Universitatea “POLITEHNICA” din BUCURESTI Facultatea Transporturi Sectia Telecomenzi si Electronica in Transporturi
Proiect M.E./S.T.A.D
Instrument numeric de masurare : Voltmetru de curent alternativ si punte tensiometrica
INDRUMATOR:
S.I.drd.ing. Mihaela Nemtoi
2011-2012 1
STUDENT : Badea Tudor Grupa : 8314
Cuprins : I. Voltmetru de curent alternativ 1. Introducere 2. Tema proiectului 3. Schema bloc 4. Memoriu tehnic 5. Breviar de calcul 6. Calcul economic 7. Shema electrica detaliata 8. Cablaj 9. Nomeclatorul de componente
II. Punte tensiometrica • Structura generala • Schema bloc 10.
Bibliografie
2
I. Voltmetru de curent alternativ 1. Introducere Circuitul de intrare ale unui aparat de masura lucreaza cu semnale analogice dar toate celelalte blocuri lucreaza cu semnale numerice. Semnalele analogice pot fi masurate cu aparate de masura simple insa sunt sensibile la imperfectiunile cailor de transmitere si prelucrare, cea ce inseamna ca pierd din precizie dupa fiecare operatie, informatia este purtata de amplitudinea semnalului. Semnalele numerice sunt sub forma de impulsuri si au informatia grefata pe durata sau pe pozitia impulsurilor in timp, astfel semnalele numerice ofera o mai mare flexibilitate in utilizare. Circuitele numerice functioneaza pe principiul tot sau nimic cea ce implica structuri foarte simple in circuitele numerice de baza (porti, codoare, decodoare, multiplexsoare, numaratoare, registre, automate programabile, circuite de conversie a datelor). Circuitele numerice permit implementarea de functii din ce in ce mai complexe pe acelasi tip. Cea ce duce la micsorarea aparatelor si implicit la scaderea pretului. Avantajele aparatelor de masura numerice: - Pot atinge precizii mult mai mari decat aparatele de masura analogice, deoarece raspunsul este independent de amplitudinea semnalului ce poarta marimea de masurat. - Sunt mai robuste (rezista la socuri si vibratii) - Pot functiona in orice pozitie. - Sunt usor integrabile, in sisteme de masurare reglabile conduse de calculator. Dezavantaje: - Nu permit sesizarea rapida a tendintei de evolutie a marimii de masurat si nici realizarea de scari liniare.
3
2. Tema proiectului 1. Proiectarea unui voltmetru de curent alternativ, cu scarile 1-10-100, rezistente universale la intrare, rezistenta specifica de 200k. La realizarea aparatului se va folosi un convertor analog-numeric cu integrare in dubla panta. 2. Proiectarea unei punti tensiometrice .
Numărător
Registru
Circuitul
Circuitul
de intrare
de intrare
se bazeaza,
se bazeaza,4
de regula pe
de regula pe
un trigger
un trigger
care are rolul
care are rolul
de a aduce
de a aduce
semnalul
semnalul
analogic
3.analogic Schema bloc
U(fx) intr-o
U(fx) intr-o
forma
forma
copatibila cu
copatibila cu
circuitele
circuitele
folosite in
folosite in
partea
partea
numerica a
numerica a
echipamentul
echipamentul
ui (uzual
ui (uzual
TTL/CMOS)
TTL/CMOS)
. Formatorul
. Formatorul
TS este
TS este
precedat de o
precedat de o
serie de
serie de
circuite de
circuite de
conditionare
conditionare
fara calitati
fara calitati
metrologice:
metrologice:
atenuator/am
atenuator/am
plificator(ce
plificator(ce
are rolul
are rolul
numai de a
numai de a
aduce
aduce
semnalul la
semnalul la
nivelul cerut
nivelul cerut
de TS),
de TS),
limitator de
limitator de
tensiune(cu
tensiune(cu
rolul de
rolul de
circuit de
circuit de
protectie),
protectie),
adaptor de
adaptor de 5
impedante si
impedante si
circuit de
circuit de
nivelului
nivelului
(pentru
(pentru
gasirea
gasirea
intervalului Blocul de
intervalului numărare/afişare
optim de
optim de
declansare);
declansare);
din motive
din motive
de claritate
de claritate
aceste
aceste
circuite au
circuite au
fost omise
fost omise
din schema.
din schema.
Semnalul
Semnalul
format este CAN aplicat portii
format este P aplicat portii
principale P,
principale P,
care pe a
care pe a
doua intrare (Validare)
Afişaj numeric (AN)
Decodor (D)
Afişaj
doua intrare BT(Validare)
primeste un
primeste un
impuls de
impuls de
durata
durata
precisa
precisa
controlata (Tm),
controlata CAN (Tm),
definind
definind
astfel intervalul de
astfel BC de intervalul
masura; cat
masura; cat BT
timp nivelul
timp nivelul
de pe
de pe
intrarea
intrarea
Validare este
Validare este
sus ,
sus ,
impulsurile provenite din
impulsurile 6 provenite din
U(f) trec prin
U(f) trec prin
poarta catre
poarta catre
P
GE
blocul de
blocul de
numarare si
numarare si
afisare. De
afisare. De
regula ,
regula , 4. Memoriu tehnic
poarta
poarta
prevazuta cu
prevazuta cu
trigger
trigger
Se vor detalia elementele schemei bloc: Schmitt pe 1. Alimentare Schmitt pe
2. Circuit de intrare intrarea intrarea 3. Divizare de tensiune Validare, Validare,
4. Amplificator instrumental rolul 5. Circuit redresor triggerului triggerului 6. Convertor A/N 7. de aGenerator de tact fiind fiind de a 8. Comparatorul imbunatatii imbunatatii 9. Operatorul SI (AND) frontul de 10. deDivizorul defrontul frecventa 11. Numarator comanda al comanda al 12. Registru de impulsului memorare impulsului 13. Decodorul Tm in scopul Tm in scopul 14. Afisare rolul
micsorarii
micsorarii
erorilor de
erorilor de
basculare.
basculare.
(N)
de memorare
7
Schema de principiu si ecuatia de functionare
Componentele principale ale convertorului sunt: • un integrator cu AO (cu rezistenta de intrare ridicata de circa 109-1012Ω), rezistenta R (sute de kΩ) si condensatorul C (0.1...1µF); la intrarea acestui integrator este plasat un comutator comandat (k1 si k2), ce asigura conectarea intrarii integratorului fie la semnalul de intrare (Ux), fie la o tensiune de referinta (Uo) foarte stabila (0,01...0,002%); • un comparator (CT) ce detecteaza trecerea prin zero a senmalului de ceas catre un numarator; • un generator de tact (GE) si un circuit poarta (P) ce valideaza impulsurile de ceas catre un numarator; • un numarator (N), de cele mai multe ori decadic, cu intrare de stergere (RES) si iesire de transport/depasire(TCU); • un afisaj numeric cu 7 segmente(inclusiv decodificator BCD-7segmente); 8
• un bistabil de comanda a comutatorului de intrare (B); • un bloc de comanda(secventiere) a intregului aparat (BC), care initiaza ciclul de conversie si stabileste conditiile initiale ale integrarii. Voltmetrele numerice cu integrare cu dubla panta functioneaza pe baza principiului conversiei semnalelor analogice de c. c. in timp. Conversia tensiune-timp se realizeaza in doua faze. In prima faza se integreaza semnalul de masurat Ux, intr-un interval de timp ti, iar in etapa a doua se integreaza o tensiune de referinta de polaritate inversa (- Uref). La momentul initial, comutatorul K este pozitionat pe pozitia 1 astfel incat la intrarea amplificatorului operational se aplica tensiunea de masurat Ux. Ea va fi integrata intr-un interval de timp determinat t1. Variatia de tensiune la iesirea integratorului la sfarsitul intervalului de timp t1 va fi:
Cand tensiunea de la iesirea integratorului depaseste potentialul masei, comparatorul comanda deschiderea circuitului poarta P, astfel ca impulsurile generate de oscilatorul etalon vor trece catre numarator si vor fi numarate in intervalul de timp t1. Timpul t1 a fost stabilit astfel incat in acest interval de timp, toate celulele numaratorului sa ajunga la valoarea "1":
unde: Nmax este capacitatea maxima a numaratorului, iar f 0 (respectiv T0) frecventa (respectiv perioada) impulsurilor oscilatorului.
