL Ausgangsspannung gegeben, die direkt an den Arduino Uno Pin gelegt werden kann.

Die Simulationsergebnisse

Die Ergebnisse sind im Zeitbereich dargestellt für jeweils einige Schwingungen.
Rot > Eingangssignal
Blau > Signal nach der 1. Transistor Stufe
Grün > Ausgangssignal des idealen Inverters (hier 1V, später mit dem TTL Baustein 5V)

Eingangsspannung 10Hz / 10mV

Eingangsspannung 10Hz / 10mV

Eingangsspannung 2MHz 1mV

Eingangsspannung 2MHz 1mV

Eingangsspannung 10MHz 10mV

Eingangsspannung 10MHz 10mV

Bei 10MHz macht sich die Verstärkungsabsenkung (ft=3MHZ) schon deutlich bemerkbar, sodass hier 10mV Eingangssignal anliegen sollten.

Die Simulation wurde mit LT-Spice durchgeführt, das bei Linear Technology kostenlos zur Verfügung steht.

von Matthias Busse

Ein Gedanke zu „Eingangsverstärker für den Arduino Frequenzzähler 10 Hz bis 10 MHz

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