República Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular para la Defensa de la Nación Universidad Nacional Experimental de la Fuerza Armada Nacional Maracaibo-Edo Zulia.
Materia: Instrumentación de las Comunicaciones Bachilleres: Antonietta Pirela Marierny Trujillo Gamer Echeto Emmanuel Rondón Jhonarlyn Calzada Sección: 06.ITE.D01
Noviembre 9/2014
Esquema Introducción. Desarrollo Contadores universales. Diagrama de bloques, medición de frecuencia, periodo, periodo promedio. Error y limitaciones. Aplicaciones, oscilador a cristal. Conclusión.
Introducción
En el mundo de las comunicaciones, la tecnología ha adquirido numerosos avances los cuales nos ha llevado a utilizar algunos instrumentos de medición, entre estos se encuentran los contadores universales. Este instrumento se basa en la medición de perìodo, tiempo y frecuencia de señales periódicas, las múltiples aplicaciones que nos brinda nos ha permitido obtener algunos datos de manera más fácil y eficaz. La presente investigación hace mención más detallada de la utilidad de dichos instrumentos.
Desarrollo
Contadores universales digitales Se define un contador universal como un instrumento para
medir
tiempo, período y frecuencia de señales periódicas. La denominación de “universal” radica en sus múltiples modos de operación posibles. Diagrama de bloques
La entrada al sistema, en general, es una señal periódica con cualquier forma de onda. Dado que los circuitos lógicos que componen al contador trabajan con señales digitales, es necesario acondicionar dicha entrada, mediante algún dispositivo, llevándola a un tren de pulsos del mismo período que la señal original (u onda cuadrada). En general, para lograr la señal acondicionada se utilizan: un condensador a la entrada, un atenuador variable, un amplificador y un comparador con histéresis o schmitttrigger, conectados como se muestra en la Figura siguiente:
El condensador a la entrada es utilizado para eliminar la componente de continua da la señal de entrada. El atenuador y el amplificador dan una ganancia variable y una alta impedancia de entrada. Su función es acondicionar la amplitud de la señal de entrada para ser utilizada por el “Schmitt Trigger”, y fijar el nivel de disparo. En general, la señal que va a ser objeto de medida, tiene cierto ruido superpuesto. Este ruido, si la condición de disparo no está fijada de manera conveniente, influye considerablemente en las medidas, contándose por ejemplo pulsos inexistentes. El Schmitt Trigger logra la señal digital a la salida, comparando la tensión de la señal de entrada contra los niveles de disparo. La base de tiempos consiste en un reloj u oscilador y un divisor de frecuencia que permiten fijar la referencia más adecuada a la señal con la que se trabaja. El oscilador utilizado es en general de cristal de cuarzo, muy preciso, con frecuencias de oscilación de 1MHz o 10 MHz. El divisor de frecuencias consiste en una serie de contadores de décadas. Un contador de décadas es aquel que tiene 10 estados diferentes sin importar la secuencia. Presenta un contador de décadas BCD, llamado así ya que los estados representan los números 0 al 9 en código BCD. A través de esta conexión, se logra dividir la frecuencia de entrada exactamente entre 10 ya que el MSB (dígito más significativo) permutará de 0 a 1 cada 10 períodos de la señal de entrada. El contador está formado por contadores BCD cuya salida puede almacenarse en un registro formado por flip-flops tipo “D” de forma tal de utilizar estos resultados según sea la aplicación. Una vez obtenido el valor de la cuenta en los flip-flops tipo D, esta queda a disposición de ser decodificada y visualizada en un display o como entrada de un nuevo sistema. Medida de frecuencia Básicamente, medir una frecuencia es compararla con otra que se toma como referencia. La comparación se realiza contando el número de impulsos de la señal de entrada durante un intervalo de tiempo perfectamente determinado por el divisor de la base de tiempos.
El contador realiza el contaje de los ciclos de la señal de entrada durante un intervalo de tiempo, t, fijado por la base de tiempos. La unidad de control genera las señales de puesta a cero ( inhibición ( ) del contador y el impulso de transferencia del registro (
) e
).
