Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea de Transporturi
Proiectarea unui voltmetru electronic de curent curent continuu
Indrumator: S.l.dr.ing. Nemtoi Nemtoi Mihaela
Student: Bratu Gheorghe-ragos!Grupa Gheorghe-ragos!Grupa "#$%& "#$%&
2012/2013
1
Cuprins
1. Intruducere-i Intruducere-importa mportanta nta aparate aparatelor lor de masura numerice numerice generalitati;avantaje/dezavantaje;................................... generalitati;avantaje/dezavantaje;...... ...................................pag. ......pag. 3 2. Tema proiectului.......................... proiectului....................................................... ............................................pag. ...............pag. 7 3. c!ema "loc....................................................... "loc..............................................................................pag. .......................pag. 1# $. %emoriu %emoriu te!nic-descr te!nic-descriere ierea a "locurilor "locurilor..... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .....pag. pag. 20 &. 'reviar 'reviar de calcul-ca calcul-calculu lculull componentelo componentelorr in (unctie de valori valorile le ce tre"uiesc masurate................................................. masurate...................................................................pag. ..................pag. $$ ). Calcul Calcul economic-estim economic-estimarea area costurilor costurilor componentel componentelor... or........ ......pag. .pag. $& 7. c!ema electrica................................................ electrica.......................................................................pag. .......................pag. $) #. *ealizare *ealizarea a ca"lajuluica"lajului-te!nici te!nici de realizare. realizare...... .......... .......... .......... .......... ........pa ...pag. g. $7 +. 'i"liogra(ie.......................................... 'i"liogra(ie....................................................................... .....................................pag. ........pag. &0
2
Cuprins
1. Intruducere-i Intruducere-importa mportanta nta aparate aparatelor lor de masura numerice numerice generalitati;avantaje/dezavantaje;................................... generalitati;avantaje/dezavantaje;...... ...................................pag. ......pag. 3 2. Tema proiectului.......................... proiectului....................................................... ............................................pag. ...............pag. 7 3. c!ema "loc....................................................... "loc..............................................................................pag. .......................pag. 1# $. %emoriu %emoriu te!nic-descr te!nic-descriere ierea a "locurilor "locurilor..... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .....pag. pag. 20 &. 'reviar 'reviar de calcul-ca calcul-calculu lculull componentelo componentelorr in (unctie de valori valorile le ce tre"uiesc masurate................................................. masurate...................................................................pag. ..................pag. $$ ). Calcul Calcul economic-estim economic-estimarea area costurilor costurilor componentel componentelor... or........ ......pag. .pag. $& 7. c!ema electrica................................................ electrica.......................................................................pag. .......................pag. $) #. *ealizare *ealizarea a ca"lajuluica"lajului-te!nici te!nici de realizare. realizare...... .......... .......... .......... .......... ........pa ...pag. g. $7 +. 'i"liogra(ie.......................................... 'i"liogra(ie....................................................................... .....................................pag. ........pag. &0
2
1. Introducere
Studiul Studiul aparatelor aparatelor de măsură măsură este deosebit deosebit de important, important, deoarece deoarece în zilele noastre se poate măsura pe cale electrică aproape orice mărime electrică sau neelectrică. Pentru a putea efectua o măsurătoare se stabileşte o metodă de măsurare şi se utilizează un mijloc de măsurare, adică un aparat de măsurat. Apara parate tele le de măs ăsur ură ă pot pot fi clasi lasifi fica cate te,, avân având d în vede vedere re următoarele criterii:
modul de afişare al rezultatului măsurării
-
aparate analogice
aparate digitale numerice! Aparatele digitale numerice! se caracterizeaza prin faptul ca marimea de masurat este transformata in semnale digitale care sunt preluate cu circuite specific, iar rezultatul masurarii este afisat numeric si nu poate lua orice valoare deoarece indicatia variaza in trepte, deci masurarea este discrete discontinua!. -
Avantaje:
" elimina erorile de citire erori de scara, erori subiective, erori de calibrare, erori de parala#a!$ " precizia de masurare foarte mare %&"'(%&")!, dependent de numarul cifrelor afisate cu cat afiseaza mai multe cifre, cu atat prezia este mai mare!$ " sensibilitatea foarte buna$ " evaluare rapida a valorii marimii masurate$ "comoditate in efectuarea masurarilor$ " viteza mare de masurare sute de masurari pe secunda!$ " comutare automata pe domeniul de masurare$ " posibilitatea inregistrarii rapide si precise a rezultatelor$ " posibilitatea automatizarii procesului de masurare$ "posibilitatea transmiterii rezultatelor la distanta,fara erori suplimentare$ - posibilitatea interconectarii cu calculatoare sau alte dispositive dispositive automate. 3
*ezavantaje:
" comple#itate mare$ " cost ridicat. +olt +oltme metr trul ul elec electr tron onic ic e#is e#ista ta in doua doua vari variant ante e co cons nstr truc ucti tive ve : analog si respective numeric. n functie de valoarea masurata sunt: a! volt masoara nivel nivelul ul tensiu tensiunii nii contin continue ue de voltme metr tru u de c.c c.c , care masoara intrare -!$ b! voltmetru de c.a , care pot fi : " de valoare medie masoara -med! " de valoare de varf masoara -ma#! " de valoare efectiva masoara -ef! "de valoare efectiva pentru intrare sinusoidala masoara -med si afiseaza -ef, avand in vedere relatia dintre cele doua marimi cand semnalul de la intrare este sinusoidal!. n circuitele de curent continuu si de curen alternativ tensiunile care depase depasesc sc %%& %%&&&& &&& + cu voltme voltmetre tre.. +olt +oltmet metrel rele e se lea leaga ga in circuitele de masurare in paralel cu punctele intre care se masoara tensiunea.
/ig. %
n func functi tie e de valor valorea ea tens tensiu iuni niii de masur masurat at voltm voltmet etre rele le se conect conecteaz eaza a direct direct sau in ser serie ie cu o rezist rezistent enta a aditio aditional nala. a. 0egare 0egarea a directa in circuit a voltmetrelor este posibila numai daca curentul de masura masuratt poate poate trece trece inegral inegral prin prin dispoz dispoziti itivul vul de masurat masurat fara fara sa" sa"ll dete deteri rior orez eze. e. 1ure urenti ntii si tensi ensiun unil ile e foar foarte te mari ari se maso masoar ar cu ampermetre ampermetrele le si voltmetre voltmetrele le prin intermedi intermediul ul transformat transformatoarel oarelor or de masurat. Voltmetru Voltmetru numeric numeric lucreaza pe un principiu
asemanator cu al unui aparat de tip frecventmetrucronometru, cu deoseb deosebire irea a ca includ include e si un conver convertor tor analog analog"nu "numer meric ic 1A2!, 1A2!, care care 4
transforma tensiunea de masurat -#! intr"un interval de timp sau intr" o frecventa . Sc3ema Sc3ema functional functionala a a unui voltmetr voltmetru u numeric numeric este prezentata in fig %. . 4ensiunea de masurat -# ,este aplicata unui bloc de conditionare de semnal, *4A$ acesta este similar celui folosit la voltmetrele electronice analogice . 1u divizorul de tensiune *4, se prescr prescriu iu gamele gamele tensi tensiuni uniii nomina nominale le,, -#n! -#n! in succes succesiun iune e decadi decadica ca tipic: &,5$ 5$ 5&$ 5&& +!, iar amplificatorul de intrare A, aduce -# la nivelul cerut de blocul de esantionare si adapteaza impedanta acestuia la cea de iesire din divizorul *4. n plus, blocul *4A imbunatateste si imunitatea la zgomoteprin punerea dupa 6t a unui /47!. -# este apoi esantionat pe durata 6t! pentru a asigura stationaritatea lui -#, sunt trecute printr"un amplificator tampon A4 , al carui rol este de a adapta impe impedan danta ta de iesi iesire re a circ circui uitu tulu luii de es esan anti tion onar are e si me memo mora rare re,, la impe impedan danta ta de intr intrare are al co conv nver erto toru rulu luii A2. A2. 1o 1oma mand nda a oper operat atii iilo lorr intreg intregulu uluii aparat aparat esant esantion ionare are,, conve conversi rsie, e, me memor morare are,, afisare afisare!! este este asigurata asigurata de un bloc de comanda, pilotat pilotat de catre generatorul generatorul de tact 89$ acest bloc include si un divisor de frecventa */ , cu ajutorul caruia se obtine baza de timp a aparatului. 1aracteristici de intrare : a! 4ipul intrarii intrarii depinde de clasa de precizie precizie a aparatului aparatului : " voltmetru numeric standard c&.%! folosesc circuite de intrare cu ; borne " voltmetru de inalta precizie c&.&% .. &.&&%! utilizeaza intrare cu circuit de garda b! 4ensiunea ma#ima admisa pe intrare este valoarea ma#ima a tensiunii ce poate fi aplicata intre bornele de intarre sau intre una dintre acestea si masa in conditii normale de functionare. c! njectia de paraziti in obiectul de masura : tensiunile parazite sunt produse de catre circuitele in comutatie . 9le devin suparatoare cand operatorul face masurari in sc3eme cu dispozitive sensibile. d! 8amele de masura: sunt in succesiune decadica &.5 , 5 , 5& , 5&&, ..! . 1omutarea gamelor se poate face manual sau automat. e! Sc3imbarea aut automata ata a gamelor : permite trecerea voltmetrelor numerice de la o gama inferioara la una superioara si invers invers,, de indata indata ce -# depase depaseste ste o limit limita a presta prestabil bilita ita.. Select Selectoru orull automat de game permite ca aparatul sa se plaseze singur in situatia optima in privinta preciziei. 1aracteristici de transfer: a!
