1653640200.FrecuencímetroDigitaBajaF1_12

7/25/2019 1653640200.FrecuencmetroDigitaBajaF1_12

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UNIVERSIDAD TECNOLGICA

NACIONALFACULTAD REGIONAL TUCUMN

Ingeniera Electrnica Meia!Electrnica! II

Ing. J.C. Colombo

Prof. Medidas Electrnicas II

"#$%&$"'


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1.- Introduccin

Utilizando diversos componentes digitales, su lgica de funcionamiento y la posibilidad deprogramacin mediante microprocesadores, y ltimamente con el surgimiento de DSP, se han

diseado y construido una variedad importante de instrumentos digitales, tambin conocidoscomo, medidores digitales! "os mismos se aplican en casi todos los campos donde hay enfuncionamiento e#uipos y dispositivos electrnicos, con fines industriales, comunicaciones, bioelectrnica, etc!

"a gama de instrumentos digitales, $olt%metros, &recuenc%metros, 'sciloscopios, (nalizadoresde )spectro, (nalizador de &ourier, *eneradores de Seales, (nalizadores de +mpedancia, etc!,cubren aplicaciones en baa y alta frecuencia!

)n forma particular se tratar-n los llamados contadores digitales o frecuenc%metros digitales enbaa y alta frecuencia!

2.- Funciones Bsicas de un Contador Digital

"a parte central de un medidor de frecuencia espec%fico, frecuenc%metro digital, es un contador!)n general, los contadores tienen diferentes modos de operacin, tales como el conteo de eventosde entrada, mediciones de frecuencia, per%odo, ancho de pulsos, promediar mediciones, comparardos seales, etc!

De manera #ue pueden realizar una o m-s de las funciones #ue a continuacin se mencionan.a/ 0ostrar el total de un nmero dado de eventos ocurridos, es decir un contador real!b/ 0edicin de frecuencia!c/ 0edicin de per%odo!d/ 0edicin de elacin de &recuencia. comparar dos seales de diferentes frecuencias y

mostrar la relacin de frecuencia entre ellas!e/ +ndicar el tiempo entre dos puntos de una forma de onda o entre dos eventos elctricamente

detectables!f/ Promediar lecturas de frecuencia sobre un nmero dado de per%odos o intervalo de tiempo

para obtener meor resolucin y la e2actitud!g/ 0edicin de per%odo promedio o multi per%odo. promediar lecturas de per%odo sobre varios

per%odos o sobre un tiempo determinado con el fin de meorar la resolucin y la e2actitud!

3.- Esuema de un Contador de frecuencia

Un contador de frecuencia 3frecuenc%metro/ est- compuesto de partes b-sicas como. 4ircuito deentrada, 4ompuerta principal, Unidad contadora decimal 3D4U/ y display, 4ircuito base detiempo 3 'scilador a cristal y unidad base de tiempo/, 4ircuito de control!)l es#uema b-sico de un contador con sus principales elementos se presenta en las &iguras 1,5,6y 17/, siguientes!


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" (SEAL DEENTRADA

A ANDANALOGICA t

Seal quedispara el biestable

)

[A]

[t]

t

n = n de !i!l"s de una seal que "!urre en un tie#p" t deapertura de !"#puerta$i%ura &'( Dia%ra#a te#p"ral de seales

n 8 n9 de ciclos de una seal #ue ocurre en un tiempo t deapertura de la compuerta o unidad de tiempo: f = n/t

6 7 Display

); 3pone a cero la D4U/

'S4!


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Lat!)

*++ *+* *+&

A ,nidad de !uenta

-iestableCir!uit" de !"ntr"l

OSC' .TALDi/is"res 0 *+

&igura 6!E )s#uema funcional de un 4ontador

convierte la seal de entrada en pulsos digitalesde idntica frecuencia de repeticin

Puerta

(mplificadordiferencial Fseguidor emisivo

=ase de tiempo

eset

eset

&ig! 1G!E )s#uema de un contador digital #ue mide frecuencia

3.1.- !"lificador de entrada # dis"arador $1%

(coplamiento acHdc

(tenuador. 21:21@:21@@"imitador detensin (mp! deentrada 4ontador denivel

Disparador deSchmitt

Display


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)n realidad es un acondicionador de seal, ya #ue conforma la seal de entrada a medir a unaforma #ue sea compatible con la circuiter%a interna del medidor! 4onvierte la seal analgica deentrada, senoidal, pulsos, etc!, a una forma compatible con la circuiter%a presente en el contadordigital! )n s%ntesis convierte la seal analgica presente a la entrada en una secuencia de


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impulsos de I@J y I1J de idntica frecuencia de repeticin! "a salida del amplificador Edisparador, es un tren de pulsos en donde uno de estos corresponde a un ciclo o evento de laentrada! 4onsiste de las etapas siguientes. 4ircuito de acoplamiento (4HD4: (tenuador deentrada 3 divisor de tensin/: "imitador de tensin para proteccin del circuito: 4onvertidor de

impedancia con nivel austable 3 selecciona el ptimo punto de disparo/: un Schmitt trigger3 convierte la seal de entra a pulsos lgicos/