9
Primul impuls sosit la oscilator dupa expirarea timpului ti , pune toate celulele pe "0", iar bistabilul B trece in starea "1" si comanda comutarea lui K de pe pozitia 1 pe pozitia 2. In acest moment, la intrarea integratorului se va aplica o tensiune de referinta de polaritate inversa, (-Uref), iar la iesirea acestuia tensiunea va descreste liniar catre zero. In intervalul de timp in care U1 > 0, poarta P este deschisa, iar impulsurile oscilatorului sunt numarate de catre numarator. Cand U1 = 0, poarta P se inchide, astfel ca impulsurile numarate (N) sunt proportionale cu timpul de integrare tx, care, la randul sau este proportional cu valoarea tensiunii de la care a inceput integrarea inversa:
In relatia de mai sus se constata ca tensiunea de masurat Ux este direct proportionala cu tensiunea de referinta (Uref), iar valoarea maxima a tensiunii de masurat este egala cu tensiunea sursei de referinta (pentru N = Nmax ). Ecuatia de functionare a voltmetrului numeric cu convertor A/N cu dubla rampa este: N=Nm*Ux/Uo Astfel, se remarca independenta indicatiei (N) de frecventa etalonului(fo), adica aceasta nu trebuie cunoscuta cu precizie, ci numai sa fie stabila pe durata unui ciclu de masurare (T1+ T2), conditie usor de indeplinit in practica. Independenta indicatiei voltmetrului fata de parametrii R, C, fo prezinta o mare importanta practica deoarece, pe de o parte, permite cresterea preciziei aparatului si scaderea pretului de cost, iar pe de alta parte, schema poate fi usor implementata in siliciu. Ecuatia de functionare arata si facptul ca acest tip de aparat permite masurarea raportului a doua tensiuni (logometru numeric). Precizia acestor voltmetre este buna (± 0,01 % ^ ± 0,1 % din domeniul de masurare), fiind independenta de frecventa oscilatorului. Ea este determinata de erorile circuitului integrator, ale comparatorului, tensiunii de referinta si circuitelor de comutatie. 10
Pentru obtinerea unei precizii mai bune trebuie avute in vedere si alte cauze de erori, printre care: deriva tensiunii de decalaj, deriva amplificarii, neliniaritatea caracteristicii de transfer, tensiunile parazite de mod serie si de mod comun.
4.1. Alimentare Schema blocului de alimentare:
11
4.2. Circuitul de intrare Circuitul de intrare se bazeaza, de regula pe un trigger Schmitt(TS), care are rolul de a aduce semnalul analogic U(fx) intr-o forma copatibila cu circuitele folosite in partea numerica a echipamentului (uzual TTL/CMOS). Formatorul TS este precedat de o serie de circuite de conditionare fara calitati metrologice:atenuator/amplificator(ce are rolul numai de a aduce semnalul la nivelul cerut de TS), limitator de tensiune(cu rolul de circuit de protectie), adaptor de impedante si circuit de modificare a nivelului (pentru gasirea intervalului optim de declansare); din motive de claritate aceste circuite au fost omise din schema. Semnalul format este aplicat portii principale P, care pe a doua intrare (Validare) primeste un impuls de durata precisa controlata (Tm), definind astfel intervalul de masura; cat timp nivelul de pe intrarea Validare este sus , impulsurile provenite din U(f) trec prin poarta catre blocul de numarare si afisare. De regula , poarta prevazuta cu trigger Schmitt pe intrarea Validare, rolul triggerului fiind de a imbunatatii frontul de comanda al impulsului Tm in scopul micsorarii erorilor de basculare.
12
4.3. Divizare de tensiune Configuratia fundamentala a unui voltmetru:
Pornind de la legea lui Ohm se observa ca U=(Ra+Ri)I[ respectiv, in cazul in care se atinge curentul cap de scala Ucs=(Ra+Ri)Ics Daca se impune o tensiune cap de scala Ucs, pentru un instrument cu un curent de cap de scala Ics dat, rezulta o rezistenta aditionala serie: Ra=Ucs/Ics-Ri In cazul unui voltmetru cu mai multe scari rezulta pentru scara k:
Rezistenta aditionala pentru scara k: Rak=Ucsk/Ics-Ri Rezistentele aditionale sunt in general de valori mari, chiar foarte mari in comparatie cu rezistenta interna Ri a instrumentului. Tensiunile de cap de scala Ucsk se aleg din seria normalizata Ucs=0,1; 0,3; 1; 3; 10; 30; 100; 300V
13
4.4. Amplificatorul instrumental Amplificatoarele instrumentale reprezintă o categorie aparte de amplificatoare operaţionale utilizate în special în măsurări, motiv pentru care acest tip de amplificatoare operaţionale au mai fost denumite şi amplificatoare de măsură. Amplificatorul instrumental este un amplificator operaţional diferenţial cu amplificare finită şi foarte bine reglată, reglajul amplificării făcându-se fie prin conectarea în exteriorul integratului a unei rezistenţe sau grup de rezistenţe, fie prin comanda digitală cu ajutorul unui calculator sau microcontroler. Amplificatorul instrumental are performanţe superioare amplificatoarelor operaţionale în ceea ce priveşte tensiunea de decalaj, deriva termică, liniaritatea, stabilitatea şi precizia amplificării. Amplificatoarele instrumentale pot fi realizate cu componente discrete şi amplificatoare operaţionale, în tehnologie monolitică sau hibridă. Cele integrate au elementele de reacţie incluse în structura circuitului integrat. La aparatura de măsură şi control amplificarea în tensiune se face, adesea, cu amplificatoare diferenţiale la care una din intrări este folosită pentru intrarea de semnal, iar cealaltă pentru conectarea reţelei de reacţie. Dacă sar folosi un singur amplificator operaţional reţeaua de reacţie ar reduce impedanţa de intrare la valori care sunt prea mici faţă de cele necesare în aceste aplicaţii. Din acest motiv au fost realizate structuri speciale de amplificatoare diferenţiale cu două sau mai multe amplificatoare operaţionale. Amplificatoarele instrumentale sunt amplificatoare diferenţiale cu intrări flotante faţă de masă, cu impedanţă mare atât în modul diferenţial cât şi în modul comun şi având o rezistenţă de ieşire redusă. Amplificatoarele instrumentale trebuie să îndeplinească mai multe cerinţe: • amplificarea mărimilor preluate de la senzori până la valori care pot fi prelucrate fără probleme de etajele următoare din lanţul de prelucrare a semnalului; • asigurarea unei impedanţe de intrare mari, pentru a nu perturba mărimea aplicată la intrare; • realizarea unei anumite caracteristici de transfer, liniară sau neliniară, în funcţie de natura procesului de măsurare; 14
• asigurarea unei caracteristici de frecvenţă adecvate procesului de măsurare; • asigurarea unei rejecţii a semnalului de mod comun foarte mare.
Principalii parametri ai unui amplificatorului instrumental sunt: a) câştigul (G). Valoarea acestui parametru reprezintă panta caracteristicii de transfer a amplificatorului instrumental. În datele de catalog sunt specificate: eroarea câştigului, neliniaritatea câştigului şi stabilitatea câştigului în raport cu temperature. b) tensiunile de decalaj la intrare şi la ieşire. Pentru un câştig dat, tensiunea totală de decalaj Uos este definită pe baza a două erori: - eroarea totală raportată la intrare - eroarea totală raportată la ieşire c) curentul de decalaj la intrare (în [nA]), valoarea acestuia în funcţie de temperatură (în [nA]), precum şi coeficientul mediu de temperatură al curentului de decalaj la intrare (în [pA/0C]). d) curentul de polarizare la intrare (în [nA]), valoarea acestuia în funcţie de temperatură (în [nA]), precum şi coeficientul mediu de temperatură al curentului de polarizare la intrare (în [pA/0C]). d) impedanţele de intrare diferenţială şi de mod comun. e) impedanţa de ieşire. Este foarte mică, de ordinul 10-2 Ω. f) tensiunea şi curentul de zgomot ale amplificatorului. g) raportul de rejecţie a modului comun, CMMR. h) parametri referitori la regimul dinamic: - banda de frecvenţe la -3 dB la semnal mic. - viteza de urmărire (”Slew Rate”, SR [V/μs]). - timpul de stabilizare .
