Realizar medidas de frecuencia precisas

Hay dos fuentes de error en las mediciones de frecuencia:

• Errores en la frecuencia del oscilador de cristal
• Error de medición

El error de medición total es la suma de estas dos fuentes, o:

El oscilador de cristal que utilizamos en el PCI-6601 y PCI-6602 tiene una estabilidad nominal de 75 partes por millón (ppm) sobre la temperatura. El oscilador de cristal que utilizamos para el PXI-6602 es de 200 ppm, pero cuando está en el chasis PXI, el PXI-6602 se enganchará automáticamente en fase con el reloj del panel trasero del PXI, que tiene una precisión de 75 ppm. Con el bloqueo de fase activado, el PXI 6602 también tendrá una precisión de 75 ppm.

75 ppm significa que por cada millón de hercios, la frecuencia puede estar apagada en +/- 75 Hz. Para una placa 6601, que tiene un oscilador de 20 MHz, el error debido al cristal utilizado podría ser de hasta +/- 75Hz/1MHz*20= +/-1500 Hz. Para la placa 6602, que tiene un oscilador de 80 MHz, el error es de +/- 6000 Hz.

El oscilador de cristal controlado por horno (OCXO) de 10 MHz en una placa 6608 tiene una estabilidad de frecuencia de 75 ppb durante un año. Esto significa que la frecuencia puede estar apagada en 0,75 Hz en 10 MHz durante un período de un año. Cuando la tarjeta 6608 se encuentra en la ranura 2 del chasis PXI, el software NI-DAQ distribuye automáticamente el reloj de 10 MHz desde el OCXO para reemplazar el reloj del panel trasero del PXI. Esto permite a otros dispositivos con circuitos de bucle de reloj de fase aprovechar la precisión del 6608 OCXO. Por ejemplo, si un PXI 6602 está en el mismo chasis PXI, su base de tiempo de 80 MHz ahora tiene el error de +/- 6Hz, en comparación con +/- 6000 Hz. Una nota importante aquí es que para que el PXI-6608 pueda conducir y reemplazar el reloj del panel trasero del PXI, debe estar en la ranura 2 (la ranura contigua al controlador del chasis PXI). Si el PXI-6608 está en cualquier otra ranura, entonces el error de cristal será el mismo que PXI-6602.

Para obtener más información acerca de cómo se comparte el reloj PXI-6608, consulte la Nota para el usuario: Acerca de su dispositivo 6608. Describe el OCXO, y tiene un diagrama que ayuda a demostrar cómo el PXI-6608 mejora la estabilidad del reloj de su propio reloj de placa y el de otros módulos.

Los errores de medición son inherentes a las mediciones de frecuencia, pero puede minimizar los efectos del error de medición eligiendo el método de medición de frecuencia más adecuado para las frecuencias que está midiendo y la base de tiempo de su dispositivo NI 660x. En esta sección describimos tres formas de realizar mediciones de frecuencia y explicamos los efectos que el error de medición puede tener en la precisión de las mediciones realizadas con cada método.

Los tres métodos de medición de frecuencia descritos a continuación son:
Método 1 - Medición del período inverso
Método 2 - Contar el número de pulsos en tiempo conocido
Método 3 - Medir el tiempo de número conocido de ciclos

Los tres ejemplos de VI adjuntos al presente documento demuestran estos tres métodos de la siguiente manera:
Frecuencia 123.vi le permite utilizar cualquiera de los tres métodos.
Método de frecuencia 2.vi cuenta los pulsos durante una cantidad de tiempo especificada (Método 2).
Método de frecuencia 3.vi mide el tiempo para un número especificado de ciclos (método 3).

MÉTODO 1: Medición del período inverso
El método más simple es la medición del período. Puede medir el período contando los bordes ascendentes o descendentes de una frecuencia fuente conocida entre los dos bordes ascendentes o descendentes consecutivos de la frecuencia desconocida. Tomando la frecuencia de la fuente conocida y dividiendo por la cuenta, se puede calcular el período de la señal desconocida. Normalmente se usa una de las bases de tiempo internas, 20 MHz u 80 MHz, pero también se puede usar una fuente de reloj externa siempre que sea menor o igual a la frecuencia máxima de la fuente admitida por el hardware.

Este tipo de medición es adecuado para la medición de baja frecuencia. Supongamos que su señal a medir es una frecuencia perfecta de 50 kHz y que la está midiendo utilizando una base de tiempo interna de 20 MHz. Asumiendo que la base de tiempo de 20 MHz es perfecta, en otras palabras, el oscilador de cristal utilizado para generar la base de tiempo de 20 MHz es perfecto, debe contar 400 bordes entre dos bordes ascendentes o descendentes consecutivos de la señal perfecta de 50 kHz. Sin embargo, debido al hecho de que no podemos controlar la relación de fase entre las dos señales, la cuenta puede estar desactivada en +/- 1. Esto se llama error de medición. Por lo tanto, el contador devolverá 399, 400 o 401. Hacer matemáticas da los siguientes resultados:

La desviación de la frecuencia real (50 kHz) resultante del error de medición no es demasiado significativa. De hecho, si se utiliza una base de tiempo de 80 MHz, esa desviación será aún menor.

Si la frecuencia a medir era de 5 MHz en su lugar, utilizando la misma frecuencia de origen de 20 MHz, entonces el contador debe devolver un recuento de 4. Debido al error de medición, la cuenta podría ser +/- 1, por lo que también puede esperar una cuenta de 3 o 5. Hacer matemáticas da los siguientes resultados:

Puede ver que una diferencia de un recuento resulta en un error de muestreo mayor a medida que aumenta la frecuencia a medir. Incluso con una base de tiempo de 80 MHz, todavía tendríamos una desviación significativa de la frecuencia real:

Para calcular el error de medición utilizando este método de medición de frecuencia, tenemos la siguiente fórmula:



Consulte los cálculos a continuación para obtener más detalles.