3.2.- &scilador 'ase de tie!"o $2%

)s el elemento del contador #ue se encarga de generar el tiempo t #ue se emplea como patrn enla medicin de frecuencia! Si n es el nmeros de ciclos de una seal #ue ocurre en un tiempo t, lafrecuencia promedio f de esa seal sobre el tiempo t est- dada por

f =nt

)l frecuenc%metro convencional mide la frecuencia f acumulando el nmero de ciclos n de laseal de entrada sobre el per%odo t.De lo anterior se puede decir #ue la e2actitud con la cual se genere t tiene un efecto significanteen la e2actitud de la medida de frecuencia f! )n consecuencia la mayor%a de los contadoresemplean osciladores a cristal con frecuencia de 1, ? o 1@0>z como elementos base de tiempo!)n los contadores m-s elaborados este oscilador se sol%a construir en una c-mara trmica simpleo doble con control proporcional de temperatura! (ctualmente vienen los osciladoresencapsulados con un calefactor interno y control de temperatura incluido!)n los instrumentos de uso general se utilizan osciladores en los #ue la variacin de frecuencia

con la temperatura se compensa con la accin de otro componente del circuito, #ue reacciona ensentido contrario!( temperatura ambiente tiene una desviacin de FHE 121@EK >zH94 para variaciones detemperatura de @ a ?@L4!"os osciladores compensados en temperatura 3;


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variable en pasos de diez en diez 3dcada/! )l operador determina la frecuencia de salida de lasdcadas divisoras con un elemento e2terno de control! )l tiempo t #ue efectivamente se utiliza

para la medicin de frecuencia est- dado por el per%odo de este tren de pulsos!


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3.+.- Co!"uerta "rinci"al $+%

Se puede considerar como el corazn del contador! Puede ser concebida esta compuerta comouna compuerta , #ue est- abierta y dea pasar los pulsos provenientes del circuito de entradacuando en ella hay tambin presente seal proveniente de las dcadas divisoras del oscilador

base de tiempo! )s decir, el control de apertura y cierre de la compuerta principal lo hace eldivisor de dcadas pasando por un circuito biestable 3?/!)sta compuerta permitir- el paso de m-s o menos impulsos de la seal de entrada, en funcin deltiempo fiado por la base de tiempo! Una de las entradas a la puerta es la seal a ser medida y laotra es la seal dada por el circuito de control!

3..- Circuito 'iesta'le de la co!"uerta "rinci"al $%.

)l circuito de control, es por as% decirlo el centro neur-lgico del contador y realiza las siguientesfunciones!E4ontrola el circuito puerta!

E*enera los impulsos de puesta a cero de la base de tiempo y de la unidad de cuenta!E4ontrola el tiempo de presentacin de lectura!ESi e2iste salida de datos, controla la impresora o cual#uier otro instrumento conectado a lasalida!

3.6.- nidad contadora deci!al DC0 $6%

)s un contador digital 3sincrnico o as%ncrono/ por dcada de lectura, conectados en cascada!ormalmente se utilizan de Q a 1@ de estos contadores, para proporcionar los Q o 1@ d%gitos de launidad de presentacin!4ada una de las dcadas consiste de cinco partes b-sicas. un contador por dcada, una memoria,un decodificador decimal =4D, un driver y el indicador numrico o displayUna memoria au2iliar, "atch, retiene el dato hasta la pr2ima medicin!;otaliza los pulsos de salida provenientes de la compuerta principal, mide y codifica este total

para poder ser mostrado en forma decimal, despus #ue la compuerta principal ha sido cerrada!Si la compuerta se abre, precisamente por un segundo, la D4U codificar- la cuenta para sermedida directamente en >R!

3.7.- le!entos de des"liegue o ei'icin de resultados $7%

Son los elementos cuya entrada es la seal codificada #ue proviene del D4U y cuya salida es un

nmero en cdigo decimal mostrado en forma luminosa! )ste tipo de elementos incluye diodosemisores de luz 3 ")D/ y display "4D, anteriormente se hac%an con l-mparas de nen, l-mparasincandescentes, tubos de gas ionizable! )n los osciloscopios pueden incluirse en el tubo de rayoscatdicos!

3.4 Circuiter5a de

entrada Potencimetrode auste denivel

(coplamiento F F(4HD4 F

41

(cHDcD1 D6

F


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;1 ;5

;6 ;

D5 D

(tenuador T T T T

"imitadorde tensin

Protege laentrada desobretensiones 3F oE/

4ontrol de nivel3(mp! de entrada/4onvertidor deimpedancia. (lta Rde entrada baa Rde salida

(uste delnivel de ;?disparo del

S! trigger3FHE/

TF

(mplificadordiferencial

FFF

;K

Figura +.- 4ircuito simplificadode un canal de entrada t%pico

$

D?'U;PU;

$= 3Salida/;Q

;M

4ompensa diferenciaen los niveles detensin entre

Tlas etapas

T TT

$) O 4onduce m-sy si

$) O 4onduce menos

Seguidor S! ;rigger

)n la posicin D4 la seal pasa directamente al divisor de tensin 3 atenuador/ y en la posicin(4 pasa por el capacitor 41#ue blo#uea la continua! ormalmente el atenuador es. 21, 21@ y21@@! )n la posicin 21 #ue es la m-s sensible, la seal de entrada pasa directamente al &); de(mplificador de )ntrada, #ue no obstante produce alguna atenuacin debido a su elevada R de

entrada!