La generación de las mismas se puede realizar periódicamente o cada vez que se da una orden de medida, consistente. La señal de inhibición permanece en un determinado nivel (el uno lógico de la figura 4.4) un cierto intervalo de tiempo, t, durante el cual el contador realiza el contaje de los impulsos procedentes del circuito de entrada. Transcurrido ese intervalo del contenido del contador es igual al número de ciclos de la señal de entrada. Por
ejemplo, si dicho número es 39400 y el intervalo es 1 segundo, la frecuencia será entonces de 39,4Khz. Si el intervalo es de 0,1 segundos y el contenido del contador el mismo, la frecuencia seria de 394Khz. Período Al trabajar con señales de baja frecuencia, es conveniente medir el período de la señal en lugar de la frecuencia, ya que se logran menores incertidumbres. Esto se logra conectando la entrada a un divisor de frecuencias, el cual a su vez se conecta a la entrada del flip-flop tipo T, como se muestra en la figura.
De esta forma, seleccionando el sector del divisor donde se conecta dicha entrada, se obtienen la cantidad de pulsos de la base de tiempos que se dan durante la cantidad de períodos seleccionados de la señal de entrada. Cuando se trabaja con señales de entrada de alta frecuencia resulta conveniente la utilización del periodo múltiple ya que, como se puede apreciar en la figura
Al contabilizar múltiples periodos de la señal de entrada se estará incrementando la cuenta del contador y esto reduce considerablemente la
incertidumbre de ±1 unidad. Realizando la medida de varios períodos, el valor obtenido se aproxima de mejor forma al valor “real”. Los diagramas de tiempos correspondientes a la medida de periodo simple y múltiple se muestran en la figura anterior Período promedio Este modo permite medir el tiempo entre dos puntos de una misma señal o de señales distintas. Esto se logra modificando el circuito de medida de frecuencia: se debe conectar a la compuerta AND, además de la base de tiempos, un registro (flipflop) que reciba los pulsos de cada una de las entradas acondicionadas. Éstos establecen el inicio y el final del tiempo de compuerta tal como hacen las señales de “Start” y”Stop” en el modo contador de pulsos. Este sistema requiere el uso de un conversor de señales para cada señal, y por ende el ajuste de sensibilidad y nivel de disparo para cada caso. Además, debe darse la posibilidad de optar entre la detección de flancos de subida y bajada, según la aplicación. La implementación de este modo requiere gran precisión en los circuitos de disparo. Errores de medición
Error de compuerta: el cual ocurre siempre que se realizan mediciones de frecuencia y periodo. Para mediciones de frecuencia la compuerta principal se abre y se cierra por medio del pulso de salida del oscilador. Esto permite que la señal de entrada pase hacia la compuerta y se cuente por los contadores de décadas. Si el pulso de compuerta no se sincroniza con la señal de entrada; hay de hecho, dos señales sin ninguna relación.
Error en la base de tiempo: las inexactitudes en la base de tiempo también causan errores en la medición, en las mediciones de frecuencia la base de tiempo determina la apertura o cierre de la señal de compuerta y proporciona los pulsos por contar. Los errores en la abse de tiempo consisten en errores de calibración del oscilador y errores en
la estabilidad del cristal de periodos cortos y errores en la estabilidad del cristal de periodos largos. Se utilizan comúnmente varios métodos de calibración del cristal, una de las técnicas de calibración más simples es igualar la frecuencia del oscilador de cristal con la frecuencia patrón trasmitida por una estación de radio de patrones. Entre el oscilador de cristal y la señal recibida se da 2 tipos de errores:
Los errores de estabilidad del cristal de periodos cortos se deben a variaciones de frecuencia momentáneas originadas por voltajes transitorios cortos y vibraciones, ciclado del cristal de temperatura controlada, interferencia eléctrica, etc. Estos errores se pueden minimizar tomando mediciones de frecuencia en tiempo de compuerta largos (10 s a 100 s) y mediciones promedio de periodo múltiples.
