เครื่องนับความถี่แบบดิจิตอล

เครื่องนับความถี่แบบดิจิตอล (DIGITAL Frequency Counters)

              เครื่องนับทางดิจิตอลมีมาเป็นเวลานานตั้งแต่ครังแรกมีในตลาดการค้า ด้วยรูปร่างที่ทำให้สามารถจำง่าย และเป็นเครื่องมือที่มีประโยชน์มากที่สุดในห้องทดลองตั้งแต่ออสซิโลสโคป ประโยชน์ที่แปลกของวงจรนับแบบดิจิตอลตือ เครื่องนับความถี่

              เมื่อเมนเกทถูกควบคุมโดยช่วงเวลาที่แน่นอน เครื่องนับจะอยู่ในโหมดความถี่ ซึ่งคล้ายกับโหมดการรวมตาม รูปที่ 2-9 ความแตกต่างอยู่ที่การควบคุมเกท

ตารางที่ 2-2 โหมดการนับ

             ในการควบคุมความถี่ ช่วงเวลาการนับจะถูกควบคุมให้เป็นจำนวนเท่าของวินาที ตัวอย่าง ถ้าพัลล์จำนวน 45,000 ผ่านไปยังรีจิสเตอร์ขณะที่เมนเกทเปิด 1 s ความถี่จะเป็น 45.5 kHz

             การแสดงผลจะแสดงเป็นจำนวนโดยตรงหรือเป็นกำลังของ 10 ก็ได้ ในการวัดความถี่ซึ่งอาจสูงกว่าเคาน์ติ้งรีจิสเตอร์จำนับได้ เราสามารถปรับสเกลให้เหมาะสมเพื่อลดช่วงเวลาการเปิดของเมนเกทได้ หากพัลล์จำนวน 45,500 ลูก ถูกนับใน 1µ s เป็นความถี่ 2.5 MHz

             แทนที่เราจะสับสวิทช์เลือกช่วงเวลาด้วยมือ เครื่องมือบางชิ้นจะมีระบบเลือกอัตโนมัติ เรียกว่า ออโตแรงกิ้ง เครื่องปรับช่วงเวลาเครื่องอัตโนมัติประกอบด้วยวงจรที่สร้างแรงดันที่เป็นสัดส่วนกับความถี่อินพุท การที่สวิทช์ทรายซิสเตอร์หนึ่งในหลายตัวเพื่อเลือกช่วงเวลาที่เหมาะสม และตำแหน่งของเลขฐาน 10 ขึ้นอยู่กับระดับของแรงดันที่เกิดขึ้น

             เราใช้เครื่องวัดความถี่เป็นมิเตอร์ความถี่แล้ว เครื่องนับยังสามารถชี้คาบของสัญญาณ และเปรียบเทียบสัญญาณ 2 สัญญาณด้วยโหมดเรโช (ratio mode) แสดงช่วงเวลาระหว่างจุด 2 จุดบนคลื่น โหมดต่าง ๆ มีโครงสร้างเป็นเครื่องนับตามรูปที่ 2-3

โหมดคาบเวลา (PERIOD MODE)

             โหมดคาบเวลาของสัญญาณอยู่ในทำนองเดียวกับความถี่ การวัดคาบจะวัดจากช่วงเวลาที่คลื่นใช้ในการแกว่งครบรอบ ในโหมดนี้เคาน์ติ้งรีจิสเตอร์จะนับสัญญาณจากจากไทม์เบสออสซิลเลเตอร์ และสัญญาณอินพุทจะถูกใช้กับเมนเกทฟลิปฟลอป โครงสร้างของวงจรแสดงดังรูปที่ 2-10

              จำนวนของไทม์เบสพัลล์ที่ถูกนับเป็นสัดส่วนกับคาบของสัญญาณอินพุทโดยตรง

ตัวอย่างสัญญาณความถี่ 100 kHz (10µs) และสัญญาณอ้างอิงจากออสซิลเลเตอร์เป็น 1 MHz (1µs) เมนเกทจะเปิดโดยสัญญาณอินพุท 10 µs ในช่วงนี้ 10 พัลล์ ออกจากออสซิลเลเตอร์ผ่านเมนเกทและถูกนับโดยเคาน์เตอร์และและแสดงผลเป็น 10 µs

