Unidad Tem

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Unidad Temática Nro.11

• Contadores Digitales
• de Frecuencia Extensión del alcance

Rev 3 13ABR10
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Limitación en frecuencia

• La frecuencia máxima que pueden medir los
  contadores directos según su tecnología, varía
  entre 50MHz y 500MHz
• La limitación en frecuencia de los contadores
  directos está impuesta por la primera década
  contadora.
• Esta limitación esta dada por la máxima velocidad
  a la que puede reaccionar la lógica combinacional
  del contador.
• Para medir señales de frecuencias superiores se
  debe buscar un método que permita trasladar la
  alta frecuencia dentro del alcance del contador
  directo.

Dispositivo para extender el alcance
FRECUENCIMETRO DIRECTO
Tc
. Acondicionadores de señal
Tc
fBT
. Trasladadores de Frecuencia
fX lt fX
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• Métodos para extender el alcance

• Los métodos para extender el alcance (
  down-conversion en inglés ) más utilizados son
• Divisor (Prescaler)
• Conversor Heterodino (Manual y automático)
• Oscilador de transferencia
• Conversor heterodino armónico

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Divisor (prescaler)
fx
Acondicionador de señal
2
2
2
fx
Tc
2
2
2
fc 1 / Tc
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Características del método de prescaler

• Permite extender el alcance hasta aproximadamente
  1.5GHz.
• El método consiste en hacer pasar la señal a
  medir por una serie de divisores por 2.
  Generalmente el numero de divisores llega hasta
  4.
• Para que el valor contado corresponda con la
  frecuencia medida se aumenta proporcionalmente el
  tiempo de compuerta a medida que se divide la
  señal de entrada.
• Los divisores no presentan la limitación de las
  décadas contadoras pues éstos son sencillamente
  una serie de flip-flops, que pueden trabajar en
  alta frecuencia pues no dependen de una lógica
  combinacional (tiempos de propagación y carreras
  críticas).
• No se deteriora la precisión de la medición ya
  que los divisores no introducen error.
• La lectura es directa (no es necesario hacer
  cálculos para obtener el resultado).
• Es de muy fácil utilización
• Antiguamente podía venderse como modulo
  enchufable. Los equipos modernos que usan este
  método ya lo incluyen de fábrica y es
  transparente al usuario.

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Conversor heterodino manual
Diagrama funcional de un conversor heterodino de
operación manual
Av
fx
f
fx
1Mhz fodf
fx
Av
Mezclador
Indicador de nivel
fhn.fo
Generador de armónica
Multiplicador q
foqfBT
fBT
Selector de armónica
Dial sintonizador ajustable en forma contínua
calibrado en fh
'''''''''''''''''''''''''
'''''''''''
Fx nfo fx Con el menor n
fx fh fx
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Funcionamiento del conversor heterodino manual

• Su operación se basa en la mezcla entre la señal
  a medir y una señal de frecuencia estable
  generada internamente .
• De la mezcla solo interesará la diferencia entre
  ambas frecuencias fx fx fh. Al
  restar fh de fx, se intenta que la frecuencia
  resultante entre dentro del rango del contador
  directo, de forma que este pueda realizar la
  medición.
• Para poder medir un amplio rango de señales de
  entrada, fh debe poder seleccionarse
  adecuadamente para que la resta siempre caiga
  dentro del rango del contador.
• La generación de fh comienza con un bloque
  multiplicador. Éste toma la frecuencia de la base
  de tiempo y la multiplica por un valor q para
  obtener una frecuencia fundamental fo q.fBT.
  Valores típicos de fo son 100MHz ó 500MHz.
• La frecuencia fundamental entra a un generador
  de armónicas (comb generator) el cual genera un
  espectro con componentes espaciadas fo, con la
  particularidad de mantener la amplitud de las
  armónicas relativamente constante en un amplio
  intervalo de frecuencias.
• La salida del generador de armónicas pasa por un
  filtro que selecciona la armónica deseada fh
  n.fo

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Operación del conversor heterodino manual

• Consiste en incrementar el valor de n desde su
  mínimo hasta obtener una indicación en el medidor
  de nivel. Esto ocurrirá cuando fx fx n.fo
  caiga dentro de la banda de paso del amplificador
  de video.
• Una vez obtenida la indicación de nivel con el
  mínimo valor de n, se calcula el valor de fh
  como fh n.fo.
• El valor indicado por el instrumento será fx, o
  sea fx- n.fo . Despejando fx se obtiene
  fx fi n.fo
• Se puede hacer una verificación haciendo fx
  (n1).fo fi, que deberá dar el mismo resultado
  siempre y cuando el batido caiga dentro del ancho
  de banda del filtro.