15
4.5. Circuitul redresor Redresoarele sunt circuite care transformă curentul alternativ în curent continuu. După tipul dispozitivelor care redresează şi după modul acestora de comandă, redresarea poate fi necomandată, (cu comutaţie naturală), sau comandată, (cu comutaţie forţată). În această lucrare se vor studia circuite de redresare necomandate. Redresarea necomandată se realizează, într-o majoritate covârşitoare de cazuri, cu diode. Redresarea tensiunilor alternative este cea mai des utilizată operaţie neliniară efectuată asupra semnalelor variabile în timp.Redresorul monoalternanţă ideal poate fi privit ca un diport cu funcţionare de comutator comandat de polaritatea tensiunii de intrare. Cele mai utilizate comutatoare pentru această funcţie sunt diodele semiconductoare. Utilizarea diodelor semiconductoare pentru redresarea semnalelor alternative reprezintă o soluţie deosebit de simplă şi ieftină a problemei, în cazul în care se urmăreşte aspectul energetic, dacă se porneşte de la tensiuni de intrare mult mai mari decât căderea de tensiune directă pe diodă. Într-adevăr, tensiunea la ieşirea redresorului monoalternanţă, cu diodă semiconductoare cu siliciu, nu repetă identic semialternanţa pozitivă a tensiunii de intrare ci prezintă un decalaj de aproximativ 0,6 V faţă de aceasta. În aplicaţiile care au în vedere prelucrarea de informaţie, pentru măsurarea tensiunilor alternative, sau în nenumărate alte aplicaţii de semnal mic, este inacceptabilă distorsionarea semnalului.Pentru înlăturarea inconvenientelor 16
prezentate mai sus se folosesc scheme compuse din A.O. şi diode semiconductoare, numite redresoare de precizie.
4.6. Convertor analog-numeric CAN sau Convertor Analogic Numeric reprezintă un bloc sau un circuit care poate accepta o mărime analogică (curent, tensiune) la intrare, furnizând la ieşire un număr care constituie o aproximare (mai mult sau mai puţin exactă) a valorii analogice a semnalului de la intrare. Spre deosebire de o mărime analogică ale cărei valori se pot găsi în orice punct din domeniul său de variaţie, mărimea numerică (sau digitală) posedă numai o variaţie în trepte. Astfel, întreg domeniul de variaţie este divizat într-un număr finit de „cuante" (trepte elementare) de mărime determinată de rezoluţia sistemului, în acest mod, diferenţa între cele mai apropiate valori numerice nu poate fi făcută mai mică decât această treaptă elementară, ceea ce face ca, principial, reprezentarea informaţiei sub forma numerică să fie legată de introducerea unei erori, numită de „ eroare cuantificare". Cu toate că un sistem pur analogic este capabil (cel puţin în mod teoretic) de o acurateţe mai bună decât un sistem hibrid (analog/numeric) această acurateţe este rar folosită în mod complet. Acest lucru se datorează formei analogice a semnalului care nu permite o citire, înregistrare sau interpretare de mare exactitate. Pe de-altă parte, datele sub formă numerică reprezintă deja o formă în care se face 17
manipularea, prelucrarea sau memorarea lor, teoretic fără nici o eroare sau practic, cu erori extrem de mici. Odată transformate în forma numerică, datele pot fi prelucrate matematic, sortate, analizate sau folosite pentru diverse funcţii de control mult mai precis, rapid şi flexibil decât sub formă analogică, în plus, dacă după achiziţia lor este nevoie de un volum mare de prelucrare, forma numerică prezintă din nou avantaj deoarece posibilitatea de acumulare a unor erori prin manipulări succesive este extrem de mică. De asemenea, forma numerică prezintă un avantaj considerabil în cazul păstrării datelor pentru durate mari, prin posibilitatea stocării lor în memorii nevolatile de mare capacitate. Orice mărime electrică, având o formă analogică trebuie transformată în prealabil, într-o formă numerică pentru a putea fi prelucrată sub o formă sau alta de un astfel de sistem de prelucrare. Este evident că un convertor A/N care prelucrează un semnal provenind de la un traductor de temperatură nu poate fi folosit la codificarea unui semnal video produs de o cameră de luat vederi. Terminologie si parametri caaracteristici convertoarelor analog-numerice Bit Denumirea din limba engleză a cifrei binare, „bit", se foloseşte în primul rând în legătură cu sistemul de numeraţie binar, cu sensul ei propriu, în conversia de date analog-numerică si numeric-analogică ea este folosită într-un sens mai larg pentru a exprima tot ceea ce este legat de producerea sau conversia unui bit. Astfel se folosesc noţiunile „curent de bit", „tensiune de bit" sau „reţea rezistivă. de N biţi", etc. în fiecare din aceste cazuri această noţiune poartă cu sine proprietăţile cifrei binare - cele două stări, corespunzătoare valorilor binare „0" şi „1" şi ponderea dată de poziţia în număr. Bit de semnificaţie maximă (BSMax, MSB) În sistemul de numeraţie binar, bitul de semnificaţie maximă este cifra poziţionată (de obicei) la scriere în partea de extremă stângă şi care are ponderea maximă în număr. Bit de semnificaţie minimă(BSMin, LSB) În sistemul de numeraţie binar, cifra cea mai puţin semnificativă este bitul de semnificaţie minimă, amplasat de regulă în extrema dreaptă a numărului. Acest bit poartă într-un sistem numeric cea mai mică informaţie care are sens, reprezentând 18
deci rezoluţia sistemului respectiv. Din această cauză toate erorile analogice trebuie să reprezinte fracţiuni din valoarea (curent sau tensiune) asociată acestui bit. Codificator În conversia de date un circuit de codificare (ENCODER) reprezintă un convertor analog/numeric. El mai este denumit digitizor sau cuantificator. Cuantificare Divizarea intervalului de variaţie (tensiune, curent) al unei mărimi analogice într-un număr determinat de trepte („cuante") de amplitudine egală, în scopul exprimării valorii analogice sub formă de număr, constituie procesul de cuantificare al unui semnal analogic. Mărimea treptelor rezultate în urma cuantificării este egală cu raportul dintre valoarea intervalului maxim de variaţie şi numărul lor, fiecare astfel de „cuantă" fiind delimitată de două nivele de cuantificare succesive.
Caracteristica de transfer Dependenţa dintre mărimea de ieşire a unui convertor şi mărimea sa de intrare reprezintă caracteristica de transfer a convertorului. Deoarece una dintre cele două mărimi are întotdeauna o variaţie analogică iar cealaltă o variaţie numerică, caracteristica de transfer atât a unui CAN cât si a unul CNA are o variaţie în trepte.
19
Rezoluţia Rezoluţia unui convertor este parametrul care caracterizează numărul de stări (nivele) distincte care pot fi deosebite de convertor. De obicei, rezoluţia se exprimă în biţi, în procente din valoarea diapazonului de ieşire sau intrare sau în număr de nivele de cuantificare (CAN). Rezoluţia unui CAN determină numărul nivelelor (treptelor) de cuantificare ale mărimii analogice de intrare. Deoarece domeniul de intrare are o valoare determinată, rezoluţia unui CAN caracterizează capacitatea acestuia de a „rezolva" (deosebi) două nivele apropiate ca valoare, fiind definită de mărimea variaţiei de intrare necesară pentru a produce la ieşire a convertorului două schimbări de coduri consecutive. Această variaţie este măsurată de la nivelul de intrare la care se face trecerea între treptele Nk-1 - Nk şi până la nivelul care produce schimbarea treptelor Nk = Nk+1. Lăţime de cod sau precizia de măsurare este variaţia minimă detectabilă a semnalului măsurat şi corespunde variaţiei bitului cel mai puţin semnificativ (LSB) din numărul binar generat de către convertorul analog – digital în urma măsurării. Lăţimea de cod poate fi calculată cu formula: 20
Eroare de cuantificare Pentru un convertor cu N biţi domeniul maxim de variaţie este divizat în 2N intervale (canale) discrete. Toate semnalele care au nivelele cuprinse între valorile care delimitează un astfel de canal vor fi codificate în acelaşi mod (prin acelaşi număr). Principial deci, există o incertitudine (eroare) de cuantificare egală cu ± 1/2 BSMin, care depinde de rezoluţia convertorului. Această eroare apare foarte clar în următoarea figură, care reprezintă funcţia de transfer a CAN, ea fiind diferenţa intre caracteristica ideală de transfer a CAN şi dreapta dusă prin origine si maximul diapazonului. Intuitiv se constată că pe măsură ce rezoluţia creşte, lăţimea unui canal scade, determinând reducerea corespunzătoare a maximului acestei erori. Evident, un CAN cu o rezoluţie infinită va prezenta o eroare de cuantificare nulă. Aceasta se face in doua etape: Etapa I(integrarea lui Ud pe intervalul t) U(t)= - 1/c ∫ Ux/R*dt=-Ux*t/R*C=-Ux*t/ τ unde: τ =R*C t є(0,t1) Observatie: panta -Ux/ τ = f(Ux), daca Ux>0 avem rampa descrescatoare Etapa II (aplicam la intrarea integratorului o tensiune de referinta Uref de polaritate opusa lui Ux) U(t)= -Ux*t1/ τ + Uref(t+t1)/ τ, t≥t1 Observatie: in acest interval panta este constanta
