frecuencimetro y varios estudios

7/28/2019 Frecuencimetro y Varios Estudios

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Frecuencmetro digital

Valeria Jesiotr

Ezequiel Bernatene

Emilio Winograd

Laboratorio de electrnica, Departamento de Fsica, FCEyN, UBA.

Diciembre 2005.

Resumen

El objetivo de este trabajo es la construccin de un frecuencmetro

digital de un digito, el cual mida frecuencias de entre 0 a 9 Hz.

Se midi la respuesta del mismo para todo su rango de validez,

determinndose su correcto funcionamiento.Se plantean alternativas a los componentes electrnicos utilizados,

as como tambin se proponen mejoras.

1. Introduccin

El frecuencmetro es un instrumento que ha experimentado una

importante evolucin gracias a los avances de la electrnica digital.

Antiguamente la medicin de frecuencias se basaba en tcnicas de

resonancia mediante circuitos L-C, a la frecuencia que se deseaba medir,

obtenindose los resultados en forma analgica. Actualmente, estosinstrumentos funcionan contando la cantidad de ciclos de la seal que se

quiere medir.

Las aplicaciones que tiene este instrumento son enormes. Por un lado

en el uso de instrumental de laboratorio para el control de frecuencia a la

salida de un oscilador o de un generador de funciones, ajuste de la

frecuencia de receptores, etc.; en aplicaciones tecnolgicas para el anlisis y

medida de las frecuencias de comunicacin tanto de transmisores como de

receptores, entre otras; y tambin en el uso cotidiano, como conocer el canal

de radio sintonizado.

Estos son los motivos por los cuales nos decidimos a desarrollar un

frecuencmetro digital. El rango de trabajo del mismo es limitado (de 0 a9 Hz), pero permite lograr un comprendimiento del funcionamiento de este

instrumento y con estos conocimientos adquiridos, la ampliacin del rango

de frecuencias puede fcilmente realizarse.

2. Desarrollo y anlisis del frecuencmetro.2.1 Diagrama en bloques.

El circuito del frecuencmetro lo hemos dividido en cinco bloquesrepresentados en la figura 2.1. Un primer bloque se encargar de la conformacin

de la seal analgica en valores adecuados para el anlisis de la informacin en las

siguientes etapas. La seal obtenida es enviada al bloque contador, el cual enva el


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valor de conteo al bloque de memoria y este a su vez al bloque de display. Elcontrol de los estados de los bloques de conteo y de memoria, se realiza medianteel bloque patrn temporal.

FIGURA 2.1. Diagrama de bloques del frecuencmetro digital.

2.2 Bloque conformador de la seal de entrada.

En este bloque se transforma una seal sinusoidal, en una seal

cuadrada, de igual frecuencia, y con valores entre 0 y 5V.

En primera instancia se coloca un amplificador operacional 311, en

su funcin de comparador, conectado como se observa en la figura 2.2.1.

Figura 2.2.1: Circuito del bloque conformador.

A la salida de este integrado, se conforma la seal entre 0 y 12V.

Dado que en etapas posteriores se utilizarn dispositivos lgicos, se necesita

que esta seal tenga valores de 0 y 5V. Para esto se coloc un circuito

enclavador a la salida del 311, como se observa en la figura anterior.

Para conformar la seal se eligi el integrado 311, ya que ste

permite referir la seal de salida a tierra, alimentndolo entre 12V y 12V.

De todas maneras se podra haber utilizado otros comparadores, como el

741, y luego convertir la seal a 0 y 5V.

2.3 Bloque contador.


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En esta etapa se ingresa la seal conformada a un contador, el cual

registra la cantidad de picos que tiene esta seal en un intervalo de tiempo

determinado por la etapa patrn temporal.