Los errores de estabilidad de periodos largos son los contribuyentes más sutiles a la inexactitud de una medición de tiempo o frecuencia. La estabilidad de periodos largos es una función del desgaste y deterioro del cristal, como el cristal tiene un ciclo de temperatura y se mantiene en continua oscilación, los esfuerzos internos inducidos durante la fabricación son liberados y diminutas partículas adheridas a la superficie, se desprenden reduciendo su espesor, por lo general, este fenómeno incrementa la frecuencia del oscilador.
Error del nivel de disparo: en mediciones de periodo e intervalos la señal de compuerta abre y cierra por la señal de entrada. La exactitud con la cual la compuerta se abre y se cierra esta función del error del nivel de disparo. En la aplicación usual la señal de entrada se amplifica, afina y entonces se aplica a un circuito disparador Schmitt que genera la compuerta mediante sus pulsos de control, en términos generales la señal de entrada contiene ciertas cantidad de componentes indeseados o ruidos, que se amplifica junto con la
señal . el tiempo en que ocurre el disparo del circuito Schmitt esta función de la amplificación de la señal de entrada y de su relación señal a ruido se puede decir que los errores de tiempo de disparo se reducen con amplitudes de señal grandes y tiempo de subida rápidos. Se puede obtener la exactitud máxima si se sigue las siguientes sugerencias:
El efecto del error de compuerta de una cuenta se reduce midiendo frecuencias superiores a
y mediciones de periodos inferiores a
,
donde fc es la frecuencia del reloj del contador.
Puesto que la estabilidad de periodo largo tiene efectos acumulativos, la exactitud de la medición es principalmente una función del tiempo, debido a la última calibración contra un patrón primario o secundario.
La pendiente de la señal de entrada que controla la señal de compuerta afecta grandemente la exactitud de las mediciones de tiempo. Gran amplitud de la señal y tiempo de subida rápido aseguran la máxima exactitud. Aplicaciones
Sin duda, los contadores son los bloques digitales más utilizados, estando presentes en La mayor parte de los sistemas digitales, habida cuenta del amplio número y diversidad de Sus aplicaciones. Entre ellas tenemos:
Contaje de objetos y sucesos
División de frecuencias y ampliación de períodos
Medida de tiempos
Multiplexado temporal: reparto de tiempos
Medida de frecuencias
Contaje de objetos y sucesos La cuenta directa de unidades (pulsos, objetos, sucesos,…) encuentra aplicación en muchos procesos. Para ello se precisa que el fenómeno (evento) a contabilizar sea primeramente transformado en señal eléctrica, mediante el correspondiente sensor al que seguirá un circuito de conformación de pulsos adecuado. Por ejemplo, se pueden contar objetos haciéndolos pasar en fila de a uno por una cinta transportadora entre una célula fotoeléctrica y un foco luminoso. La utilización de foto detectores y otros tipos de sensores de interposición o de proximidad para detectar presencia de objetos, personas o marcas es tan amplia que existe una gran diversidad en la oferta de tales componentes. Por otra parte, se da el caso de operaciones que pueden realizarse indirectamente por contaje; por ejemplo, el control de posición o de ángulo de algunos mecanismos (cabezales de impresoras, posicionamiento de taladros, etc.) puede efectuarse mediante regletas o discos graduados, con marcas que se cuentan a partir de un origen. En tareas de control es muy útil el contaje hasta un número predeterminado; lo cual puede realizarse de dos formas: - comparando el resultado del contaje de un contador normal (ascendente) con el número deseado, a través del correspondiente comparador; - prefijando en un contador descendente (imponiendo mediante carga paralelo) el número a contar y detectando cuándo el contaje inverso llega a cero. Contadores de este tipo pueden emplearse, por ejemplo, para contar el número de objetos que entran en un recipiente o envase; al alcanzarse el número fijado, el pulso de salida determina el fin de la serie de n objetos (inhibe el paso de más objetos) y, para dejar pasar una nueva serie de n objetos, un pulso de inicio debe borrar (poner a 0) el contador.