U(t1+tx)=0 => Ux*t1/ τ = Uref*tx/ τ => tx=t1*Ux/Uref = f(Ux)=> AVEM ‘0’ Conversie tensiune-timp Masurarea numerica a intervalului de timp tx se poate face cu un sistem a carui schema bloc e formata din: - Integratorul propriu-zis 21
- Comparator (COMP) -
Numarator reversibil cu posibillitate de incarcare paralel (NUM)
- Oscilator ce genereaza impulsuri de tact cu frecventa fi(GI) - Bloc logic de control (BLC) - Registru de memorie (RM) in care se inregistreaza rezultatul conversiei
Schema functioneaza in 3 stari: Starea 0 = faza de initializare - K1=0=>intrarea schemei este la masa si se descarca C - PL=1=> se incarca NUM cu N=1! dat de BLC
Starea 1 = este starea in care se realizeaza rampa descrescatoare - K1=1=> se incarca C, tensiunea la intrarea integratorului fiind Ux=>tensiunea la iesirea integratorului este negativa iar iesirea comparatorului va fi COMP=1 - K2=1=> poarta este deschia; impulsurile de tact sunt aplicate pe intrarea CD de numarare inapoi. NUM numara inapoi, incepand cu N1 pana ajunge la N=0. Faza se incheie cand N=0. Durata starii este t1=N1*Ti, Ti=1/fi
Starea 2 = este starea in care se realizeaza panta crescatoare - K1=2=>se aplica integratorului –Uref - K2=2=> cat timp u(t)<0, COMP=1, poarta e deschia iar N creste. Starea se incheie cand u(t) =0 => COMP=0. In acest moment P se blocheaza, rezultatul NUM e transferat in memorie si ciclul de conversie se incheie. Numarul de impulsuri contorizate va fi Nx=tx/Ni=t1*Ux/Uref*1/Ti=Ni*Ux/Uref Precizia - Nu depinde de R,C sau fi 22
- Poate fi afectata: • De o eventuala eroare a Uref • De liniaritatea imperfecta a rampelor • De fluctuatiile relativ rapide ale frecventei generatorului de tact • De tensiunile de decalaj si derivele termice ale integratorului si ale COMP • De tensiunile perturbatoare, suprapuse peste semnal si injectate in nodul de intrare. Observatie: tensiunile perturbatoare sunt de regula semnale alternative si sunt in mare masura atenuate prin efectul de integrare Semnalul alternativ este complet rejectat daca durata integrarii t1 este multiplu al perioadei semnalului. Principala perturbatie alternativa fiind tensiunea retelei cu frecventa 50Hz=>T=20ms=> este util sa se aleaga t1=k*T=>t1min = 20ms. Circuitul de aducere automata la “0”
- Asigura corectia tensiunii de decalaj datorata amplificatorului si COMP. Pentru aceasta integratorul in schema este precedat de un amplificator - In starea “0” • K3 este inchis si se stabileste o bucla de reactive negativa • Amplificatoarele avand amplificare foarte mare, pe C apare o tensiune egala cu tensiunea de decalaj Vos astfel incat la bornele amplificatorului operational ideal, diferenta de potential sa fie nula.
- In starea 1 si 2 k3 este deschis si C nu se poate descarca, anihiland astfel efectul tensiunii de decalaj. Masurarea tensiunilor bipolare 23
Pentru a putea masura atat tensiuni pozitive cat si negative vor fi necesare doua surse de referinta : Uref si –Uref. Varianta 1
Semnalul COMP la sfarsitul starii “1” indica polaritatea: Ux>0 va conduce la COMP=1 Ux<0 va conduce la COMP=0 K1 este pus pe pozitia 2 daca Ux<0 Varianta 2
Pentru tє(0,t1) U(t) = - (Ux+05Uref)/R*t/C=>U(t1)=-(Ux+0.5Uref)*t/τ La t=t1 k1 comuta pe –Uref U(t)=u(t1)-(-Uref+0.5Uref)*(t-t1)/RC = -(Ux+0.5Uref)*t1/τ+Uref/2*t*t1/τ
Dar U(t1+tx)=0=>uref/2*tx/τ=(Ux+Uref)*t1/ τ=>tx=t1(1+2*Ux/Uref) Ux=0=>tx=t1 Ux=-0.5Uref=>tx=0 Ux=0.5Uref=>tx=2t1 Domeniul de masura este Uxє(-0.5Uref÷0.5Uref) 24
Pentru a observa mai bine evolutia voltmetrelor si, in special, a convertoarelor analog-numerice, se vor prezenta doua tipuri de convertoare: convertorul A/N C 520 D convertorul A/N ICL 7106 Convertorul A/N C 520 D • •
A fost un convertor foarte bun, dar acum e depasit din punct de vedere tehnic. Constructie externa:
Specificatii: Part Number = C520D Manufacturer Name = GE Solid State Description = Silicon Controlled Rectifier V(DRM) Max.(V)Rep.Pk.Off Volt. = 400 I(T) Max.(A) On-state Current = 1.1k² Temp. (°C) (Test Condition) = 150 I(TSM) Max. (A) = 10k I(GT) Max. (A) = 150m V(GT) Max.(V) = 4.0 I(H) Max.(A) Holding Current = 250m I(D) Max. (A) Leakage Current = 25m @Temp. (°C) (Test Condition) = 125 V(T) Max. (V) = 1.2 @I(T) (A) (Test Condition) = 1.1k dv/dt Min. (V/us) = 100 t(q) Typ. (s) = 150u Status = Discontinued Package = TO-200var51 Constructie interna: 25
Convertorul A/N ICL 7106 Este un convertor in tehnologie LSI (Large Scale Integration) Acest circuit contine pe un singur chip (40 pini) aproape toata schema unui voltmetru, inclusiv suportul pentru functionarea bipolara si corectia de autozero. Daca la acesta se adauga o placheta de afisare cu cristale lichide si cateva componente discrete, se obtine un voltmetru numeric cu 3 ½ cifre (1999), avand tensiunea nominala de 200mV (sau 2V) si precizia de baza de 0,2%. Varianta cu cristale lichide (7106) e destinata realizarii voltmetrlor de buzunar. Nivelul de zgomot este sub 15uV pentru 95% din cazuri, iar liniaritatea garantata este de ±0,01...0,05%. La o aranjare judicioasa a componentelor, intreg ansamblul poate fi montat pe o placuta de circuit imprimat (dublu placat) de aproximativ 30cm2 ; alimentarea se face la 9V (baterie)
Constructie externa: 26
Generatorul de tact etalon (GE) este un simplu oscilator RC; cu ajutorul componentelor de la pinii 38, 39, 40, frecventa acestuia poate fi reglata la 40 KHz (timpul de integrare este T1=40ms); pentru realizarea intervalului T1, frecventa geeneratorului este divizata intern la valori corespunzatoare. Tensiunea de referinta (U0) este preluata de la dioada Zener interna de 2,8V (coeficient termic 0,01%/oC) prin intermediul unui potentiometru cu ajutorul caruia poate fi reglata la 100mV (pentru gama de 200mV) sau la 1V (pentru gama de 2V). Activarea LCD se face cu tensiune dreptunghiulara (aproximativ 50Hz) furnizata din interiorul circuitului 7106 prin pinul 21. Specificatii: Voltajul de alimentare : +/- % V ( simetric ) Cerintele de putere : 200 mA ( maxim ) Raza de masura : +/- 0-1.999 in 4 clase Precizie : 0.1 % Caracteristici: - Marime redusa - Constructie facila - Costuri mici - Ajustari simple - Usor de citit de la distanta - Putine componente externe Constructie interna: 27
4.7. Generator de tact cu cuart (GE) 28
Este un etalon de frecventa; acesta deriva din etalonul de timp, secunda, care in SI este definita pe baza rezonatorului atomic cu cesiu si care defineste timpul atomic. Etaloanele de frecventa au la baza un oscilator de inalta stabilitate (cuart sau atomic) si pot sa o singura frecventa, mai multe frecventa fixe sau o frecventa reglabila intr-o banda larga. Oscilatorul cu cuart deste de regula un oscilator pierce la care stabilitatea oscilatiilor este asigurata de catre un rezonator electromecanic cu cuart. Acesta este realizat sub forma unei placute cu cuart, rotunda sau patrata si prevazuta cu electrozi de argint pe ambele fete. Frecventa de rezonanta (fr) a placutei este dependenta de grosimea (g): fr=1.6*1.8/g(mm) [MHz] precum si de unghiul de taiere al acesteia in raport cu axul optic al cristalului primar. Schema electrica este:
In scopul stabilizarii capacitatii paralele (Cp) si a atenuarii perturbatiilor mecanice si electrice, placuta de cuart se introduce intr-o montura metalica sau intr-un tub cu vid. 29
Schema unui oscilator cu cuart pentru frecventa etalon f0 =1MHz: 2 L
2 0
O 1
E
S N
C O
1
4 A 8 T
U
. 5
1
2 C
1
3 1
0
4
1
2 1 1 P
n
F
1
0
3
2 R
p
H
C
Q M 2
m
3 1
R
k
2 2
1
. 2
M
1
0 Rezistenta R3 serveste la polarizarea automata a grilei TEC-ului, C1 impiedica aparitia unor oscilatii parazite, iar R2 produce o reactie negativa necesara imbunatatirii formei de unda (sinusoidala) a tensiunii de iesire. Consumul de curent in drena e foarte redus: 30 uA.
