TEMA 4 “FRECUENCÍMETROS Y CONTADORES”

1.- FUNCIONES Y TIPOS:

Un contador es un instrumento que cuenta el número de eventos producidos entre un instante inicial y un instante final, elegidos a voluntad, y presenta el resultado de forma numérica.

Frecuencia: es el número de ciclos de una señal que tiene lugar por unidad de tiempo.

Debido a que la frecuencia y el tiempo va relacionados entre sí hay frecuencíometros que además de medir frecuencia, miden el periodo, intervalos de tiempos y anchuras de pulsos.

Clasificación por su función y alcance de medida:

• Frecuencímetros

• Frecuencímetros y periodímetros.

2.- ESQUEMA DE BLOQUES:

Fig: Esquema de bloques de un frecuencímetro.

• El núcleo funcional: Unidad controladora y de presentación, que realiza la cuenta en código decimal.

• Década: Consta de un contador hasta 10, una memoria que fija la lectura, un decodificado (BCD - 7 segmentos), un elemento de presentación de / segmentos (Led o LCD) con su excitador.

• Circuito de entrada: Adecua la señal a los circuitos internos siguientes.

• Unidad de control: Determina la señal que se va a contar y durante cuanto tiempo.

• Base de tiempos: Ofrece varios intervalos de tiempo, conocidos con exactidud, bien para que se pueda determinar el tiempo que permanecerá abierta la puerta, bien para disponer de una señal de frecuencia conocida. La señal de partida se obtiene de un oscilador interno o externo.

• Microprocesador: Habitual en instrumentos actuales, realizando funciones de autocalibración, autodiagnóstico, etc.

3.- CIRCUITOS DE ENTRADA Y PUERTA:

Este circuito convierte la señal de entrada en señal digital con dos niveles lógicos.

• Selector: Acopla la señal en continua o en alterna esto de hace atrabes de un condensador, el acoplamiento en continua es necesario para medidas de baja frecuencia. El selector determina en parte el margen de frecuencias de medida.

• Atenuador: Es un divisor de tensión conmutable, y aveces ajustable, adepta la amplitud de la señal de entrada a la anchura de la banda de histéresis (para rechazar el ruido), según el tipo de medida de que se trate.

Medida de frecuencias: Banda de histéresis ancha.

Medida de tiempos: Pequeña anchura de ciclo de histéresis.

• Circuito de control automático de ganancia (CAG): Varia automáticamente la amplificación o atenuación de la entrada para adaptarla al ancho de histéresis. Se emplea a alta frecuencia (> 100 Mhz).

• El limitador: Protege los circuitos siguientes frente a sobrecargas constituido por diodos zener. Determina el valor límite de los picos de la señal.

• El Amplificador: Actúa como transformador de impedancia, alta impedancia de entrada y baja de salida, determina el margen dinámico, máxima excursión pico-pico de la señal de entrada respecto al nivel de disparo.

• El Circuito de Disparo: Recuadra la señal. No esta basado en un nivel de salida único, sino que el nivel de disparo tiene un ciclo de histéresis. La anchura del ciclo determina la sensibilidad del instrumento, Spp= E1-E2.

Para tener alta sensibilidad el ciclo de histéresis debe se estrecho y ello produce baja inmunidad al ruido.

Para emplear el instrumento correctamente, el valor pico-pico de la señal no debe exceder del margen de amplitud, su valor pico-pico no debe rebasar el margen dinámico y, una vez atenuada, su valor pico-pico debe ser superior al ancho del ciclo de histéresis.

4.- BASE DE TIEMPOS:

Consta de un oscilador y de una cadena de décadas divisoras de frecuencia. El oscilador se basa en un cristal de cuarzo encapsulado. Las derivas de la frecuencia del oscilador pueden provocar errores de medida importantes, por eso deben reducirse al mínimo. Las derivas con el tiempo (envejecimiento) se deben a cambios estructurales del cuarzo, debidos a imperfecciones en la estructura y a tensiones mecánicas. Las derivas con la temperatura no siguen una evolución lineal, para su reducción, se procede a una compensación o al termostato, algunos incluyen un elemento sensible a la Tª.

Los osciladores de cristal compensados en temperatura (TCXO) incorporan un elemento sensible a la temperatura, que provoca e la frecuencia de oscilación una variación opuesta a la que produce la acción de la temperatura en el cristal.

Con el termostato se persigue mantener el cristal a temperatura constante.

5.- MODOS DE FUNCIONAMIENTO:

La secuencia de operaciones que realiza la unidad de control pasa desapercibida al usuario.

5.1.- TOTALIZACIÓN:

La configuración interna es simplemente medir eventos, en este caso no se utiliza la base de tiempos y el accionamiento de la puerta se hace desde el exterior empleando un mando con dos posiciones START - STOP.

5.2.- MEDIDAS DE FRECUENCIA:

Para medir la frecuencia se cuenta la señal de entrada (una vez cuadrada) durante un tiempo conocido.

Para ello se controla la puerta a partir de la base de tiempos. EL número de cuentas será:

5.3.- MEDIDA DE RELACIÓN DE FRECUENCIA:

Si la magnitud que interesa es la relación entre dos frecuencias, la disposición del instrumento es similar al modo de frecuencia, pero en vez de un oscilador de referencia se emplea otro canal de entrada, igual al habitual, a donde se lleva la señal más lenta. El número de cuentas será:

5.3.- MEDIDA DE PERIODOS:

El periodo de una señal y su frecuencia son magnitudes inversas. La medida del periodo se hace de forma inversa a la medida de frecuencia, intercambiando entrada y puerta. El número de cuentas obtenido será

El periodo puede que interese en sí o como alternativa a la medida de frecuencias pequeñas, pues para tener alta resolución, en la medida de frecuencias, se necesita un tiempo de puerta grande. Además si el tiempo de puerta es lento el tiempo de puerta puede ser desorbitado.