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$lip1$LO2 de C"#puerta prin!ipal

C"#puerta prin!ipalRe%istr" !"ntad"rA!"ndi!i"nad"r de entrada

Cadena di/is"ra

( continuacin del atenuador est- el "+0+;(D' , #ue consiste de los diodos D1E , siendo sumisin de proteger la etapa de entrada ante sobretensiones positivas o negativas! "os voltaes deentradas #ue e2ceden la tensin Rener de D1 o D5 son puenteadas por dichos diodos!)l (mplificador de )ntrada, consiste de dos transistores efectos de campo, #ue convierten la alta

R de entrada en una baa R de salida! "a puerta del &); de salida se conecta a un potencimetrode auste de "evel, por medio del cual el punto de trigger puede desviarse desde un voltaepositivo o negativo pasando por cero!"a seal desde la etapa de entrada pasa por el (mplificador diferencia, la corriente de )misortotal es mantenida constante por la corriente de la fuente en el emisor! "a distribucin decorriente entre los dos transistores se realiza simtricamente por medio del potencimetro en elemisor! Debido a esto, la corriente total es constante, un incremento de corriente en un transistor

produce una disminucin en el otro!)l voltae de salida de los transistores del par diferencial es sacado hacia un seguidor emisivo y

un diodo Rener 3puesto para compensar las diferencias en los niveles de tensin entre las etapas/pasa al S! ;rigger !Un nivel de voltae alto en le entrada del S! ;rigger hace conducir el ;Q! "a tensin de base de;M entonces baa, causando un bao nivel en el )misor de ;Q, la tensin de =ase de ;M entonces

baa, causando un bao nivel en el emisor de ;Q el cual , por lo tanto conduce mucho m-s!

+.- ediciones

+.1.- edicin de frecuencia

"a frecuencia, f de una seal repetitiva puede definirse como el nmero de ciclos de dicha sealen la unidad de tiempo! Puede representarse por la siguiente ecuacin.

f =nt

1V

Donde, n es el nmero de ciclos de la seal de entrada peridica #ue ocurre en el intervalo detiempo t! Si t 8 1s la frecuencia se e2presa en n ciclos por segundo o n >ertz!4omo sugiere la formula, la frecuencia repetitiva f de una seal de entrada es medida por un

contador convencional, contando la cantidad de ciclos n y dividindolos por el intervalo detiempo t!)l es#uema de medicin b-sico para medir frecuencias se observa en la &igura ? siguiente.

)ntrada

=ase detiempo

Displaynmrico


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Figura .- )s#uema b-sico para medicin de frecuencia


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"a seal de entrada es primero acondicionada de un modo compatible con la circuiter%a internadel contador! "a seal acondicionada #ue aparece a la entrada de la 4ompuerta Principal es untren de pulsos definidos, donde cada uno corresponde a un ciclo o evento de la seal de entrada!4on la 4ompuerta Principal abierta, estos pulsos pueden pasar por ella y son contabilizados por

el registro contador, #ue los muestra en el display numrico!

)l intervalo de tiempo entre la apertura y cierra de la compuerta, est- controlado por la base detiempo! )s evidente de la ecuacin 1V, #ue la precisin con #ue se mida la frecuencia de entrada,depender- de la precisin con la #ue se determine el tiempo t! )s por eso #ue se empleanosciladores a cristal para la base de tiempo! )l divisor de frecuencia #ue sigue a la misma,suministra al flipEflop #ue comanda a la compuerta principal en intervalos #ue generalmenteest-n entre el Cs y los 1@s!)stos tiempos se seleccionan con una llave o botonera identificada con la leyenda I;iempo decompuertaJ 3*ate ;ime/ o sino IangosJ!

Si la puerta es abierta durante 1sg y el nmero de pulsos contados es n8 15?@@, lafrecuencia ser- de 15?@@>R!Si la base de ;iempo =;, est- en msg la frecuencia medida ser- e2presada en W>R, 15,?W>R para el caso del eemplo!Por otra parte, si la =; est- en Csg la frecuencia medida estar- indicada en 0>R!

+.2.- edicin de "er5odo si!"le

4omo el per%odo es la inversa de la frecuencia de una seal, la medicin del mismo es la

rec%proca de la medicin de frecuencia, "a seal sueta a medicin produce la seal de control dela compuerta, el per%odo ; de una seal est- dado por el nmero de impulsos de la base detiempo #ue llegan a la unidad contadora durante el intervalo de tiempo t!

1

(=f

( = n t

)l per%odo de una seal es el tiempo #ue tarda dicha seal en completar un ciclo de oscilacin!

)l es#uema de medicin b-sico de un frecuenc%metro en el modo 0edicin de Per%odo Simple seobserva en la &igura K/ siguiente!