c! Precizia se e#prima prin eroarea tolerate =ta>ctde la blocuri analogice!?b>csde la blocurile numerice! . 9roarea tolerata: se normeaza in raport cu eroarea de baza =b! si cu eroarea suplimentara =s! 9roarea de baza este eroarea intrinseca a voltmetrului numeric in conditii de referinta , ste datorata urmatoarelor cauze : eroarea datorita rezolutiei, deriva referintei interioare de tensiune, deriva in timp si cu temperature a componentelor, neliniaritati din blocurile analogice si numerice, zgomotelor internee#terne, eroarea de indicare a valorii zero, variatia tensiunii de alimentare. 1onditiile de referinta sunt prescrise prin standarde si sunt alese a.i variatiile factorilor de influenta sa aiba un efect neglijabil asupra aparatului. 9roarea suplimentara provine din variatia unui singur factor de influenta, ceilalti fiind mentinuti la nivele de referinta. Parametrii 14 sunt specificati numai pentru voltmetrele numerice de inalta precizie. d! Stabilitatea este aptitudinea unui voltmetru numeric de a da o indicatie reproductibila, intr"o anumita perioada de timp, in care marimea de masurat -# ramane constanta. Stabilitatea pe termen scurt este abaterea ma#ima ce poate apare in indicatia voltmetrului numeric in conditii de referinta t5;@1 %@1! timp de 5B ore, interval de timp in care nu sunt admise nici un fel de reglaje.
Parametrii caracteristici ai unui voltmetru digital sunt:
%. C te3nica de conversie analog C digitală poate fi bazată pe: metoda de compensaDie, metoda de transformare a semnalelor într"o mărime uşor de digitizat, metoda mi#tă!. 5. C numărul de domenii de măsurare poate fi variat în funcDie de atenuatoarele şi amplificatoarele din circuitul de intrare !. ;. C precizia C reprezintă cea mai mică eroare posibilă în condiDii de referinDă, evaluată în > din valoarea citită sau din limita superioară a domeniului respectiv, la care se adaugă incertitudinea cifrei ultimului rang ± % digit !. B. C eroarea de fidelitate datorată factorilor de influenDă ca: temperatura, semalele parazite, variaDia în timp a parametrilor componentelor !. Pentru un aparat se defineşte o stabilitate pe termen scurt variaDia ma#imă a etalonării care poate apărea într"un interval de zale ! şi o stabilitate pe termen lung variaDia ma#imă a etalonării care poate apărea în ) luni de funcDionare !.
6
'. C viteza de măsurare aptitudinea aparatului de a urmări variaDiile în timp ale mărimii de măsurat !. 9a depinde de numărul ma#im de valori numerice care trebuie afişate şi de timpul de decizie. 4impul de decizie este intervalul de timp de la primirea comenzii până când mărimea de măsurat prelucrată C cuantificată şi codificată se prezintă sub forma rezultatului cifric pe panoul de afişaj. Putem considera că timpul de decizie este compus din: " timpul de captare a informaDiei$ ). C fineDea C capacitatea unui aparat de a efectua măsurarea fără a influenDa valoarea mărimii măsurate. /ineDea 6+E este determinată de Fint ∈ %&; C %&B ! EG. H. C costul care este în funcDie de gradul de comple#itate al aparatului.
2. Tema proiectului
Tema proiectului abordat este realizarea unui aparat de masura care poate masura tensiuni in curent continuu. Aparatul de masura trebuie sa fie usor de realizat, ieftin de produs iar piesele component sa fie usor de obtinut si montat. Aparatul de masura va contine un voltmetru, electronic care va functiona in curent continuu. La baza functionarii acestui aparat de masura sta circuitul integrat CI ICL-7!7. "oltmetrul de curent continuu va avea scara de !,#$%$%$#!! de "olti."a avea & rezistente individuale la intrare. "'LT()T*) +()*IC) ) C.C.
au precizie ridicată şi viteză mare de lucru$ primele +2 foloseau conversie directă, acum cele mai folosite ca aparate de laborator sunt bazate pe: " convertoare A2 cu transformare tensiunetimp cu generator de rampă !$ " 1A2 cu integrare în dublă pantă. -
.
".+ bazat pe CA+ cu generator de ramp
7
-
este simplu, economic, are precizie modestă &,' C &,&'> ! şi o slabă imunitate la zgomote ⇒ se utilizează rar. se utilizează ca aparate de măsură pentru - ∈ % C %& !+ la care raportul
semnalzgomot fără /47 ! devine acceptabil.
*4A circuit de intrare 8
8< generator de rampă cu o foarte bună liniaritate 14%, 145 comparatoare de tensiune I bistabil 1/ circuit formator setează bistabilul ! P poarta principală I1 bloc de comandă 1A2 convertor analog"numeric GR – dă o tensiune de reerin!ă "n rampă cu # $ % 2&4' (i durată i)ă * + & tensiune care este astel deplasată "nc,t punctul de ero * masa de semnal + să ie la milocul rampei. /n elul acesta se pot măsura tensiuni * # ) + at,t positive c,t (i ne0ative cu valoarea ma)imă #) m % 1' unde m % coeicientul de transer al circuitului . - e)istă sceme "n care rampa se desă(oară "ntre -12' (i 12' cu avantaul cre(terii raportului semnal0omot (i cu deavantaul mic(orării sensibilită!ii aparatului. - inte0reaă o tensiune de reerin!ă #$ (i produce la ie(ire o tensiune liniar variabilă. U r = K ⋅ t −
U $
2
&
K =
U $ RC
=
U $ θ
& unde R (i sunt elemente ale inte0ratorului.
,naliza (uncionrii
-
resupunem
Ux m
. > $ (i
9 pre0ătit pentru "nceperea măsurării * numărătorul
adus la $ + - : comandă declan(area unc!ionării GR& care 0enereă semnalul rampă de reerin!ă * #r + ce cre(te liniar de la -1&2' la 1&2' - ;a momentul t1 & #r trece prin ero& 1 sesieaă acest lucru (i trimite un impuls ce provoacă bascularea :& a cărui ie(ire trece "n <1= lo0ic. cum poarta se descide (i permite accesul spre numărător a impulsurilor de perioadă $ date de G>. #r & cresc,nd "n continuare aun0e la un moment dat să ie e0ală cu tensiunea necunoscută * # )m +& e0alitate sesiată de 2 care emite un semnal * impuls + ce readuce bistabilul : "n <$= lo0ic. /n acest moment * t 2 + se "ncide. /n intervalul m % t2 – t1 c,t poarta a ost descisă au trecut 9 impulsuri de perioadă $ ? T = N ⋅ T *1+ @in repreentarea 0raică se ob!ine ecua!ia de unc!ionare a 9 ? $
m
U x m
= K ⋅ T m
@in *1+ *2+
&
K =
⇒ N =
U $ θ
*2+
U x mK ⋅ T $
% ecua!ia de unc!ionare a '9 analiat
;a terminarea ciclului de măsurat #r scade brusc la -1&2' după care 9 este adus la ero iar GR este pre0ătit pentru o nouă rampă. iclurile de măsură se repetă cu o perioadă de recuren!ă A % 1 A prescrisă de :. ;imitele de măsură? 0ama minimă * 1-1$+'& iar 0amele tipice sunt 1& 1$& 1$$& 1$$$'. B
∆U X
reciia?
