เครื่องนับแบบดิจิตอล

เครื่องนับแบบดิจิตอล ( Electronic Digital Counter)

            เครื่องมือพื้นฐานทางดิจิตองก็คือ เครื่องนับ (counter) เครื่องนับคือ อุปกรณ์ที่รวมจำนวนอินพุทและเป็นส่วนประกอบพื้นฐานสำหรับทดสอบทางดิจิตอลและการใช้ประโยชน์ทางการวัด

            ไดอแกรมพื้นฐานของเครื่องนับความถี่ แสดงดังรูปที่ 2-3 เครื่องนับความแบบธรรมดาประกอบด้วย 7 ฟังก์ชันหลัก คือ สถานะของอินพุท, ไทม์เบสออสซอเลเตอร์, ไทม์เบสดีไวด์เดอร์, เคาน์ติ้งรีจีสเตอร์ และเครื่องแสดงผลศุนย์กลางควบคุมการทำงานอยู่ที่เมนเกท

            เมนเกทไม่มีอะไรมากกว่า AND เกท เมื่อสถานะของอินพุทและเมนเกทฟลิปฟลอบเป็นจริง เมนเกทจะเปิดเป็นระยะเวลาหนึ่ง ซึ่งกำหนดโดยไทม์เบสดีไวด์เดอร์ ขณะที่เมนเกทเปิดสถานะของอินพุทจากสัญญาณพลล์จะถูส่งไปยังเคาน์ติ้งรีจิสเตอร์ ซึ่งจะถูกนับและวัด แล้วแสดงผลทางอุปกรณ์ในช่วงสิ้นสุดการนับ เมนเกทจะปิด และเครื่องนับก็จะรีเซตเพื่อรอการนับครั้งต่อไป

การกำหนดสถานะของอินพุท (INPUT SIGNAL CONDITIONING)

          สัญญาณอินพุทจะกำจัดเอาสัญญาณรบกวนออก และทำให้ระดับเท่ากันโดยวงจรทางดิจิตอลภายใน เนื่องจากเครื่องนับความถี่ต้องปรับค่าของสัญญาณให้ตรงกันโดยปรับค่าแรงดัน และแรงดันกระแสตรง สัญญาณอินพุทจึงต้องผ่านวงจรหลายวงจรก่อนจะมีสถานะที่สทบูรณ์ ส่วนประกอบของฟังก์ชันและการแปลงสัญญาณของแอินพุท แสดงในรูปที่ 2-4

               สัญญาณอินพุทจะผ่าน attenuator เพื่อลดขนาดถ้าจำเป็น attenuator เป็นวงจร RC ซึ่งใช้ลดขนาดของสัญญาณ มีสวิตช์ให้เลือกลดเป็น 1 เท่า 10 เท่า ในบางเครื่องมือวงจร RC อาจแทนด้วยโพเทนซิโอมิเตอร์ เพื่อสามารถปรับการลดอินพุทได้อย่างต่อเนื่อง สัญญาณกระแสสลับซึ่งมีส่วนประกอบเป็นกระแสตรงขนาดใหญ่ จะสามารถยกระดับของสัญญาณออกนอกช่วงที่ใช้เครื่องมือได้ ด้วยเหตนี้อินพุทซึ่งต่อมายัง attenuator อาจเป็นได้ทั้งกระแสตรงกระแสสลับ ขึ้นอยสู่กับลักษณะสัญญาณของอินพุท

              เมื่อต่อสัญญาณกระแสสลับ สัญญาณอินพุทจะส่งไปยังตัวเก็บประจุซึง่จะกั้นไฟตรง และสร้างกราวอ้างอิงขึ้นมา จึงลดปัญหาเกี่ยวกับสัญญาณอินพุทที่มีขนาดให้เกินได้

              สัญญาณกระแสสลับมีขนาดเล็ก แต่อย่างไรก็ตาม ถ้าคาบของสัญญาณมีค่าต่ำเนื่องจากเวลาของวงจรอินพุทอาจเกินความกว่างของพัลล์ ผลที่จะได้จะเป็นการผลของสัญญาณพัลล์ที่มีความถี่เฉลี่ยมากกว่าจะเป็นพัลล์ที่สามารถนับได้ด้วยเหตนี้จึงควรหลีกเลี่ยงการต่อไฟกระแสสลับ เมื่อต้องการวัดสัญญาณที่มีคาบเปลี่ยนแปลงได้ เช่นสัญญาณที่เกิดจากสวัชชิง power supply และเพาเวอร์ คอนโทรลเลอร์