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$lip1$l"p de C"#puerta prin!ipal

Cadena di/is"ra de base de tie#p"Os!'.tal

A!"ndi!i"nad"r de entrada

Re%istr" !"ntad"r

Displa3 nu#4ri!"

t

5

5

5

n

5

)ntrada

=ase detiempo

Figura 6.- Diagrama en blo#ue para medir per%odoivel de disparoy

3a/ Seal de entrada

3b/ Seal de control decompuerta

3c/ +mpulsos base detiempo

3d/ +mpulsos contados

Fig. 7.- 0edicin de per%odo simple

)n este modo de medicin, el tiempo en #ue la compuerta principal permanece abierta est-controlado por la seal de entrada, en lugar de estarlo por la base de tiempo! )l registro contador,ahora acumula los pulsos de salida de los divisores de la base de tiempo, #ue ocurren durante un

ciclo de la seal de entrada, o sea por su per%odo


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"a medicin de per%odo permite una medicin m-s precisa de una seal de baa frecuenciapor#ue aumenta la resolucin! Por eemplo la medicin de una frecuencia de 1@@>z en unfrecuenc%metro de ocho d%gitos y un tiempo de compuerta de 1 segundo, se ver- como @@@@@1@@>R! "a medida de un per%odo simple de una seal de 1@@>z, #ue dura 1@ms, en el mismo

instrumento con una base de tiempo de 1@0>z, mostrar- @@1@@@@@!@ Xs! "a resolucin se haincrementado, en este caso, mil veces!


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"a medicin de per%odo es inversa a la medicin de frecuencia!Si la frecuencia de entrada es de 1 0>R, la puerta est- abierta durante 1 sg!Si la frecuencia de entrada es de 1 W>R, la puerta est- abierta durante 1 msg!Si la frecuencia de entrada es de 1 >R, la puerta est- abierta durante 1 Csg .

Por otra parte, si la frecuencia de entrada es igual a 5@ W>R 3;8?@ CSg/ y la seal de referenciaes 1 CSg8t, la puerta est- abierta durante ?@ CSg y entran ?@ pulsos #ue son procesados por laD4U para e2hibir ?@ CSg!

+.3.- edicin de "er5odo !8lti"le o "er5odo "ro!edio

Si el tiempo #ue tarda una seal en completar un ciclo de oscilacin, o per%odo, se mide sobrevarios ciclos de la entrada, lo #ue se determina es el per%odo promedio! Se lo denomina tambin

per%odo medio mltiple 3multiple period averaging/!

y

3a/ Seal de entrada@ 2

3b/ Disparo de

@ 2 sincronismo

n

1@

@

@

@

&igura Y!E 'scilograma de la medicin de per%odo mltiple

3 c / Salida del

2 divisor basede tiempo

3d/ Seal de mando

2 de compuerta3e/ +mpulsos de relo del'scil!de referencia

3f/ +mpulsos #ue2 pasan a la unidad

contadora


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2uerta

*++ *+*+

Tr = *+(# s% Es el 2er6"d"de la seal que sale del di/is"r-ase de Tie#p"

Di/is"rde tie#p" ,nidad !uenta7 #e#"ria 3 displa3

Dispar" de Sin!r"nis#"Di/is"r base de tie#p" 8 per6"d"s9

Seal de)ntrada

8 4antidad de pulsos almacenado por el

contador 8 1@n 2 ; 2 1H ;r 8 1@

nFm 2 ;

;8Per%odo de laseal de entrada

Figura 4!E Diagrama para medir per%odo mltiple

4uando se necesita una gran precisin en la medida de per%odo, es conveniente realizar

mediciones sobre un gran nmero de per%odos y calcular la media! Para ello se utilizan losdivisores de la base de tiempo, #ue proporcionan una seal de puerta con una duracin 1@

nveces

mayor #ue la seal original de entrada! Para conocer el per%odo de la seal de entrada sepromedia su valor entre una cantidad elegida de ondas de entrada 3 1, 1@, 1@5,1@6,1@,A1@1@/!"os impulsos de relo para la unidad contadora se obtienen directamente del oscilador dereferencia!"a seal de entrada, ya condicionada, igual #ue en el caso de medicin de frecuencia, puededividirse en dcadas, de !anera 9ue la co!"uerta "rinci"al estar a'ierta "or !s tie!"oen !8lti"los de die* en lugar de estarlo "or un solo "er5odo ! )ste es el basamento de latcnica de medicin de per%odo mltiple!

"a unidad de control permite el ingreso al contador de la seal de relo, dividida por el divisorde tiempo, durante el tiempo ;r #ue se necesita para #ue aparezcan 1@

n ondas completas de laseal de entrada!

Si es la cantidad de pulsos almacenados por el contador, ; el per%odo de la onda de entrada y;r 8 1@

Em sg el per%odo de la seal #ue sale del divisor base de tiempo, se tiene #ue.

:= 1;n

( 1/ (r = 1;n

(

De manera #ue la lectura es proporcional al per%odo de travs de una constante igual a 1;n

#ue se tiene en cuenta a travs del posicionamiento del punto decimal!

+.+.- elacin de frecuencia

Si se reemplaza el oscilador de referencia utilizado para medicin de per%odo mltiple por unaseal de frecuencia desconocida 3seal (/, se puede medir la relacin de frecuencias conrespecto a una seal de frecuencia conocida 3 seal =/!"a relacin entre dos frecuencias se puede determinar haciendo #ue la salida de baa frecuenciacontrole a la compuerta principal, mientras #ue el registro contador cuenta a la seal de alta

frecuencia! $er la &igura 1@/ siguiente."a e2actitud se puede incrementar con la tcnica del per%odo promedio!

