Frecuencímetros y Contadores Electrónicos

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1 3 Frecuencímetros y Contadores Electrónicos 3.1 Introducción Un contador convencional es un dispositivo electrónico digital que mide la recuencia de una señal de entrada, como medida indirecta del resultado de la cuenta directa de eventos. En su diseño también se incluyen las opciones de medida de periodos, cocientes entre las recuencias de las señales aplicadas a sus entradas, medidas de intervalos temporales entre dos eventos y uncionamiento en modo totalizador. El capítulo se estructura analizando as unciones de estos instrumentos en primer lugar, y abordando los contadores menos convencionales al inal. Se incluye el análisis de la técnica de empleo del instrumento. 3.2 Modo de operación recuencímetro La igura 1 muestra la disposición del instrumento mediante su diagrama de bloques en este modo de uncionamiento. Entrada Acondicionamiento Frecuencia a medir Puerta Contador-Registro Presentación Tiempo de puerta Flip-Flop o o/10 n Divisor de recuencias Fig. 1. Diagrama de bloques de un contador electrónico convencional en el modo de operación recuencímetro. La señal de entrada se acondiciona inicialmente con el in de hacerla compatible con los circuitos del contador. El resultado del acondicionamiento es un tren de pulsos, cada uno de los cuales representa un ciclo de la señal original. Con la puerta principal abierta, los pulsos pasan al registro-contador. La base de tiempos controla el tiempo de apertura de la puerta; este tiempo suele denominarse también tiempo de medida; y es el tiempo JJGDR-UCA 1

2 Instrumentación Electrónica. Juan José González de la Rosa que dura la realización de cuentas. La precisión de la medida depende de la precisión con que se determine este tiempo; es decir, el error cometido en la medida depende de la exactitud de la base de tiempos. En consecuencia, la mayoría de los contadores emplea osciladores de cristal con recuencias de 1, 5 ó 10 MHz como elementos básicos de temporización en sus bases de tiempos. El divisor de la base de tiempos toma esta recuencia y la divide en intervalos de décadas, que constituyen los tiempos de puerta en el modo recuencímetro y los pulsos a contar en el modo periodímetro. La siguiente expresión genérica permite expresar el número de pulsos (N) contabilizados por el instrumento en cualquiera de sus modos de operación: N = recuencia de pulsos contabilizar tiempo de puerta (t p ) (1) Obsérvese que en la expresión anterior multiplicamos el número de pulsos en la unidad de tiempo (la recuencia) por tiempo (de apertura de la puerta), con lo cual dimensionalmente resultan pulsos. Si los pulsos a contabilizar provienen del acondicionamiento de la señal de entrada, el modo de operación es recuencímetro y si provienen de la base de tiempos el modo se denomina periodímetro. En el caso del modo de operación recuencímetro, el número de pulsos contabilizados, N, se obtiene multiplicando la recuencia de la señal de entrada por el tiempo de puerta, que es la recuencia del oscilador o dividida en el divisor de recuencias. N = recuencia entrada tiempo base tiempos = e T o 10 n (2) Como sugiere la ecuación (2), la recuencia se mide contando el número de ciclos de una señal repetitiva y dividiendo el resultado de la cuenta por el tiempo durante el que se ha realizado la cuenta (tiempo de puerta). Por ejemplo, si el contador indica N =3.450 pulsos y el tiempo de puerta es t p = 0,1 seg., la recuencia de la señal es de Hz. La posición de la base de tiempos se escoge de orma que se tenga el número máximo de cuentas, ya que de esta orma el error de indecisión digital, ±1 cuenta, tiene menos inluencia (menos peso) sobre el resultado. La igura 2 muestra la cuenta de los pulsos provenientes de la entrada durante el tiempo de puerta, que viene impuesto por la base de tiempos en este modo de operación. En esta igura, la señal cuadrada representa el resultado de haber pasado la entrada (por ejemplo una señal sinusoidal) por un disparador de Schmitt. Como se observa en esta igura, la señal de la base de tiempos controla la puerta de orma que en un lanco de subida la abre y en el siguiente lanco de subida la cierra. Es decir, la señal de control de puerta es la salida de un biestable que recibe como entrada la señal de los divisores de recuencia. Es interesante subrayar que no existe sincronismo entre la entrada y la señal de control de la base de tiempos. En eecto, esta alta de sincronismo puede ser un inconveniente en este modo de operación, ya que lleva consigo la introducción de errores de indecisión digital. En consecuencia, el tiempo que dura abierta la puerta, o tiempo de medida, coincide con un periodo de la base de tiempos, t p =T o 10 n. Durante el tiempo de medida, los ciclos de entrada contenidos en el rectángulo discontinuo son los que pasan al contador de eventos. El número de ciclos contados durante el tiempo de medida establece la medida de la recuencia de la señal de entrada al instrumento. Por ejemplo, en la igura 2 se han contabilizado 6 pulsos o ciclos de entrada; suponiendo T o = 0,1 µs, y n=3, se tiene una recuencia medida de: 2 JJGDR-UCA

