Guía de medidas de frecuencia - ¿Cómo se mide la frecuencia?

La frecuencia es la tasa de recurrencia de un evento cíclico o periódico. En física, puede observar la periodicidad en rotaciones, oscilaciones y ondas. Para una forma de onda analógica o digital, usted puede invertir el período de la señal para obtener la frecuencia. Cuanto menor es el período, mayor será la frecuencia y viceversa. Esto se ilustra en la Figura 1, donde la forma de onda superior tiene la frecuencia más baja y la forma de onda inferior tiene la frecuencia más alta.

^{Figura 1: Carga Electrónica AC}

La frecuencia generalmente se representa como frecuencia angular ω en radianes/segundo, o como ƒ en -1 segundo, también conocida como la unidad hertz (Hz). También puede usar latidos por minuto (BPM) y revoluciones por minuto (RPM) para representar la frecuencia. La frecuencia angular ω (rad/seg) y ƒ (Hz) están relacionadas por la siguiente fórmula: ω =2πƒ. También se habla de frecuencia en correlación con una fase φ, que describe un desfase de la onda desde un punto de referencia específico en el tiempo inicial t0, y generalmente se expresa en grados o radianes. Tomando el ejemplo de una onda sinusoidal, la función de forma de onda se expresa en términos de tiempo como, con amplitud A, frecuencia angular ω y fase φ como constantes.

Las señales analógicas periódicas en aplicaciones reales son complejas y rara vez pueden representarse por una sinusoidal simple. El análisis de Fourier se utiliza para descomponer cualquier forma de onda compleja en una suma de funciones más simples, ya sean senos y cosenos o exponenciales complejos. Los componentes de frecuencia que componen dicha señal son por lo general las propiedades de interés, y este análisis se conoce como dominio de frecuencia o análisis espectral. Este tipo de análisis se requiere principalmente para sonido y vibración y no se examina en este nota técnica.

Por otro lado, obtener la frecuencia de una señal digital es bastante simple. Para una señal digital simple, como la que se muestra en la Figura 2, el período es simplemente el tiempo entre los bordes ascendentes o incluso los bordes descendentes.

^{Figura 2. Forma de onda digital}

Si el tiempo entre los bordes ascendentes y descendentes varía ligeramente, puede promediarlo en un gran número de muestreos para determinar la frecuencia.

Para una adquisición de frecuencia digital, el proceso es bastante simple. Para señales de baja frecuencia, es suficiente usar un contador o base de tiempo. El borde ascendente de la señal de entrada activa el número de tics de la base de tiempo que se contarán. Debido a que la base de tiempo es de una frecuencia conocida, usted puede calcular fácilmente la frecuencia de la señal de entrada (ver Figura 3).

^{Figura 3. Señal digital con respecto a la base de tiempo interna (un contador para baja frecuencia)}

Cuando la frecuencia de la señal digital es muy alta o varía, es mejor utilizar uno de los métodos de dos contadores que se describen a continuación. Tenga en cuenta que la misma limitación de hardware se aplica a ambos métodos de dos contadores. Es decir, la frecuencia que usted está midiendo no puede exceder la frecuencia de entrada máxima soportada por el contador, aunque pueda exceder aquella de la base de tiempo interna. 

Método de medida de dos contadores de alta frecuencia

Para una señal de alta frecuencia, usted necesita dos contadores. Un contador combinado (dos contadores) genera un tren de pulsos con un período especificado por el usuario, "tiempo de medida" (ver Figura 4), mucho más grande que el de la señal que usted está midiendo pero lo suficientemente pequeño como para evitar que el contador se desplace.

^{Figura 4. Frecuencia de señal digital medida con dos contadores (alta frecuencia)}

El tiempo de medida de esta señal interna debe ser un múltiplo de la base de tiempo interna o, en otras palabras, dividido. Entonces, se cuenta el número de tics de la señal de entrada durante el período de tiempo conocido proporcionado por la señal interna. Al dividir el número de tics por el tiempo de medida conocido, se obtiene la frecuencia de la señal de entrada.

Método de medida de dos contadores de amplio rango

Para señales con variaciones en frecuencia, este método de dos contadores proporciona una mayor precisión en todo el rango. En este caso, la señal de entrada se divide por un valor conocido o divisor. El número de tics de la base de tiempo interna se cuenta sobre un máximo lógico de la señal dividida (ver figura 5). Esto da el tiempo del máximo lógico, que es el producto del número de tics contados y el período de la base de tiempo interna. Esto, a su vez, se puede multiplicar por 2 para obtener el período de la señal dividida (tiempo máximo y mínimo), que es un múltiplo del período de la señal de entrada. Entonces, el período de la señal de entrada se puede invertir para obtener su frecuencia.

^{Figura 5. Frecuencia de señal digital medida con dos contadores (rango máximo)}

Este método es como promediar los valores en un rango más largo para tener en cuenta la variación en la señal, pero usted también puede usar este método para medir señales con frecuencias más altas que la base de tiempo.

Conectar su señal digital a un instrumento para contar la frecuencia

Muchos dispositivos con temporización de hardware pueden ser apropiados para medidas de contador. Considere un sistema NI CompactDAQ como ejemplo (ver Figura 6). La base de tiempo del hardware para NI CompactDAQ está ubicada en el plano trasero del chasis y no es específica de los módulos de la serie C de NI. 

^{Figura 6. Chasis NI cDAQ-9178 y módulo de E/S digital NI 9401}

El NI 9401 tiene un conector D-Sub que proporciona conexiones para los ocho canales digitales. Cada canal tiene un pin de E/S digital al que puede conectar un dispositivo de entrada o salida digital. El acceso a los cuatro contadores del chasis CompactDAQ está disponible en cualquiera de las ranuras del chasis. Después de configurar la adquisición de frecuencia como una tarea de contador en Measurement & Automation Explorer (MAX), se indica la terminal de entrada PFI a la que debe conectar su señal (ver Figura 7).

^{Figura 7. Captura de pantalla de la configuración en Measurement & Automation Explorer (MAX)}

Visualizar sus medidas: NI LabVIEW

Una vez que ha configurado el sistema, puede ver los datos usando el entorno de programación gráfica LabVIEW (ver Figura 8).

^{Figura 8. Medida de frecuencia como se ve en LabVIEW}

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