La seal conformada ingresa al clock del contador de 4 bits IC

74LS90, conectado como se muestra en la figura 2.3.1b.Dado que al conectar la seal conformada al clock del contador, ste

slo registraba el valor de 0V, se lleg a la conclusin de que este circuito le

estaba quitando corriente al bloque conformador. Por este motivo, se

disminuy la impedancia de salida del anterior bloque colocando dos

amplificadores inversores de amplificacin 1 en serie, a la salida del

bloque conformador, como se muestra en la figura 2.3.1a. Para esto se

utilizaron los amplificadores operacionales 741. Esta no es la nica forma de

lograr disminuir la impedancia. Tambin se intent (sin xito) lograr este

efecto colocando compuertas lgicas NOT en vez de los amplificadores

operacionales.

Figura 2.3.1: (a) etapa de disminucin de impedancia; (b) Circuito contador.

Como se mencion anteriormente, el perodo de conteo est

determinado por el bloque patrn temporal, que acta sobre el reset del

contador, contando sobre el ciclo L (0V) del patrn y reseteando en el ciclo

H (5V). El conexionado de los set y reset para lograr este comportamiento,

fue obtenido de la hoja de datos del IC 74LS90, que se muestra en la tabla

2.3.2.1.


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Tabla 2.3.2.1: Conexionado de los set y reset para los distintos

funcionamientos del IC 74LS90.

El tiempo de conteo (semiciclo L) se estableci de 1 segundo, para

de este modo contar en Hz la frecuencia de la seal.

Los 4 bits a la salida del contador fueron conectados hacia el bloque

memoria.

2.4 Bloque memoria.

La intencin de este bloque es almacenar por un instante de tiempo

la frecuencia medida.

Para esto se conectaron los 4 bits del contador a cuatro Flip-Flop tipo

D (dos integrados 74LS74), uno para cada bit.

La adquisicin de los valores provenientes del contador fue

controlada por medio del bloque patrn temporal, dado que los Flip-Flop

adquieren cuando se introduce un flanco positivo en el clock.

El valor almacenado en los Flip-Flop fueron mostrados por medio de

un circuito decodificador BCD de 7 segmentos a un display.

Un esquema de este bloque se observa en la figura 2.4.1.

Figura 2.4.1: Esquema del bloque memoria.


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2.5 Bloque display

Este bloque es el encargado de mostrar el resultado de la medicin

de la frecuencia.

Para ello se utiliz una plaqueta existente en el laboratorio, quecontiene un integrado 74HC4511, que transforma el nmero en binario al

cdigo de siete segmentos del display.

2.6 Bloque patrn temporal

Este bloque se encarga de controlar todos los tiempos del

frecuencmetro. Esto es, por un lado, establece el tiempo de conteo y por el

otro, comanda la adquisicin de la medicin por medio de las memorias.

Para generar el patrn temporal se utiliza un integrado 555 en una

configuracin como autogenerador de una onda cuadrada entre 0V y 5V,

conectado como se muestra en la figura 2.7.1.

Figura 2.7.1: Circuito del integrado 555 para su utilizacin como

autogenerador de una onda cuadrada.

El periodo de la onda cuadrada (T) puede estimarse mediante la

siguiente relacin:

T=0.7 * (R1+Rcal+2R2)*C1

Debido a que los distintos elementos no son ideales, se utiliza la

resistencia variable Rcal para la calibracin fina del frecuencmetro.De esta manera se genera la onda cuadrada que tiene 0V durante un

segundo, siendo esto lo requerido para el funcionamiento del contador.

Como se mencion previamente, este patrn temporal regula tanto el

perodo de conteo como el momento de adquisicin del valor de la

frecuencia.

Es necesario que estas dos acciones sean realizadas de una manera

sincronizada de forma tal que primero se adquiera el valor de la frecuencia,

y luego reinicie el conteo.

Por este motivo se introduce un retraso en la seal a reset del

contador, de manera tal que esto se produzca un instante despus de la

adquisicin del valor.