=
U X
∆m m
+
∆ K K
+
∆T $
+
T $
1 N
mm % datorată CC % datorată 9 ∆T $ T $
∆ K K
+
=
1 N
= ε $ + ε 1
∆U $ U $
+
% datorată intervalometrului
∆θ
eroarea datorată varia!iei pantei
θ $
eroarea de liniaritate a rampei ∆θ
θ
=
∆ R
R
+
∆C
* R& elemente din componen!a GR +
C
>roarea de basculare * ε + Dormula pentru preciia aparatului a ost dedusă "n ipotea absen!ei 0omotelor la intrare. @acă "nsă o tensiune de 0omot # se suprapune peste # ) apare o incertitudine "n răspunsul 2 (i ca urmare m se deine(te cu o abatere ∆T = ±U 1 K . T
m
ε T =
∆T m T m
=
1$$ *U x U z +
$
z
$
entru a aduce ε "n limite acceptabile * $&1 – $&$1 E + este necesar ca * # ) # + F 6$.8$ d:. um 0omotul care apare este de ordinal m' ⇒ #) trebuie să ie de ordinal vol!ilor ⇒ cerin!a ca tensiunea de intrare a 9 să ie # )m F 1.1$'. T
Hbserva!ii? - '9 preentat permite măsurarea at,t a #) I$& #) J$ motiv pentru care este denumit (i voltmetru bipolar. - datorită aptului că utilieaă un GR tip inte0rator& '> descries se mai nume(te (i '9 cu inte0rare "n simplă pantă.
2.
-
"azat pe C, cu integrare n du"l pant
metoda de conversie cu dublă rampă stă la baa maorită!ii '9 de preciie inte0reaă tensiunea de măsurat * #) + (i tensiunea de reerin!ă * # $ + ceea ce aduce două mari avantae? • permite reec!ia perturba!iilor provenite din re!ea • permite eliminarea inluen!ei parametrilor R& & (i $ asupra reultatului măsurării prin utiliarea metodei substitu!iei.
1$
-
este mai lent (i mai complicat dec,t '> cu 0enerator de rampă& "nsă este cel mai răsp,ndit tip de '9 at,t ca aparat de laborator c,t (i ca aparat de tablou. c!ema de principiu i ecuaia de (uncionare
onversia 9 cu dublă rampă se desă(oară "n 2 etape? - prima etapă realieaă inte0rarea mărimii de intrare pe o durată de timp constantă olosind condi!ii ini!iale nule ⇒ o pantă propor!ională cu mărimea de intrare - "n etapa a 2-a se inte0reaă mărimea de reerin!ă * ce are sens opus mărimii de intrare + cu pantă constantă& olosind condi!iile ini!iale create "n prima etapă ⇒ o durată propor!ională cu valoarea de intrare. Componentele principale ale C,
-
inte0rator de .H cu R in ∈ * 1$B – 1$12 + K & R * sute LK +& * $&1 – 1 MD + comutatorul comandat * C 1& C 2 + ce asi0ură conectarea intrării inte0ratorului ie la semnalul de intrare * # ) + ie la o tensiune de reerin!ă * # $ + oarte stabilă * $&$1 – $&$$2 E + detecteaă trecerea prin ero a semnalului de la ie(irea inte0ratorului * # 2 + valideaă impulsurile de ceas către numărător * 9 +. @e cele mai multe ori * 9 + decadic cu intrare de (ter0ere * RES + (i ie(ire de transportdepă(ire *TCU + i(a numeric cu 7 se0mente : care ini!iaă ciclul de conversie (i stabile(te condi!iile ini!iale ale inte0rării.
11
Caracteristicile voltmetrului
Caracteristici de intrare •
Tipul intrării depinde mult de clasa de precizie a aparatului:
voltmetrele numerice standard clasa &,%! folosesc mai ales circuitul de intrare cu trei borne, iar cele de înaltă precizie clasa &,&% C &,&&%! utilizează intrarea cu circuit de gardă$ aceste tipuri de intrări asigură o impedanDă de intrare fi#ă de %& C %&& EJ si o rejecDie de mod comun
•
Tensiunea maximă admisă pe
intrare
•
Injecţia de paraziţi în obiectul de masură. Mrice aparat numeric
este şi un generator de tensiuni parazite ce sunt produse de către circuitele în comutaDie prin efect didt!$ aici un loc principal 12
îl ocupă baza de timp generatorul de tact şi blocul de secvenDiere!. Aceste tensiuni parazite pot deveni supăratoare atunci când operatorul face măsurări în sc3eme cu dispozitive sensibile de e#emplu, tranzistoarele cu efect de câmp şi circuitele integrate 1EMS!. *e aceea, în literatura de catalog adesea! se specifică şi nivelul paraziDilor la bornele de intrare. •
Gamele de măsură. *atorită specificului afişării, gamele de lucru
ale unui voltmetru numeric tensiuni la capăt de scară! sunt în succesiune decadică &,5$ 5$ 5&$ 5&&$ ...! şi nu din %& în %& dI %$ ;$ %&$ (! ca în cazul celor analogice. 9#istă multimetre numerice cu sc3imbare manuală sau cu sc3imbare automată a gamelor. •
Schimbarea automată a gamelor (autoranging) este un procedeu
modern care permite trecerea automată a voltmetrului numeric de la o gamă inferioară la una superioară şi invers, de îndată ce -# depaşeşte o anumită limită prestabilită. Selectorul automat de game permite ca aparatul să se plaseze singur în situatia optimă în privinDa preciziei cifra cea mai semnificativă a rezultatului măsurării să fie plasată mereu în ultima decadă!, ceea ce permite în plus şi o creştere a vitezei de lucru, precum şi un confort sporit pentru operator. •
'aza de timp 4'T5 are rolul de a crea intervalul de masura * m+& plecand de la un
oscillator oarte stabil& urmat de un divisor de recventa. @e re0ula& se asociaa baei de timp si circuitele secventiatorului care 0enereaa semnalele de control necesare coordonarii operatiilor dintr-un ciclu de masura.
Caracteristici de transfer *ezolu/ia 0i sensibilitatea ezoluţia reprezintă cea mai mică variaDie a lui - # ce poate fi
citită pe gama respectivă$ de e#emplu, la un voltmetru numeric cu afişaj de ; N cifre, pe gama de &,5 + rezoluDia este de %&& O+, iar pe cea de 5+ este % m+. Prin urmare, rezoluDia corespunde intervalului dintre două valori consecutive ale cifrei ultimului rang " cifra cea mai puDin semnificativă C indiferent de gamă. *e aceea, în literatua de catalog, rezoluDia se e#primă adesea în > din gamă$ de e#emplu, în cazul citat, rezoluDia este &,% > din gamă. n literatura de catalog, prin sensibilitate se înDelege valoarea cea mai mică a lui - # care poate fi măsurată pe gama cea mai sensibilă$ de e#emplu, la voltmetrul numeric citat mai înainte, 13
sensibilitatea este de %&& O+, valoare ce coincide şi cu rezoluDia pe gama respectivă.