โหมดเรโช (Ratio Mode)

             ในโหมดนี้สัญญาณอินพุท 2 สัญญาณ จะแสดงผลบนเคาน์เตอร ์ อัตราส่วนระหว่างความถี่จะถูกวัด ตามรูปที่ 2-11 โดยไม่ใช้ออสซิลเลเตอร์ แต่ใช้ความถี่ต่ำควบคุมเมนเกท

              สัญญาณความภี่กว่าจะกำหนดว่าให้เมนเกทเปิดนานเท่าไร คือให้สัญญาณความถี่สูงกว่า จากอินพุทด้านบนผ่านไปนานเท่าไร ถ้าสัญญาณที่ความถี่ต่ำให้สัญญาณที่มีความถี่สูงกว่า 1 สัญญาณผ่านไป อัตราส่วนเท่ากับ 10:1 วงจรนี้จะไม่ทำงานหากความถี่ของอินพุท A ต่ำกว่าอินพุท B เพราะเมนเกทจะเปิดไม่นานพอที่ 1 พัลล์ จะผ่านเคาน์ติ้งรีจิสเตอร์

โหมดช่วงเวลา ( Time Interval Mode)

             ใช้อินพุทที่กำหนดเป็นค่าเริ่ม และหยุด เป็นตัวกำหนดการเปิด-ปิดของเมนเกท ไดอะแกรมของวงจรแสดงดังรูปที่ 2-12 ระหว่างช่วงเวลาการนับ เคาน์ติ้งรีจิสเตอร์จะนับพัลล์จากไทม์เบสออสซิลเลเตอร์ ซึ่งไทม์เบสดีไวด์เดอร์จะแปลงความถี่อีกทีหนึ่ง

การวัดเฟส (Phase Measurement)

             การประยุกต์ที่พิเศษของโหมดช่วงเวลาคือ การวัดเฟส เครื่องนับวามถี่สามารถใช้วัดความต่างเฟสระหว่างสัญญาณ 2 สัญญาณได้ โดยกำหนดช่วงเวลาการวัดระหว่างจุดบนคลื่นและการคำนวนเฟสจากเวลา พิจารณา รูปที่ 2-13 T1} T2 เป็นจุด 2 จุดบนคลื่นที่มีเฟสเท่ากัน T เป็นความต่างของ T1 และ T2 การวัด T เครื่องนับความถี่จะเริ่มที่ T1 และสิ้นสุดที่ T2

             การกำหนดช่วงเวลาในการนับต้องใช้การควบคุมที่ละเอียดกว่าโหมดอื่น ๆ ตามรูป 2-14 เมนเกทมี 3 อิพุท จากเมนเกทฟลิปฟลอป, สัญญาณอิพุท, สัญญาณเริ่ม-หยุด เมนเกทจะส่วความถี่จากไทม์เบสออสซิลเลเตอร์ไปยังเคาน์ติ้งรีจิสเตอร์ เมื่อสัญญาณเริ่มทริกเมนเกทให้เปิด เมื่อถูกทริกแบบเดียวกันจากสัญญาณหยุด จะหยุดการนับและความต่างเฟสจะคำนวนได้จากสมการ

การวัดค่าช่วงเวลาขึ้น (RISE-TIME MEASUREMENT)

              ใช้วงจรตามรูปที่ 2-14 เมื่อต้องการวัดค่าช่วงเวลาขึ้น เริ่มและหยุดจะถูกกำหนดไว้ที่ 10% และ 90% ของแรงดันสูงสุด ตามลำดับ( รูปที่ 2-15)