              อมิพีแดนซ์ที่ต่ำกว่าจะทำให้เครื่องมือมีความไวกว่า โดยการลดสัญญาณรบกวนที่เกิดจากสายส่งสัญญาณความไวในการวัดจะอยู่ที่ 20 mV - 25 mV เมื่อใช้อิมพีแดนซ์ต่ำ ถ้าอินพุทมีอิมพีแดนซ์สูงควาไวจะประมาณ 250 mV อิมพีแดนซ์ต่ำสามารถลดผลกระทบจากการรวมของสัญญาณพัล์เมื่อต่อไฟสลับ

             ระดับการทริกเกอร์จะสร้างแรงดันอ้างอิง ถ้าตั้งระดับการทริกเกอร์สูงเกินไป ตามรูปที่ 2-6 (a) สัญญาณอินพุทจะไม่สามารถผ่านแรงดันฮิสเตอร์รีซิสที่ต่ำกว่าได้ และจะไม่มีพัลล์ถูกนับ โดบการลดระดับการทริกเกอร์ให้พอเหมาะ ดังรูปที่ 2-6 (b) สัญญาณอินพุทจะขวางช่วงฮิสเตอร์รีซิสทั้งหมด และพัลล์จะถูกนับ สำหรับอินพุทที่มีแรงดันติดลบ ต้องตั้งระดับการทริกเกอร์ ตามรูปที่ 2-6 (c)

             จงจร AGC จะปรับความไวของวงจรขยาย เพื่อทำให้อินพุทมีขนาดต่างกันให้เข้ากัน วงจร AGC จะตัดจุดที่ขรุขระของอินพุทออก จะสร้างแรงดันเอาท์พุทที่คงที่ เพื่อส่งไปยังชมิทท์ทริกเกอร์ การเทรดออฟจะเกิดขึ้นระหว่างผลจากวงจร AGC และความถี่ต่ำซึ่งสามารถนับได้ ซึ่งมีประมาณ 50 Hz มากไปกว่านั้น วงจร AGC จะถูกกำจัดความสามารถเมื่อใช้ความถี่สูง AM วงจร AGC จะขึ้นอยู่กับแรงดัน และเมื่อพิจารณาจากอินพุทความถี่สูง AM การตอบสนองต่อเวลาจะไม่ไวพอที่จะจับสัญญาณระดับต่ำได้ ซึ่งก่อให้เกิดการนับที่ผิด ๆ

ไทม์เบส ออสซิลเลเตอร์ (TIMEBASE OSCILATOR)

              พัลล์จากชมิทท์ทริกเกอร์จะผ่านวงจรนับ เมื่อเอาท์พุทจากเมนเกทฟลิปฟลอป มีค่าทางตรรกเท่ากับ 1 เท่านั้น ฟลิปฟลอปจะเปลี่ยนสถานะแต่ละครั้งเมื่อเอาท์ได้รับจากไทม์เบสดีไวด์เดอร์มีค่าสูงไปต่ำ ดังนั้นหากไทม์เบสดีไวด์เดอร์จ่ายสัญญาณ 1 ครั้ง ทุก ๆ 1 วินาที ฟลิปฟลอปจะเปลี่ยนสถานะเป็น 1 1 วินาที และเป็น 0 1 วินาที ด้วยเหตนี้เมนเกทจะเปิด 1 วินาที และปิด 1 วินาที หรืออีกนัยหนึ่งเมนเกทจะส่งเอาท์พุทของชมิท์ทริกเกอร์ผ่านไปยังเคาน์ติ้งรีจิสเตอร์ 1 วินาที และกั้นไว้ 1 วินาที เวลาของเมนเกทฟลิปฟลอปควบคุมโดยไทม์เบสดีไวด์เดอร์ ซึ่งขับโดยไทม์เบสออสซิลเลเตอร์

             เนื่องจากไทม์เบสออสซิลเลเตอร์ควบคุมคาบการเปิดของเมนเกทความสำคัญของมันในการกำหนดความแน่นอนจึงไมาสามารถกล่าวเกินความจริงได้ ออสซิลเลเตอร์ผลิตอยู่ 3 แบบคือ ออสซิลเลเตอร์รูมเทมเพอเรเจอร์(RTXO) ออสซิลเลเตอร์แบบชดเชยอุณหภูมิได้ (TCXO) และแบบไช้เตาควบคุม

             อุณหภูมิเป็นตัวสร้างปัญหากับออสซิลเลเตอร์ เพราะความแน่นอนของความถี่ออสซิลเลเตอร์ ขึ้นอยู่กับอุณหภูทโดยตรง

             ผลกระทบจากอุณหภูมิสามรถให้ลดลงได้ โดยการควบคุมอุณภูมิให้คงที่, ชดเชยอุณหภูมิ, การเลือกชนิดของผลึกที่เหมาะสม ข้อดีของแต่ละวิธีแสดงดังตารางที่ 2-1

