Este es un extracto de mí informe perteneciente a un trabajo de investigación en el laboratorio Electrónica de la Universidad Tecnológica Nacional (FRA).

Introducción

Sin pensarlo demasiado vemos que la medición precisa de tiempos en forma electrónica es una de las cosas  más importantes en la actualidad. Por ejemplo, en la vida diaria de una persona con solo conocer el tiempo con una exactitud del orden de unos pocos minutos es más que suficiente, como para realizar tareas en forma ordenada. Pero existen casos en los que un minuto es una eternidad y el uso de los segundos y menores tiempos es más importante. Esto se puede ver en aplicaciones como por ejemplo en sistemas de facturación de servicios (telefonía, parquímetros, etc.). Imaginen lo que un error en la cuenta de tiempos de tales sistemas puede causar a la economía del usuario final.

¿Pero porque se está hablando de tiempo cuando se está presentando un proyecto sobre medición de frecuencias? La razón es muy sencilla, la frecuencia es una parte muy importante del tiempo ya que todos los relojes de sistemas (refiriéndonos así al elemento que acumula unidades de intervalos de tiempos definidos, con su formato asociado y usados como referencia indicativa del transcurso del tiempo) usan como fuente interna una frecuencia determinada. Por ejemplo el tiempo (expresado en horas, minutos, segundos y así sucesivamente) es la acumulación  de pulsos cada vez más frecuentes. Es decir que la hora del día no es ni más ni menos que uno de los tantos pulsos que representan una frecuencia. Un reloj convencional cuenta eventos de 1Hz (ticks), el cual puede obtenerse de una fuente de alta frecuencia (oscilador) y dividida tantas veces para obtener un pulso por segundo. De aquí que la frecuencia describe la tasa a la que ocurren eventos, y el tiempo, es el nombre dado a un intervalo. De hecho la forma correcta de caracterizar a un periodo de tiempo transcurrido, es a través del intervalo de tiempo, por lo tanto si se mide frecuencia, se usarán intervalos de tiempo.

Ahora bien, ¿quienes necesitan del tiempo? Obviamente la respuesta sería que todo el mundo, y de hecho es así pero cada quien necesitará conocer el tiempo exacto al segundo o millonésimas(o menos) de segundo, según sus necesidades. Por ejemplo, algunos usos del tiempo y frecuencia se los encuentran en campos como:

×           Navegación barcos, industria de aviación y aeroespacial, transportes.

×           Compañías de suministro de energía, industria del petróleo,  telecomunicaciones.

×           Radiodifusión, industria de computadoras.

×           Militares, astrónomos, deportistas, músicos y otros.

Ahora, es necesario hacer mención a uno de los instrumentos que nos dará la representación directa  de la frecuencia, periodo e intervalos de tiempo medidos de una señal eléctrica. Dicho instrumento es el contador convencional o universal. Pero una de las características de dichos contadores es que su resolución está dada en función del tiempo de medición (tiempo de compuerta), es decir que si se requieren mediciones de gran resolución éstas pueden demorar bastante tiempo. Por ejemplo midiendo una señal de 1MHz se tiene una resolución de 1Hz para un tiempo de compuerta de 1Seg. Si aumentamos el tiempo de compuerta a 10Seg se tendrá una resolución de 0.1Hz y  así sucesivamente. Por lo tanto mediante el proyecto propuesto se logrará efectuar mediciones de mayor resolución y en tiempos menores que el insumido en los contadores convencionales. Esto es posible debido a la impresionante proliferación de microcontroladores, que hoy en día hace mucho más natural la implementación de éste tipo de contador, lo que en el pasado fue un anhelo, debido a la complicación del diseño, hace que hoy sea una realidad tangible.

Técnica de promediación de periodos múltiple (multiperíodo)

Esta es una técnica que se ha introducido en las nuevas generaciones de contadores, la misma se basa en efectuar mediciones de periodo de la señal de entrada. Cuando es necesario visualizar su frecuencia, el sistema simplemente realiza el calculo del reciproco del periodo antes obtenido. El contador multiperiodo mide el tiempo medio para un cierto número de periodos. Tal método de medición, brinda una serie de ventajas respecto al contador convencional, las cuales serán tratadas con mayor detalle más adelante. Una de las más destacables características de éste método es que las mediciones son efectuadas con el menor error de cuenta permitido por el sistema y casi independiente de la frecuencia. 

En la figura 1 se puede observar un diagrama en bloques que refleja la estructura del contador multiperíodo o reciproco. En dicho diagrama se nota claramente la presencia de dos registros contadores, lo cual marca la diferencia entre arquitecturas respecto del contador convencional, en la cual como se sabe, solo existe un registro de conteo. Uno es el registro contador de intervalos de tiempo y el otro es el registro contador de eventos, cada uno de los cuales son los encargados de contar los pulsos provenientes de la señal de entrada y los pulsos de referencia de la base de tiempo respectivamente. La señal de entrada, luego de ser acondicionada, es aplicada simultáneamente a la compuerta de cuenta de intervalo de tiempo y a la lógica de control de apertura de compuertas. La lógica de control es utilizada para aplicar el factor de expansión del periodo de la señal de entrada N_per (también puede decirse factor de división de la frecuencia de entrada), el cual es dependiente de la frecuencia a medir y de la base de tiempos seleccionada. El microcontrolador es el encargado de llevar a cabo cálculos y operaciones de control.