3 2 Frecuencímetros y Contadores Electrónicos ( ciclos) 3 10 ( seg. ) 6 4 cuentas = = = 6 10 e tiempo puerta ( Hz) = ( khz) Resulta interesante observar que un error de ±1 cuentas (indecisión digital) resulta crítico en situaciones como la anterior, ya que la incertidumbre en la medida oscila entre 50 y 70 khz en el caso considerado (una cuenta arriba o abajo). Por tanto, es aconsejable realizar muchas cuentas, con el in de que este error de cuantización quede atenuado, o se menos signiicativo. Umbral superior Señal de entrada Tensión central del ciclo de histéresis Umbral inerior T e Base de tiempos (reloj): T o 10 n Control puerta (salida del iliplop) T o 10 n Fig. 2. Medida de los pulsos de la entrada controlando la puerta con la base de tiempos (modo recuencímetro). La puerta no se abre en sincronismo con la entrada. La sensibilidad del instrumento a menudo se especiica en términos de la tensión de histéresis (ancho de histéresis). La sensibilidad no conviene que sea muy elevada, con el in de evitar que señales de ruido se acoplen en serie y provoquen alsas transiciones, que repercuten en el deterioro de la medida. 3.3 Modo de operación periodímetro Tiempo de puerta: El periodo es la magnitud inversa de la recuencia. En consecuencia, interesa medir el tiempo que emplea la señal de interés en completar un ciclo. Por tanto, la puerta debe mantenerse habilitada durante un ciclo de la señal de entrada, en el que se contabilizan los pulsos provenientes de la base de tiempos, cuya duración se conoce con gran exactitud. En consecuencia, el período de una señal se obtiene como el número de ciclos del oscilador contenidos en un período de la entrada. El número de pulsos es en este caso la recuencia de la señal proveniente de la base de tiempos multiplicada por el tiempo de puerta, que es el período de la señal de entrada. Es decir, la ecuación (1) se concreta en la (3): N p = recuencia base tiempos período entrada = ( o /10 n ) T e (3) JJGDR-UCA 3