Precizia
*atorită faptului că voltmetrele numerice sunt aparate de înaltă precizie, precum şi faptului că au unele blocuri neîntâlnite la voltmetrele analogice convertor A2, numărător, etc.!, considerăm util a analiza mai pe larg acest parametru de calitate !odul de exprimare . 1a parametru de catalog, precizia voltmetrelor numerice se certifică prin eroare tolerată$ aceasta reprezintă eroarea ma#imală admisă în conditii de referinDă şi se e#primă în una din formele: "#$ a%ct & b%cs "'$ a%ct & b*
adică a> din valorea citită ct! ? b> din gamă cs!, respectiv, a>ct ? b unităDi ale ultimului rang --ct ? &,%>cs. ct ? K--ct provine, în principal, de la blocurile analogice *4,A!, iar b>cs respectiv b--ct ? b>cs ,roarea de bază este eroarea intrinsecă a voltmetrelor numerice în condiDii de referinDă temperatură de 5;V1 ?" %V1, etc.! şi provine din următoarele cauze: eroarea datorată rezoluDiei numită şi eroare de cuantizare!$ • • deriva referinDei interioare de tensiune Fener sau Weston!$ • deriva în timp şi cu temperatură a componentelor$ • neliniarităDile din blocurile analogice şi numerice$ • ambiguitatea de ?"% cifră la numărare comparare numerică!$ zgomotele interne sau e#terne!$ • 14
•
•
eroarea de indicare a valorii zero voltmetrul nu indică zero când bornele de intrare sunt în scurtcircuit!$ variaDia tensiunii de alimentare ce poate provoca şi alunecarea fecvenDei de tact!. -ondiţiile de reerinţă sunt prescrise prin standarde şi sunt alese
astfel încat variaDiile factorilor de influenDă temperatura, umiditatea, câmpurile electrice şi magnetice perturbatoare, forma curbei -# , tensiunea de alimentare, perturbaDiile de mod comun şi mod serie! să aibă un efect neglijabil asupra aparatului. /aloarea erorii tolerate =%! se stabileşte astfel: se determină
e#perimental componentele a>ct şi b>cs ale erorii de bază = b!$ după aceea, valorile acestor componente se rotunjesc superior, astfel ca valorile obDinute să fie e#primabile printr"o singura cifră semnificativă$ de e#emplu, &,&B5>ct se rotunjeşte la &,&'>ct. +alorile rotunjite în acest mod reprezintă tocmai cele două componente ale lui =%. ,roarea suplimentară =s! sau variaDia, provine din variaDia unui
singur factor de influenDă, ceilalDi fiind menDinuDi la nivelele de referinDă, motiv pentru care =s se mai numeşte şi eroare de inluenţă . /actorul de influenDă cel mai proeminent este 0ariaţia temperaturii influenDa celorlalDi factori mai poate fi atenuată prin diverse precauDii te3nologice: ecranare, gardare, filtrare, etc., însă influenDa temperaturii nu poate fi controlată decât în incinte termostatate, deci cu un cost mai ridicat!. *e aceea la voltmetrele numerice de înaltă precizie eroarea de temperatură este un parametru de catalog. 9roarea suplimentară cauzată de variaDia temperaturii mediului ambiant se evaluaează prin intermediul coeficientului de temperatură 14!$ acesta se e#primă prin două componente, ca şi precizia =%!: 14 a>ct ? b>cs! V1 14 a>ct ? b--
1tabilitatea
Stabilitatea reprezinta aptitudinea unui voltmetru numeric de a da o indicaDie reproductibilă, într"o anumită perioadă de timp, în care mărimea de măsurat -#! rămâne constantă. 0a voltmetrele numerice de inaltă precizie, stabilitatea constituie un parametru de catalog, care se normează în două circumstanDe: pe termen scurt 5B ore! şi pe termen lung Q& zile!. Stabilitatea pe termen scurt corespunde abaterii ma#ime ce poate apărea în indicaDia voltmetrului numeric în condiDii de referinDă
15
temperaura 5; V1 ?" % V1, etc.! timp de 5B de ore, interval de timp în care nu sunt admise nici un fel de reglaje. Stabilitatea pe termen lung stipulează abaterea ma#imă a indicaDiei voltmetrului numeric, ce poate apărea într"un interval mai mare de timp tipic Q& zile!, în condiDii normale de lucru, fără ca aparatul să fie reetalonat. n acest interval de timp sunt permise şi reglaje de zero, de capăt, de scară, etc.!, efectuate numai pe baza referinDelor interne ale aparatului, fără utilizarea unor aparate de măsură e#terioare. •
"iteza de lucru
+iteza de lucru a aparatelor de măsură numerice se e#primă, de regulă, prin numărul de măsurări pe secundă. Acest număr se determină pe baza duratei totale a unei măsurări, ce însumează timpul de răspuns şi timpul de măsură. Timpul de răspuns . n mod normal, timpul de răspuns sau timpul de stabilire a intrării, este mic în raport cu timpul de măsură. nsă când voltmetrul este prevăzut a lucra cu filtru pe intrare pentru atenuarea zgomotelor! timpul de răspuns creşte mult şi poate c3iar depaşi timpul de măsură$ în acest caz trebuie aşteptate câteva cicluri complete de măsură pentru ca tensiunea de la intrarea convertorului A2 să atingă nivelul tensiunii de măsurat - #!. Aceeaşi precauDie este necesară şi la sc3imbarea gamelor, sau la variaDii bruşte ale lui - # . *e observat că acest timp de aşteptare este cu atât mai lung cu cât voltmetrul este mai precis.
Caracteristici de ie0ire •
Tipul afi0rii
Aparatele de măsură numerice de tablou utilizează afişarea decadică simplă de e#emplu QQQ!, iar cele de laborator afişarea decadică cu depăşire de e#emplu %.QQQ!. 0a aceasta din urmă mai poate fi asociată o afişare analogică, ansamblul respectiv purtând numele de afişaj combinat. Principalele te3nici de afişare sunt 2i#ie, 09*"uri şi cristale lic3ide. 1i2ajul cu depa2ire este afişajul cel mai utilizat la multimetre şi este format din ;(H decade normale afişarea cifrelor &,%,(Q! şi un element de depăşire care poate afişa numai polaritatea şi cifra %. 0a voltmetrele de buzunar precizie mică!, se utilizează afişajele %QQQ şi %QQQQ, denumite prescurtat afişaje cu ; N cifre şi respectiv B N cifre,
16
iar la voltmetrele numerice de laborator înaltă precizie! se utilizează afişaje cu ' N (H N cifre. Avantajul esenDial al afişării cu depăşire constă n e#tinderea cu %&&> a scării, ceea ce permite ameliorarea rezoluDiei şi a preciziei de măsurare! la trecerea de pe o gamă pe alta. •
2orne de ie0ire cu semnal util
1a şi în cazul voltmetrelor analogice, ieşirile de semnal permit e#tinderea gradului de utilizare a voltmetrelor numerice, precum şi o mai uşoară integrare în diverse sisteme de măsură. 4e3nologic, bornele de ieşire cu semnal util sunt plasate, de regulă, pe panoul din spatele aparatului, iar semnalul disponibil la aceste borne poate fi analogic sau numeric$ e#istă şi voltmetre numerice care dispun de ambele tipuri de semnale. 3orne de ie2ire cu semnal analogic. 0a aceste borne sunt dsponibile, fie o tensiune tipic % +!, fie un curent tipic % mA!, proporDionale cu -#, semnale ce pot servi la comanda unui înregistrator sau a altui aparat de măsură. Semnalul pentru ieşirea analogică este prelevat de la ieşirea amplificatorului de intrare. 9#istă şi voltmetre numerice din multimetre! la care ieşirea de semnal analogic este izolată galvanic! de restul voltmetrului, izolare ce se obDine prin prelevarea semnalului de la ieşirea convertorului A2, separare galvanică de regulă, optică!, si reconvertirea acestuia cu ajutorul unui convertor 2A$ o soluDie tot mai întâlnită este utilizarea amplificatoarelor de izolare, ce preiau direct semnalul analogic de la intrarea convertorului A2. M astfel de izolare permite atenuarea influenDei tensiunilor de mod comun, tensiuni care pot apărea între intrarea -# şi ec3ipamentul de la ieşirea analogică. 3orne de ie2ire cu semnal numeric. Semnalul numeric furnizat la ieşire poate fi utilizat pentru comanda unei imprimante tipărirea valorilor lui -#! sau la integrarea aparatului într"un sistem de măsură automat. Acest tip de ieşire se întalneşte la aparatele cu microprocesor şi se aliniază de obicei la un standard de comunicaDie pentru instrumentaDie de e#emplu,
•
Afi0a3ul
*eşi utilizate pe scara largă in aparatura de laborator, afişajele cu 09*"uri tind să fie înlocuite de cele cu cristale lic3ide, deoarece acestea din urma prezintă unele avantaje importante , mai ales în construcDia aparatelor de măsură portabile: 17
• • •
consum mult mai scăzut zeci de OW, faDă de zeci de mW!$ te3nologie mai simplă şi mai ieftină$ ung3i mare de vizibilitate în toate direcDiile.