División de frecuencias y ampliación de períodos La división de frecuencia se utiliza para obtener frecuencias inferiores a partir de una frecuencia patrón o, lo que es lo mismo, para obtener unidades de tiempo múltiplos del período que corresponde a dicha frecuencia patrón. Por ejemplo, en los relojes digitales de pulsera la unidad de tiempo básica (un segundo) suele obtenerse a partir de un cristal de cuarzo de 32,768 KHz, dividiendo dicha frecuencia mediante un contador completo de 15 biestables (215=32.678). Se consigue mayor precisión con cristales de cuarzo de 1 MHz (generalmente 1000000 ±1 Hz, precisión del uno por millón, que corresponde a una desviación inferior a 3 segundos al mes), cuya división a través de 4 contadores década (módulo 10) proporciona el período de 0,01" básico para cronómetros o relojes de alta precisión. La unidad de tiempo puede obtenerse, también, a partir de la frecuencia de la red de tensión alterna (220 voltios, 50 Hz): una vez reducida adecuadamente la tensión a través de un transformador, su rectificación da lugar a pulsos iniciales de 50 Hz (rectificación en media onda) o de 100 Hz (en onda completa) que, por división de frecuencia, permiten obtener períodos de un segundo o de una décima, según interese. De igual modo se pueden definir unidades de tiempo diferentes para intervalos
de
medida,
control
de
procesos,
etc.;
por
ejemplo,
los
frecuencímetros suelen utilizar un intervalo de 6" o 10" como tiempo de medida e intervalo de visualización de la misma. Asimismo se utilizan divisores de frecuencia en aplicaciones de sincronismo, adaptación a la velocidad de trabajo de dispositivos más lentos, transmisión de datos, etc. Medida de tiempos A partir de un generador de pulsos de frecuencia fija y muy precisa, cuyo período sea mucho menor que los intervalos temporales a medir, la medida de
tiempos se reducirá a contar el número de pulsos en cada intervalo; dicha medida quedará expresada en unidades equivalentes al período de los pulsos. Como generador de pulsos de frecuencia precisa suele utilizarse un oscilador con cristal de cuarzo o la propia señal de la red de tensión alterna (50 Hz). Consideraremos, a continuación, diversas utilidades relativas a la medida de tiempos: - la medida del tiempo horario (horas, minutos, segundos): relojes digitales, - la medida de intervalos con precisión y resolución: cronómetros, - la delimitación de intervalos temporales precisos: temporizadores. Multiplexado temporal: reparto de tiempos Un multiplexor digital puede ser utilizado como generador de formas de onda digitales o generador de palabras; conectando sus entradas de control a las salidas de un contador, éste determina un muestreo sucesivo de los valores booleanos impuestos en las n líneas de entrada, dando lugar a la correspondiente onda repetitiva. Análogamente, si se sustituye el multiplexor por un pequeño codificador ROM, se obtiene una secuencia repetitiva de los vectores de salida programados en dicho bloque, es decir, una secuencia de señales sincronizadas con el reloj del contador; lo cual puede ser útil para el control de maniobras repetitivas como, por ejemplo, el control de motores paso a paso o el control de máquinas herramientas (el codificador o «memoria ROM» sustituye en este caso a las antiguas cintas perforadas de programación). Un conjunto de n puertas de transmisión CMOS, conectadas a una misma línea de salida y controladas por un decodificador que active una sola de dichas puertas, constituye un multiplexor analógico que permite seleccionar una de entre n señales de entrada. El mismo multiplexor utilizado en dirección opuesta (1 entrada hacia n salidas) se convierte en demultiplexor analógico habida cuenta el carácter bidireccional que presentan las puertas de transmisión. Conectando las entradas de control de un multiplexor analógico a un contador se realizará el muestreo sucesivo y cíclico de las n señales de entrada; la frecuencia del muestreo será la de los pulsos que reciba el contador.