4 Instrumentación Electrónica. Juan José González de la Rosa Si el número de pulsos N p es el resultado de promediar durante varios ciclos de la señal de entrada, la técnica se denomina promediado sobre varios periodos. Esta técnica se implementa dividiendo la recuencia de la señal de entrada según las décadas del divisor, que es la que controla el tiempo de apertura de puerta. 3.4 Error de puerta. Mejora de la resolución y precisión en el modo periodímetro Un error muy común en instrumentación es el de apertura de la puerta. Al medir recuencia, la puerta permanece abierta durante el tiempo que dura activa la señal de la base de tiempos. Si no se sincroniza esta señal con los pulsos a medir, tiene lugar la indecisión digital, ±1. Ésta adquiere relevancia a bajas recuencias. Por ejemplo, sobre una cuenta de diez pulsos en un segundo la recuencia medida oscilaría entre 9 y 11 Hz; esto supone una inexactitud del 10 %, inadmisible. El modo periodímetro obtiene mayor precisión y resolución al medir la recuencia de señales lentas. Por ejemplo, al medir 100 Hz en modo recuencímetro con un tiempo de puerta de 1 segundo se obtienen N = = 100 cuentas. En el mismo contador, con un oscilador de 10 MHz y n=0, N p = ,01=10 5 cuentas. En un contador de 8 dígitos (8 dígitos en el display) esto se traduce en 00000,100 khz (son 100 cuentas) y ,0 µs (10-2 segundos, 100 Hz) (son cuentas), en los modos recuencímetro y periodímetro respectivamente. En consecuencia, la resolución se mejora en un actor de 1000 al emplear el modo periodímetro. En el primero se realizan 100 cuentas y en el segundo Otro ejemplo que muestra la necesidad de medir en modo periodímetro se describe a continuación. Se desea obtener una resolución de 1/10 6, es decir, se desea un número de cuentas del orden de magnitud de un millón. Si el instrumento se dispone en modo recuencímetro y se aplica una señal de 10 MHz, el tiempo de puerta necesario para obtener la resolución deseada es: t N = 6 10 p = = 0, e 10 s Sin embargo, si deseamos la misma resolución en una señal de 10 Hz, el tiempo de puerta aumenta considerablemente: N t p = = = 10 s = 1, , 16 días 1 10 s e En consecuencia, en esta medida es por tanto necesario emplear el modo periodímetro. En este modo, para obtener la resolución deseada, si se dispone de un oscilador de o =10 MHz, la posición de la base de tiempos se obtiene a partir de la ecuación (3): s 10 6 = N p = 10 o n T e 7 10 ( s = n 10 1 ) 0,1 ( s) n = 0 Esto signiica que en un ciclo de la señal de entrada (0,1 segundos) se han contabilizado un millón de ciclos de la base de tiempos. Es decir, basta con emplear la posición inicial, sin división. En consecuencia, en 0,1 segundos durante los que se 4 JJGDR-UCA

5 2 Frecuencímetros y Contadores Electrónicos mantiene abierta la puerta, la menor porción de tiempo que se contabiliza es de 0,1 µs (provenientes de la base de tiempos). La igura 3 muestra esta situación. La resolución es de 0,1 µs en 0,1 s., ó de 1 µs en 1 s si éste uera el tiempo de puerta; en cualquier caso es de una parte en un millón ó 1/10 6. Si la entrada uera de 1 Hz, para n=0 se obtiene la resolución del instrumento, 0,1 µs = 100 ns. La resolución aumenta proporcionalmente a la recuencia del oscilador de cuarzo. Así, si o =100 MHz, la resolución pasa a 10 ns = N p = 10 o n T e 7 10 ( s = n 10 1 ) 1( s) n = 1 En resumen, la resolución es la menor porción de tiempo que puede ser contabilizada en un segundo de tiempo de apertura de puerta o tiempo de medida y viene dada por la recuencia del oscilador de la base de tiempos sin dividir. En este caso es de 10-7 s = 0,1 µs = 100 ns. T e = 0,1 s 0,1 µs Fig. 3. Medida del periodo de una señal con una resolución de 0,1 µs en 0,1 s. Resta por cuantiicar el límite entre ambos modos de operación. Éste viene descrito por la recuencia de cruce del instrumento. 3.5 Frecuencia de cruce La recuencia de cruce establece la separación entre ambos modos de uncionamiento (recuencímetro y periodímetro). Para obtener su expresión se igualan las cuentas en ambos modos de operación y se escoge un tiempo de puerta de 1 segundo en modo recuencímetro. N = entrada 1( seg)= base de tiempos T e = N p Esto signiica que, ija una posición de la base de tiempos, cuando el número de cuentas en modo recuencímetro para un tiempo de puerta de 1 segundo sea el mismo que el obtenido en el modo periodímetro (y en consecuencia actuando la entrada como señal de puerta), la recuencia de entrada que logre esta igualdad establece un límite superior de resolución. En consecuencia, conviene emplear el modo periodímetro para recuencias ineriores a la de esta entrada. Desarrollando la ecuación se obtiene la recuencia de cruce ( c ): e 2 = c 2 = = base tiempos c base tiempos De la expresión anterior se deduce que cada posición de la base de tiempos tiene asociada una recuencia de cruce. En los recuencímetros tradicionales, como por JJGDR-UCA 5

6 Instrumentación Electrónica. Juan José González de la Rosa ejemplo el modelo HM , mostrado en la Fig. 4 el usuario debe calcularla a priori y decidir la resolución deseada. 3.6 Promediado de periodos Fig. 4. Contador-recuencímetro HM Con el in de mejorar la precisión y la resolución en el modo periodímetro el instrumento suele incorporar la posibilidad de extender el tiempo durante el que permanece abierta la puerta, o tiempo de medida. Por ejemplo, si ésta se mantiene abierta diez veces más dividiendo por diez la recuencia de entrada, se obtienen diez veces más cuentas. El resultado inal se corrige desplazando del punto decimal. En este caso, el diagrama de bloques se altera haciendo pasar por la puesta al oscilador sin dividir su recuencia y controlando la puerta con la recuencia de entrada dividida por la base de tiempos. N p = recuencia oscilador período entrada aumentado = o T e 10 n Obsérvese que el tiempo de puerta es ahora T e 10 n, por lo que el tiempo de medida es 10 n veces mayor, manteniéndose la resolución del instrumento (dada por la recuencia del oscilador de la base de tiempos). Este inconveniente puede solucionarse dividiendo también la recuencia del oscilador y eligiendo la combinación recuencia del osciladortiempo de promediado óptima. 3.7 Medidas de cocientes de recuencias Si la magnitud de interés es el cociente entre las recuencias de dos entradas el instrumento adopta la disposición de la igura 5. En lugar del oscilador de la base de tiempos, se emplea el otro canal de entrada, con su correspondiente acondicionamiento con el in de determinar el tiempo de puerta. Además, se inhibe la indicación de unidad de medida, ya que la magnitud de interés es adimensional. Aunque el reloj interno no se utilice, las distintas posiciones de la base de tiempos vienen determinadas por su valor nominal. Así por ejemplo, si la recuencia del oscilador es de 1 MHz, entonces la posición n=0 corresponde a 1 µs, la correspondiente a n=1 equivale a 10 µs de tiempo de puerta, y así sucesivamente. 6 JJGDR-UCA

7 2 Frecuencímetros y Contadores Electrónicos Entrada de mayor recuencia Acondicionamiento T 1 Puerta Contador-Registro Presentación Flip-Flop Entrada de menor recuencia Acondicionamiento T 2 T 2 *10 n Divisor de recuencias Fig. 5. Disposición del instrumento para la medida de relación de recuencias. Con el in de mostrar la operación del instrumento en este modo de uncionamiento se considera el siguiente ejemplo. Si 0 =1 MHz, 1 =1 MHz y 2 =500 khz, para n=0 se obtiene la medida: N = recuencia mayor período recuencia menor = 1 T N = = = Para n=1, la puerta se mantiene abierta diez veces más y la cuenta queda multiplicada por este actor: N = = = En este caso la lectura se acompaña de un desplazamiento del punto decimal con el in de proporcionar una lectura de 2, Medida de intervalos de tiempo La igura 6 muestra el diagrama de bloques básico en este modo de operación. Comienzo Fin Acondicionamiento Acondicionamiento Flip- Flop Abrir Cerrar Puerta Contador y presentación Divisor de recuencias Fig. 6. Disposición del instrumento para la medida de intervalos de tiempo. La puerta se controla mediante dos entradas independientes, comienzo y in, que se encargan de abrirla y cerrarla, respectivamente. Durante el tiempo en que está abierta, el contador acumula la cuenta de pulsos provenientes de los divisores de la base de tiempos. La igura 7 muestra la disposición del lip-lop de control de puerta y la operación mediante las señales de comienzo y in. JJGDR-UCA 7

8 Instrumentación Electrónica. Juan José González de la Rosa Reloj Comienzo S Q Cuenta acumulada Fin R Reloj Comienzo Fin Control de puerta, Q Pulsos al contador Fig. 7. Disposición de conducción directa de la puerta. En el cronograma se omiten los retardos del biestable. Si las anchuras de los pulsos truncados 1 y 4 que pasan al contador son suicientes, el contador introducirá dos cuentas de error, siendo el resultado 4 en lugar de 2, que correspondería a la cuenta de los dos pulsos completos englobados por el tiempo de puerta, o duración real de la medida. Esto signiica que el error introducido por la conducción directa de la puerta puede ser de más de una cuenta. Este tipo de errores introducen un sesgo signiicativo con respecto a la lectura esperada. La conducción sincronizada de puerta soluciona este problema y se emplea en la técnica de promediados de intervalos de tiempo. Las señales de comienzo y in pueden provenir de la misma entrada o de entradas distintas. En el primer caso la magnitud de interés es la duración entre dos puntos de una misma señal; en el segundo puede ser el desase entre dos señales de la misma recuencia. En este último caso deben escogerse la misma pendiente de disparo y el mismo nivel de disparo. Un conmutador externo se encarga de discriminar entre los dos modos de operación. Con el in de aumentar la resolución también se emplean promediados en la medida de intervalos de tiempo. 3.9 Modo totalizador 1 4 La igura 8 muestra el diagrama del instrumento en este modo de operación, que es similar a la disposición para la medida de recuencias. 8 JJGDR-UCA