Acestea le"au impus, în ultimul timp, atât în aparatele de buzunar multimetre, calculatoare!, cât şi în construcDia altor aparate de măsură portabile cleşti ampermetrici, termometre, cronometre!. 0a baza acestei familii de afişaje stau o serie de substanDe organice de e#emplu clor3idratul de colesterol! cu proprietăti speciale, numite cristale lichide. 1ristalele lic3ide reprezintă o stare intermediară între starea lic3idă şi cea solidă a materiei. Au mobilitate ridicată, asemănătoare lic3idelor, precum şi un anumit grad de ordonare a moleculelor, datorită căruia se manifestă proprietăDile optice anizotropie! specifice moleculelor cristaline. 1a te#tură, cristalele lic3ide pot fi: nematice4 smetice şi colesterice. 4oate aceste trei tipuri de cristale sunt alcătuite din molecule alungite, paralele între ele, deosebirea constând în gruparea şi mobilitatea relativă a moleculelor. 5orme constructi0e de bază. Spre deosebire de afişajele cu 09*" uri, care sunt alcătuite din module individuale, la cele cu cristale lic3ide întregul afişaj se face pe o singură plac3etă, ceea ce simplifică te3nologia, reduce gabaritul şi micşorează costul. Structura de bază a unei plac3ete afişoare cu cristale lic3ide este similară cu cea a unui condensator plan"paralel cu armături transparente, având ca dielectric cristalul respectiv. 6rincipiul de uncţionare. n stare normală, nee#citată, moleculele cristalului nematic sunt paralele între ele, iar cristalul este transparent. Această stare ordonată poate fi modificată cu ajutorul unui câmp sau curent electric, situaDie în care cristalul devine opac. Apare astfel posibilitatea de a comanda electric trecerea sau oprirea luminii, posibilitate ce stă la baza afisajelor cu cristale lic3ide. *upă felul semnalului de comandă utilizat curent, tensiune!, e#istă două tipuri de afişaje cu cristale lic3ide, cu structură similară: • afişaje ce funcDionează pe principiul difuziei dinamice$ afişaje cu efect de câmp. • 1i2aje cu cristale lichide cu diuzie dinamică. -tilizează un cristal
nematic de puritate redusă, iar modificarea transparenDei se produce prin turbulenDa moleculelor provocată de curentul ce străbate perpendicular cristalul, curent ce este ve3iculat prin ionii impurităDi! prezenDi în structura cristalului respectiv. Acest tip de afişaj are viteză de răspuns acceptabilă 5&('& ms!, însă necesită tensiune de lucru c.c. sau c.a. de '& Lz! relativ mare %&(%' +! şi de aceea nu se mai utilizează în domeniul aparatelor numerice portabile.
18
1i2aje utiliz7nd cristale lichide cu eect de c7mp. Acesta
foloseşte un cristal de înaltă puritate fără ioni!, cu rezistivitate mare, iar efectul de modificare a transparenDei se obDine prin rotirea, ordonată, a moleculelor sub influenDa unui câmp aplicat, de unde şi denumirea de cristale lic3ide cu efect de câmp. Acest tip de afişaj prezintă avantajul că poate funcDiona la tensiuni mai scăzute: 5(' + c.c. sau impulsuri!, însă are şi viteză de lucru mai scăzută &,%(&,5 s!. 1u toate acestea, în prezent, este singurul tip de afişaj cu cristale lic3ide adoptat de către constructorii de aparate de măsură cu afişare numerică. *upă sursa de lumină folosită, ambele tipuri de afişaje pot fi cu sursă proprie de lumină utilizează o lampă tip bag3etă miniaturală, plasată în spatele plac3etei! sau cu lumină ambiantă folosesc numai lumina ambiantă, iar cifrele apar întunecate, pe fondul alb"cenuşiu, fiind mult mai economice!. Activarea 01* se face cu tensiune dreptung3iulară cca. '& Lz! furnizată din interiorul circuitului H%&H prin pinul 5% firma 249
1B
3. c!ema "loc
1 6 validare 2 – aducere la ero 3 – transer
-oarta @ – divior de tensiune - ampliicatorul de intrare – ampliicator tampon 9– convertor analo0 – numeric*N;-71$7+ G> – 0enerator etalon 9 - numărător O - re0istru de memorare @ - decodor 9 – ai(a numeric*O9 6B6$+
2$
%odul de (unctionare
-
ensiunea de măsurat # ) se aplică blocului unde cu se prescriu 0amele "n succesiune decadică * tipic $&2P2P2$P2$$' + & iar aduce # ) la nivelul cerut de blocul de e(antionare (i adapteaă impedan!a acestuia la cea de ie(ire din . :locul "mbunătă!e(te (i imunitatea la 0omote * acesta con!ine după (i un DQ care elimină "n parte 0omotul +. #) este apoi e(antionată pentru a asi0ura sta!ionaritatea lui # ) pe durata a conversiei 9P e(antioanele # )S sunt trecute prin ce are rolul de a adapta T ie(ire a ciruitului de e(antionare (i memorare la T int a 9. 9 – converte(te semnalul analo0ic "n semnal numeric. omanda opera!iilor "ntre0ului aparat * e(antionare& conversie& memorare& ai(are + se ace cu autorul unui bloc de comandă * : + & pilotat de către G>. @D este inclus "n : (i are rolul de a da baa de timp * : + a aparatului.
21
$. %emoriu te!nic-descrierea "locurilor
22
$&'onvertor analog-numeric I'(-)$*)
-n convertor analog la digital, A*1 de acum!, este mai bine cunoscut ca un convertor de panta dublă sau convertor de integrare. Acest tip de convertor este, în general, de preferat faDă de alte tipuri, deoarece oferă precizie, simplitate în design şi o indiferenDă faDă de zgomot, ceea ce face este foarte fiabil. /uncDionare a circuitului este mai bine înDeleasă dacă este descris în două etape. n prima etapă şi pentru o anumită perioadă de tensiunea de intrare este integrat, precum şi în producDia de integrator de la sfârşitul acestei perioade, e#istă o tensiune, care este direct proporDională cu tensiunea de intrare. ;a s,r(itul perioadei de presetat inte0rator este alimentat cu o tensiune de reerin!ă internă (i de ie(ire a circuitului este redusă pro0resiv& p,nă c,nd acesta aun0e la nivelul de tensiune de reerin!ă ero. ceastă a doua aă este cunoscută ca perioada de pantă ne0ativă (i durata acestuia depinde de ie(ire de inte0rator "n prima perioadă. a durata de prima opera!iune este i)at (i lun0imea de-al doilea este variabila& este posibil să se compare două (i "n acest el tensiunea de intrare este& de apt& "n compara!ie cu tensiunea de reerin!ă internă (i reultatul este codiicate (i se trimite la ecranul.
ntersil 10H%&H sunt de înaltă performanDă&putere mica, ;%2 cire A* convertoare. Sunt incluse şapte decodoare segment, drivere de afişare& o referinDă& şi un ceas N;71$6 care este conceput pentru a interfata cu un cristale lic3ide afisajul ;@+& şi include o unitate de bacXplane multiple#atePN;71$7 va conduce în mod direct o lumina spre instrumental de afisare.N;71$6 si 10H%&H aduc împreună o combinaDie de inalta precizie& versatilitate& şi economia reală.n cele din urmă& economia reală a puterii unice operaDiunii de furnizare 10H%&)! & permite o performanta mare,contor de panou pentru a fi construite cu adaos de doar %& componente pasive şi un afişaj.