เตาที่สามารถควบคุมอุณหภูมิให้คงที่ เป็นออสซิลเลเตอร์ที่เที่ยงตรงที่สุด

เตาเดี่ยวสามารถควบคุมอุณหภูมิได้ถึง ±0.001°C และสามารถปรับค่าไปมาระหว่าง 0°-70° C ได้

เตาคู่ สามารถควบคุมอุณหภูมิได้ถึง ±0.0001°C และมีช่วงอุณหภูมิเดียวกัน

เมื่อุณหภูมิของเตาเข้ากับอุณหภูมของผลึกแล้ว ผลกระทบที่เกิดจากอุณหภูมิร่วมทั้งหมดจะน้อยมาก

           โดยทั่วไปจะใช้เวลาประมาณ 24 ชั่วโมง หลังจากจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์เพื่อให้เตามีความถูกต้องแน่นอนสูงที่สุด แต่เตาสามารถมีความถูกต้องแน่นอน 7 ส่วนใน 10ยกกำลัง 9 ส่วนในเวลา 20 นาที

เมื่อไม่ใช้เตา ผลึกก็สามารใช้เป็น TCXO โดยมีความต้านทานอนุกรมกัน ซึ่งมีผลกระทบร่วมของอุณหภูมิหักล้างกับผลของอุณหภูมิของผลึก

            RTXC เป็นออสซิลเลเตอร์ที่ง่ายที่สุดใน 3 ชนิดที่กล่าวไป และค่าใช้จ่ายในกาสร้างน้อย ใน RTXO จะไม่มีการชดเชยความถี่ที่หายไปเนื่องผลกระทบของอุณหภูมิ การเลือกมุมตัดที่เหมาะสมจะสามารถสร้างผลึกที่มีผลกระทบจากอุณหภูมิต่ำในช่วงที่มีอุณหภูมิที่ต้องการได้

ไทม์เบส ดีไวด์เดอร์ (TIMEBASE DIVIDERS)

              ความถี่ที่เป็น clock ของเมนเกทฟลิปฟลอป ได้รับโดยการลบดความถี่ของไทม์เบสออสซิลเลเตอร์ในไทม์เบสดีไวด์เดอร์ ในวงจรไทม์เบสดีไวด์เดอร์จะมีวงจรนับสิบ แต่ละวงจรจะหารความถี่อินพุทที่เข้ามาด้วย 10

              ความถี่เอาท์พุทจากฟลิปฟลอปตัวสุดท้ายของวงจรนับ 10 จะเป็น 1 ใน 10 ของอินพุทที่เข้ามาทริกนั่นคือ คาบของคลื่นจะเป็น 10 เท่าของคลื่นเอาท์พุท

              สัญญาณ 1 MHz จากออสซิลเลเตอร์มีคาบ 1 µs เอาท์พุทจากวงจรยับสิบตัวแรก ซึ่งขับโดย 1 MHz จะมีคาบ 10 µs คาบเวลาจากวงจรนับสิบที่ 2 เท่ากับ 100µs เมื่อครบ 6 ตัวคาบจะเปลี่ยนจาก 1µs เป็น 1 s

เคาน์ติ้งรีจิสเตอร์ (COUNTING REGISTER)

             เมื่อเมนเกทฟลิปฟลอปเปิด เมนเกทพัลล์จากชมิทท์ทริกเกอร์จะผ่านไปยังเคาน์ติ้งรีจิสเตอร์ เคาน์ติ้งรีจิสเตอร์ประกอบด้วยวงจรนับ

             ตัวเลขแต่ละตัวของวงจรนับสิบของตัวเอง และประกอยด้วยวงจรแลทช์ และเครื่องแปลรหัส BCD เป็น 7-เซกเมนต์ วงจรนับสิบเป็นตัวสะสมพัลล์จนครบ 10 แล้วส่งพัลล์ 1 ตัวให้แก่ วงจรนับสิบตัวที่ 2 ตัวที่ 2 ก็จะนับครบ 10 และส่งให้ตัวที่ 3 ต่อไป จำนวนตัวเลขบนจอแสดงผลจะบอกถึงจำนวนวงจรนับสิบที่ใช้

             วงจรแลทช์ ทำหน้าที่แยกวงจรนับสิบกับจอแสดงผล ในขณะที่การนับดำเนินอยู่ เมื่อการนับสิ้นสุดลงสัญญาณหนึ่งสัญญาณที่ไปยังแลทช์จะนำผลการนับไปยังแลทช์รีจิสเตอร์ และถูกอุปกรณ์แสดงผลให้เปลี่ยนเป็นเลขฐาน 10 ซึ่งสมมูลที่ได้จากค่าการนับ เครื่องแปลงรหัสจะแปลงเลขฐานสองไปเป็น 7-เซกเมนต์ เพื่อแสดงผล