El Frecuencímetro

Uno de los parámetros más importantes de una señal periódica es su frecuencia y, en el dominio del tiempo, su periodo. También es importante la medida de determinados intervalos de tiempo (en señales periódicas y no periódicas).

Una gran cantidad de estas medidas se pueden realizar con un solo instrumento: el frecuencímetro.

Una señal eléctrica se representa como un determinado nivel que fluctúa a lo largo del tiempo. Esta fluctuación puede ser, bien aleatoria, con lo que la señal representada se denomina aperiódica o aleatoria, o bien repetitiva, con lo que ciertos valores de la señal se repiten cada cierto tiempo bien determinado.

Las veces que una determinada señal repite sus valores de amplitud en la unidad de tiempo, define la frecuencia de dicha señal. La medida de dicho parámetro se puede realizar, de una manera indirecta, con un osciloscopio, pero es una tarea pesada y tediosa.

Por lo tanto, se necesita un instrumento específico para el análisis de este parámetro. Así  los antiguos frecuencímetros análogos empleaban un circuito LC resonante que ajustaba su frecuencia de resonancia, según la frecuencia de la señal de entrada.

En la actualidad, los frecuencímetros son todos digitales, usando la técnica de los contadores de décadas colocados en cascada. Todo esto se ha conseguido gracias al gran avance de la electrónica digital y su fácil equipamiento en pequeños circuitos integrados.

Esto ha provocado que el frecuencímetro como tal vaya insertado dentro de otro instrumento de medida, formando parte del mismo como un accesorio para o una función más a realizar, generando una información adicional de la señal  que se está analizando. Así  podemos ver frecuencímetros en los analizadores de espectros, en los osciloscopios, en los generales de señales, etc.

Técnicas de contadores en cascada

Es la técnica más utilizada actualmente, y la más fácil de entender, ya que, al mismo tiempo, nos permite en análisis de otros parámetros de diferentes señales en el dominio del tiempo.

Queda bien claro que los frecuencímetros profesionales son una compilación bastante mayor, ya que, si bien mantienen la filosofía de medida, el poder de conseguir instrumentos con unas mayores precisiones y presentaciones, supone un aumento de la complejidad del diseño.

Por lo tanto, para poder llegar a comprender mas fácilmente la filosofía de trabajo de un frecuencímetro  nos fijaremos tan solo en el diagrama de bloques; aunque, los detalles para las distintas posibilidades de estos equipos, solo se mencionarán, ya que, en el presente texto, no esta previsto tratar con detalle estos circuitos.

La idea fundamental es bien sencilla y se deriva de la propia definición de frecuencia, es decir, del número de veces que una señal se repite en la unidad de tiempo. Con lo cual, si disponemos de un contador que está activado durante un segundo, podremos saber la cantidad de veces que una señal se repite en dicho periodo de tiempo o, lo que es igual, su frecuencia.

Esto es posible cuando la frecuencia de la señal que ha de medirse no es muy elevada. Pero, en cuanto deseamos medir frecuencias más allá de los MHz, para poder contar el número de impulsos sin ningún problema, deberemos llenar el interior del frecuencímetro de circuitos contadores decimales.

Figura 1 - Diagrama de bloques de un frecuencímetro
de contadores en cascada

Para evitar esto, se divide la señal de referencia, en el lugar de multiplicar. Es decir, en vez de contar el número de  impulsos que obtenemos en un segundo, lo haremos en 0,1 segundos, 10 segundos, y así sucesivamente. Podría objetarse que, si suprimimos contadores para añadir divisores, no hemos resuelto nada; sin embargo, la solución está en que, para conseguir una frecuencia estable y fija, debemos partir de un oscilador de referencia (O.R. en el diagrama de bloques - figura 1), de gran estabilidad y precisión (cuanto más estable y preciso sea el cristal, mejor será nuestro frecuencímetro, al que aplicamos sucesivas divisiones (D), para obtener las distintas escalas de que dispondrá el frecuencímetro.

Son estos divisores, que nos dan las distintas escalas seleccionables (S), los que debemos aprovechar y añadir para no tener que colocar contadores.