23
24
c!ema electrica a integratului IC-7107
25
%&+,isorul numeric M+N*
26
-n afişaj cu şapte segmente SS*!, sau indicator şapte segmente, este o formă de dispozitiv electronic de afişare pentru cifre zecimale, care este o alternativă la mult mai comple#ele dot"matri# displaY.9cranele cu sapte segmente sunt utilizate pe scară largă în ceasuri digitale, contoare electronice, precum şi alte dispozitive electronicepentru afişarea de informaDii numerice deea de afişare cu şapte segment este destul de vec3ie. n %Q%&, de e#emplu, un ecran de şapte segmente iluminat de becuri cu incandescenDă a fost folosit pe un panou de putere de plante semnal sala cazanelor. -n ecran cu şapte segmente, cum indica si numele, este compus din şapte elemente.ndividual sau pe afara, ele pot fi combinate pentru a produce reprezentări simplificate ale cifrelor arabe. Adesea, cele şapte segmente sunt aranjate oblic inclinat!,aranjament, care ajuta la lizibilitate. n majoritatea aplicaDiilor, cele şapte segmente sunt de formă aproape uniformă şi dimensiune de obicei, 3e#agoane alungite, deşi trapezoidele şi dreptung3iuri pot fi, de asemenea, utilizate!, deşi, în cazul maşinilor de adăugarea, segmentele verticale sunt mai lungi şi în formă mai ciudata, în un efort de a spori lizibilitatea.
/iecare dintre cifrele de la &, ), H şi Q pot fi reprezentate de către două sau mai multe simboluri diferite, pe segmente de şapte ecrane.
1ele şapte segmente sunt aranjate ca un dreptung3i de două segmente verticale, pe fiecare parte, cu un segment orizontal pe partea de sus, de mijloc şi de jos. n plus,segmentul sapte Ztaie[ dreptung3iul orizontal. 9#istă, de asemenea, segment displaY de paisprezece şi şaisprezece segmente pentru alfanumerice complete!$ cu toate acestea, cea mai mare parte dintre acestea au fost înlocuite cu displaY dot"matri#.
Segmentele de la un ecran de H"segmente sunt prevăzute pe literele de la A la 8, aşa cum este prezentat mai jos, în cazul în care P* opDional punctul zecimal un \segment opt\! este folosit pentru afişarea de numere neintregi.
27
2umere de a H"segmente"cod
-n singur octet poate codifica starea completă a H"segmente"displaY. 1ele mai populare codificări de biDi sunt gfedcba şi abcdefg " ambele, de obicei, presupune & este oprit şi % este pornit.
1pecificatiile afisorului (A+454!
28
#&ivi/orul de tensiune
@iviorul de tensiune reistiv este ormat din două sau mai multe reistoare le0ate "n serie& tensiunea de ie(ire iind luată de pe una din reisten!e.@ivioarele de tensiune reistive& olosite la e)tinderea domeniului de măsurare a voltmetrelor& sunt ormate din reistoare bobinate *de man0anină& constantan etc.+ sau cimice *cu peliculă de carbon+. Reisten!a conectată "n paralel cu voltmetrul trebuie să aibă o valoare mult inerioară reisten!ei interioare a voltmetrului& pentru ca diviorul de tensiune să lucree practic "n 0olP "n acela(i timp& reisten!a totală a diviorului de tensiune trebuie să ie suicient de mare pentru a nu se depă(i "ncălirea admisibilă.
2B
@iviorul de tensiune a ost realiat conorm cereintelor speciicate.Acarile cerute au ost $&2P5P15 si 2$$ de 'olti&pentru realiarea acestor scari s-au calculate reistentele individuale&aceestea iind 4 la numar&deoarece avem 4 scari&iar reistenta speciica de 25$ de LK'olt
4)Sursa de alimentare Integratul CD4049 Sc3ema electrică are structura de bază tipică convertorului A* 10H%&H însă, tensiunea negativă necesară funcDionării corecte a acestuia se obDine cu ajutorul circuitului integrat 1*B&BQ care \buffer\" ează oscilatorul de tact al lui 10H%&H semnal provenit de la pinul ;!. ntegratul 1*B&BQ lucreaza cu o tensiune cuprinsa intre ; si %' +olti cu un curent de %&mA,la o temperatura de functionare intre "'' si ?%5' de grade 1elsius. 4ensiunea ma#ima pe care o suporta acest integrat este de 5& de +olti,iar curentul ma#im de 5&& de mA. 4emperatura de lipire a acestuia ma#ima suportata se ridica la 5)' de grade 1elsius intr"un interval de ma#im %& secunde,daca aceasta durata este depasita integratul se poate deteriora sau c3iar poate fi ars.
Atribuirea pinilor pentru integratul C&!&5
3$
ntegratul 1*B&BQ este un amplificator inversor care este folosit mai ales in aplicatii precum conversii logice folosind numai o sursa de alimentare.Semnalul de intrare +i3 il poate depasi pe cel al tensiunii de alimentare,atunci cand este folosit pentru nivele logice de conversie. Acest model 1*B&BQ a fost proiectat impreuna cu 1*B&'& pentru inlocuirea integratelor 1*B&&Q si respectiv 1*B&%&.1ele 5 1*B&BQ si 1*B&'& folosesc numai o singura sursa de alimentare si de aceea s"a preferat inlocuirea celorlalte 5,adica 1*B&&Q si 1*B&%& in toate aplicatiile in care acestea indeplinesc rolul de inversoare,drivere de curent sau conversii de nivele logice.1*B&BQ si 1*B&'& sunt compatibile cu pinii integratelor 1*B&&Q si 1*B&%& ceea ce constituie un mare avantaj,deoarece utilizatorul are posibilitatea de a le inlocui fara prezenta unor probleme de atribuire a pinilor. 4erminalul cu numarul %) nu este conectat intern la 1*B&BQ si 1*B&'&,de aceea acesta nu reprezinta o consecinta pentru operatiile circuitului.Pentru aplicatii care nu necesita curenti mari sau conversii de tensiuni se poate folosi amplificatorul inversor 1*B&)Q. 1c6ema electrica a unuia dintre cele 4 elemnte identice ale lui C&!&5
31
/unctionarea amplificatorului 1*B&BQ este foarte simpla acesta acapareaza semnalul atribuit prin unul din pini dupa care apoi cu ajutorul diodelor acesta trece semnalul care i este transmis din faza in antifaza de retinut acest amplificatorY este unul de tip inversor cu porti inversoare,spre deosebire de 1*B&'& care este un amplificator neinversor cu porti neinversoare.
5)Generator Etalon Cristalul cu Cuart (10!") α-Cuar ț+ este un mineral răsp,ndit "n Cuarțul *cunoscut și sub denumirea științiică
scoarța terestră& care are compoiția cimică AiH2 cristali,nd "n sistemul tri0onal.
/n stare pură cuarțul este incolor& impuritățile din cristal determină culoarea mineralului. uarțul cristalieaă recvent "n 0oluri e)istente "n roci numite geode. livaul este ine)istent "n spărtură av,nd o culoare sideie& are valoarea 7 pe scara durită ții lui Oos.
32
/nainte de descoperirea proprietății sale pieoelectrice& cuarțul a ost utiliat ca piatră "n biuterii. @in punct de vedere optic el poate i ușor conundat cu calcitul& de care se deosebe ște prin duritatea sa mai mare *7+ valoarea reracției duble mai reduse și nu reacționeaă ca și calcitul cu *Ul+ acidul cloridric. 8tilizare •
•
•
•
• • •
•
proprietatea pieoelectrică presiunea pe cristal la un anumit punct produce polariarea electrică a acestuia& important "n producerea semiconductorilor & tactul de recvență la computer& televiiune& celulă solară. proprietatea de deviere a luminii polariate o deviație de 27&71Vnm.ca prisme optice lentile. proprietatea de a nu reacționa cu aciii *e)cepție acidul cloridric+ se olosesc ca vase pentru reactivi. la el utliat la producera instrumentelor de preciie ca de e)eplu c,ntar cu ir de torsiune. olosit "n acustica electronică& sau lampa de cuarț. oarte recvent olosit ca biuterie& sunt varietă țile colorate ale cuarțului . o varietate a sa a ost si inca este olosit in societatile umane primitive ca si unealta. "n amestec cu caolin și eldspat este olosit la obținerea porțelanului.