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Para lograr este retraso, se utilizaron dos compuertas NOT de un IC

74LS04 (Sxtuple NOT), conectadas en serie al reset del contador. El

retraso estimativo introducido por esta compuerta es del orden de 50 ns, de

acuerdo a los datos del fabricante. Este es el tiempo el cual se adelanta en la

adquisicin la memoria, por lo tanto la medicin observada, es en realidad laque se realiza en un segundo menos 50 ns. Debido a que este tiempo es muy

pequeo frente a un segundo, el error aqu introducido es despreciable.

Este patrn temporal obtenido a partir del integrado 555 tiene como

ventaja su simplicidad en el armado, puesto que slo requiere de un par de

resistencias y capacitores. Sin embargo, tiene como desventaja que al

utilizar estos elementos pasivos, sensibles a cambios en temperatura y

desgastes propios del material, sus valores pueden verse alterados, y por

ende variar la frecuencia buscada.

Como alternativa a este integrado 555, se podra utilizar un cristal de

cuarzo, cuya frecuencia de oscilacin es mucho ms estable. Tambin

podra utilizarse la frecuencia de lnea de 50Hz como patrn, puesto questa no experimenta grandes variaciones. Para utilizar este mecanismo es

necesario adaptar la seal para que el perodo de 0V tenga una duracin de 1

segundo.

3. Ampliacin de proyecto

A partir de la construccin y anlisis del frecuencmetro de un dgito,

se logr comprender el funcionamiento del mismo, as como el

funcionamiento de los diversos circuitos lgicos que lo componen. Con

estas bases, se plantean diversas variantes con el fin de mejorar el

instrumento realizado.

Dada la limitacin en el nmero de bits, el rango de frecuencias

medibles es bastante acotado (entre 1 y 9 Hz). Esta limitacin es fcilmente

superable, con la inclusin de un nmero mayor de contadores, conectados

en serie. Es importante aclarar que, al aumentar el nmero de bits, se deber

agregar Flip-Flop adicionales, a fin de ampliar tambin el nmero de bits de

memoria. De todas formas, para cualquier rango de frecuencia establecido,

sera til implementar un circuito que funcione como indicador de error,

frente a una frecuencia que exceda el rango del frecuencmetro. Esto podra

lograrse, utilizando un comparador 74LS85 (comparador de 4 bits),

haciendo que enve un mensaje de error, si el valor de frecuencia que detectaes mayor o igual que la frecuencia mxima medible.

Los valores de tensin en la seal de entrada, estn limitados por la

tensin mxima del 311, siendo sta de hasta 60Vpp, segn datos del

fabricante. Para tensiones de entrada mayores, es necesario colocar

previamente un transformador, cuya tensin de salida sea menor a 60Vpp.

Para la medicin de frecuencias superiores, es necesario adaptar el

patrn temporal en funcin del orden de magnitud que se quiere medir. Por

ejemplo, para la medicin de una frecuencia del orden de 1kHz, el intervalo

de medicin deber ser de 1ms, para un MHz, 1s, etc. Esta forma de

adaptar el circuito, presenta la limitacin de que, a frecuencias ms

elevadas, el tiempo de respuesta de los componentes electrnicos, pasa a ser


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del orden del que transcurren los eventos de la seal que se quiere medir, y

por lo tanto, el instrumento pierde precisin.

Para la adquisicin de valores en forma dinmica, se presenta como

alternativa la posibilidad de enviar la informacin de la memoria

directamente a una PC en lugar de la visualizacin mediante el display.

4. Conclusiones

El frecuencmetro realizado, result ser un instrumento til para

medir frecuencias del orden del Hz, con una precisin de un dgito, y

valores de tensin inferiores a los 60Vpp.

Se plantearon distintas alternativas a los componentes electrnicos

utilizados as como tambin la posibilidad de mejoras, realizndose

pequeas variaciones. Estas apuntan a ampliar las condiciones de las seales

a medir, tanto en lo que respecta al rango de frecuencias, voltajes y

precisin en el valor medido.

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