Qu’est-ce qu’un compteur de fréquence ?
Un compteur de fréquence est un appareil numérique permettant de mesurer les fréquences apparaissant dans les circuits électroniques.
Les signaux électriques peuvent être exprimés en fonction de trois paramètres : la fréquence, l’amplitude et la phase. Il est également possible de déterminer la période par l’inverse de la fréquence, ce qui fait de la mesure de la fréquence un paramètre important dans la mesure de base des signaux électriques.
Un compteur universel est un compteur qui possède plusieurs fonctions supplémentaires en plus du comptage de fréquence, telles que la mesure du rapport cyclique, le temps de montée de l’impulsion et l’intervalle de temps.
Utilisations des compteurs de fréquence
Les compteurs de fréquence sont utilisés comme instruments de mesure de base dans la mesure des signaux électriques, à l’instar des ampèremètres et des voltmètres. Bien que certains produits soient disponibles en tant que compteurs de fréquence autonomes, de nombreux produits ont été développés avec une fonctionnalité de compteur de fréquence faisant partie des fonctionnalités d’appareils ayant de nombreuses fonctions, tels que les multimètres numériques, les oscilloscopes et les analyseurs de spectre optique.
Les compteurs de fréquence se caractérisent par le fait que leur principe est très simple. Comme il est possible de les fabriquer soi-même, des kits sont disponibles auprès de différentes entreprises pour des fréquences de plusieurs dizaines de MHz.
Certains multi-tests sont également équipés d’une gamme permettant de mesurer la fréquence. Ces types d’appareils sont particulièrement utiles sur les sites où il n’est pas possible d’apporter de gros équipements de mesure, car ils sont faciles à manipuler. Toutefois, s’ils ont l’avantage d’être faciles à utiliser, ils présentent l’inconvénient de ne pas convenir aux applications nécessitant des fréquences élevées ou un grand nombre de chiffres significatifs.
La plupart des kits sont basés sur la technologie LSI, il n’est donc pas possible d’apprendre toute la structure, mais on peut en avoir une idée.
Principe d’un compteur de fréquence
Un compteur de fréquence se compose d’un circuit de mise en forme de la forme d’onde, d’une porte, d’un oscillateur à cristal et d’un circuit de comptage.
1. Circuit de mise en forme de l’onde
Convertit le signal d’entrée en un “train d’impulsions”.
2. Oscillateur à cristal
Génère des impulsions avec une largeur de temps fixe. Il génère une fenêtre temporelle (temps de porte) pour mesurer le train d’impulsions susmentionné, et la fenêtre temporelle sert de fenêtre pour mesurer la fréquence.
3. Circuit de mesure
La fréquence du signal original est mesurée en comptant le nombre d’impulsions dans la fenêtre temporelle. La résolution de la mesure de la fréquence est déterminée par la largeur de la fenêtre temporelle générée par l’oscillateur à cristal. La résolution est proportionnelle à l’inverse de la largeur de la fenêtre temporelle, par exemple une fenêtre temporelle de 1 seconde est affichée en unités de 1 Hz, une fenêtre temporelle de 0,1 seconde est affichée en unités de 10 Hz, etc.
Dans les compteurs de fréquence, l’erreur la plus importante se produit au point où le train d’impulsions est généré, en particulier si le signal d’entrée contient du bruit. Cela peut rendre le front de montée de l’impulsion instable ou générer des impulsions supplémentaires qui ne devraient pas être là.
Une méthode a été mise au point pour éviter la génération d’erreurs consiste à effectuer des mesures répétées et à calculer la moyenne des composantes de bruit.
Méthodes de mesure des compteurs de fréquence
Un compteur de fréquence est un appareil qui mesure la fréquence d’un signal d’entrée et affiche le résultat. Il existe deux méthodes de mesure : la méthode directe, facile à mettre en œuvre et utilisée depuis longtemps, et la méthode réciproque, plus coûteuse mais permettant d’obtenir un nombre élevé de chiffres significatifs.
1. Méthode directe
Mesure de la croix du point zéro
Le compteur de fréquence à méthode directe mesure le nombre de fois où la fréquence du signal d’entrée se croise au point zéro. Si le signal d’entrée est une courbe sinusoïdale, le nombre de fois où il traverse le point zéro vers le bas ou vers le haut est compté. L’avantage du compteur de fréquence par méthode directe est qu’il peut être facilement mis en œuvre en utilisant uniquement du matériel. C’est pourquoi cette méthode est utilisée depuis longtemps et le nombre de passages du point zéro par seconde est affiché comme une mesure de la fréquence.
Le compteur de fréquence de la méthode directe se caractérise par le fait qu’une horloge de référence précise est fabriquée à l’intérieur de l’appareil et que le nombre de passages au point zéro est mesuré en ouvrant une fenêtre temporelle pendant ce laps de temps.
Nombre de chiffres significatifs de la mesure
Le nombre de chiffres significatifs d’un compteur de fréquence à méthode directe est déterminé par la largeur de la fenêtre temporelle et la fréquence d’entrée. Par exemple, si la fréquence d’entrée est de 1 GHz et la fenêtre temporelle de 1 seconde, la valeur mesurée est de 1×10^9 et le nombre de chiffres significatifs est de 10. Si la fréquence d’entrée est de 1 kHz, le nombre de chiffres significatifs est de 4, tous deux avec une résolution de 1 Hz.。
Si la largeur de la fenêtre temporelle est augmentée, la résolution augmente, par exemple si la largeur de la fenêtre temporelle est augmentée à 100 s, le nombre de chiffres significatifs est de 6 à 1 kHz et la résolution est de 0,01 Hz. Toutefois, il n’est pas pratique de prendre au moins 100 secondes pour une seule mesure, ce qui réduit considérablement les possibilités d’utilisation. Il faut également tenir compte du fait que les mesures sont toujours sujettes à une erreur quantique de ±1.
Si seuls des signaux à haute fréquence doivent être mesurés, les compteurs de Fréquence à méthode directe peuvent être utilisés sans problème, mais pour augmenter la précision avec la méthode directe, il faut augmenter la largeur de la fenêtre temporelle. Toutefois, l’inconvénient est que l’augmentation de la largeur de la fenêtre temporelle dans la méthode directe augmente également le temps nécessaire pour chaque mesure. Cela se traduit par une efficacité extrêmement faible. Les compteurs de fréquence réciproques sont l’alternative dans ces circonstances.
2. Méthode réciproque
Les compteurs de fréquence réciproques comptent la forme d’onde d’entrée telle quelle ou la divisent par une horloge de référence interne. L’avantage est que l’on peut obtenir un nombre élevé de chiffres significatifs, en particulier lors de la mesure de basses fréquences. Le nombre de chiffres significatifs dans un compteur de fréquence réciproque est déterminé par l’horloge de référence interne et le temps de porte, et n’est pas affecté par la fréquence d’entrée.
Par exemple, si l’horloge de référence interne est de 10 MHz et que le temps de porte est de 1 s, le nombre de chiffres significatifs est de sept. Si la même horloge de référence est utilisée et que le temps de porte est de 10 s, le nombre de chiffres significatifs est de huit. Bien que la méthode réciproque permette d’obtenir un nombre élevé de chiffres significatifs lors de mesures dans le domaine des basses fréquences, le fonctionnement du compteur lui-même est complexe et présente l’inconvénient d’être coûteux.