Atunci când în domeniul radiofrecvenDă este necesară o stabilitate foarte bună a frecvenDei, în locul circuitului rezonat clasic format din bobine şi condensatori, se foloseşte un cristal de cuarD dedicat acestui scop,funcDionarea căruia se bazează pe efectul piezoelectric. -nui astfel de cristal i se poate asocia o sc3emă electrică ec3ivalentă ca cea din figura urmatoare:
33
9ste vorba despre un circuit oscilant serie, valorile elementelor de circuit fiind determinate de proprietăDile mecanice ale cristalului: inductanDa 89 " de masă, capacitatea -9 " de elasticitate şi rezistenDa de pierderi 9 C de frecările mecanice. 1apacitatea - p reprezintă capacitatea dintre electrozii plani între care se află cristalul, prin intermediul cărora acesta se poate conecta în circuitul electric. +ariaDia impedanDei electrice a cristalului de cuarD şi a defazajului dintre tensiune şi curent în funcDie de frecvenDă este prezentată în fig.Q.%Bb. Se poate observa că impedanDa sa are două puncte de e#trem, corespunzătoare la două frecvenDa de rezonanDă:
34
Prima dintre acestea reprezintă frecvenDa de rezonanDă a circuitului serie, iar cea de a doua frecvenDa paralel! este frecvenDa la care reactanDa inductanDei 89 devine egală cu reactanDa capacităDii ec3ivalente serie formată din -9 şi -p. n deducerea relaDiilor de mai sus s"a neglijat contribuDia rezistenDei de pierderi 9 deoarece valoarea ei este mult mai mică decât reactanDa inductivă ]89. *in dependenDa de frecvenDă a defazajului tensiunecurent se vede că pentru frecvenDele cuprinse între s şi p comportamentul cristalului este inductiv şi în afara acestui domeniu el devine capacitiv. *eoarece raportul -9:-p poate lua valori în domeniul %&^;"%&^', cele două frecvenDe sunt foarte apropiate, diferenDa dintre ele fiind de cele mai multe ori mai mică decât %>. *eoarece la frecvenDa paralel funcDionarea cristalului este foarte instabilă, în practică în serie cu cristalul se conectează o capacitate -s numită capacitate de sarcină între linii punctate în figura prezentata mai sus, care deplasează frecvenDa paralel înspre cea serie. +aloarea capacităDii -s se alege de ;"B ori mai mare decât valoarea lui -p pentru a asigura funcDionarea stabilă a cristalului.n domeniul de frecvenDe %&"'& ELz rezistenDa de pierderi a cristalului este sub %&& J, inductanDa sa este de ordinul %&"5"%&"; L, astfel încât factorul de calitate al acestuia, ]s89:9, este de ordinul %&B"%&'. Acest factor de calitate ridicat înseamnă o selectivitate foarte bună a circuitului rezonant ec3ivalent al cuarDului, ceea ce asigură o stabilitate foarte bună a frecvenDei de oscilaDie în raport cu variaDiile de temperatură atunci când este folosit ca circuit rezonant în oscilatoare. n figura de mai jos este prezentată o sc3emă aplicativă pentru un oscilator cu cristal de cuarD oscilatorul Pierce! care generează semnale sinusoidale cu frecvenDa de %5ELz. 1u ajutorul capacităDii 1 se poate regla fin frecvenDa de oscilaDie în vecinătatea frecvenDei de rezonanDă a cristalului de cuarD.
35
#)$umaratorul %ecimal 9umărătorul este un circuit secvențial care se olosește de un re0istru pentru a 0enera o secvență de numere. el mai simplu numărător 0enereaă o secvență de numere crescătoare& consecutive. @imensiunea numărătorului este dată de numărul de bi ți ai re0istrului olosit. Acema acestui dispoitiv este următoarea?
36
9"servație 9umărătorul poate i olosit ca un divior de recven ță deoarece iecare bit
are o perioadă de două ori mai mare dec,t cel precedent& iar bitul $ are o perioadă dublă ață de semnalul de ceas?
Diind un circuit secvențial& un numărător se implementeaă e)clusiv cu blocuri alWaXs secvențiale.
Inter(ața unui numrtor Nnterața unui numărător conține "n mod obli0atoriu următoarele porturi? • •
port pentru semnalul de ceasP port pentru semnalul de ieșire& care este ciar re0istrul de numărare.
/n plus& mai pot e)ista? •
port de resetP 37
• • • •
port care controleaă direcția de numărareP port care oprește sau pornește numărareaP port care dă valoarea ma)imă la care poate aun0e numărătorulP port care comandă "ncărcarea unei valori de start "n re0istrul numărătorului și portul pe care este dată această valoareP
1lasificarea numărătoarelor se poate face după mai multe criterii. %! *upă codul de numărare e#istă numărătoare binare şi numărătoare binarzecimale, de e#emplu în cod I1*, în cod 8raY etc. 5! *upă modul de comutare a bistabilelor e#istă numărătoare asincrone şi sincrone. ;! *upă sensul de numărare e#istă numărătoare directe, inverse şi reversibile. 9#istă numărătoare care dispun de anumite facilităDi suplimentare, ca de e#emplu posibilitatea încărcării cu o anumită valoare, programarea sensului de numărare,iniDializarea sincronă sau asincronă. 1el mai simplu este un numerator modulo"n care numara o secventa zecimala &, %, 5, pana la n"% si inapoi pana la &. Sunt descries cateva numaratoare dupa cum urmeaza: $um&r&tor modulo n. 2umără zecimal de la & până la n"% şi înapoi până la &. *e e#emplu, o secvenDă a numărătorului modulo ' în zecimal este: &, %, 5, ; şi B. $um&r&torul 'CD ("ecimal codat n inar). Precum un numărător modulo"n, cu e#cepDia când n este fi#at la %&. *e aceea, secvenDa este întotdeauna de la & la Q. $um&r&tor inar *e n i+i . 9ste similar ca şi la numărătorul modulo n doar că ordinea este de la & la 5 n "% şi înapoi la &, unde n este numărul de biDi folosiDi la numărare. *e e#emplu, o secvenDă a numărătorului binar pe ; biDi în zecimal este &, %, 5, ;, B, ', ) şi H. $um&r&tor n cod Gra, . SecvenDa este codată astfel încât oricare două valori consecutive trebuie să difere doar la un bit. *e e#emplu, o secvenDă posibilă a numărătorului în cod 8raY pe ; biDi este posibilă astfel &&&, &&%, &%%, &%&, %%&, %%%, %&% şi %&&. $um&r&tor inel- SecvenDa începe cu şir de & biDi urmat de către un bit %, precum &&%. Acest numărător simplu roteşte biDi către stânga la fiecare numărare. *e e#emplu, o secvenDă a unui numărător în inel pe B biDi este &&&%, &&%&, &%&&, %&&& şi înapoi la &&&%. •
•
•
•
•
2umărătoarele se pot realiza cu ajutorul bistabilelor şi a porDilor logice, cele din urmă având rolul de a stabili modul corect în care numărătorul îşi sc3imbă stările în procesul de numărare. 2umărul stărilor distincte 38
ale unui numărător format din n bistabile este 5^n, deci numărătorul este modulo 5^n. /iecărei stări i se poate asocia câte un cuvânt de cod binar de lungime n, reprezentând ieşirile celor n bistabile pentru starea dată a numărătorului.1odul de numărare este dat de succesiunea cuvintelor de cod asociate stărilor numărătorului.
+umaratoare asincrone n cazul numărătoarelor asincrone, bistabilele nu comută simultan sub acDiunea unui semnal de tact comun, ci ieşirea unui bistabil va determina comutarea unui alt bistabil. 1onsiderăm realizarea unui numărător binar de B biDi. Pentru aceasta întocmim un tabel cu succesiunea numerelor binare crescătoare de B biDi, care constituie ieşirile celor B bistabile. /iecare cuvânt de ieşire corespunde unei stări a numărătorului. *eoarece starea numărătorului se sc3imbă la fiecare impuls de tact, se observă că ieşirea bistabilului corespunzător bitului de ordin inferior ;& se modifică la fiecare impuls de tact. Iistabilul asociat bitului ;% comută atunci când are loc o tranziDie de la % la & a ieşirii ;&. Iistabilul asociat bitului ;5 comută atunci când ;% trece din % în &, iar cel asociat bitului ;; comută atunci când ;5 trece din % în &. /olosind proprietatea bistabilului 7R cu intrările < = % de a trece în starea complementară la fiecare impuls de tact, pentru realizarea numărătorului se aplică impulsurile de tact bistabilului asociat bitului de rang inferior ;&!. 0a fiecare comutare din % în & a acestui bistabil se obDine un front negativ care se utilizează pentru comanda bistabilului asociat bitului următor, ;%. Se obDine circuitul din figura de mai jos: 1c6ema logic a num rtorului binar asincron de & bi /i, cu numrare n sens direct.