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Características del conversor heterodino manual

• El multiplicador y el selector de armónica no
  agregan incertidumbre por lo que esta sigue
  siendo la misma del contador.
• Se trata de un método de lectura indirecta pues
  hay que sumar fh a la indicación, pero permite
  hacer mediciones hasta 18GHz.
• Es más complicado que el prescaler.
• Si la señal de entrada esta modulada en
  frecuencia, la limitación en su medición esta
  dada por el valor de la fcs del filtro de video y
  de la ubicación de la componente de batido dentro
  de la campana del filtro (si esta cae cerca de la
  frec de corte, una pequeña desviacion la deja
  fuera del filtro). Si la máxima desviación de la
  señal de FM cae dentro de la banda de paso el
  promedio de los pulsos contados será
  aproximadamente la portadora.

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Ejemplo
Se selecciona la 2º armónica
(Medido por el instrumento)
Resultado calculado
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Conversor Heterodino Automático
Diagrama funcional de un conversor heterodino
automático
La sección recuadrada corresponde al dispositivo
de extension de alcance. El resto es un contador
tradicional.
Por Programa n 1,2,3 ... hasta Vd ltgt 0
cuenta Fx y Fi n.Fo Fx
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Funcionamiento del conversor heterodino automático

• El principio de funcionamiento es similar al
  manual. Solo se agregan los bloques necesarios
  para que la medición pueda ser automática. Estos
  son
• Procesador Este es el bloque que manejará toda
  la secuencia de medición.
• Filtro conmutable La función de este bloque es
  la misma que en el manual. La diferencia es que
  ahora es el procesador quien selecciona el valor
  de n. Este bloque esta compuesto por una serie de
  filtros seleccionados por diodos PIN o por
  filtros YIG.
• Detector de señal Su función es análoga al
  indicador de nivel en el manual. Permite al
  procesador detener el incremento de n al detectar
  señal a la salida del filtro.
• AG Este bloque es un control automático de
  ganancia. Su finalidad es mantener un nivel de
  señal constante a la entrada del contador.

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Operación del conversor heterodino automático

• El proceso se divide en 2 etapas Adquisición y
  medición.
• El proceso de adquisición consiste en
  identificar la armónica de menor frecuencia que
  produce salida del filtro de video.
• Para esto el procesador comienza a barrer los
  valores de n desde 1 hasta obtener una indicación
  en el detector de nivel. Una vez obtenida esta
  indicación termina el proceso de adquisición.
• Inmediatamente comienza el proceso de medición,
  en el cual se cuentan los pulsos como en un
  contador directo.
• Al finalizar la medición, el procesador suma el
  valor de fh al valor contado (pues conoce el
  valor de n ) por lo que la indicación es
  directamente la frecuencia fx.

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Oscilador de transferencia Manual

• fx Señal de microondas a medir.
• Harmonic Generator Permite obtener una serie de
  armónicos de la frecuencia de salida del VCO (n
  . Fo).
• El mixer ( o sampler) realiza el batido de fx
  con la serie de armónicos n . Fo
• El contador convencional solo cuenta la señal de
  baja frecuencia Fo.
• La salida del mixer presenta los productos de
  batido fb S n.fo fx
• Algunos modelos incluían un lazo de
  realimentación que controlaba el VCO de forma de
  mantenerlo enganchado.
• A diferencia que en el heterodino, la mezcla se
  hace con TODAS las harmónicas n.fo

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Oscilador de transferencia Manual

• El proceso de medición manual consiste en
  incrementar el valor de fo ( mediante el control
  del VCO) hasta obtener un batido 0 en fb.
• En estas condiciones se obtiene la relación
• fx1 n1 . fo1 (1)
• Obtenido esto, nos queda determinar el valor de
  n para conocer fx. Al una ecuación y 2
  incógnitas, se mueve el control del VCO en la
  misma dirección hasta obtener el próximo batido
  0. En esta condición,
• fx2 n2 .fo2 (2)
• Luego, dado que fx1fx2fx y n2 n11 ,el
  valor de n2 puede calcularse como
• n2 fo1 / fo1 fo2
• Ej
• - El primer batido 0 lo obtenemos para
  fo1250MHz.
• - Incrementamos el VCO y al obtener el próximo
  batido 0 leemos fo2277.7MHz.
• - Luego, n2 250 / 250 277.7 9
• - Luego, fx n2 . Fo2 277.7MHz . 9 2.5GHz
• - fx 2.5GHz

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Oscilador de transferencia Automático
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Oscilador de transferencia Automático

• El principio de funcionamiento se basa en
  enganchar en fase la señal a medir con una
  armónica de una señal de referencia de frecuencia
  baja.
• Una vez obtenido el enganche en fase, se debe
  hallar el número de armónica con la cual se
  produjo el mismo y así poder calcular la fx.
• A diferencia que con el manual, no se busca
  batido cero sino obtener una frecuencia de
  referencia fr.
• A diferencia del esquema anterior, este diagrama
  usa un sampler en lugar de un mixer, por lo que
  no es necesaria la inclusión del generador de
  armónicas.

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Oscilador de transferencia automático

• Funcionamiento
• La señal de entrada pasa por un divisor de
  potencia resistivo. Se obtienen 2 muestras de la
  señal idénticas.
• La de la sección superior entra al sampler,
  donde es muestreada a la frecuencia f1.
• Como resultado se obtiene fif1 n.f1 fx.
  (1)
• La salida del sampler es enviada a un detector
  de fase, junto con la señal de referencia fr.
• La salida del detector de fase es pasada por el
  filtro de lazo y controla el VCO.
• Finalmente el VCO maneja el sampler 1.
• Cuando el lazo esta enganchado, se obtiene
• fif1 fr (2)
• Y de (1), fx n.f1 fr (3)
• Nos interesa entonces conocer N, el número de
  armónica con la cual está enganchado el lazo.
• Para esto se necesita una frecuencia auxiliar
  fo, desplazada ligeramente de f1. Esto se obtiene
  con el modulador de BLU.
• f2 f1 fo (4)
• Luego, esta señal f2 se usa para controlar el
  sampler 2 dando
• fif2 n. f2 fx (5)
• (el mismo n dado que f1 es pequeño comparado
  con fo.)

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Oscilador de transferencia automático

• Reemplazando las ecuaciones anteriores,
• fif2 n(f1fo) (n.f1 fr)
• fif2 n.fo fr
• Esta señal fif2 luego entra a un mezclador donde
  se la bate con la frecuencia de referencia fr,
  producto del cual se obtiene la resta de ambas de
  donde se llega a
• fm n.fo
• Si fm se ingresa a un contador cuya compuerta se
  controla con el período de la señal fo, el
  resultado de la cuenta es el valor de n.
• Usando la fórmula (3) y el valor de n hallado
  junto con f1 medido, el equipo puede calcular el
  valor de fx.

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Conversor heterodino armónico

• Es un híbrido entre los 2 métodos anteriores.
• La adquisición de la señal se realiza de la
  misma forma que en el O.T.
• La medición de frecuencia se realiza como en el
  conversor heterodino.
• Tiene como gran ventaja que solo cuenta con un
  componente que trabaja en microondas, el sampler
  lo que lo hace mas económico.

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Conversor heterodino armónico

• La señal fx ingresa al sampler, donde es
  muestreda a la frecuencia proviniente del
  sintetizador.
• La salida del sampler será
• fif fx - N.fs
• Esta es amplificada y enviada al contador.
• La rutina de medición consiste en incrementar fs
  hasta que se detecta una señal dentro del rango
  de frecuencias adecuado, fijado por el filtro
  pasabanda.
• Como antes, resta definir el valor de la
  armónica N.
• Puede realizarse utilizando otro lazo de
  muestreo o desplazando la frecuencia del
  sintetizador un ?f , y midiendo nuevamente. Con
  estos 2 valores se identifica la banda y N.
• El resultado mostrado será el calculo de
• fx N.fs fif

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Comparación de performance
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Anexo A Circuitos de aplicación

• Generador armónicas

NOTA Cualquier elemento no lineal es capaz de
generar armónicas de una frecuencia de entrada.
El problema es conseguir circuitos que permitan
obtener un gran número de armónicas con una
amplitud relativamente constante.

• Generador de armónicas con diodo SRD ( step
  recovery diode).

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• Espectro logrado con un generador basado en SRD

Generador de armónicas basado en NLTL (Non Linear
Transmission Line)
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Filtros YIG

• Consta de esferas de un material ferromagnético
  que resuena a frecuencias de microondas.
• La frecuencia de resonancia varia con el campo
  magnético aplicado.
• El campo magnético se varia variando la corriente
  por una bobina
• Como ejemplo, la sensibilidad del MLFP43040 es de
  30MHz/mA
• El rango de este último es 3 - 40GHz

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Filtros seleccionables con diodo PIN

• Se trata de filtros pasabanda en paralelo con
  frecuencias centrales fo, 2fo, 3fo, etc.
• El filtro a utilizar se selecciona con llaves
  analogicas basadas en diodos PIN.
• El diodo PIN tiene la característica de
  comportarse como una impedancia cuyo valor varía
  según la corriente de polarización del diodo.
• A mayor corriente de polarización (directa),
  menor impedancia.
• En el gráfico de la derecha se ve una curva
  típica de un diodo PIN.
• La fh deseada se selecciona polarizando los
  diodos que habilitan el filtro correcto.

27
Muestreador de microondas
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Referencias

• HP_Journal Apr 1973
• HP journal Feb 1968
• HP Journal may 1978
• HP Journal Apr 1980
• Agilent AN200-1 Fundamentals of microwave
  frequency counters.
• MeasuringHints_5967-6195E.pdf , 4 Hints for
  making Better Microwave
• Counter Measurements
• Incertidumbre en contadores con conversor
  heterodino_Rev2.pdf