'sciladordereferenci


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$lip1$l"p de C"#puerta prin!ipal

C"#puertaprin!ipal

Cadenadi/is"ra

Re%istr" !"ntad"rDispla3 nu#4ri!"

C"n:"r#ad"r de entrada

Entradas

C"#:"r#ad"r de entrada

Gate

* *+*+

Dispar" sin!r"' de seal A ,nidad !uenta #e#"ria 3 displa3

Dispar" sin!r"' De seal -Di/is"r de base de tie#p"

=aa frecuencia

B

(lta frecuencia

Fig. 1;- Diagrama en blo#ue para relacin de frecuencia

"a cantidad de impulsos acumulado en el contador es.

8 &=!;(8 &5! 1@n! 1H&( 8 1@

n! &5H&1

8 &(!;=8 &1! 1@n! 1H&5 8 1@

n! &1 H&5

Donde es la posicin del selector de la =ase de ;iempo, indicando 1@n seg!

"a lectura es proporcional al cociente de frecuencias &5Hf1 o si se invierten las sealesla lectura es proporcional a &1H&5!

Seal (

Seal =

Fig. 11.


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5

5

5

5

5


Cadena di/is"ra

ini!i" C"#puertaprin!ipal

parada

-ase detie#p"

OSC'.TAL


Re%istr" !"ntad"r

Displa3 nu#4ri!"

y

3a/ Seal (

3b/ Sincro! (

3c/ Seal =

3d/ Seal Puerta3sincro! =/

3e/ +mpulsos contados

Fig. 12.

+..- edicin del inter)alo de tie!"o.

)s una variante de medicin anterior, la seal de entrada son los impulsos de la base de tiempo yla seal puerta viene definida por los impulsos cuyo intervalo de tiempos se desea medir!

)l es#uema en blo#ue puede verse en la &igura 16/ siguiente.

Figura 13.- 0edicin de intervalo de tiempo


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$i%ura *;'( Os!il"%ra#a de la #edi!i


20/38

tie#p"

t)

Arranque 2arada

$i%ura *;'( >edi!i


21/38

$lip1$l"p de !"#puerta prin!ipal

C"#puertaprin!ipal

da

C"#:"r#ad"r de entradaRe%istr" !"ntad"r

Displa3 nu#4ri!"

2ara

2uerta

Arranque 2arada

,nidadC"ntad"ra7

>e#"ria3presenta!i


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"a sensibilidad ptima, depende de la impedancia de entrada, ya #ue cuanto m-s all- es sta m-ssusceptible es al ruido!

Ri 8 1 0[ S 8 1@@ m$ =aa &recuencia

Ri 8 ?@ [ S 8 1@ m$ 3?@ m$/ (lta &recuencia


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Seal deentrada

5

'0 co"la!iento

4omo lo indica la &igura / anterior el modo de acoplamiento de entrada puede ser (4HD4! Paraseales alternas (4 se pasa por un capacitor #ue blo#uea la continua y acoplamiento directo para

D4 cuando se tiene una seal con un nivel de continua! $er la &igura 1K/ siguiente.

y y

Seal deentrada

2 @

a b

&igura 1K!E (coplamiento

)n la &igura 1Ka/, se tiene una seal de amplitud suficiente, pero su nivel de 44 no le permiteatravesar o estar entre ambos niveles de histresis dentro del cual se produce el disparo!!)n la &igura 1Kb/, la seal puede ser centrada entre ambos niveles, despus de haber pasado porun capacitor #ue ha eliminado a la continua!

)n la &igura 1Kc/, tenemos el caso de un seal con oscilaciones par-sitas, pero ellas no llegan aocasionar errores en la medicin!

"a sensibilidad ptima depende en gran medida de la impedancia de entrada, ya #ue una alta Rde entrada es m-s susceptible al ruido y a las falsas cuentas 3 $er punto ?\ anterior/ !

"a entrada al contador se considera la entrada al disparador de Schmitt, los niveles de disparo ehistresis hacen referencia como entrada del contador directamente!

Para registrar una cuenta la seal de entrada debe cruzar tanto el nivel superior de disparo comoel nivel inferior como se indican en las &iguras 1Kb, 1Kc y 1Q/!

@


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t NIDNID

EntradaN" se #ide Si se #ide

V!

Entrada Entrada

NSD NSD tNSDcNID

t

Seales de entrada alfrecuenc%metro

y

ivel de disparo superiorivel dehistresis

Sensitividad pico apico

t

ivel de disparoinferior

1V

@V

t

Seales de salidas delSchmitt ;rigger Figura 16c

Control de ni)el de Dis"aro. (ustable sobre el rango din-mico de entrada!

