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La Web de Anilandro

- Funcionamiento de un frecuencímetro digital
- Funcionamiento de un contador de impulsos
- Funcionamiento de un contador de tiempo
- Análisis del circuito que queremos modificar
- Protocolos básicos de función Frecuencímetro, Contador y Cronómetro
- Diseño y montaje del nuevo circuito

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  Cualquier aficionado a la electrónica que quiera acometer proyectos de mediano nivel necesita unos instrumentos básicos, como un téster digital y otro analógico, una fuente de alimentación variable de baja tensión, un generador de señales de baja frecuencia, un oscilador de radiofrecuencia, un osciloscopio de doble trazo y un frecuencímetro digital.

  En mi laboratorio dispongo de estos instrumentos y de algunos menos comunes. Pero últimamente, para llevar a cabo una serie de experiencias en el ramo de la física, necesito un contador de impulsos, es decir, no un instrumento que me diga la frecuencia por segundo de una señal, sino que me cuente cuántos impulsos discretos han llegado en un tiempo determinado que yo pueda preajustar a voluntad.

  De hecho, esta función es la que desarrolla un frecuencímetro internamente, ya que su funcionamiento se basa en "contar" el número de ciclos que llegan durante 1 segundo y mostrarlo después en un display. Pero yo necesito que pueda hacer lo mismo en tiempos seleccionables, de por ejemplo 10 segundos, 1 minuto, 10 minutos o una hora, y que aparte de arrancar la lectura cuando yo quiera, mantenga el valor almacenado hasta que sea puesto a cero de forma manual.

  Algunos frecuencímetros comerciales disponen de la función de contar impulsos, así como de contar tiempo, pero en mi caso, los dos aparatos de este tipo de que dispongo están integrados en sendos generadores de señal, con la función única de controlar su frecuencia de salida. De igual forma, los dos aceptan también señales externas, pero siempre como medidores de frecuencia, es decir, de impulsos por segundo, y no para contar el número absoluto de ellos.

  Mi idea consiste en modificar el que considero más potente, de 8 dígitos, que está incluido la caja en un generador de frecuencia PLL de onda cuadrada.

  Como se puede ver en la foto anterior, la parte izquierda del panel dispone de un selector de ruedas de cuatro dígitos para seleccionar la frecuencia de salida, de una botonera para las unidades de la misma y de dos salidas de señal, con sus potenciómetros respectivos.

  La parte derecha es propiamente la del frecuencímetro que controla este parámetro en la salida del generador, o mediante un conmutador EXT-INT puede también aceptar una señal externa. El display, como ya he dicho, es de 8 dígitos, por lo que es capaz de reflejar frecuencias desde 1 Hz. hasta 99 Megahertzios ( 99.999.999 Hz ).
Como frecuencímetro interno no necesita tanta capacidad de conteo, puesto que el generador entrega desde 0,001 Hz. (que el frecuencímetro ya no muestra, puesto que el mínimo es 1 Hz.) hasta 999.900 Hz, pero sus capacidades de medida si pueden utilizarse al completo mediante la toma de señal externa.

- Funcionamiento de un frecuencímetro digital

  Básicamente, un frecuencímetro digital está formado por los siguientes módulos:

1) Un amplificador analógico de la señal de entrada, con su salida unida a un conversor de onda cuadrada.
2) Un contador de décadas unido a un display que muestre el número. Este contador es reseteable, es decir, se puede poner a cero mediante una señal, y suele disponer además de un "latch", que permite mantener el número fijo en el display, mientras sigue contando.
3) Una base de tiempos que le de una referencia del tiempo que debe estar contando. Dicha base de tiempos debe ser muy precisa, estando normalmente basada en un oscilador de cristal de cuarzo.
4) Un circuito auxiliar que controla y sincroniza el funcionamiento de todos los anteriores.

  Y su secuencia de funcionamiento es la siguiente:

A) El circuito de control envía al contador el impuslos de "reset" (puesto a cero). El display muestra ceros o un número aleatorio.
B) El circuito de control activa la base de tiempos ajustada a 1 segundo y envía al contador el impulso de arranque. A partir de este momento, la señales que entran a través del amplificador analógico comienzan a ser contadas (aunque el display sigue mostrando ceros)
C) Cuando ha transcurrido 1 segundo, la base de tiempos envía un impulso detención al circuito de control, éste detiene el contador y genera la señal de "latch", la cual visiona en el display el número almacenado en los contadores, con lo cual nosotros ya vemos el valor de la frecuencia medida (es decir, los ciclos por segundo)
D) Tras una breve pausa, el circuito de control vuelve a comenzar el ciclo especificado en el paso A.