MÉTODO 2: Cuenta el número de pulsos en tiempo conocido
Ejemplo: Método de frecuencia 2.vi o Frecuencia 123.vi al realizar mediciones con NI 660x.

El método 1 funciona bien siempre y cuando la frecuencia de la señal a medir sea significativamente más lenta que la frecuencia fuente conocida. A medida que aumenta la frecuencia de la señal a medir para acercarse a la frecuencia de la frecuencia fuente, aumenta el error de medición. Para mejorar la precisión de la medición de frecuencia para frecuencia desconocida más alta, podemos utilizar este segundo método de medición, contar el número de pulsos en tiempo conocido. En esta configuración, el contador contará el número de alta frecuencia desconocida durante un período de señal conocida. La frecuencia se puede calcular multiplicando la cuenta por la frecuencia de la señal desconocida.

Para usar el ejemplo anterior, la frecuencia a medir es de 5 MHz. El contador contará los bordes ascendentes de los 5 MHz durante un período de una frecuencia conocida. Suponiendo que seleccionamos que esa frecuencia sea de 10 Hz y se genere a partir de una base de tiempo perfecta (sin error de oscilador cristalino). Esto significa que durante los dos bordes consecutivos de la frecuencia conocida, que es 0,1 segundos, deberíamos contar 500.000 bordes. Debido a que todavía no podemos controlar la relación de fase entre nuestras señales de 10 Hz y 5 MHz, todavía tendremos un error de medición de +/- 1 conteo. Hacer las cuentas nos dará los siguientes resultados:

Comparar este resultado de medición con el resultado calculado por el método de medición anterior, podemos ver que la desviación se reduce mucho. La desviación se puede mejorar aún más utilizando una señal conocida de frecuencia más baja. Rehagamos el cálculo usando 1 Hz de frecuencia conocida:

Para resumir, mediante el uso de dos contadores, puede obtener una medición de frecuencia más precisa para frecuencias más altas. Cuanto mayor sea el período de la señal conocida utilizada para controlar el recuento, menor será el error de medición. El error de medición para este método de medición:



Consulte los cálculos a continuación para obtener más detalles.

MÉTODO 3: Medir el tiempo de número conocido de ciclos
Ejemplo: Método de frecuencia 3.vi o Frecuencia 123.vi al realizar mediciones con NI 660x.

Hasta ahora, hemos discutido dos métodos de medición, el período inverso y el número de pulsos de recuento en tiempo conocido. El método de medición de período inverso es adecuado para mediciones de frecuencia más baja, mientras que el segundo método de medición puede lograr una mayor precisión con señales de frecuencia más alta. Sin embargo, si su aplicación implica la medición de una señal modulada por ancho de pulso y el intervalo de frecuencia cubre tanto frecuencias bajas como altas, entonces este tercer método de medición se puede considerar.

Similar al método de medición 2, contar el número de pulsos en tiempo conocido, este método de medición también utiliza dos contadores. El primer contador se utiliza para dividir la frecuencia de la señal a medir, luego el segundo contador se utiliza para medir el período de la frecuencia de división. La frecuencia real se puede calcular multiplicando la medición de frecuencia resultante por el valor de división. Con este método de frecuencia, cuanto mayor es el valor de división, más lenta es la frecuencia resultante y más preciso es el resultado de la medición.

El cálculo del error de medición para este método de medición es similar al método 1:



Consulte los cálculos a continuación para obtener más detalles.

El mejor método dependerá del tipo de frecuencia que desee medir. La medición del período es el método más simple y requiere solo un contador; sin embargo, a medida que aumentan las frecuencias, aumenta el error de medición. El segundo y tercer método de medición utilizan dos contadores. El segundo método (compuerta de un contador durante una cantidad conocida de tiempo y contar el número de bordes) es más genérico y no es adecuado para frecuencias más bajas a menos que utilice tiempos de puerta muy largos para medir estas frecuencias más bajas.

El tercer método ofrece una mejor precisión para el mismo tiempo de medición, pero no es tan genérico, ya que necesita especificar cuántos ciclos realizar una medición. Es importante saber qué frecuencia espera medir con este método. Por ejemplo, para una señal de 10 MHz, usará 10 millones de ciclos durante un tiempo de medición de 1 segundo. Para una señal de 1 MHz, el uso de 10 millones de ciclos requerirá 10 segundos para una medición. Con el fin de completar esta medición en una señal de 1 MHz en un segundo, querrá hacer la medición en más de 1 millón de ciclos.

Fk = frecuencia fuente conocida
Fx = frecuencia a medir si no hay error
Fm= frecuencia medida

Cálculo de errores de medición para el método de medición 1:
Fk >> Fx





Tras la simplificación:


Para calcular el error de medición:

Si Fm=Fx: Error = 0
Si Fm>Fx:

Si Fm<Fx:




Cálculo de errores de medición para el método de medición 2:

Fk << Fx


Para calcular la frecuencia:

Tras la simplificación:
Fm=Fx - Fk, o FK, o Fx, o Fx + Fk

Para calcular el error de medición:


Cálculo de errores de medición para el método de medición 3:

Fk &gt;> Fx/x

El cálculo del error de medición es idéntico al método 1. La única diferencia es que ahora necesitamos dividir la frecuencia a medir, Fx, por un valor entero x: