Unidad Temática Nro.11

1. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Unidad Temática Nro.11 Contadores Digitales de Frecuencia: Extensión del alcance Rev 3 13ABR10

2. UTN FRBA Medidas Electrónicas II 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 T’c . Acondicionadores de señal Tc fBT . Trasladadores de Frecuencia f’X < fX

3. UTN FRBA Medidas Electrónicas II 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 Métodos para extender el alcance

4. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Divisor (prescaler) fx Acondicionador de señal % 2 % 2 % 2 f’x T’c % 2 % 2 % 2 fc = 1 / Tc

5. UTN FRBA Medidas Electrónicas II 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.

6. Σ nfo n UTN FRBA Medidas Electrónicas II Conversor heterodino manual Diagrama funcional de un conversor heterodino de operación manual Av f’x f f’x 1Mhz fo+δf fx Av Mezclador Indicador de nivel fh=n.fo Multiplicador q Generador de armónica fo=qfBT fBT Selector de armónica Dial sintonizador ajustable en forma contínua calibrado en fh |'|'|'|'|'|'|'|'|'|'|'|'|'|'|'|'|'|'|'|'|'|'|'|'|'|'|'|'|'|'|'|'|'|'|'|' Fx = nfo ± f’x Con el menor n: fx = fh + fx’

7. UTN FRBA Medidas Electrónicas II 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

8. UTN FRBA Medidas Electrónicas II 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= (n+1).fo – fi, que deberá dar el mismo resultado siempre y cuando el batido caiga dentro del ancho de banda del filtro.

9. UTN FRBA Medidas Electrónicas II 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.

10. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Ejemplo Se selecciona la 2º armónica (Medido por el instrumento) Resultado calculado

11. UTN FRBA Medidas Electrónicas II 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 <> 0 ; cuenta F’x y Fi = n.Fo + F’x

12. UTN FRBA Medidas Electrónicas II 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.

13. UTN FRBA Medidas Electrónicas II 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.

14. UTN FRBA Medidas Electrónicas II 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 = Σ 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

15. UTN FRBA Medidas Electrónicas II 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 fx1=fx2=fx y n2= n1±1 ,el valor de n2 puede calcularse como: • n2 = fo1 / | fo1 – fo2| • Ej: • - El primer batido 0 lo obtenemos para fo1=250MHz. • - Incrementamos el VCO y al obtener el próximo batido 0 leemos fo2=277.7MHz. • - Luego, n2= 250 / | 250 – 277.7| = 9 • - Luego, fx = n2 . Fo2 = 277.7MHz . 9 = 2.5GHz • - fx = 2.5GHz

16. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Oscilador de transferencia Automático

17. UTN FRBA Medidas Electrónicas II 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.

18. UTN FRBA Medidas Electrónicas II 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.)

19. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Oscilador de transferencia automático • Reemplazando las ecuaciones anteriores, • fif2= n(f1±fo) – (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.

20. UTN FRBA Medidas Electrónicas II 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.

21. UTN FRBA Medidas Electrónicas II 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 Δf , y midiendo nuevamente. Con estos 2 valores se identifica la banda y N. • El resultado mostrado será el calculo de: • fx = N.fs + fif

22. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Comparación de performance

23. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Anexo A: Circuitos de aplicación 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 armónicas: • Generador de armónicas con diodo SRD ( step recovery diode).

24. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Espectro logrado con un generador basado en SRD Generador de armónicas basado en NLTL (Non Linear Transmission Line)

25. UTN FRBA Medidas Electrónicas II 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

26. UTN FRBA Medidas Electrónicas II 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. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Muestreador de microondas

28. 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”