  Es decir, que las mediciones se refrescan prácticamente cada segundo.

- Funcionamiento de un contador de impulsos

  Para contar impulsos necesitamos hacer casi lo mismo, pero con algunas salvedades:

1) El circuito de control espera a recibir una orden externa, que puede provenir por ejemplo de un pulsador del panel frontal del aparato, entonces efectúa el "reset" y arranca el contador y la base de tiempos.
2) La base de tiempos que detiene el conteo no está ahora fijada a 1 segundo, sino que es variable, pudiendo nosotros ajustarla exteriormente en el tiempo que queramos, por ejemplo a 60 ó a 100 segundos.
3) Al haber transcurrido los dicho tiempo, la base de tiempos avisa al circuito de control, el cual bloquea la entrada del contador para que no siga contando y activa la señal de "latch" para mostrar el resultado en el display.
4) Tras una breve pausa, el circuito de control vuelve a comenzar el ciclo especificado en el paso 1.

  Para tiempos cortos, como por ejemplo 1 segundo, la secuencia más cómoda sería indudablemente ésta, sin embargo, para tiempos mayores nos puede interesar no tener que acabar la lectura para ir viendo el resultado, sino poder observar la progresión del conteo mientras se produce. En este caso, la señal de "latch" estaría siempre activada, con lo que el display mostraría en todo momento en valor incrementándose en el contador.
De igual forma, el "reset" podría ser manual, mediante un pulsador externo.

- Funcionamiento de un contador de tiempo (cronómetro)

  Ya que estamos en ello, y fruto de mi tendencia a complicarme la vida, analicemos cómo podríamos además medir tiempos entre eventos. Esto es distinto que medir la frecuencia o el número de impulsos, ya que sólo depende del tiempo en que se mantenga un fenómeno que actúa de control, sea éste físico o eléctrico, por ejemplo, podríamos medir el tiempo que tarda una pelota en caer al suelo desde que es lanzada, medir la velocidad de un objeto proyectil por el tiempo que tarda en pasar entre dos sensores, o el de descarga de una batería sometida a un test.

  Para este caso necesitamos además un generador externo de tiempo patrón, cuyo valor dependerá de la resolución que queramos dar a la lectura. Con un contador de 8 dígitos y un generador de 1 impulso por segundo, podremos medir tiempos hasta 99 millones de segundos pero siempre con la precisión de 1 segundo. Si necesitamos milésimas de segundo el generador en cambio deberá ser de 1000 Hz, y la capacidad de conteo hasta 99 mil segundos. Deberemos además tener en cuenta la máxima capacidad de conteo de nuestro circuito, para que el número de impulsos por segundo multiplicado por el tiempo de conteo no sobrepase el máximo valor, porque en caso contrario volvería a partir de cero.
  La secuencia de funcionamiento cronómetro sería la siguiente:

1) El circuito de control espera a recibir una orden externa, que puede provenir por ejemplo de un pulsador de "arranque" del panel frontal del aparato, o bien de un nivel de tensión digital en una entrada suba de 0 a 1. Al recibir dicha señal, efectúa el "reset" y arranca el contador conectado al generador de tiempo patrón.
2) Si hemos ajustado el generador de tiempo patrón a 1000 Hz, a cada segundo el contador se incrementará en dicha cantidad, cuyo dígito menos significativo (el situado más a la derecha) contará milésimas de segundo, el segundo centésimas, el tercero décimas, el cuarto segundos, el quinto decenas y así sucesivamente.
3) Cuando se pulse el pulsador de "paro" del panel frontal o el valor de tensión digital baje de nuevo a 0, el circuito de control detiene el contador y activa el "latch", para visualizar el resultado.

  Aquí también se pueden utilizar las opciones del "latch" siempre activado y el "reset" manual.

- Análisis del circuito que queremos modificar

  Muy bien, hasta aquí la teoría. Veámos ahora como podemos llevarla a la práctica. Para empezar, desmontamos la caja de nuestro frecuencímetro.