4.8. Comparator (CT) 30
Comparatorul este un amplificator operational specializat , ce permite compararea unei tensiuni necunoscute (Ux) cu alta (Ur) luata drept referinta; la iesire comparatorul semnalizeaza daca Ux este mai mare sau mai mica decat Ur prin nivelul tensiunii de iesire (Uo) care poate lua doar doua valori: 0 logic (tensiune de iesire negativa) sau 1 logic (tensiune de iesire pozitiva). In aparatele de masura numerice, comparatoarele se folosesc ca detectoare de prag, la realizarea convertoarelor analog-numerice sau a celor tensiune-timp, la circuitele de citire a memoriilor , si ca receptoare de linie. Cel mai simplu comparator de tensiune poate fi realizat cu un amplificator operational rapid in bucla deschisa. Ui si Ur sunt tensiunea de intrare si cea de referinta, Ud este tensiunea de intrare diferentiala, Uo este tensiunea de iesire.
Un comparator de teniune sesiseaza egalitatea a doua tensiuni. Daca Ur=0, comparatorul detecteaza momentul trecerii prin zero a lui Ui, caz in care se numeste comparator de nul. In afara de parametrii uzuali ai oricarui amplificator operational, comparatoarele sunt caracterizate si de o serie de parametri specifici: a. tensiunea logica de prag Spre deosebire de amplificatoarele operationale, unde marimile caracteristice de intrare se definesc plecand de la Uo=0, caracteristicile comparatoarelor se definesc pentru o valoare pozitiva a iesirii Uo, situata la mijlocul excursiei de tensiune, numit nivel logic de prag(Up) b. caracteristici de intrare • curentul de polarizare (Ip) – media aritmetica a celor doi curenti de polarizare pentru Uo=Up. • curentul de decalaj la intrare – valoarea absoluta a diferentei curentilor de polarizare pentru care Uo ajunge al tensiunea de prag Up • tensiunea de decalaj la intrare – tensiunea diferentiala Ud ce trebuie aplicata la intrare pentru ca iesirea sa fie in Up c. caracteristici de tranfer 31
rezolutia, numita si precizie – valoarea tensiunii diferentiale la inrare (ΔUd), necesara pentru a provoca o decizie logica la iesire • tensiunea de mod comun (Umc) – tensiunea maxima admisibila pe oricare din cele 2 intrari. • amplificarea in bucla deschia(Ao) – influenteaza rezolutia prin valoarea sa limitata deoarece schimbarea starii logice a iesirii are loc numai cand tensiunea diferentiala de intrare (ΔUd) are o valoare nenula. • viteza de rspuns se exprima prin timpul de raspuns (tr) sau timpul de propagare. •
d. caracteristici de iesire • nivelul tensiunii de iesire (Uo) – e definit de tensiunea de alimentare precum si tensiunea de saturatie a mplificatorului de baza. • excursia de tensiune la iesire e strans legata de Uo, reprezentand diferenta intre nivelul de iesire superior si cel inferior • tensiunea de decalaj la iesire reprezinta valoarea tensiunii de iesire pentru Ud=0 • exactitatea tensiunii de iesire • sortanta (capabilitatea de comanda), numita si fan-out, arata cate intrari poate comanda comparatorul respectiv e. caracteristici generale Se refera la tensiunea de alimentare, temperatura de functionare, tipul capsulei sau alte specificatii ale comparatorului, date ce se gasesc in cataloagele de circuite liniare Schema unui detector de nivel realizat cu comparatorul uA710 e prezentata mai jos.
4.9 Operatorul ŞI(AND) 32
Funcţia realizată de o poartă AND cu două intrări este numită uneori multiplicare logică sau produs logic şi este simbolizată algebric printr-un punct de multiplicare . Deci semnalul de ieşire al unei porţi AND cu intrările X şi Y are valoarea X • Y, cum arată fig.12a). U c c R
2 1 k
D
1
D
2
Y = A * B
A P B 0 V
0
a) A 0 0 1 1
B 0 1 0 1
Y 0 0 0 1
0 V
b)
Fig. 12 (a, b, c) c)
Schema electrică de principiu a acestuia (implementarea cu diode) este prezentată în fig. 12 b). Se observă că ieţirea (Y) urcă în 1 logic, numai dacă, pe ambele intrări A şi B se aplică simultan 1 logic (în acest caz, diodele D1 şi D2 sunt blocate). Aplicarea unui 0 logic pe una din intrări, deschide dioda corespunzătoare, producând 0 logic la ieşire (potenţialul punctuşui P cade la o valoare apropiată de 0V).În fig. 12 c) este prezentat tabelul de adevăr pentru acest tip de operator.
4.10. Divizorul de frecventa 33
Divizoarele de frecvenţă sunt circuite speciale la care informaţia de intrare este considerată în general frecvenţa semnalului de tact, iar informaţia de ieşire este frecvenţa unui semnal generat. Împărţind frecvenţa de intrare la frecvenţa de ieşire se obţine raportul de divizare. Ca şi observaţie, factorul de umplere a semnalului de ieşire nu neapărat este egal cu 0,5. Este important faptul că numărul de stări distincte prin care trece circuitul trebuie să fie egal cu raportul de divizare.
4.11. Numarator (N) Se foloseste un numarator binar-zecimal (BCD). Un astfel de numarator este format din mai multe numaratoare de 4 biti, conectate in serie, numite decade de numarare. O decada de numarare este similara cu numaratorul binar de 4 biti, cu deosebirea ca ciclul de numarare se opreste la 10 si nu la 16.
34
Limitarea la 10 a numararii se face cu ajutorul unei reactii convenabile, prin P: • dupa primele 9 impulsuri aplicate la intrare, iesirile Q3, Q2, Q1, Q0 ajung in starea 10012 (cifra 9 in cod binar) • la aparitia celui de-al 10-lea impuls, starea devine 10102 (cifra 10 in cod binar) • poarta P, avand 1 logic pe intrari, produce la iesirea Z un “0” logic, ceea ce provoaca stergerea celor 4 bistabile, pregatind decada pentru un nou ciclu de numarare de la 0 la 9 (practic starea 10102 dureaza extrem de putin, dar suficient pentru stergere ) • simultan cu aducerea la 0 a celor 4 bistabile, tranziti 1--> 0 de la iesirea portii P constituie si semnalul de intarre pentru decada urmatoare (transport pentru rangurile superioare) Numaratorul binar zecimal se obtine prin inserierea mai multor decade (unitai, zeci, sute).
Semnalul produs de bistabilul 3 (bitul cel mai semnificativ) pe iesirea Q3 a decadei unitatilor, constituie semnalul de intrare C pentru decada zecilor. Pentru evitarea aprinderilor false ale segmentelor de afisare, cauzate de tranzitiile parazite, se utilizeaza decodoare prevazute cu circuite de validare. Acesta ingusteaza timpul de deschidere al portii ce comanda segmentul respectiv, si totodata deplazeaza (intarzie) acest in terval de timp i afara zonei tranzitiilor paraazite.