A

Ai Figura 17


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c0 :i)el de dis"aro

)n el caso de la medicin del intervalo de tiempo entre pulsos con un factor de servicio bao, osea, pulsos muy angostos, el acoplamiento de 4( no es conveniente! (dem-s no se puede usar

acoplamiento 4( si el ciclo de trabao es variable, por#ue var%a el punto de disparo con l, lo #ueva a dar lecturas errneas!"a funcin de control de nivel es desplazar los niveles de histresis por arriba o por debao de losniveles de tierra, de manera de habilitar a trenes de impulsos positivos o negativosrespectivamente, figura siguiente! )n ella se ve una seal #ue no puede contarse por#ue atraviesaambos niveles, en el caso de una seal positiva, se desplaza al nivel positivamente hasta ubicar ala seal para #ue atraviese ambos niveles, y lo mismo para el caso de una seal con polaridadnegativa!De la observacin de las &iguras 1K y 1Q/, es evidente #ue cual#uier seal, con una amplitud

menor #ue la diferencia de potencial entre el nivel superior y el inferior, no ser- contada! "aamplitud es suficiente pero el nivel no est- correctamente austado y no habr- conteo!

d0 endiente

)l control de pendiente determina si el circuito Schmitt es disparado por una seal con pendientepositiva 3F/, o sea, #ue va de un nivel de tensin a otro m-s positivo sin importar la polaridad,para generar un pulso de salida en el momento #ue cruza el nivel de histresis superior $s, o poruna seal de pendiente negativa 3E/ #ue genera un pulso al atravesar el nivel de histresis inferior

$i!

e0 ango din!ico

)l rango din-mico de la entrada se define como el rango en el cual el amplificador de entrada secomporta en forma lineal! 4on un amplificador bien diseado, si se e2cede el rango lineal no seocasionar- un conteo incorrecto! o obstante, la impedancia de entrada puede baar el valor y lasaturacin de algunos semiconductores disminuir- la velocidad de respuesta del amplificador!Por supuesto #ue cual#uier amplificador puede daarse por e2ceso de seal y usualmente se

provee de algn tipo de proteccin, la proteccin convencional a veces puede no ser suficiente,especialmente en el caso de transitorios de alta velocidad! )sto sucede, por eemplo al encenderun transmisor a la entrada de ?@ [! )n estos casos aparte de le proteccin normal, se usanfusibles muy r-pidos, comandados por circuitos #ue censan el e2ceso de seal de entrada y abresu contacto en serie con el conector de entrada!Sin embargo no es una pr-ctica correcta, e2cede el rango din-mico de la entrada! Para evitaresto, se proveen atenuadores, #ue reducen la amplitud de la seal hasta #ue sta es maneable porel amplificador! *eneralmente se proveen rangos 21, 21@ y 21@@!

g0 I!"edancia de entrada


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Para frecuencias de hasta alrededor de 1@0>z, se usa una impedancia de entrada de 1 0[! 4oneste nivel de impedancia, la mayor%a de las mediciones resultan poco afectadas, y la capacidad deentrada de alrededor de 6@ O @p& no influye demasiado! 4uando tocamos el tema de lasensibilidad, diimos #ue era contraproducente su e2ceso, alrededor de 5@ O ?@m$, es lo usualcon este nivel de impedancia de entrada! 4on impedancias m-s alta yHo valores de sensibilidadmayores, el ruido, ya sea el inherente a todo proceso de amplificacin, o el #ue puedeacompaar a la seal a medir, puede afectar la medida!


27/38

Atenuad"r

C"ntr"l aut"#@ti!" de %anan!ia

Adaptad"r de i#pedan!ias

C"ntr"l de ni/el

$usible li#itad"r de tensiay #ue tener en cuenta, #ue la capacidad par-sita #ue se encuentra en paralelo con la resistenciade entrada, reduce la impedancia de entrada en forma dr-stica a medida #ue aumenta lafrecuencia! Por eemplo, la reactancia de un capacitor de 6?p& a 5@0>z es de 55Q[! $emos #ueen este caso la impedancia de entrada de 10[ es m-s una ilusin #ue una realidad! Por esto,

para frecuencias m-s altas se usa una entrada de baa impedancia, ?@[, y siempre tratando dereducir la capacidad en paralelo con ella en todo lo #ue sea posible!Si bien es posible disear amplificadores de mayor ganancia, para as% tener mayor sensibilidad,no es posible reducir el ruido m-s all- de cierto nivel, sin restringir el ancho de banda! (lgunosfrecuenc%metros poseen filtros pasa baos y tambin pasa altos! 4on ellos se consigue, en el

primer caso, reducir el ruido de alta frecuencia, para poder medir frecuencias relativamentebaas, en el segundo caso atenuamos las baas frecuencias, por eemplo, el zumbido de l%nea, yas% podemos medir las altas frecuencias sin error!

0 Control auto!tico de ganancia

&unciona como un control de sensibilidad austable autom-ticamente por la seal de entrada!4uanta m-s alta es sta mayor es la atenuacin! "a desventaa de este sistema es #ue para medirfrecuencia muy baas la velocidad de respuesta del sistema se reduce demasiado! Por eso ell%mite inferior de medida con este sistema es de alrededor de ?@ a 1@@>z, se usa slo para lamedicin de frecuencia!

Fig. 14.