9 2 Frecuencímetros y Contadores Electrónicos Entrada Acondicionamiento Inicio/in Puerta Contador-Registro Presentación Flip-Flop o o/10 n Divisor de recuencias Fig. 8. Disposición en modo totalizador. Los instantes inicio y in de la totalización pueden también controlarse desde el panel rontal del instrumento Otras unciones que puede incorporar un contador convencional Se describen aquí otras unciones que a veces emplea o incorpora un contador convencional y que suelen emplearse en situaciones especíicas Contadores normalizadores y contadores controladores (preset counters) Presentan la recuencia medida multiplicada por una constante de normalización que puede seleccionarse desde el panel rontal o incorporarse de orma automática a partir de una memoria. Esta técnica suele emplearse en aplicaciones industriales de medida de rpm (revoluciones por minuto) o en mediciones de caudal. Los contadores controladores entregan una salida eléctrica cuando la cuenta supera una cantidad que es seleccionada. La salida eléctrica se emplea para controlar otro dispositivo. La consigna se especiica en rpm Contadores con preescalado La velocidad de la puerta principal y de los registros del contador son dos elementos que limitan la iabilidad del contador a altas recuencias. La adición de un preescalador (divisor) solventa este inconveniente. Antes de aplicar la señal a la puerta principal y después del acondicionamiento de entrada, se divide la recuencia de entrada por un actor N. Sin embargo, la puerta principal ha de mantenerse abierta N veces más con el in de acumular el mismo número de cuentas en el registro contador. Esto supone por tanto un compromiso entre ancho del banda y velocidad de respuesta del contador para lograr la resolución deseada. Esta opción suele usarse como alternativa de bajo coste en contadores de alta recuencia; surge como alternativa a los modelos de cuenta directa en un ancho de banda máximo de 500 MHz Contadores con preselector El preselector es un bloque que permite establecer un valor de salida inicial del contador. Este bloque de inicialización se conecta a un contador, que es el principal u otro adicional que, o se conecta después del acondicionamiento de entrada o después del oscilador de cristal de la base de tiempos. La orma de conectarlo determina la unción realizada. JJGDR-UCA 9

10 Instrumentación Electrónica. Juan José González de la Rosa Si el preselector se conecta al contador principal recibe el nombre de aritmético y se utiliza para sumar y restar recuencias. La igura 9 muestra la disposición de los bloques. Entrada Acondicionamiento Inicio/in Puerta Contador-Registro Presentación o Flip-Flop o/10 n Divisor de recuencias Preselector Fig. 9. Contador con pre-selector aritmético. Por ejemplo, si se desea sumar se carga la primera recuencia y se cuenta la segunda; si se quiere restar se carga el complemento binario de la primera y se cuenta la segunda Contadores automáticos para microondas La velocidad de operación de un contador viene limitada por el ancho de banda de sus circuitos electrónicos digitales. Hoy día, el estado del arte de los circuitos digitales permite abarcar aproximadamente hasta los 500 MHz; quizá se haya logrado ya un ancho de banda de 1 GHz. Más allá de estos límites el diseño se basa en técnicas de conversión hacia abajo ( down-conversion techniques ). Éstas técnicas son las siguientes: Preeescalado, con un rango de hasta 1,5 GHz y descrita con anterioridad. Convertidor heterodino. Es sencillo encontrar modelos de hasta 20 GHz y se puede llegar hasta 40 GHz. Oscilador de transerencia: hasta 23 GHz. Convertidor heterodino de armónicos. Esta nueva técnica (en pleno desarrollo) permite llegar hasta los 40 GHz Convertidor heterodino La recuencia desconocida ( x ) (en la banda de las microondas) se mezcla con un armónico (n int ), de una recuencia conocida ( int ), que se genera internamente en base a la recuencia del oscilador de cristal. Este armónico es próximo a la recuencia desconocida con el in de que la dierencia entre ambas entre dentro del margen de recuencias de un contador tradicional (500 MHz). La igura 10 muestra el diagrama de bloques del instrumento, donde se destaca la zona del instrumento donde se realiza la unción de conversión hacia atrás. La recuencia interna ( int ), muy estable, es a su vez un múltiplo de la recuencia del oscilador de cristal de la base de tiempos del instrumento ( o ). El resultado de esta multiplicación es típicamente 100 ó 500 MHz. La salida del multiplicador se conecta a un generador de armónicos que entrega una secuencia de armónicos equiespaciados en int, que se extienden a todo el rango de recuencias del contador. La máxima recuencia del generador de armónicos determina el margen de medida del instrumento. El armónico n-ésimo, n int, es seleccionado por un iltro selectivo controlado por microprocesador. 10 JJGDR-UCA

