Vorteiler
Englisch: prescaler
Ein Zählschaltkreis zur Reduzierung eines hochfrequenten elektrischen Signals auf eine niedrigere Frequenz durch ganzzahlige Division.
Prescaler: Frequenzteiler, der schnelle Signale herunterzählt
Ein Prescaler ist eine digitale Schaltung, die eine Eingangsfrequenz durch eine feste ganze Zahl teilt, typischerweise Zweierpotenzen wie 2, 4, 8, 16 oder 32. Er sitzt zwischen einer hochfrequenten Taktquelle oder einem Signalgenerator und einem Zähler oder Messinstrument, das die volle Eingangsrate nicht sicher verarbeiten kann. Der Prescaler enthält eine Kette von Flipflops, die nacheinander umschalten; nach N Taktimpulsen am Eingang erscheint ein einzelner Impuls am Ausgang.
Prescaler sind unverzichtbar in Frequenzzählern, Drehzahlmessern und Drehgebern, bei denen die Signalrate die maximale Zählgeschwindigkeit der nachgelagerten Logik bei weitem übersteigt. Ein typischer industrieller Frequenzzähler für 100-MHz-Signale könnte einen Teiler-10-Prescaler verwenden, um die Rate auf 10 MHz zu senken, bevor sie an die Hauptzählerkette weitergeleitet wird. Für HF- und Mikrowellenarbeit ausgelegte Halbleiter-Prescaler können Frequenzen über 1 GHz teilen; ältere Designs mit ECL-Logik arbeiten zuverlässig im unteren Gigahertz-Bereich.
Die Schaltung selbst besteht aus Binärzählern oder Johnson-Zählern, jede Stufe ist zu schnellem Betrieb fähig. Moderne Implementierungen nutzen integrierte Schaltkreise wie den 74HC390 (Teiler 100) oder spezielle CMOS-Designs für geringere Leistungsaufnahme. Das Teilungsverhältnis bestimmt sowohl den Eingangsffrequenzbereich als auch den Auflösungsverlust; ein Prescaler mit Teiler 100 reduziert das Rauschen, führt aber einen 100:1-Fehler in den am wenigsten signifikanten Ziffern ein.
Praktische Grenzen und Kompromisse
Die Prescaler-Auswahl erfordert ein Abwägen zwischen Empfindlichkeit, Geschwindigkeit und Genauigkeit. Ein Prescaler mit Teiler 2 erhält die Messauflösung, verlangt aber vom Zähler Betrieb bei halber Eingangsfrequenz. Ein Prescaler mit Teiler 1000 entspannt die Zählergeschwindigkeit, opfert aber Auflösung in den Einer- und Zehner-Positionen. In Drehzahlmesserschaltungen verhindern Prescaler, dass mechanische Vibrationen und elektrisches Rauschen falsche Zählimpulse erzeugen, aber eine Mittelung über mehrere Messfenster ist erforderlich, um die Genauigkeit wiederherzustellen.
Jitter und Metastabilität werden bei hohen Eingangsfrequenzen kritisch. Ein Prescaler, der nahe seiner Nennmaximumfrequenz arbeitet, kann bei zu langsamer Eingangssteilheit oder Abweichung des Tastverhältnisses von 50 Prozent erhöhtes Phasenrauschen oder verpasste Impulse aufweisen. Industrielle Designs enthalten häufig eine Schmitt-Trigger-Konditionierung vor dem Prescaler, um verrauschte analoge Signale zu saubern.