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55

)n la &igura 1M/, puede verse un resumen del proceso #ue sufre la seal de entrada antes de seraplicada a la compuerta principal del frecuenc%metro! ;ambin podemos ver un recuadrodenominado indicador luminoso! )ste consiste en una disposicin circuital tal #ue cuando hayseal a la salida del Schmitt trigger un "ed indica la presencia de la misma, ya sea encendiendo oa veces oscilando a una frecuencia de pocos ciclo por segundo! *eneralmente indica el nivel de


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la seal de salida del circuito Schmitt, y, teniendo en cuenta, #ue en el Schmitt slo hay salidacuando el nivel de entrada tiene la amplitud suficiente para atravesar ambos niveles de histresisy est- bien centrada por el control de nivel, se sigue #ue este tipo de +ndicador es muy til paradeterminar la presencia de seal como si su amplitud es suficiente! >asta ahora hemos

e2aminado en detalle el acondicionador de seal, &igura 1, en los p-rrafos siguientes veremos losre#uisitos #ue debe cumplir una base de tiempo!)l origen del tiempo t, definido en la ecuacin 1V, es el oscilador de base de tiempo! 4ual#uiererror en dicho oscilador se reflear- como un error en la medicin del frecuenc%metro!

6.- &sciladores a cristal - tal

Caracter5sticas de los osciladores

)l elemento esencial de los contadores es el oscilador base de tiempo, la mayor parte de los

contadores emplean un cristal! "os distintos tipos de cristal tienen como diferencia principalentre ellos las precauciones tomadas para minimizar los errores #ue ocurren al cambiar lafrecuencia del oscilador con la temperatura! "os tres tipos de cristal son.

6a0 (e!"eratura a!'iente

)stos osciladores se desv%an alrededor de FHE ?21@EK de la frecuencia central con respecto a ella,para variacin de temperatura de @L4 a ?@L4! "os cristales de temperatura ambiente son a#uellosmanufacturados, eligiendo el corte apropiado, para #ue tengan un cambio lo m-s reducido

posible, dentro de un rengo de temperatura, #ue usualmente va de @L4 a ?@L4! Un cristal de alta

calidad de este tipo puede variar tres partes por milln dentro de esa variacin de temperatura!

6'0 Co!"ensados en te!"eratura

( menudo mencionamos como I;4


30/38

"a compuerta est- abierta el mismo tiempo en ambos casos! )n 31/ hay un pulso de salida, en 35/hay dos pulsos de salida! (mbos son validos!"os valores de 1, 41, "1 y 4@ est-n determinados por las propiedades f%sicas del cristal! 4onuna capacidad variable e2terna obtenemos un circuito sintonizado!


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"os elementos , " y 4 son los #ue hacen #ue la frecuencia del cristal sea sensible con latemperatura! De a#u% se sigue #ue una forma obvia de compensar los cambios en frecuencia conlos cambios de temperatura, es conectar un elemento, generalmente una capacidad en serie o en

paralelo, con el cristal, pero con un coeficiente de temperatura de signo opuesto, obteniendo as%

un circuito sintonizado m-s estable! ( los osciladores #ue poseen este mtodo de compensacinse los llama 'sciladores a 4ristal 4ompensados en ;emperatura 3;4


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(dem-s de los efectos de la temperatura, e2isten otros factores de significacin #ue puedenafectar la e2actitud de un frecuenc%metro, las variaciones de tensin en la l%nea, la estabilidad delargo plazo o enveecimiento, y la estabilidad de corto plazo! "os factores ambientales talescomo la vibracin, humedad y golpes no son relevantes!


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6d0 Factores adicionales 9ue alteran la frecuencia

+ndependientemente de la temperatura, hay otros factores #ue alteran la frecuencia del oscilador,como ser.

6d10 Aoltae de l5nea. "as variaciones del voltae de la l%nea de alimentacin ocasionanvariaciones de frecuencia! "a influencia de estas variaciones depender- grandemente de laeficacia de los reguladores de tensin de alimentacin utilizados! >oy en d%a esto no es un

problema serio, ya #ue e2isten reguladores de tensin y referencias de tensin muy e2acta y

estable! Un oscilador de alta estabilidad en c-mara trmica, puede proveer una estabilidad de 1parte en 1@E1@para un cambio del 1@ en la l%nea! "a referencia para un oscilador trabaando atemperatura ambiente tiene una estabilidad de 1@EQpara cambios del mismo orden en el voltae del%nea!

6d20 elacin de en)eeci!iento o sta'ilidad de largo "la*o. "as propiedades f%sicas del

cristal e2hiben un cambio gradual con el tiempo, con lo #ue resulta un desplazamientoacumulativo de frecuencia #ue se denomina enveecimiento! "a magnitud de la relacin deenveecimiento depende fundamentalmente de la calidad del cristal, lo cual en los cristales dealta calidad, usados en los osciladores estabilizados por homo doble, proporciona relaciones deenveecimiento meores #ue ?21@E1@Hd%a 3 1!?21@EMHmes!Un oscilador a temperatura ambiente tiene como cifra para este factor 621@ EQHmes! )2presar estefactor por un mes es una notacin t%pica ya #ue un cambio de temperatura en la vecindad de ungrado, puede cambiar la frecuencia m-s de lo #ue lograr%a hacer cambiar el enveecimiento de und%a!

6d30 sta'ilidad a corto "la*o o des)iacin fraccional de frecuencia. Es el resultado delruido 3fluctuaciones aleatorias de frecuencia y fase/ #ue se genera inevitablemente en todocircuito electrnico, en especial en el oscilador, y ocasiona pe#ueas variaciones de frecuenciaalrededor de la frecuencia nominal, se disminuye mediante un diseo cuidadoso!)l efecto de este ruido var%a inversamente con el tiempo medido, para #ue la medicin seaefectiva debe realizase sobre tiempos breves 31sg/!