11 2 Frecuencímetros y Contadores Electrónicos Mezclador Ampliicador de Puerta x vídeo Schmitt n int Interruptor, iltro sintonizable Generador de armónicos x ±n int x -n int Báscula de int = ko Amp AGC Control iltro Multiplicador Amp CC Detector señal Flip-Flop Contador -Registro Presentación Procesador Fig. 10. Diagrama de bloques que implementa la técnica de conversión heterodina. En línea discontinua se muestra el bloque de conversión hacia atrás. La salida del mezclador es una señal de video con recuencias, x ± n int. Un ampliicador de video paso-baja se encarga de eliminar la componente de mayor recuencia, y se mide la de recuencia menor, que queda dentro del rango del contador convencional. La recuencia dierencia es la primera que queda por debajo del límite del contador convencional, y es detectada por el iltro sintonizable. El display muestra la suma de la recuencia de video y la del contador: n int + x - n int = x. La primera es proporcionada por el procesador. Con el in de cuantiicar la operación se considera un ejemplo. Contador convencional con capacidad de 500 MHz, o =10 MHz. Multiplicador de recuencia X50. Salida del multiplicador de 500 MHz. Armónicos: 500 MHz, 1 GHz, 1,5 GHz, 2 GHz, etc. Si la recuencia desconocida es de 10 GHz, el primer armónico que hace que la recuencia dierencia quede dentro de los límites del contador convencional corresponde a n=19. En eecto: Oscilador de transerencia o Divisor de recuencias 10 GHz - n 500 MHz = 500 MHz (margen de medida) 9,5 GHz=0,5 GHz n de donde n = 19 La técnica empleada por el oscilador de transerencia consiste en enganchar en ase un oscilador de baja recuencia a la señal de microondas. Una vez enganchado, la recuencia del oscilador de baja recuencia se puede medir en un contador convencional. Sólo resta por determinar el armónico del oscilador de baja recuencia que engancha con la entrada. La igura 11 muestra el diagrama de bloques de este instrumento. En él se debe comprender el uncionamiento del lazo de enganche de ase, en un principio, de una orma cualitativa. El lazo de enganche de ase (PLL; Phase Locked Loop) sintoniza la salida del ampliicador de video con la recuencia interna de reerencia del contador convencional ( o ). Es decir, las dos recuencias de entrada al PLL coinciden y se mantiene la situación de desase constante. Este desase se traduce en una salida del oscilador controlado por tensión (VCO; Voltage Controlled Oscillator) de tensión continua. Si la entrada varía, el control automático del PLL mantiene la situación de sintonía dentro del margen del JJGDR-UCA 11