  Como recordaba de más de veinte años atrás, cuando lo construí a partir de un circuito impreso y un esquema que me pasó un amigo norteamericano, el diseño interno es muy sencillo. Las dos placas, la del generador de señal PLL y la del frecuencímetro están separadas y su tecnología es muy básica y asequible, con circuitos integrados clásicos TTL y CMOS, y una fuente de alimentación sin sofisticación alguna.
Esto es un buen comienzo para pensar en cambios, lo cual sería casi imposible en un aparato actual controlado por microprocesador y montado con placas multicapa y componentes SMD.

  La placa del frecuencímetro está a la derecha de la imagen y muestra cinco integrados y unos pocos componentes discretos.
  El problema es que no encuentro el esquema por ningún sitio, ni entre las carpetas de apuntes que guardo de aquella época, lo cual me obligará a "descifrar" el circuito para ver las posibilidades de modificación.

  Para empezar, identificaremos los componentes:

  Los integrados son los siguientes:

  Un MC14518B. que identifico como Doble contador BCD formado por dos contadores idénticos e independientes de 4 etapas. Su comportamiento es "casi" como un contador binario, y digo así porque las tres pimeras etapas (Q0, Q1 y Q2) actúan como divisores por 2, binarios normales, pero la cuarta (Q3) sólo se mantiene en 1 hasta llegar al noveno impulso, con lo que su relación de división es de 1,25 y la total del módulo 10. Esto podemos verlo en el siguiente diagrama:

  Un CD4017 BPC. El versátil contador de décadas CMOS, muy conocido y usado por todos nosotros:

Patillaje del contador de décadas CD 4017

Diagrama de impulsos en el CD 4017

  Un MC14572 UB Un circuito de utilización general que contiene 6 módulos independientes constituidos por 4 puertas inversoras, una NOR de dos entradas y una NAND de dos entradas:

Contenido y patillaje del integrado MC14572, puertas varias de uso general

  Dos MC74C926, contadores de 4 dígitos con salida multiplexada para displays a LED de 7 segmentos. El multiplexor está activado por un oscilador interno, por lo que no precisa de impulsos de reloj.

Módulos internos del MC74C926, contador de 4 dígitos para display de 7 segmentos

Conexionado del MC74C926 con los displays

  A partir de aquí cojo un papel y un lápiz, y siguiendo las pistas del circuito impreso intento dibujar el circuito eléctrico, o al menos aquella parte que pueda servirme para mis propósitos:


  Observo las diferentes partes:

1) El clásico circuito amplificador analógico de entrada, formado por dos transistores (el primero de ellos de efecto de campo de canal N). Este circuito tiene poca ganancia en tensión, alrededor de 7, sin duda por la necesidad de mantener un gran ancho de banda.
2) El MC14572 se utiliza como conformador de impulsos a la salida del amplificador y como "puerta" de control para el paso de los impulsos a los contadores.
3) El MC14518, efectúa la función de divisor de frecuencia. A este respecto, este frecuencímetro no tiene una base de tiempos propia, y recibe de la placa del generador una señal constante de 100 Hz. que pasa al primer divisor formado por el MC14518.
4) El CD4017, conectado a la salida del anterior, tiene como misión es establecer la secuencia de órdenes para controlar el resto del circuito. De hecho, estos dos integrados forman lo que llamaríamos el circuito de control. A partir del 4017 sale una linea de control hacia la "puerta de paso de impulsos" integrada en el MC14572, y dos hacia más hacia los contadores, una para el "reset" y otra para el "latch"
5) MC74C926. Son los dos contadores propiamente dichos. Están conectados en serie, es decir, el "carry" del primero entra su señal en el "clock" del segundo, y cada uno de ellos controla 4 dígitos del display, totalizando de esta manera los 8 dígitos. Sus entradas para efectuar las funciones "reset" y "latch" están conectadas en paralelo, y por tanto, cuando el 4017 envía díchas órdenes, éstas se llevan a cabo a la vez en los dos integrados.
A sus salidas están conectadas directamente los segmentos LED de los displays, y la multiplexión se efectúa, también en un circuito clásico, mediante 8 transistores que controlan los cátodos comunes de los LEDS.