Una vez determinado el factor de expansión, el tiempo de apertura de las compuertas estará dado por: 

    (1) 

Donde T_ap = Tiempo de apertura de las compuertas, es el tiempo durante el cual se efectúa la medición.

           T_i = Periodo de la señal de entrada.

          N_per = Factor de expansión del periodo o numero de ciclos a promediar de la señal de entrada.

  Por lo tanto, las compuertas quedarán de ésta forma habilitadas desde la lógica de control, durante N_per ciclos de la señal de entrada, permitiendo simultáneamente la cuenta de ciclos de la señal de entrada propiamente dicha, y de los pulsos de referencia provenientes de la base de tiempo. Una vez obtenida las cuentas se procede al cálculo del periodo o frecuencia promedio de la señal de entrada de la siguiente manera: 

  (2) y (3)

 Lo que indica que el periodo es la razón entre el intervalo de tiempo durante el cual se realiza la medición y la cantidad de periodos promediados.

Otra visión conceptual de la técnica del multiperiodo también puede verse en la figura 2. Se nota que el registro contador programable, controlado desde del microcontrolador. Tal registro es el que determinará el valor de los N_per que deben transcurrir durante el proceso de medición o tiempo de apertura de la compuerta. Durante dicho tiempo se llevará a cabo la cuenta de los pulsos patrones en el registro contador, para luego poder determinar el periodo de la señal medida. 

Como se comentó anteriormente la lógica de control es la encargada de aplicar el factor de multiplicación N_per, el cual es determinado en función de los valores de tiempo de compuerta y de la frecuencia de entrada. Dicha determinación es llevada a cabo por medio de un microcontrolador, a través del cálculo de la frecuencia de entrada en un tiempo lo suficientemente corto (del orden de varios mSeg), la medición efectuada en ese intervalo de tiempo posee un error de medición grande como para ser representada, pero es suficiente como para que el sistema sea capaz de estimar el orden de la frecuencia de entrada.

La expansión del periodo es llevada a cabo mediante el uso de contadores, los cuales pueden ser de décadas o también binarios. En la figura 3 hay una representación del registro de expansión del periodo, que es ni más ni menos que un contador por 10ⁿ o 2ⁿ programable desde la lógica de control o del microcontrolador.

Cuantitativamente se obtienen menores errores utilizando contadores binarios en lugar de usar contadores de décadas. Esto será tratado en el siguiente parágrafo.

Se puede decir que el factor de expansión máximo del periodo vale: 

       Para contadores por décadas.

          Para contadores binarios.

Donde N corresponde al número de elementos (flip-flop) del contador o divisor.

Tanto la lógica de control, como el selector de base de tiempos, compuertas, registros de cuenta y la unidad aritmética pueden ser implementadas por un microcontrolador o por medio LSI.

A continuación se lista una serie de ventajas que presenta éste contador respecto a los contadores universales.

Ventajas de la técnica:

Por otro lado la técnica multiperiodo posee también ciertas características destacables, que son:

 Características del canal A

- RANGO DE FRECUENCIA: 0.1Hz a 10MHz (Acoplado en DC)

- SENSIBILIDAD: 0.1Hz a 10MHz: Niveles TTL ⁽¹⁾

- ACOPLAMIENTO: No aplicable solo DC ⁽¹⁾

- IMPEDANCIA : No aplicable ⁽¹⁾

- ATENUADOR : No aplicable ⁽¹⁾

- FILTRO PASA BAJOS : NO APLICABLE⁽¹⁾

- NIVEL DE DISPARO : NO APLICABLE⁽¹⁾

- PENDIENTE: NO APLICABLE⁽¹⁾

- RESOLUCIÓN Y NUMERO DE DIGITOS REPRESENTADOS 

Notas:

⁽¹⁾: En la etapa actual de desarrollo no ha sido implementada la etapa de entrada.

⁽²⁾: Implementado en futuras versiones del software.

⁽³⁾: Aplicable cuando se use prescaler externo.

- EXACTITUD : ± Error de la base de tiempo ± Resolución(Tabla anterior )

- RANGO DE PERIODO : 100 nS a 10 S

- DISPLAY : Frecuencia y período en forma simultánea

- RANGO TOTAL: NO APLICABLE⁽¹⁾

- CAPACIDAD DEL DISPLAY : 0 a 999 999 999

- OVER FLOW : “OF”

CARACTERISTICAS DE LA BASE DE TIEMPO

- TIPO : RTXO (Room Temperature Oscillator)

- COMPENSACIÓN TÉRMICA : MTCXO (mathematically Temperature Compensated Cristal Oscillator).

- FREQUENCIA : 10.000 MHz

- ESTABILIDAD : ±100 PPM(±100 cuentas)

- ESTABILIDAD DE VOLTAJE DE LINEA : Menos de ± 100 PPM con ± 10% variación del voltaje de línea

-ESTABILIDAD EN TEMPERATURA: ±500 PPM desde 0° C a 50° C

- TASA DE ENVEGECIMIENTO MÁX. : ±500 PPM/año

Estado actual del proyecto:

EN DESARROLLO

Fotografías del prototipo