12 Instrumentación Electrónica. Juan José González de la Rosa enganche. En el recuencímetro convencional se mide la recuencia del VCO. En situación de enganche: o = x n VCO X Mezclador Ampliicador vídeo X ± n VCO X n VCO n VCO PLL Detector de ase o Generador de armónicos VCO VCO Señal de CC Fig. 11. Diagrama de bloques del oscilador de transerencia. VCO Frecuencímetro 3.12 Límites y ajustes prácticos de la entrada en el empleo de contadores El circuito de entrada de un contador básicamente consta de un atenuador, un ampliicador y una báscula de Schmitt. Éste último convierte la señal analógica de entrada en una señal digital compatible con los circuitos internos del contador. Para que se realice la cuenta eicazmente hemos de considerar los siguientes parámetros Sensibilidad y acoplamientos CC-CA La sensibilidad se deine como el mínimo valor de entrada que puede contarse. Se especiica en términos del valor eicaz de una entrada senoidal. En la práctica viene dada por la ganancia del ampliicador y la tensión de histéresis de la báscula. El ancho de histéresis proporciona inmunidad al contador contra el ruido, que puede provocar alsas cuentas si se acopla a la señal de entrada. En consecuencia, no conviene disminuir en exceso el ancho de histéresis con el in de aumentar la sensibilidad del contador; ya que puede ser perjudicial en ambientes ruidos. Por otra parte, el eecto del ruido en un contador depende de su impedancia de entrada, cuanto mayor es ésta más susceptible de ser aectado por el ruido es el contador. La igura 12 muestra cómo para que se produzca una cuenta en el registro del contador, la señal debe sobrepasar tanto el umbral superior como el inerior. 12 JJGDR-UCA

13 2 Frecuencímetros y Contadores Electrónicos Fig. 12. Inmunidad de un contador al rizado produido por señales de ruido. Obsérvese que a pesar de que la señal de entrada posee acoplada una señal de ruido, el ciclo de histéresis le proporciona inmunidad y no se producen alsas cuentas. Por otra parte, dependiendo de si el acoplamiento de la entrada es en CC o en CA, así se podrán producir o no estos alsos cruces por cero. La situación se muestra en la igura 13. Fig. 13. Dependiendo del aoplamiento de la señal de entrada se podrán o no producir las cuentas. Como regla práctica se recomienda pulsar el botón de acoplamiento si hubiere estancamiento de la cuenta Nivel y pendiente de disparo En el caso en que se estén contabilizando pulsos como señal externa que se inyecta al contador, surgen problemas si el ciclo de trabajo del tren de pulsos objeto de la medida es bajo. Además, en señales con ciclos de trabajo variables no se puede emplear el acoplamiento en CA para resolver el problema de la no realización de cuentas. Esto es JJGDR-UCA 13

14 Instrumentación Electrónica. Juan José González de la Rosa porque el punto de disparo varía con el ciclo de trabajo y el operador no sabe dónde están situados los niveles de la señal en relación a la tierra del ampliicador. La situación se muestra en la igura 14, donde se ilustra cómo al mover el punto central del ciclo de histéresis ya son posibles las cuentas. Fig. 14. Ajuste del nivel de disparo para la producción de cuentas. La línea continua representa la tierra del ampliicador. La mayoría de los contadores incorpora un mando de tres posiciones para escoger una de las tres situaciones marcadas en la igura 14. La posición por deecto es la de (a), la posición etiquetada + corresponde a la igura (b), mientras que la etiquetada como - corresponde a la igura (c). Ésta última corresponde a pulsos negativos. Los modelos de contadores más soisticados incorporan un ajuste continuo del nivel de disparo., ajustable en todo el rango dinámico de la señal de entrada. El control de pendiente de un contador determina si la báscula de Schmitt es activada por el lanco positivo o por el negativo de la señal de entrada. Dependiendo de cuál sea la situación el pulso se generará en el umbral superior o en el inerior del ciclo de histéresis Contadores recíprocos Características principales Este conjunto de instrumentos (actualmente casi todos los contadores operan según este principio) realizan siempre una medida del periodo de la señal como punto de partida para posteriores cálculos. Si la magnitud de interés es la recuencia, ésta se calcula como la inversa del periodo y se muestra en el display de orma directa. Esta técnica se ha extendido en el diseño de contadores debido a dos características principales: El error de cuantización o error de ±1 es independiente de la recuencia de la señal de entrada (en modo periodímetro depende sólo de la recuencia de la base de tiempos). Por consiguiente, la resolución del instrumento es independiente de la recuencia de la señal de entrada. Se puede controlar la puerta principal en tiempo real. A este rasgo se le denomina capacidad de rearme de la puerta (arming gate). 14 JJGDR-UCA

15 2 Frecuencímetros y Contadores Electrónicos Con el in de apreciar las ventajas de este método basta considerar los errores asociados a la indecisión digital, ±1 en los modos recuencímetro y periodímetro. En el modo de uncionamiento recuencímetro, el error cometido es el inverso en la recuencia de la señal de entrada ±1/ e, mientras que en el modo periodímetro este error vale ± T o /max(t e, t p ), ya que la apertura de la puerta se controla en este caso por la señal de entrada. Como se aprecia, en el modo periodímetro, si el usuario ha seleccionado un tiempo de puerta mayor que el periodo de la señal de entrada, el instrumento tomará el tiempo de puerta seleccionado. Sin embargo, si el periodo de la señal de entrada es mayor que el tiempo de puerta, dará tiempo a que se produzca un nuevo rearme. Por ejemplo, si o =10 MHz y t p = 1 s, en un rango de recuencias de entrada de 1 Hz- 10 MHz el error en modo recuencímetro disminuirá de 1 s hasta 10-7 s, para todo el rango considerado. Sin embargo, el error en modo periodímetro siempre vale T o /max (T e, t p )= T o /t p =10-7 s. En consecuencia para recuencias menores de 10 MHz, es recomendable el modo periodímetro, ya que posee una mayor resolución para recuencias menores que la del reloj interno. La situación se muestra en la igura 15. Error de cuantización Error = T o /max(t e, t p ) Modo periodímetro 10-7 Hacia menor error Error = 1/ e Modo recuencímetro Fig. 15. Error en un contador recíproco para un tiempo de puerta de 1 s Descripción operativa 1 Hz 10 MHz Frecuencia de entrada El diagrama de bloques básico de un contador recíproco es similar al de un contador convencional salvo por el detalle de que incorpora dos registros contadores en lugar de uno. Un registro está destinado a la cuenta de ciclos de reloj y el otro está destinado a la cuenta de impulsos generados por los ciclos de la señal de entrada. Ambos contadores contabilizan impulsos durante el mismo tiempo de puerta. La igura 16 muestra un sencillo diagrama de bloques en el que se aprecian los anteriores elementos. La igura 17 muestra una situación de medida que involucra una señal sinusoidal. En ella se aprecia que después del lanco de subida de la señal correspondiente al tiempo teórico de puerta, se produce el rearme en el primer lanco de subida de la señal de entrada. Cuando la señal del tiempo teórico de puerta haya regresado a nivel bajo se esperará al siguiente lanco de subida de la señal de entrada para concluir la señal de tiempo eectivo de puerta. Al igual que sucede en los contadores convencionales, en cada lanco JJGDR-UCA 15

16 Instrumentación Electrónica. Juan José González de la Rosa de subida de la señal de entrada se producirá un evento o pulso que es contabilizado en su correspondiente contador. Al mismo tiempo, los pulsos de reloj son empleados para calcular el tiempo eectivo de puerta. Eventos Contador de eventos Tiempo eectivo de puerta Contador de tiempo real Reloj interno Fig. 16. Diagrama de bloques de un contador recíproco. Tiempo teórico de puerta Tensión central del ciclo de histéresis T e Tiempo eectivo de puerta Reloj con el que se cuenta el tiempo real Fig. 17. Situación de medida cuasi-didáctica de un contador recíproco. En la igura 18 se aprecia un caso práctico de medida cuyas señales se han capturado en un osciloscopio digital. En este caso se contabilizan 8 eventos (ciclos) de la señal de entrada comprendidos dentro del tiempo eectivo de puerta. Éste se mide con los cursores del osciloscopio y resulta 4,28 s. Por tanto, la recuencia de la entrada vale 8 ciclos/4,28 s. 1,870 Hz. 16 JJGDR-UCA

17 2 Frecuencímetros y Contadores Electrónicos Fig. 18. Caso prácticode medida de un contador recíproco. Reerencias [1] Hewllet Packard, Fundamentals o the electronic counters, AN 200, Electronic counter series, [2] W.D. Cooper and A.D. Helrick, Instrumentación electrónica moderna y técnicas de medición, Prentice-Hall. Hispanoamericana, [3] R. Pallás, Instrumentación electrónica básica, Marcombo, Boixareu editores, [4] S. Wol, y R.F.M. Smith, Guía para mediciones electrónicas y prácticas de laboratorio, edición ampliada y actualizada. Prentice-hall hispanoamericana. méxico, etc., JJGDR-UCA 17