)l error total de un oscilador es la suma de los errores anteriormente descriptos! )ste error puedeser o no ser significativo para un oscilador dado, dependiendo de la aplicacin involucrada!

7.- Fuentes de error en la !edida

"as fuentes principales de error en las medidas al medir con estos instrumentos son. )rror dem-s o menos uno en la cuenta acumulada: )rror en le base de tiempo: )rror en el disparo!

7a0 !'igEedad de


34/38

la

t#

*++

*+

*

+7*+7+*+7++*

tm

Seal de entrada encompuerta principal

4ompuertaabierta caso 1

4ompuertaabierta caso 5

Seal de entrada

Seal de relo

durante tm secuenta 1 pulso

Durante tm secuentan 5 pulsos

)n medicin de frecuencia el error relativo est- dado por.

)rror elativo 8 _ f

f

] 1

8fentrada

81 n 3L decuentas/

1@@

"a compuerta principal se abre por el mismo tiempo, tm, en ambos casos! "a incoherencia o faltade sincronizacin entre la seal de relo y la seal de entrada puede causar dos centros, loscuales, para este eemplo son 1 para el caso 1 y 5 para el caso 5!

)l error FHE 1 cuenta supone #ue la compuerta principal por ella misma, no contribuye al error,pero como cual#uier compuerta, la principal tiene retardos de propagacin y le toma un tiempofinito el conmutarse entre sus estados I@J y I1J por lo #ue cual#uier diferencia principal enabrirse o cerrarse har- #ue aparezca una incertidumbre en el intervalo de tiempo #ue lacompuerta est- abierta!

)n medicin de per%odo el )rror elativo es.

_ ;

8;

] tc;entrada

Donde para medicin de per%odo, la seal contada es la base de tiempo interna del relode per%odo tc!

)rrorelativoV


35/38

1 1@1

1@5

1@6

1@

1@?

meros de Pulsos 4ontados


36/38

7'0 rror en la 'ase de tie!"o

4ual#uier error en el oscilador base de tiempo se traduce directamente en un error de medida!Por lo tanto si el total de todos lo errores 3suma de )nveecimiento F ;emperatura F $oltae deentrada/ es de 121@EK, se tiene #ue la contribucin total al error aportado por el oscilador base detiempo en la medicin de una seal de 1@0>z, es de 11;-

61;

7= 1;*!

` para la medicin de per%odo, por eemplo, si el per%odo de entrada es ;en 8 1@@msg, el errortotal es 11;-!!#-$ % !## nsg.

7c0 rror en el dis"aro

"a presencia de ruido en la seal de entrada causar- incertidumbre en el punto en el cual eldisparador de Schmitt conmuta! Si el ruido es no tan grande #ue pueda causar falsos disparos, osea producir m-s pulsos de salida del disparador de Schmitt #ue pulsos de entrada #ue a llleguen, no se introduce error en una medicin de frecuencia! (dem-s es absorbido por el errorde FHE 1!Sin embargo para !ediciones de "er5odo esta incertidumbre produce errores similares

en el tiempo #ue la compuerta est- abierta ya #ue esta es la seal #ue controla la compuerta!

_;

Seal

ivel dedisparo

_$

uido

N$ de incertidumbre por amplitud 3f-cilmente eliminada/: en el punto donde eldisparador Schmitt conmuta!N;8 incertidumbre en el punto de disparo producto del ruido en la seal deentrada!

4on ruido de baa frecuencia y una relacin SH 8 F @d=, entonces, el error de disparoresultante es de 6!521@E6, por lo tanto en el peor caso el error de disparo en la medicin deuna seal de 1 W>R es 6!521@E621@E6 8 6!5 Xs!Si SH 8 FK@d=, entonces, el error de disparo es 6!521@E, mientras #ue para una relacin SH 8de 5@ d= es de 6!5!21@E5!

Por lo tanto para medicin de frecuencia se tiene un error 8 ] 1 cuenta ] error de =ase de;iempo!


37/38

)l )rror total en la medicin de per%odo 8 ] 1 cuenta ] error de =ase de ;iempo ] error dedisparo!


38/38

)l error en la medicin de per%odo se puede disminuir promediando per%odos, lo cual incluye lamedicin de n per%odos en lugar de uno, n se puede elegir en valores de dcadas, y el error en lamedicin de per%odo es

] 1 cuenta ] error de disparo!=

n

Bi'liograf5a

&undamentals of the )lectronic 4ounters! (pplication ote 5@@ E >elettEPacard!&undamentals of 0icroave &re#uency 4ounters! (pplication ote 5@@E1E >elettEPacard!

+nstrumentacin para uso general! evista 0undo )lectrnico, 1YM@+nstrumentacin Digital! os 0adrid! )ditorial (0+4)!

&recuenc%metro Digital! oberto "! *onzalez y 0!(! 'livero! evista ;elegr-fica)lectrnica! 1YM@!

&recuenc%metro digital de "aboratorio! (ngel 0aini! evista )lectrnica Pr-ctica! 1YMK!

+ng! uan 4! 4olombo16H@YH15

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