4.12. Registru de memorare 35
Deoarece un bistabil constituie o memorie de 1 bit, rezultă că n bistabile pot memora un cuvânt de n biţi.O astfel de structură se numeşte registru (prin analogie cu caietul de scris de tip contabil).Cu alte cuvinte, un registru permite stocarea şi regăsirea unei informaţii binare reprezentată pe n biţi.Există mai multe criterii de clasificare a registrelor (destinaţie, structură, etc). Registrele de memorare (RM) se utilizează, de regulă, ca interfaţă intre două subansambluri(fig. 5).Un astfel de registru permite stocarea temporară a informaţiei elaborate în subansmablul A, pentru a fi ulterior folosită în subansamblul B, primul devenind apoi liber să-şi reia activitatea.Evident, pentru ca ansamblul A-RM-B să funcţioneze corect, e necesar ca aceste trei blocuri să lucreze sincron, condiţie asigurată de către un bloc de comandă, care furnizează semnale de coordonare adecvate (între care semnalul de încărcare a registrului – Load).Datorită faptului că RM este plasat între două blocuri, se mai utilizează şi denumirea de registru tampon(buffer). Registrul de memorare se poate realiza atât cu bistabile D-latch, sau comandate pe front, cât şi cu bistabile JK-Master-Slave.În cazul utilizării bistabilelor D-latch, registrul se mai numeşte şi transparent, deoarece pe palierul activ al semnalului de încărcare, datele de la intrare trec imediat la ieşire; ca urmare, comanda registrului se va face printr-un impuls cât mai scurt.În cazul utilizării bistabilelor comandate pe front, registrul izolează practic subansamblurile între care este conectat, oferindu-le o relativă autonomie.Structura unui registru de memorare este paralelă: atât intrările de tact, cât şi cele de forţare asincronă, se conectează în paralel, pe o lungime a cuvântului de n biţi ( de regulă, 4 sau 8).În acest caz , registrul se mai numeşte şi registru paralel. Prezenţa registrului de memorare permite ameliorarea performanţelor sistemului A-B; de exemplu, la un aparat de măsură numeric, intercalarea unui registru de memorare între numărător, şi blocul de afişare aduce următoarele îmbunătăţiri: stabilizarea cifrelor afişate: numărul Nx, care reprezintă rezultatul măsurării este afişat o singură dată într-un ciclu de măsurare, şi deci, afişajul nu va pâlpâi în ritmul numărătoarelor (fără RM ultimele cifre pâlpâie, dând senzaţia de instabilitate care deranjează, iar secvenţierea ciclurilor de afişare este vizibilă şi deci obositoare); creşterea vitezei de lucru: în timp ce blocul final afişează informaţia Nx conţinută în registru, blocul de prelucrare (numărătorul) poate efectua o nouă secvenţă de măsurare; principiul este cunoscut sub numele de suprapunere a operaţiilor şi este mult folosit în echipamentele numerice pentru scurtarea timpilor de aşteptare.
36
Fig. 5 Utilizarea registrelor de memorare
3
a) Registre cu comanda pe palier(prin impulsuri) Un registru cu comandă memorării pe palier este alcătuit cu bistabile D-latch, motiv pentru care se mai numeşte şi tampon latch.Schema de principiu şi tabelul de adevăr al unui asemenea registru sunt prezentate în fig. 6 a, c. Tabelul de adevăr indică două moduri de funcţionare: Memorare, când intrarea de comandă STB este în 0 logic.În acest caz registrul conservă starea sa anterioară şi este insensibil la datele prezente pe intrările D. Transferare, când STB=1.În acest caz ieşirile registrului Qi capată valorile datelor prezente la intrările D.Dacă în timp cât STB=1, datele de la intrările (Di) se modifică, datele de ieşire (Qi) se vor modifica şi ele în acelaşi mod (adică ieşirea copiază intrarea, cunoscută proprietate a bistabilelor D-latch).În această situaţie se spune că registrul este transparent. Proiectanţii de sisteme logice utilizează frecvent această proprietate pentru a exploata rapid o informaţie(în timp ce STB=1), care apoi va fi memorată când STB revine la 0.
D 0
2
D C
Q
1
2
1
2
1
2
1
2
1
Q 0
1
Q 1
1
Q 2
1
Q 3
L K
3
3
D 1
2
D C
Q L K
3
3
D 2
2
D C
Q L K
3
3
D 3
2 3
D C
Q L K
S T B O E n o n
37
1 1 1 1 1
3 4 7 8 1
OE non 1 0 0 0
4 D D D D D D D D C
0Q 1Q 2Q 3Q 4Q 5Q 6Q 7Q P
0 1 2 3 4 5 6 7
2 5 6 9 1 1 1 1
2 5 6 9
M R
U 3 4 7 8
A
C
2 7
3
1
7 4
STB X 1 1 0
Di X 0 1 X
Qi Z∞ 0 1 Qm
b.
c. Qm stare memorată Z∞ impedanţă ridicată
3
b) Registre cu comanda pe front Schema de principiu corespunzătoare unui registru de memorare cu comandă pe frontul pozitiv al impulsului de ceas sunt în fig. 7.Informaţia de la intrările D0-7 este încărcată numai în timpul tranziţiei pozitive a impulsului de ceas, şi rămâne neschimbată (memorată) atât pe nivelul JOS, cât şi pe nivelul SUS, al impulsului de ceas; deci acest registru nu prezintă transparenţa.Evident, bistabilele componente trebuie să fie declanşate pe front; acestea sunt mai ales bistabile D, sau JK Master-Slave, registrele realizate cu bistabile D fiind cele mai răspândite. Observaţie : Pentru a fi cât mai uşor integrate în diverse scheme (mai ales în cele cu microprocesor), multe registre sunt prevăzute şi cu tampoane cu trei stări, aşa cum s-a putut vedea în schemele analizate. D 0
2
D C
Q L
K
L
K
1
2
1
2
1
2
1
2
1
Q 0
1
Q 1
1
Q 2
1
Q 3
3
3
D 1
2
D C
Q
3
3
D 2
2
C
Q L
K
3
3
D
D 3
2 3
D C
Q L
K
OE non 1 0 0 0
CLK X
0
C L K O E n o n
Qm stare memorată Z∞ impedanţă ridicată Registru paralel cu comandă pe frontul pozitiv cu ieşiri-3 state 38
Di X 0 1 X
Qi Z∞ 0 1 Qm
4.13. Decodorul Decodorul este un circuit logic cu mai multe intrări şi mai multe ieşiri care converteşte semnalele de intrare codate în semnale de ieşire codate, codurile de intrare şi de ieşire fiind diferite. În general, codul de intrare este construit pe mai puţini biţi decât codul de ieşire, iar între cuvintele de cod de intrare şi cuvintele de cod de ieşire există o corespondenţă biunivocă. Structura generală a unui circuit de decodare este cea din figură. Intrările de activare, dacă există, trebuie să fie confirmate pentru ca decodorul să realizeze corespondenţa intrare-ieşire în mod normal. În caz contrar, decodorul asociază tuturor cuvintelor de intrare un singur cuvânt de cod de ieşire- “disabled” (“neactivat”). Pentru semnalul de intrare, cel mai frecvent se utilizează un cod binar de n biţi, în care un cuvânt de n biţi reprezintă una dintre cele 2n valori codate diferite, în mod normal – numerele întregi de la 0 la 2n-1. Uneori, codurile binare de n biţi se trunchiază, reprezentându-se astfel mai puţin de 2n valori. De exemplu, în codul BCD, combinaţiile de 4 biţi de la 0000 la 1001 reprezintă cifrele zecimale 1...9, iar combinaţiile de la 1010 la 1111 nu sunt utilizate. Pentru semnalul de ieşire, cel mai frecvent se utilizează un cod 1 din m, care conţine m biţi, în orice moment fiind confirmat unul dintre biţi. Astfel, pentru un cod 1 din 4 cu valorile de ieşire active în HIGH, cuvintele de cod sunt: 0001, 0010, 0100 şi 1000. Dacă valorile de ieşire sunt active în LOW, cuvintele de cod sunt: 1110, 1101, 1011 şi 0111. Decodorul binar Decodorul binar este destinat operaţiilor de generare a semnalelor de selecţie sau de implementare a funcţiilor logice mai complicate. Acest tip de decodor are n intrări de cod, un număr de intrări de validare şi 2n ieşiri; intrările de validare permit activarea/dezactivarea funcţionării decodorului prin trecerea ieşirilor în starea inactivă. Un exemplu de decodor binar este SN74138 (decodor binar 1 din 8, în tehnologie TTL); în seria CMOS standard nu există un decodor binar. Decodorul BCD-zecimal Acest decodor are 4 intrări şi 10 ieşiri, corespunzătoare numerelor zecimale 0...9; codurile 10...15 sunt invalide şi nu produc activarea niciunui semnal de 39