El muestreo de señales analógicas puede ser aprovechado para medir dichas señales con un mismo instrumento o circuito de medida (conversor analógico/digital). Resulta así una configuración típica de los sistemas de adquisición de datos para medir o controlar periódicamente diversas magnitudes físicas: el transductor correspondiente las transforma en tensiones y el multiplexado de ellas permite tomar sus valores con un solo conversor analógico-digital. Medida de frecuencias La frecuencia de una señal o de un proceso periódico es el número de repeticiones o pulsos por unidad de tiempo; su medida consiste en contar pulsos durante un intervalo de tiempo unidad o durante uno de sus múltiplos. La medida de frecuencias es en cierta manera el recíproco de la medida de tiempos: mientras que en esta segunda se cuentan pulsos de frecuencia precisa y conocida durante el intervalo temporal a medir, para la medición de una frecuencia se cuentan los pulsos de la señal durante un intervalo de tiempo de duración precisa y conocida. Para ello se requiere un subsistema que determine con precisión los intervalos temporales, a partir de una frecuencia patrón; durante la unidad de tiempo definida se permite el contaje de pulsos de la señal a medir y, al final de la misma, se inhibe dicho contaje, quedando recogida en el contador la medida de la frecuencia: número de pulsos por unidad de tiempo. OSCILADORES A CRISTAL Es un oscilador armónico cuya frecuencia está determinada por un cristal de cuarzo o una cerámica piezoeléctrica.
Un cristal es un dispositivo electromecánico que se comporta como un circuito muy selectivo en frecuencia, es decir con un factor de calidad muy alto. Está construido a base de cuarzo o de una cerámica sintética con propiedades piezoeléctricas. Sus propiedades son muy estables en el tiempo e insensibles a los cambios de temperatura o humedad. No obstante, cuando se emplean para
osciladores de referencia de alta precisión se encierran en una caja a temperatura controlada
El símbolo del cristal se muestra en la figura (A)
y en la figura (B) se
muestra su circuito equivalente.
(A) (B)
El cristal (usualmente de cuarzo) tiene una mayor estabilidad en cuanto a mantenerse constante a cualquier frecuencia a al cual se corte originalmente el cristal para operar. Los osciladores de cristal se usan siempre que se requiere gran estabilidad; por ejemplo, en transmisores y receptores de comunicaciones.
Un cristal de cuarzo (uno de los diversos tipos de cristal) presenta la propiedad de que cuando se aplica un esfuerzo mecánico entre sus caras, se genera una diferencia de potencial a través de las caras opuestas del mismo. Esta propiedad de un cristal se denomina efecto piezoeléctrico. En forma semejante, un voltaje aplicado a través de un conjunto de caras de cristal ocasiona distorsión mecánica en la forma de cristal.
El cristal como el que se representa mediante el circuito eléctrico equivalente de la figura 14, puede tener dos frecuencias resonantes. Una condición resonante ocurre cuando las reactancias de la rama RLC en serie son iguales (y opuestas). Para esta condición la impedancia resonante en serie es muy baja (igual a R). La otra condición resonante ocurre a una frecuencia más
elevada cuando la reactancia de la rama resonante en serie iguala la reactancia del capacitor CM. Esta es una condición de resonancia o antirresonancia en paralelo del cristal. A esta frecuencia el cristal ofrece una impedancia muy alta al circuito externo. Con el objeto de emplear el cristal de manera apropiada debe conectarse en un circuito de manera que se elija su impedancia baja en el modo de operación de resonancia en serie o el de impedancia alta en el modo de operación anti-resonante.
Conclusión
La investigación realizada permite concluir que es necesaria la utilización de contadores universales debido a las diversas aplicaciones que contiene y la utilidad de las mismas, para así obtener mediciones eficaces que nos faciliten la comprensión del comportamiento de las ondas periódicas que dicho instrumento nos brinda los datos resultantes de las mediciones que mediante él se realizan.