Por otro lado, queda un problema por resolver: en una señal digital es más o menos fácil aislar, de los ruidos no deseados, la señal que va a medirse. Pero, por lo general, en una señal análoga es mucho más probable encontrar señales parásitas de un cierto nivel que pueden distorsionar la medida y a las que, a veces será difícil eliminar.

Para solucionar esto se utiliza un segundo oscilador, llamado oscilador de disparo (O.D. en el diagrama - figura 1), el cual toma una muestra de la señal de entrada y, dependiendo del nivel de dichas señales parásitas  lo ajustaremos para que el frecuencímetro haga la medida tan solo durante el periodo de tiempo en que la señal de entrada es mayor que las posibles señales parásitas (R). A este tiempo, durante el cual podemos hacer la medida, se le denomina ventana de disparo, y es el momento durante el cual el contador C cuenta los impulsos de la señal de entrada en la unidad de tiempo seleccionada en S.

Asimismo, el ajuste que nos permite separar las señales que han de medirse de las señales parásitas se denomina ajuste de nivel, y la posibilidad de medir la frecuencia de señales de bajo nivel nos determina la sensibilidad de dicho equipo.

A la entrada del equipo será necesito colocar un adaptador de señal (A.D), de manera que podamos conectar una gran variedad de señales de entrada con muy diferentes niveles y, al mismo tiempo, que la impedancia de entrada del equipo no perturbe dichas señales de entrada.

Para presentar los resultados de la medida se utiliza, por lo general, un visualizador o display de cristal líquido o de diodos, negus el caso (D).

Esta presentación junto con las distintas señales de control y el procesamiento de la señal de entrada para obtener las variadas funciones del frecuencímetro está supervisada por la lógica de control (L.C.) gobernada, a su vez por lo general, por un microprocesador.

Anotaciones Finales

Podemos observar este sencillo frecuencímetro de laboratorio en el que podemos observar sus dos canales de entrada y el reducido numero de teclas de control para simplificar su uso. Tiene una capacidad de medir la frecuencia de señales en un rango que va desde 10 Hz hasta 100 MHz. Está pensado para su utilización en talleres y laboratorios de uso normal.

Disponer de más de una entrada en un frecuencímetro permite el desarrollo de una serie de funciones que son de gran utilidad a la hora de trabajar y comparar varios equipos. Así, podemos programar que la puerta de disparo del instrumento se active con el flanco de subida o de bajada de una de las dos entradas, y que se detenga con cualquiera de los dos flancos de la señal del otro canal, permitiéndonos medir espacios de tiempo entre dos señales.

El frecuencímetro como tal nos facilita la medida de frecuencias, periodos, etc.

En este caso las teclas de función que observamos nos permiten la medida de los parámetros mencionados, ademas del tiempo intermedio entre la señal A y la B, un autochequeo, etc.

Al mismo tiempo, en la pantalla tenemos impresionado del valor de medida obtenida, con las unidades que correspondan en cada caso.

Los frecuencímetros profesionales están diseñador para añadir una serie de presentaciones a las que podemos obtener de un frecuencímetro normal A las presentaciones de autoescala, un tamaño mas reducido, mayor número de funciones, etc., debemos añadir la posibilidad de ser controlados remotamente a través del bus GPIB, lo que facilita y rentabiliza su uso en producciones elevadas.

Los actuales osciloscopios digitales son una muestra de como se puede implementar un frecuencímetro dentro de otro instrumento. Con las distintas funciones de que disponen, pueden presentar información de la frecuencia de una señal, periodo, tiempo de subida, tiempo de bajada, etc., y todos aquellos parámetros que tengan que ver con el análisis de señal en el dominio del tiempo.

Aunque, en la actualidad, se fabrican circuitos integrados que realizan la mayor parte de dichas funciones. Es decir, con una fuente de alimentación  un visualizador o display y algunos componentes asociados a estos circuitos integrados, podemos construir un frecuencímetro que, bien calibrado, puede ser de gran utilidad en el laboratorio.