La resolución esta limitada por la frecuencia del oscilador (fo), se elige de acuerdo con la máxima que admite la puerta y la primera década de los contadores, y por el número de etapas divisoras, n, que se elige de acuerdo con la estabilidad de fo.

Fig: funcionamiento como periodímetro

Para mejorar la precisión en la medida de periodos de puede extender el tiempo durante el que permanece abierta la puerta.

Fig: Promediado de periodos

5.5.- MEDIDA DE INTERVALOS DE TIEMPO:

La medida de un periodo es la medida del intervalo de tiempo transcurrido entre dos puntos iguales. Si se necesita medir entre dos puntos diferentes de la misma señal o de señales distintas se utiliza el siguiente proceso.

Fig: Medida de intervalos

El funcionamiento se parece al de un totalizador en que hay señal de comienzo y de fin, y al de modo período porque se cuenta la señal de oscilador de referencia.

Fig: Promediado de intervalos de tiempo.

5.6.- MEDIDA DE ANCHURA DE PULSOS:

Se procede de forma similar al modo periodo, pero en cada ciclo se obtiene dos impulsos de disparo, uno a la subida de la señal y otro a la caída según el esquema, en este caso también se pueden realizar promedios.

Fig: Medida de anchura de pulsos

5.7.- AUTOCOMPROBACIÓN:

Algunos instrumentos permiten realizar una autocomprobación, consistente en conectar la señal de su propio oscilador como entrada a la puerta.

Fig: Modo Autocomprobación

Así detectamos la presencia de errores, pero no las posibles variaciones de fo.

6.-CONTADORES ESPECIALES:

6.1.- CONTADORES CON PRESELECTOR:

Establecen un valor de salida inicial en el circuito contador, de modo que las cuentas adicionales se acumulan a dicho valor.

6.1.1.- Contadores con preselector de registro o aritmético:

Se selecciona mediante conmutadores con salida decimal un número en el contador, a partir del cual se empieza a contar, se aplica para sumar y restar frecuencias.

Fig: Contador con preselector aritmético

6.1.2.- Contadores con preselector de entrada:

Se les añade un contador de entrada, el cual preselecciona, la lectura obtenida es:

Fig: Contador con preselector de entrada.

6.1.3.- Contador con preselector en la base de tiempos:

Se tiene una situación reciproca a la del caso anterior, obteniendo con este tipo lecturas en unidades de medida industriales. (rev/min, rad/s, etc).

Fig: Contador con preselector en la base de tiempos

En este caso la lectura será:

6.2.- CONTADORES PARA ALTA FRECUENCIA:

Para frecuencias mayores de 500 Mhz, se procesa la frecuencia de entrada hasta obtener una frecuencia que quede dentro del margen de los instrumentos convencionales. Existen tres técnicas para hacer esta conversión de frecuencia:

6.2.1.- Preescaladores:

Dividen la frecuencia a medir por un factor, que se aplica también a la extensión del tiempo de puerta, quedando en los márgenes del instrumento.

6.2.2.- Convertidor Heterodino:

En el se mezcla la frecuencia a medir con una frecuencia conocida, generada internamente, y suficientemente próxima a la desconocida como para que la frecuencia diferencia entre en el margen de medida de un contador convencional.

Fig: Convertidor heterodino para contador

6.2.3.- Oscilador de Transferencia:

Generación de una frecuencia interna con un oscilador, estabilizado por un PLL, según la frecuencia de referencia del contador, y sintonizado de modo que un armónico suyo produzca un batido nulo al mezclarlo con la señal a medir.

Fig: Método del oscilador de transferencia.

7.- ERRORES:

Aparte de los posibles errores de manejo que pueda cometer el usuario, en los frecuencímetros hay dos tipos de errores; los inherentes, y los que dependen del modo de funcionamiento.

7.1.- ERRORES INHERENTES:

El primer error a considerar es el ±1 cuenta. Debido a la falta de sincronismo entre las dos señales que pasan por la puerta, y a que no se pueden contar fracciones de pulso. Dicho error se produce en cada ciclo de apertura y cierre de la puerta.

7.2.- ERRORES DEPENDIENTES DEL MODO DE FUNCIONAMIENTO:

En modo frecuencia, las fuentes de error son los errores inherentes siendo el resultado de la medida:

el error relativo vendrá dado por

siendo b la deriva de la base de tiempos.

Además se produce errores de utilización cuando se midan señales moduladas. Si existe ruido superpuesto a la señal de interés (baja pendiente), en la zona donde se sitúe el nivel de disparo. Para reconocerlo hay que empezar midiendo con la menor atenuación posible, e irla aumentando hasta obtener una lectura estable. En este punto el ciclo de histéresis tiene mayor anchura que el valor pico a pico del ruido.

Además hay que añadir el error de disparo; la señal que abre y cierra la puerta no es la del oscilador principal o las de la base de tiempos, que tienen flancos bien definidos, sino la señal a medir. Esta puede estar contaminada por ruido, de modo que la puerta no se abra en el momento adecuado.