ieşire. Decodorul BCD-zecimal este folosit mult la comanda afişajelor cu tuburi indicatoare sau la comanda unor afişaje de tip bargraf. Exemple de decodoare BCD-zecimal: SN7442 (decodor 1 din 10, de uz general, în tehnologie TTL), SN74141 (decodor 1 din 10 pentru atacul tuburilor indicatoare, în tehnologie TTL), 4028 (decodor 1 din 10, de uz general, în tehnologie CMOS). Decodoare de comandă a afişajului Pentru extragerea datelor binar-zecimal din numărătoarele binare şi afişarea lor în formă zecimală, se utilizează un decodor de comandă. În funcţie de forma caracterelor afişate, rezultă trei tipuri principale de decodoare, şi anume: • decodoare pentru comanda iluminării directe a caracterelor zecimale, prin codul 1 din 10: • decodoare pentru comanda iluminării unor segmente, din combinarea cărora rezultă caractere zecimale; • decodoare pentru comanda iluminării unor puncte, în czul reprezentării prin matrice alfanumerice. Tipul decodoarelor este determinat şi de valorile tensiunilor şi curenţilor pentru comanda diferitelor sisteme de afişaj. Astfel: • pentru comanda sistemelor de afişaj cu LED-uri condiţia principală impusă decodorului este asigurarea curentului de ieşire pentru polarizarea segmentelor, valorile uzuale fiind de 2-20 mA. În cazul circuitelor TTL, aceasta nu constituie o problemă. Deoarece valorile tensiunii directe pe un segment electrolumniscent este de 1,6-3,4 V, se impune conectarea unei rezistenţe serie la decodoarele cu circuit de ieşire “colector deschis”, pentru compatibilitatea cu tensiunea de alimentare de 5V a circuitelor TTL. Decodoarele CMOS pot comanda sisteme de afişare cu LED-uri: direct, în cazul celor cu un curent de lucru de 5 mA sau prin intermediul unor amplificatoare de curent, în cazul unui curent mai ridicat. În prezent, se realizează circuite integrate monolitice care includ atât sistemul de afişare LED, cât şi celelalte blocuri: circuite de numărare, memoria, decodorul etc. • pentru comanda sistemelor de afişaj cu cristale lichide se folosesc decodoarele cu circuite CMOS, care asigură minimizarea consumului de putere. Comanda cristalelor lichide impune un artificiu de schemă în vederea activării segmentelor cu o tensiune alternativă (de la o sursă auxiliară) şi a producerii unei tensiuni nule pe segmentele ce formează caracterul. Sistemul de afişare cu cristale lichide nu se pretează la comanda prin multiplexare, din cauza faptului că nu există un prag bine definit de blocare şi că la aceste sisteme timpul de răspuns are o valoare relativ mare. 40
4.14. Afisare Afisajele utilizand cristale lichide cu efect de camp e bazeaza pe rotirea planului de polarizare al luminii incidente. Dispozitivul de punere in evidenta a rotirii planului de polarizare a luminii este alcatuit sin doua placute subtiri de polaroid, una cu rol de polarizor (P) si alta (rotita cu 90o fata de prima) cu rol de analizor (A). In aceasta situatie, raza de luminca ambianta, nepolarizata(RL) trece prin polarizatorul P, dar raza de lumina polarizata (RLP) de la iesirea acestuia nu poate trece de analizorul A, decat daca se roteste planul de polarizare a razei cu un unghi B. Rotirea (cu B=90 o) se face cu ajutorul stratului de cristale lichide CL. Acesta are o grosime de 20-50um se este plasat intre doua placute de sticla (S) care pe fata dinspre cristal sunt prevazute cu electrozi transparenti (Et) ce au forma semnelor de afisat, intregul dispozotov fiind plasat in spatiul dintre A si P. In absenta campului electric de comanda, planul de polarizare a razei RLP esre rotit de catre cristal, si ca urmare raza va trece prin analizorul A si deci dispozitivul nu afiseaza nimic. Daca se aplica tensiunea de comanda, cristalul, sub influenta campului electric, roteeste planul de polarizare a razei, RLP, cu un unghi de aproximativ 90o , ceea ce face ca aceasta sa nu mai poata trece de analizorul A. Ca urmare, pe fata dinspre raza incidenta (RL) a dispozitivului apare conturul intunecat al semnului de afisat a carui forma e data de cea a electrozilor transparenti Et.
Comanda cristalelor lichide se face, de regula, cu tensiune dreptungiulara de 2...5 V si frecventa de 30...200 Hz. Schema unui modul de afisaj cu 7 segmente, de 3 ½ cifre (±1999)
41
5. Breviar de calcul Masurarea tensiunilor cu ajutorul voltmetrelor. In circuitele de curent continuu si de curen alternativ tensiunile care depasesc 1/10000 V cu voltmetre. Voltmetrele se leaga in circuitele de masurare in paralel cu punctele intre care se masoara tensiunea.
In functie de valorea tensiunii de masurat voltmetrele se conecteaza direct sau in serie cu o rezistenta aditionala. Legarea directa in circuit a voltmetrelor este posibila numai daca curentul de masurat poate trece inegral prin dispozitivul de masurat fara sa-l deterioreze. Curentii si tensiunile foarte mari se masoar cu ampermetrele si voltmetrele prin intermediul transformatoarelor de masurat. Prin conectarea lor in circuitele de masurare voltmetrele datorita consumului propriu de putere, modifica regimul de lucru al circuitelor si ca urmare valoarea marimii de masurat, introducand astfel o eroare sistematica de metoda. Intre valoarea marimii indicate de aparatele de masurat si cea adevarata, care exista inainte de conectarea acestora in circuitul de masurare, exista o diferenta determinata de faptul ca rezistenta voltmetrelor nu este infinita. Aceasta diferenta 42
este cu atat mai mare cu cat consumul de putere al aparatelor de masurat este mai mare in comparatie cu puterea din circuitul in care se face masurarea. Pentru ca influenta consumului aparatelor de masurat si ca urmare eroarea sistematica de metoda sa fie cat mai mici, rezistenta voltmetrului trebuie sa fie cat mai mare in comparatie cu rezistenta circuitului de masurare. Ca ampermetru sau ca voltmetru poate fi folosit oricare din dispozitivele de masurat, cu exceptia dispozitivelor electrostatice care nu pot fi folosite decat ca voltmetre.
Divizor de tensiune: Se consideră o porţiune de circuit formată din două rezistoare RA şi RB conectate în serie, reprezentată în figura de mai jos.
Rezistoare în serie; divizor de tensiune ( Fig. 1 ) Cunoscând tensiunea u la bornele elementelor înseriate, cum se repartizează aceasta între cele două rezistoare? Prin aplicarea teoremei a II-a a lui Kirchhoff se obţine: u = uA + uB Ţinând cont de ecuaţiile caracteristice ale fiecărui rezistor, rezultă: u = rAiA + rBiB 43
Aplicând teorema I a lui Kirchhoff se obţine iA = iB , respectiv:
ceea ce ne permite să afirmăm că două rezistoare în serie sunt echivalente cu un rezistor, a cărui rezistenţă este egală cu suma rezistenţelor celor două rezistoare înseriate. Rezistoare în serie: Expresia (1) este echivalentă cu:
ceea ce ne permite să concluzionăm că tensiunile la bornele fiecărui rezistor vor fi:
Raţionamentul de mai sus se poate generaliza pentru rezistoare conectate în serie, respectiv, tensiunea u la bornele rezistorului Rk este:
Asocierea de rezistoare prezentată în Figura 1 se numeşte divizor de tensiune, deoarece tensiunea dintre bornele conexiunii serie, se divide în mai multe tensiuni, la bornele rezistoarelor înseriate. Pentru scarile de tensiune 1-10-100 V se vor face calcule pentru aflarea valorilor rezistentelor aditionale. Ra1=Ucs1/Ics-Ri=1V/5uA-200KΩ=0 pentru prima scara de tensiune (1V) nu e necesara folosirea unei rezistente aditionale Ra2=Ra1+Ucs2/Ics-Ri=10V/5uA-200kΩ=1,8MΩ pentru scara de 10V e necesara o rezistenta de 1,8MΩ Ra3= Ra1+Ra2+Ucs3/Ics-Ri=100V/5uA-200KΩ=21,6MΩ pentru scara de 100V e necesara o rezistenta de 21,6 MΩ 44
6. Calcul economic Calculul economic se va face atat pentru un voltmetru construit pe baza convertorului C520D cat si pe ICL 7106 Costul cu C520D: Componente rezistente condensatoare afisaj 7 segmente CAN cablaj amplificator operational alimentator reglabil potentiometru comutator docodor BCD
Bucati 11 8 1
Pret(RON) 0.1 0.1 9
Subtotal(RON) 1.1 0.8 9
1 1 1
10 7 3
10 7 3
1
30
30
1 1 1
1.5 2.5 3
1.5 2.5 3
Total(RON)
67.9 Costul cu ICL 7106 Componente rezistente condensatoare baterie cablaj afisaj 7 segmente
Bucati 5 5 1 1 1
Pret(RON) 0.1 0.1 3.5 5 9 45
Subtotal(RON) 0.5 0.5 3.5 5 9
Total(RON)
CAN
1
9
9 27.5
Dupa cum se poate observa, folosind convertorul de generatie mai noua, costul scade substantial.