               TTL เกทมาตรฐานได้ชื่อว่ามีแรวดันเอาท์พุทถึง 24 โวลท์ ในกรณีรี้จะถูกวัดโดยตั้งเริ่มไว้ที่ 0.24 โวลท์ และหยุดไว้ที่ 2.16 โวลท์ จำนวนพัลล์ที่อยู่ระหว่างการนับ คือคาสช่วงเวลาขึ้น

วงจรนับความถี่แบบแยกส่วน ( Rciprocal Frequency Counters)

             วงจรนับความถี่แบบแยกส่วน ต่างจากวงจรนับความถี่แบบธรรมดาตรงที่วงจรนับความถี่แบบแยกส่วนจะใช้รีจิสเตอร์ คนละส่วนกันในการเก็บสะสม จำนวนนับของเวลาและจำนวนนับของเหตุการณ์ดังแสดงในรูปที่ 2-16 วงจรภายในรีจิสเตอร์เหล่านี้จะดำเนินการเพื่อกำหนดให้เอาท์พุทแสดงความถี่หรือคาบ ซึ่งมีการทำงานดังนี้

             ในช่วงที่เมนเกทเปิด หน่วยนับเหตุการณ์จะสะสมพัลล์ จากแหล่งจ่ายภายนอกพร้อมนี้หน่วยนับเวลาจะสะสมพัลล์จากแหล่งจ่ายสัญญาณเวลาภายใน จำนวนที่นับได้ทั้งสองส่วนนี้อาจนำไปแสดสงผลเลย หรือใช้หน่วยคำนวนทางพีชคณิตหาค่าความถี่ที่วัดได้แล้วจึงแสดงผลก็ได้

             วงจรนับความถี่แบบแยกส่วนบางชนิด จำเป็นต้องมีการจัดเตรียมสัญญาณโดยอุปกรณ์ภายนอก ดังรูปที่ 2-17 การจัดเตรียมสัญญาณโดยอุปกรณ์ภายนอกสามารถใช้ประโยชน์ได้มาก ตัวอย่างเช่นในการวัดความถี่ของสัญญาณพัลล์ RF ดังรูปที่ 2-18

             โดยการรับปุ่มควบคุมเวลาของค่าที่วัดได้ (measurement-time control) ให้เท่ากับความกว้างของ RF เบิรสต์ จะได้ความถี่ที่ถูกต้องของเบิรสต์

              ในวงจรนับแบบแยกส่วนนี้ ค่าช่วงเวลาจะได้จากการนำจำนวนพัลล์ระหว่างจุดเริ่มต้น และจุดสิ้นสุด ผลที่ได้จำคำนวนหาจากความถี่ของไทม์เบสออสซิลเลเตอร์ ตัวอย่างเช่นสัญญาณนาฬิกา 10 MHz จะให้ค่าช่วงเวลาเป็น 10ยกกำลัง -7 หรือ 100 นาโนวินาที

ความผิดพลาดในการนับ (Counting Errors)

             ถึงแม้ว่าการติดต่อระหว่างการนับความถี่กับแหล่งกำเนิดความถี่ที่วงจรวัดได้ในขณะนั้นไปจนถึงความถี่สุดท้ายจะดูเหมือนดีที่สุด เรายังต้องระมัดระวังในการอ่านค่าที่อ่านได้

              ในบางครั้งความผิดพลาดในการอ่านยังสามารถให้ผลลัพธ์ได้ ถ้าคลื่นนั้นมีความผิดปกติที่แน่นอน ผิดปกติเพียงชั่วคราว หรือส่งมาพร้อมสัญญาณรบกวนแบบ RFI หรือการรบกวนอื่น ๆ

              ชั้นของอินพุท(Input stage) ของวงจรนับจะกำหนดการทำงานของชมิทท์ทริกเกอร์ซึ่งชั้นของอินพุทจะประกอบด้วย จุดทริกเกอร์ค่าบน(upper trigger point) และจุดทริกเกอร์ค่าล่าง (lower trigger piont) แถบที่คั่นระหว่างจุด 2 จุดนี้เรียกว่า “ฮีสเทอรีซิส” (hysteresis) ผลของฮีสเทอรีซิสแสดงดังรูปที่ 2-20