¿Qué es un Contador de Frecuencia?
Un contador de frecuencia es un dispositivo digital para medir las frecuencias que se producen en los circuitos electrónicos.
Las señales eléctricas pueden expresarse en términos de tres parámetros: frecuencia, amplitud y fase. También es posible determinar el periodo mediante el recíproco de la frecuencia, por lo que la medición de la frecuencia es un parámetro importante en la medición básica de señales eléctricas.
Un contador universal es aquel que tiene varias funciones adicionales además del recuento de frecuencia, como la medición del ciclo de trabajo, el tiempo de subida del impulso y el intervalo de tiempo.
Usos de los Contadores de Frecuencia
Los contadores de frecuencia se utilizan como instrumentos de medida básicos en la medición de señales eléctricas, al igual que los amperímetros y voltímetros. Aunque algunos productos están disponibles como contadores de frecuencia independientes, se han desarrollado muchos productos con funcionalidad de contador de frecuencia como parte de la funcionalidad de dispositivos con muchas funciones, como multímetros digitales, osciloscopios y analizadores de espectro óptico.
Los contadores de frecuencia se caracterizan porque su principio es muy sencillo. Como es posible fabricarlos uno mismo, también existen kits. Varias empresas ofrecen kits de contadores de frecuencia para frecuencias de varias decenas de MHz. Esto se debe a que los contadores de frecuencia directos se caracterizan por su sencillo funcionamiento.
Algunos multitesters también están equipados con un rango que permite medir frecuencias, y estos tipos son especialmente útiles en lugares donde no se pueden llevar grandes equipos de medición, ya que son fáciles de manejar. Sin embargo, aunque tienen la ventaja de ser fáciles de usar, su desventaja es que no son adecuados para aplicaciones en las que se requieren altas frecuencias o un gran número de dígitos significativos.
La mayoría de los kits están basados en LSI, por lo que no es posible aprender toda su estructura, pero sí hacerse una idea.
Principio de los Contadores de Frecuencia
Un contador de frecuencia se compone de un circuito formador de onda, una puerta, un oscilador de cristal y un circuito contador.
1. Circuito de Conformación de Onda
Este convierte la señal de entrada en un “tren de impulsos”.
2. Oscilador de Cristal
Este genera impulsos con una anchura de tiempo fija. Genera una ventana de tiempo (tiempo de puerta) para medir el mencionado tren de impulsos, y la ventana de tiempo actúa como ventana para medir la frecuencia.
3. Circuito de Medida
La frecuencia de la señal original se mide contando el número de impulsos en la ventana de tiempo. La resolución de la medida de frecuencia viene determinada por la anchura temporal de la ventana de tiempo generada por el oscilador de cristal. La resolución es proporcional a la inversa de la anchura temporal de la ventana temporal, por ejemplo, una ventana temporal de 1 segundo se visualiza en unidades de 1 Hz, una ventana temporal de 0,1 segundos se visualiza en unidades de 10 Hz y así sucesivamente.
En los contadores de frecuencia, el mayor error se produce en el punto en el que se genera el tren de impulsos, especialmente si la señal de entrada contiene ruido, lo que puede provocar que el flanco ascendente del impulso sea inestable o genere impulsos adicionales que no deberían estar ahí.
Un método que se ha ideado para evitar la generación de errores es realizar mediciones repetidas y promediar los componentes de ruido. Esto reduce los errores que se producen al generar el tren de impulsos.
Métodos de Medición del Contador de Frecuencia
Un contador de frecuencia es un dispositivo que mide la frecuencia de una señal de entrada y muestra el resultado. Existen dos métodos de medición: el método directo, que es fácil de implementar y se ha utilizado durante mucho tiempo, y el método recíproco, que es más caro pero puede obtener un elevado número de dígitos significativos.
1. Método Directo
Medición Cruzada del Punto Cero
El contador de frecuencia de método directo mide el número de veces que la frecuencia de la señal de entrada cruza en el punto cero. Si la señal de entrada es una curva sinusoidal, se cuenta el número de veces que cruza hacia abajo o hacia arriba el punto cero.
La ventaja del contador de frecuencia por método directo es que puede implementarse fácilmente utilizando sólo hardware. Por esta razón, este método se ha utilizado durante mucho tiempo y su número de cruces del punto cero por segundo se muestra como una medida de frecuencia.
El contador de frecuencia del método directo se caracteriza por el hecho de que se realiza un reloj de referencia preciso dentro del dispositivo y el número de cruces de punto cero se mide abriendo una ventana de tiempo para esa cantidad de tiempo.
Número de Dígitos Significativos de la Medición
El número de dígitos significativos en un contador de frecuencia de método directo viene determinado por la amplitud temporal de la ventana de tiempo y la frecuencia de entrada.
Por ejemplo, si la frecuencia de entrada es de 1 GHz y la ventana de tiempo es de 1 segundo, el valor medido es 1×10^9 y el número de dígitos significativos es 10. Si la frecuencia de entrada es de 1 kHz, el número de dígitos significativos es 4, ambos con una resolución de 1 Hz.
Si se aumenta la anchura de tiempo de la ventana temporal, la resolución aumenta, por ejemplo, si la anchura de tiempo de la ventana temporal se aumenta a 100 s, el número de dígitos significativos es 6 a 1 kHz y la resolución es 0,01 Hz.
Sin embargo, tomar al menos 100 segundos para una sola medición es poco práctico y reduce significativamente la viabilidad. Además, debe utilizarse teniendo en cuenta que las mediciones siempre están sujetas a un error cuántico de ±1.
Si sólo se van a medir señales de alta frecuencia, los contadores de frecuencia de método directo pueden utilizarse sin problemas, pero para aumentar la precisión con el método directo, debe aumentarse la anchura de tiempo de la ventana temporal.
Sin embargo, la desventaja es que el aumento de la anchura de tiempo de la ventana temporal en el método directo también aumenta el tiempo necesario para cada medición, lo que resulta en una eficiencia extremadamente baja. Los contadores de frecuencia “recíprocos” son la alternativa en estas circunstancias.
2. Método Recíproco
Los contadores de frecuencia recíprocos cuentan la forma de onda de entrada tal cual o la dividen por un reloj de referencia interno. La ventaja es que se puede obtener un elevado número de dígitos significativos, especialmente cuando se miden frecuencias bajas. El número de dígitos significativos en un contador de frecuencia recíproco viene determinado por el reloj de referencia interno y el tiempo de puerta, y no se ve afectado por la frecuencia de entrada.
Por ejemplo, si el reloj de referencia interno es de 10 MHz y el tiempo de puerta es de 1 s, el número de dígitos significativos es siete; si se utiliza el mismo reloj de referencia y el tiempo de puerta es de 10 s, el número de dígitos significativos es ocho. Aunque el método recíproco permite obtener un elevado número de dígitos significativos en mediciones en el rango de baja frecuencia, el funcionamiento del contador en sí es complejo y tiene la desventaja de ser costoso.