7. Schema electrica detaliata Se prezinta doua scheme electrice. Schema voltmetru cu C520D:
46
Schema voltmetru cu ICL 7106:
Dupa cum s-a putut observa din calculul economic, voltmetrul ce foloseste ICL 7106 contine mai putine piese exterioare convertorului, astfel, schema si implicit constructia, e mult mai simpla. Reducerea numarului de componente exterioare provine de la faptul ca ICL 7106 contine majoritatea blocurilor necesare. Acest lucru e posibil deoarece e construit in tehnologie LSI (Large Scale Integration). 47
Mai mult, miniaturizarea a redus si consumul de energie, fiind posibila alimentarea voltmetrului de la o baterie de 9V, deci devenind portabil.
8. Cablaj Un cablaj imprimat este un sistem de conductoare plate (imprimate) amplasate în unul, două sau mai multe plane paralele şi fixate (cu adeziv) pe suprafaţa unui suport electroizolant (dielectric) care asigură şi susţinerea mecanică a componentelor. a) Suportul electroizolant al circuitelor imprimate este realizat din materiale având proprietăţi fizico – chimice, electrice, mecanice şi termice adecvate. Există mai multe categorii de asemenea materiale, dar cele mai frecvent utilizate în prezent pentru cablaje rigide sunt: Pertinaxul (temperatura maximă de lucru 105°C) – pe bază de textură din hârtie impregnată cu răşini fenolice – ce constituie materialul standard pentru solicitări normale în cele mai diverse aplicaţii. Steclotextolitul (temperatură maximă de lucru 150°C) – pe bază de textură din fibre de sticlă impregnată cu răşini expodice – larg utilizat în aparatura electronică profesională întrucât permite obţinerea unor performanţe superioare. Traseele conductoare se realizează din materiale având proprietăţi adecvate: rezistivitate electrică redusă, bună sudabilitate, rezistenţă mare la coroziune. În general cel mai frecvent utilizat material este cuprul electrolitic de înaltă puritate, formând o folie de grosimi normalizate uzuale: 35 µm sau 70 µm aplicată pe suprafaţa suportului electrolitic izolant (împreună cu care formează semifabricantul “placat” din care, prin operaţii tehnologice specifice se obţin cablajele imprimate având diferite structuri, configuraţii, dimensiuni etc.). b)
Adezivi utilizaţi pentru fixarea foliei de cupru pe suportul electroizolant de tip Pertinax – de regulă, răşini speciale - trebuie să reziste la temperatura de lipire c)
48
şi să fie suficient de elastici (pentru a prelua - la lipire – diferenţele de dilatare dintre suport şi folie). Materialele electroizolante de tip Steclotextolit nu necesită adezivi. O clasificare a cablajelor imprimate după numărul planelor în care sunt amplasate traseele conductoare precum şi după caracteristicile mecanice ale suportului izolant: a). cablajele cu o faţă (“cablaje simplu strat “ sau “cablaje monostrat”) - sunt cele mai vechi şi mai frecvent utilizate cablaje imprimate, fiind destinate, în special aparaturii electronice de larg consum. Au cel mai simplu proces tehnologic de fabricaţie şi cele mai reduse costuri de producţie, dar nu permit obţinerea de mari densităţi de montaj, motiv pentru care ponderea lor pe ansamblul producţiei de cablaje imprimate este în scădere; b). cablajele dublu faţă (“cablaje dublu strat “) - sunt actualmente cele mai utilizate în construcţia aparatelor şi echipamentelor electronice profesionale, întrucât asigură o densitate ridicată de montaj, la un preţ de cost relativ scăzut. Procesul tehnologic de realizare este însă mai complex, implicând - în unele cazuri - şi metalizarea găurilor în care se implantează terminalele componentelor; c). cablajele multistrat – sunt destinate exclusiv echipamentelor electronice profesionale întrucât asigură o densitate de montaj şi proprietăţi electrice superioare tuturor celorlalte tipuri (permiţând interconectarea mai simplă a numeroase circuite integrate tip LSI sau VLSI). Dar procesul lor tehnologic de realizare este complex şi costisitor întrucât metalizarea găurilor este mult mai dificilă; d). cablajele cu suport flexibil - au tendinţa de a înlocui atât cablajele imprimate rigide cât şi ”formele de cablu” (compuse din diferite tipuri de conductoare) care interconectează subansamblele echipamentelor electronice. Cablajele imprimate flexibile au numeroase avantaje: - sunt mai uşoare şi mai puţin voluminoase decât cele rigide, fiind destinate în principal echipamentelor la care greutatea şi volumul sunt esenţiale - de exemplu aparatele electronice aerospaţiale, calculatoarele electronice etc; - permit realizarea unor mari densităţi de montaj şi obţinerea unei fiabilităţi superioare în exploatare, reducând mult, sau chiar eliminând posibilitatea cuplajelor parazite între circuite; - formează un sistem de interconectare tridimensional întrucât nu numai că pot fi 49
eventual - îndoite, răsucite şi deplasate, dar pot avea orice geometrie (spre diferenţă de cablajele rigide – având, de regulă, formă dreptunghiulară ).
Pentru realizarea cablajelor imprimate – cu mijloace industriale sau artizanale – se pot utiliza peste 30 metode (tehnologii) diferite ce pot fi, totuşi grupate în două mari categorii, principial opuse: a) metodele substractive (“de corodare”) – implicând prelucrarea unui semifabricat placat cu cupru şi obţinerea traseelor circuitului imprimat prin înlăturarea unor porţiuni din folia electroconductoare aderentă la suportul electroizolant. Îndepărtarea acestor zone se poate face fie pe cale chimică (prin corodare) – având în prezent cea mai mare pondere pe ansamblul cablajelor imprimate – fie pe cale mecanică, prin segmentarea şi eliminarea foliei. b) metodele aditive (“de depunere”) – impunând metalizarea unui semifabricat din material electroizolant neplacat.
50
9. Nomeclatorul de componente Componente folosite in constuctia voltmetrului cu C520D: Componente R1 R2 R3 R4
Valoare 1.8MΩ 21.6MΩ 200KΩ 300KΩ 51
R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 P1 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 AO alimentator reglabil comutator docodor BCD afisaj
50KΩ 370KΩ 22KΩ 1KΩ 10KΩ 20KΩ 20KΩ 200KΩ 1000uF 0.1uF 1000uF 1000uF 0.1uF 1000uF 33pF 1uF BM201A 3-5-9-15 V 3 pozitii TDA3510 7 segmente
Componente folosite in constructia voltmetrului cu ICL 7106: Componente R1 R2 R3 R4 R5 C1
Valoare 1MΩ 22kΩ 1kΩ 100kΩ 47kΩ 0.1uF 52
C2 C3 C4 C5 baterie afisaj
0.1uF 100pF 0.47uF 0.22uF 6F22 Green GP 7 segmente
II. Punţi tensometrice •
Structura generala a unui aparat electronic pentru masurarea unei marimi neelectrice .
53
Structura unui aparat pentru masurarea marimilor neelectrice Obiectul masurat este efortul mecanic intr-un corp elastic sau alungirea sa relativa; traductorul este un tensometru cu fir metalic sau cu filament semiconductor; elementul de prelucrare este fie o punte tensometrica de c.c. (pentru tensometrele cu filament semiconductor), fie o punte tensometrica cu unda modulata (pentru tensometrele cu fir metalic); indicatorul este un instrument electromagnetic sau numeric ce indica˘ direct in deformatii relative ale corpului masurat. Sensibilitatea unui tensometru este definita de relatia
Se folosesc doua tipuri de punti: jumatate de punte (semipunte) si punte intreaga.
54
Configuratia semipunte
Configuratia de tip punte întreaga 55
• Schema Bloc
Schema bloc a amplifiactorului cu frecventa purtatoare N 2314 56
10. Bibliografie Silviu Ciorchină: Ilie Mălaiaş: Mihai Antoniu, Ştefan Poli, Eduard Antoniu
Măsurari electrice şi electronice, Litografia U.P.B. Măsurarea componentelor electronice, Editura Tehnică Bucureşti. „Măsurări Electronice”, ediţia a doua, editura SATYA Iaşi, 2000
Angel Ciprian Cormoş, Radu Şerban Timnea, Dorin Laurenţiu Bureţea „Circuite Integrate Digitale”, editura Printech Bucureşti, 2006 Internet: http://www.alldatasheet.com/ http://www.datasheetarchive.com/
57