  Para nuestra idea, olvidaremos las conexiones del display y de los contadores, que no necesitamos modificar, y nos centraremos en el circuito de control y las líneas de "clock", "reset" y "latch" que van directamente a los contadores.

Circuito amplificador analógico y circuito de control

  Naturalmente, actuando sobre el selector de frecuencia del generador también se pueden conseguir cualquiera de los valores intermedios, utilizando la fórmula:

  A la vez, el nuevo circuito divisor de la base de tiempos será el siguiente:

Circuito divisor 1/10.000 para la nueva base de tiempos

  Después necesitaremos un circuito que actúe de enclavamiento, que pueda ser activado por un botón "Start" y desactivado con un "Stop", así como por las señales de final de conteo.
Hago pruebas con biestables integrados del tipo 7474 y similares, pero no consigo que funcionen en modo asíncrono, sin la dichosa señal "strobe". Por lo tanto decido hacerlo transistorizado.

Circuito de enclavamiento para las funciones Start y Stop

  Los transistores NPN son todos del tipo SC 107, de la desaparecida marca Piher, de los cuales recuperé una veintena en un desguace, y el único PNP es un BC 557. Ambos tipos pueden ser sustituidos perfectamente por otros BC o 2N de uso general.
  Para adecuar las fases de control y controlar el paso de impulsos al divisor de 1/10.000, utilizaré puertas NAND de dos entradas del tipo Schmitt-Trigger, de un 74132. Y para interconectar los módulos para que efectúen las distintas funciones, un conmutador de cuatro circuitos tres posiciones.

  A igual que los transistores, el resto de los materiales utilizados proceden casi todos del reciclaje de otros equipos, el conmutador, en concreto perteneció a un transceptor americano Atlas SSB de 100 Wats, que fue rescatado de un velero francés hundido a diez metros de profundidad en la costa norte de mi isla, y el hecho de que sus contactos estén perfectamente tras de veinte años en un cajón y después de haber permanecido casi un mes en agua salada, da idea de su buena calidad.

Materiales para el montaje del panel frontal, aprovechados de desguaces

  Frente a los cambios necesarios para que el circuito actúe como Contador de Impulsos, el que lo haga como Cronómetro es mucho más fácil, porque únicamente hay que redirigir la salida del generador de onda cuadrada hacia la entrada del amplificador analógico, y controlar la puerta entre éste y el contador mediante una tensión de comando obtenida del exterior del aparato a través de una base tipo RCA.

  En las tres funciones del aparato hay que distinguir la resolución de la precisión, ya que mientras la primera depende de la capacidad del display (8 dígitos) y por tanto de la unidad de medida que ocupe el último de ellos hacia la derecha. La precisión dependerá del buen ajuste de frecuencia del generador PLL a cuarzo, siendo este un parámetro que, de desearlo, podremos contrastar con un frecuencímetro comercial de buena calidad. En todo caso, el ajuste se realiza sobre un "trimer" situado al centro de la placa de la izquierda.

  Como complemento, el frontal de la caja fue mecanizado para alojar los nuevos botones: 3 conmutadores tipo microswitch, 1 conmutador rotatorio, 3 pulsadores, una base RCA y un LED de doble color.

Mecanización del frontal de la caja para incluir los nuevos mandos

Circuito definitivo de mi Frecuencímetro - Contador - Cronómetro de Precisión

  El montaje se ha realizado sobre un circuito impreso tipo board-kit, con cableado convencional, y montado verticalmente sobre el circuito principal. Aparte de lo ya añadido, solo hay que señalar la incorporación a última hora de conmutador que selecciona el tipo de nivel de entrada para el frecuencímetro y el contador, que podrá ser analógico de 0,5 volts, o digital TTL de 3,5 volts.

Montaje mecánico de la nueva placa, en posición vertical sobre la primitiva del frecuencímetro

  Una vez acabado el montaje, el viejo generador-frecuencímetro tiene ahora el siguiente aspecto, con los mandos detallados:

Mandos y su función en el nuevo frontal

  Las características finales del equipo son las siguientes:

  Generador-Frecuencímetro PLL : sigue teniendo casi las mismas características que antes de la modificación:

  Contador de Impulsos:

  Cronómetro de Precisión:

  Sólo quedará pendiente imprimir nuevos rótulos para mejorar el aspecto del frontal, por el resto, el aparato está acabado y listo para funcionar.

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