Contadores Universales Convencionales Frecuencia. Período. Intervalo de tiempo. Relación de frecuencias. Conteo de eventos

Diagrama de bloques general

Circuito de entrada: Acondiciona la señal para que pueda ser manejada por el resto del contador. Limita los niveles de tensión para que no sean nocivos para los circuitos. Recuadra la señal. Como se trata de un contador digital, las señales que maneja, deben ser digitales, por lo tanto las señales de entrada se convertirán en ondas cuadradas, esta función la cumple un circuito llamado Schmitt trigger.

Acondicionamiento de señal Impedancia de Entrada: depende el canal usado, típico 1MΩ y 35pF Acoplamiento: permite la medición de señales con componentes de continua. Atenuador: evita exceder el rango de entrada del equipo para señales grandes Nivel de disparo: ajusta el nivel de señal con el cual se compara la señal de entrada Pendiente: selecciona qué pendiente debe considerarse de la señal para disparar Conformador de Señal: genera la señal digital a ser contada o para utilizarse internamente en el proceso de medición.

Etapa de entrada: El circuito Schmitt trigger tiene una ventana de histéresis, para que los puntos que definen el uno y el cero, sean distintos y no se produzcan disparos erróneos. La ventana de histéresis y la ganancia de la etapa amplificadora, define la sensibilidad del contador, que es la mínima amplitud de señal senoidal en valor RMS, que puede contarse, es decir, que produce una lectura útil.

Función del Schimitt trigger con histéresis Nivel superior de histéresis Señales de entrada Sensibilidad pico a pico Salida del Schmitt trigger Nivel inferior de histéresis Una señal de amplitud menor a la sensibilidad no podrá ser medida.

Nivel de disparo y acoplamiento: El nivel de disparo, fija la posición de la ventana de histéresis permitiendo realizar el disparo del Schmitt trigger. El acoplamiento define si se elimina o no la componente de continua para el disparo. No se dispara Se dispara

Pendiente: Define si el Schmitt trigger se dispara con el flanco positivo o negativo, lo cual permitirá, por ejemplo medir distintos tipos de intervalos de tiempo. Atenuador: Para evitar exceder el rango dinámico (rango de funcionamiento lineal), lo que puede implicar una medición incorrecta, permite disminuir el nivel de la señal de entrada. Muchas veces la medición no da el valor esperado, debiéndose a esta cuestión. Controlador o lógica de control: Define el modo de medición, la unidad usada.

Contador y decodificador: Se trata de un contador de décadas y el correspondiente decodificador que permite mostrar la cuenta en el display digital. Base de tiempo: Es un oscilador a cristal, muy estable que además posee un divisor de décadas, para bajar la frecuencia. Comúnmente, la frecuencia del oscilador es de 10 MHz.

Algunas cosas a tener en cuenta Considerar la impedancia de entrada del equipo según el canal usado y considerar cómo afecta en el generador de la señal a medir. Para alta frecuencia se utilizan entradas de 50Ω y se trabaja con adaptación. El atenuador de entrada debe usarse para no exceder los valores de tensión especificados por el fabricante. Utilizar el acoplamiento en alterna si el valor de continua de la señal a medir nos impide realizar el disparo correctamente. Fijar el nivel de disparo en un valor apropiado para la medición. Considerar una indicación coherente con el valor esperado. La pendiente del valor de disparo es fundamental para el modo de medición de período. Cuando más abrupta es la pendiente más rápido cruza la banda de histéresis. Siempre es conveniente tener una idea del orden de la señal a medir. Una visualización con un osciloscopio es una gran ayuda para conocer su valor aproximado, su valor de continua, el mejor nivel de disparo, etc.

Base de tiempo y divisor asociado Encargado de generar la señal de referencia, es una pieza fundamental del equipo. Necesita ser muy estable, y tener gran exactitud. Realizado con cristales de cuarzo. Se ven afectados por: Temperatura, variaciones en la tensión de alimentación, paso del tiempo (corto y largo plazo). El divisor por décadas asociado se utilizará para la generación de señales internas más lentas que la de referencia.

Unidad contadora y de exhibición Décadas Contadoras: contador de los pulsos . Décadas almacenadoras: típicamente un segundo contador que actúa como buffer para mantener una copia del original. Su valor se carga al actuar la señal de transferencia. Decodificador: generalmente un BCD-7 segmentos. Visor digital: Displays de 7 segmentos

Unidad de control Maneja las señales de acuerdo a la operación elegida por el usuario para realizar la medición indicada.

Modo frecuencia. Diagrama de bloques de la medición

Modos de medición Modo frecuencia La compuerta principal está controlada por la base de tiempo, de manera que se contarán la cantidad de pulsos de la señal de entrada que entran en el tiempo de apertura de la compuerta, fijada por el tiempo de compuerta (gate time). El número de cuentas realizadas es n: número de cuentas Tg: tiempo de compuerta (fijado con el GT) Ti y f, son respectivamente el período y la frecuencia de la señal a medir.

Diagrama de tiempos

Incertidumbre de cuantificación ( ± 1 cuenta) Como las señales de la compuerta principal y la que se desea medir, no están sincronizadas, entonces aparece esta indeterminación, ya que el valor medido puede diferir en una cuenta, por exceso o por defecto. Señal de entrada comp. Ppal. Cuenta un pulso Caso 1 Cuenta dos pulsos Caso 2

La incertidumbre relativa de ±1 cuenta es la recíproca del número de cuentas. Se aprecia que cuanto mayor sea la frecuencia o el tiempo en el que la compuerta está habilitada, menor será la incertidumbre. El número de cuentas puede tomarse directamente de la lectura del display, sin tener en cuenta el punto decimal.

Modo período: Diagrama de bloques

Modo período La compuerta principal está ahora habilitada por la señal que se desea medir y se contarán los pulsos provenientes de la base de tiempo. Por lo tanto, el número de cuentas será: Donde Tbt, es el período de la señal de la base de tiempo o reloj (clock). Queda claro que la incertidumbre disminuye cuanto más grande sea el período de la señal de entrada (f. menor)

Diagrama de tiempos

La base de tiempo es de 10 MHz, entonces su período es 0.1us. Para obtener mayor exactitud, (más resolución), se puede usar la medición promediada, es decir, midiendo más de un intervalo. En general las posibilidades de promediación son GT= 0.01s – 1; GT=0.1s – 10; GT=1s – 100 y GT=10s – 1000. El número de cuentas se multiplicará por el factor correspondiente.

Modo Intervalo de tiempo: Diagrama de bloques

Modo de intervalo de tiempo. Utiliza ambos canales, de manera que el CH-A, se usa para arrancar la cuenta (start) y el CH-B, para detenerla (stop) Estos sucesos ocurrirán cuando las señales cumplan con las condiciones de nivel y pendiente de cada canal. La compuerta principal es controlada mediante estos eventos y cuenta el intervalo entre el start y stop.

Diagrama de tiempos Supongamos querer medir el intervalo de tiempo que transcurre entre que una señal alcanza el valor 0.5V y 1.5V. Dispara con pendiente positiva en 0.5V el CH-A y en 1.5V, el CH-B

Relación de frecuencias Se usan los dos canales y se controla la compuerta principal con la señal de menor frecuencia. Por lo tanto, se contarán pulsos de la señal de mayor frecuencia, mientras transcurra el pulso de la de frecuencia menor. Se puede aumentar la exactitud, promediando mediciones como en el caso del período o intervalo de tiempo.

Modo relación de frecuencias: Diagrama de bloques.

Totalizador de eventos Algunos contadores tienen la posibilidad de habilitar y cerrar la compuerta mediante controles externos, de manera que contará los eventos que ocurran en ese lapso. Algunos tienen un tercer canal que puede usarse como disparo externo.

Incertidumbres en las mediciones con contador. Cuantificación: Ya fue mencionada. Base de tiempo: El circuito es el de un oscilador a cristal , la diferencia entre el valor especificado y el real de la frecuencia estará dado por varios factores: Envejecimiento: Llamado anging rate. El cristal va modificando sus propiedades con el transcurso del tiempo, con lo que su frecuencia cambiará. Se expresa en partes por millón por cada mes o cada año (por ejemplo 2.5ppm/mes). Temperatura: También la temperatura es una variable de influencia, ya que modifica las características de los materiales, modificando así las propiedades piezoeléctricas del cristal. Una especificación podría ser 0.5ppm en el intervalo 0-50°C

c) Tensión de línea: Causa también la variación de la frecuencia en el oscilador. Ejemplo 0.1ppm para ±10% de variación de la tensión de línea. d) Estabilidad de corto plazo: Corresponde al ruido de fase, generado en el propio oscilador, lo que produce variaciones, considerando un pequeño intervalo de tiempo. Se toma el valor RMS, de la variación de frecuencia en un intervalo de tiempo, habitualmente 1s. Por ejemplo 2×10-9rms, en 1s

Disparo (trigger) En las mediciones de tiempos (período, intervalo de tiempo), dependiendo de la pendiente de la señal a medir, frente a ruidos que aparezcan, los tiempos medidos, diferirán de los reales. El disparo anticipado por el ruido causa la apertura anticipada de la compuerta, permitiendo el ingreso de más pulsos que los esperables. De forma similar pasa si la apertura se demora, ingresarán menos pulsos. También influye en el cierre de la compuerta.

Diagrama de tiempos

Cálculo de la incertidumbre de disparo 𝑡𝑔⍺= 𝑉 𝑃𝑁 ∆𝑇 →∆𝑇= 𝑉 𝑃𝑁 𝑡𝑔⍺ ∆𝑇= 𝑉 𝑃𝑁 𝑑𝑣 𝑑𝑡 = 𝑉 𝑃𝑁 𝑆𝑙𝑒𝑤 𝑅𝑎𝑡𝑒

∆𝑇=2 𝑉 𝑃𝑁 𝑑𝑣 𝑑𝑡 =2 𝑉 𝑃𝑁 ω 𝑉 𝑝𝑖𝑛 =2 𝑉 𝑃𝑁 2( π 𝑇 ) 𝑉 𝑝𝑖𝑛 El 2 aparece, pues en el peor caso, la misma situación puede darse en la apertura y cierre de la compuerta. Considerando una onda senoidal, en el punto de disparo de máxima pendiente, es decir cuando cruza por cero: ∆𝑇=2 𝑉 𝑃𝑁 𝑑𝑣 𝑑𝑡 =2 𝑉 𝑃𝑁 ω 𝑉 𝑝𝑖𝑛 =2 𝑉 𝑃𝑁 2( π 𝑇 ) 𝑉 𝑝𝑖𝑛 ∆𝑇= 𝑇 𝑉 𝑃𝑁 π 𝑉 𝑝𝑖𝑛 → ∆𝑇 𝑇 ≅ 0,3 𝑉 𝑝𝑖𝑛 𝑉 𝑃𝑁 ∆𝑇 𝑇 = 0,3 𝑆/𝑁

S/N es la relación señal a ruido de la tensión a medir. Si la S/N es de 40 dB, como especifica, habitualmente el manual, es decir 100 en relación de tensión, resulta: ∆𝑇 𝑇 = 0,3 100 =0,003=0,3% Conviene elegir el punto de mayor pendiente (Slew Rate). Para promedio de períodos múltiples, la incertidumbre de disparo se divide por M (el número de períodos promediados).

En general la incertidumbre de disparo, es el ±0 En general la incertidumbre de disparo, es el ±0.3% de la lectura, dividido el número de períodos promediados, para una relación señal a ruido mejor que 40dB. Errores sistemáticos Cuando se mide con los dos canales, como en el caso de intervalo de tiempo (TI), entonces. Las diferencias en el tiempo de transición y el retardo de propagación, entre los canales de start y stop, pueden introducir un error sistemático interno. El largo distinto de los cables introduce un error sistemático de origen externo.

Incertidumbres según el modo de medición Frecuencia Período Intervalo de tiempo Relación de frecuencias Cuantificación Sí Base de tiempo No Disparo Sistemáticos

Contadores recíprocos Siempre miden período. Para indicar frecuencia, directamente hace el recíproco del período. La incertidumbre de cuantificación no depende de la señal de entrada y se mantiene constante. Tiene dos contadores uno de los pulsos y otro de lo eventos a contar, es decir los ciclos de la señal de entrada. Ambos contabilizan pulsos durante el mismo tiempo de apertura de compuerta.

Diagrama de bloques simplificado.

Diagrama de tiempos

Ejemplo: Medición de señal de 1Hz Tg = 1s; fc = 10MHz; En ese tiempo de compuerta, el contador de tiempo, contará nc = 107 , mientras que el de eventos, contará nev = 1. Se debe cumplir Te*nev = Tc*nc Te es el período de la señal de entrada y nev, es el número de eventos contados, Tc, es el período del reloj (clock) y nc es el número de cuentas realizadas por el contador de tiempos. Operando con esta expresión

La incertidumbre de cuantificación es Nunca podríamos medir con un contddor convencional una frecuencia tan baja, con tan poca incertidumbre, en un tiempo razonable. Si la frecuencia se incrementara 10 veces, conservando la compuerta en 1s, se contarían 10 eventos, con lo cual Pero en número de cuentas del contador de tiempos, sigue siendo Por lo que la incertidumbre se conserva en

La incertidumbre se mantendrá constante hasta la frecuencia de reloj, donde cambia de modo.

Especificaciones técnicas

Ejemplo Con un contador recíproco, cuyas especificaciones son las que aparecen en las diapositivas anteriores, en modo frecuencia y con la compuerta en 0,1s el display indica: 52.0031Hz. ¿Cómo debería expresarse el valor de la frecuencia medida? Incertidumbre de la base de tiempo:

Suponiendo 5 años desde la última calibración: Envejecimiento= 5⤫ 𝟏𝟎 −𝟔 ⤫𝟓=𝟐𝟓⤫ 𝟏𝟎 −𝟔 Deriva por temperatura= 5⤫ 𝟏𝟎 −𝟔 (admitiendo que la temperatura está en el rango especificado por el fabricante) Deriva por tensión= 1⤫ 𝟏𝟎 −𝟔 (admitiendo que la tensión no tiene una variación mayor al 10% Incertidumbre de cuantificación: 𝟏 𝒏 = 𝟏 𝟓𝟐𝟎𝟎𝟑𝟏 =𝟏,𝟗⤫ 𝟏𝟎 −𝟔

Incertidumbre total= 3,29⤫ 𝟏𝟎 −𝟓 ∆𝒇= 3,29⤫ 𝟏𝟎 −𝟓 ⤫52,031Hz = 1,7⤫ 𝟏𝟎 −𝟑 𝑯𝒛 ∆𝒇 = 1,7mHz f = 52,0031Hz ± 1,7⤫ 𝟏𝟎 −𝟑 𝑯𝒛 Si obtenemos la incertidumbre de cuantificación a partir de la tabla: Incertidumbre de cuantificación = 𝟎,𝟏⤫ 𝟏𝟎 −𝟑 52.0031 =1,9⤫ 𝟏𝟎 −𝟔