3B
*acă, de e#emplu, numărătorul se află în starea ; ;;;5;%;& &&%%!, la apariDia impulsului de tact bistabilul ;& comută din % în &, ceea ce determină comutarea bistabilului ;% din % în &, iar ieşirea acestuia determină comutarea bistabilului ;5 din % în &. *eoarece bistabilele comută pe frontul negativ, ;; rămâne în aceeaşi stare. eşirile vor fi deci ;;;5;%;& &%&&.
iagrama de timp a num rtorului binar de & bi /i
4$
+umaratoare sincrone n cazul numărătoarelor sincrone, impulsurile de tact sunt aplicate simultan la toate bistabilele, care vor comuta în acelaşi timp, deci nu succesiv ca în cazul numărătoarelor asincrone. Se elimină astfel întârzierile cumulative datorită bistabilelor, frecvenDa de lucru nefiind limitată decât de întârzierea datorată unui singur bistabil şi de întârzierea introdusă de porDile logice adăugate. 1onsiderăm un numărător binar de B biDi modulo %)!. Pentru realizarea acestuia în varianta sincronă cu bistabile 7R ES conectate ca bistabile 4. 41
Se poate observa că un anumit bistabil din numărător,cu e#cepDia bistabilului ;&, care comută la fiecare impuls de tact, comută numai atunci când toate bistabilele de ordin inferior au ieşirea % logic în starea anterioară. *e e#emplu, ;; comută atunci când ;5, ;%, ;& sunt la % logic în starea anterioară. 1c6ema logic a numrtorului binar sincron de & bi /i, cu numrare n sens direct
42
numărătorului este complet specificat prin secvenDa de numărare, care reprezintă succesiunea de stări ale acestuia. *in secvenDa de numărare se pot întocmi tabelele de e#citaDie ale bistabilelor, de unde rezultă funcDiile de e#citaDie ecuaDiile intrărilor!.
)/egistru de memorare 43
Se utilizează pentru păstrarea informaDiei care trebuie transferată către o anumită destinaDie. /uncDionează ca un tampon de ieşire. -n e#emplu de asemenea registru de B biDi, format din B bistabile de tip * latch!, comandate de acelaşi semnal de tact, se prezintă în figura de mai jos. *egistru de memorare de & bi /i realizat cu bistabile
0a tranziDia din & în % a semnalului de tact, informaDia de pe intrările >&, >%, >5, >; este citită în registru, iar după un timp de propagare ea apare la ieşirile ; ale bistabilelor. Pe durata palierului impulsului de tact, ieşirile urmăresc modificarea semnalelor de pe intrări. 0a tranziDia din % în & a semnalului de tact, ultima informaDie prezentă la intrările bistabilelor este reDinută în registru. Semnalul de tact are rolul de a valida informaDia prezentă la intrările bistabilelor. *atele sunt încărcate în registru în paralel, la acelaşi impuls de tact. *acă registrul este realizat cu bistabile * care comută pe frontul anterior al impulsului de tact,se memorează informaDia e#istentă în momentul tranziDiei din & în % a semnalului de tact. *acă se utilizează bistabile de tip ES, conDinutul acestora poate fi citit simultan cu înscrierea unei noi informaDii,mărind astfel viteza de lucru. 9#emple de registre integrate: _ HBH':
olosesc memorii accesibile numai pentru citire pentru eectuarea unor diverse transormari ale semnalelor de voce di0itiate& iar Ymemoriile statice= rapide sunt olosite ca Yretea de comutare=& directionand vocea di0itiata catre utiliatori. Oulte aparate portabile de ascultat discuri compacte Ycitesc cu aticipatie= si memoreaa cateva secunde de semnal audio intr-o Ymemorie dinamica=& astel ca aparatul reda sunetul continuu ciar daca & iic& unctioneaa discontinuu *pentru acestea este necesara stocarea semnalului audio cu peste 1&4 milioane de biti pe secunda+. >)ista numeroase e)emple de aparatura audiovideo moderna& in care memoriile servesc la stocarea temporara a semnalolor di0itiate& urmand ca& prin prelucrarea semnalolor di0itale& sa se obtina perormante superioare.
)Decodorul %ecimal
45
@ecodorul este un circuit combinațional care este utiliat pentru a identiica valoarea speciicată pe intrare prin setarea *activarea+ pe ieșire a bitului de pe inde)ul corespunător intrării. @ecodorul este ecivalent cu un multiple)or cu data de 1 bit și intrarea de dată constantă 1. Apre e)emplu& pentru un decodor de 4 bi ți& tabelul porturilor este preentat mai os *caracterul Z poate i olosit "n 'erilo0 pentru a separa bi ți sau cire apar țin,nd unei bae& "n scrierea unei constante& pentru a i mai ușor de cititP e).? 16[b$1$$Z$$11Z$1$$Z$111+?
Inter(aț
Nnterața unui decodor este ormată din două semnale? • •
intrarea& de n bițiP ieșirea& de 2n biți.
Implementare
>)istă mai multe implementări posibile pentru decodor? • • •
olosind blocuri generate (orP olosind blocuri al:as combinaționale și caseP olosind un bloc assign și operatorul de sitare la st,n0a.
46
u toate că ultima variantă nu este optimă din punct de vedere al circuitului sintetiat& vom olosi această metodă datorită u șurinței și dimensiunii reduse a descrierii. Atructura 0enerala a unui circuit de decodare este cea din i0ura. Nntrarile de activare& daca e)ista& trebuie sa ie conirmate pentru ca decodorul sa realiee corespondenta intrare-iesire in mod normal. Nn ca contrar& decodorul asociaa tuturor cuvintelor de intrare un sin0ur cuvant de cod de iesire – Ydisabled= *Yneactivat=+.
Sc3ema electrica de mai sus reprezinta un decodor HB0SQ& realizat in te3nologie 440 de tip I1* care afiseaza pe displaYul cu H segmente HB0SBH valoarea decodata.
47
9)untea tensometrica ncepând din anii %Q'&, când s"au pus pentru prima oară în evidenDă efecte piezorezistive în semiconductoare, s"au dezvoltat şi elemente tensometrice semiconductoare. 1aracterizate printr"un factor de marcă net superior '&"5&&! faDă de cele metalice ma#im ), uzual 5!, mărcile semiconductoare au dezavantajul unei neliniarităDi mai pronunDate, al compensării mai dificile a erorilor de temperatură şi c3iar al unor probleme mai dificile legate de dispunerea pe suprafaDa de măsurat. Pe de altă parte, coeficientul de variaDie a rezistivităDii cu temperatura este mult mai mare decât la mărcile metalice de cca )& ... %&& ori mai mare la constantan!, variaDia factorului de marcă de ; ... ' ori mai mare, iar efectul termoelectric coeficientul SeebecX! de %& ... 5& ori mai mare. /aptul că e#istă şi mărci cu coeficient negativ de variaDie a rezistivităDii poate fi folosit la compensarea neliniarităDilor. Eaterialul semiconductor cel mai folosit aproape în e#clusivitate! este siliciul, în care marca difuzată are lungimi de &,&5 ... &,&' mm. 4erminalele conductoare se realizează din aur, cupru, argint sau nic3el. 2da*toare *entru traductoarele tensore%istive
+ariaDiile relativ mici ale rezistenDei mărcii tensometrice atunci când este supusă la deformaDii impun utilizarea unor adaptoare deosebit de sensibile. Adaptoarele constau din două blocuri distincte: o sc3emă de măsurare de tip punte W3eatstone, în care se conectează elementele sensibile punte tensometrică! şi un circuit de prelucrare amplificare şi apoi conversie în semnal util!. PunDile sunt de două tipuri funcDie de modul de lucru: c.c. sau c.a. Pun/i tensometrice. 9lementele sensibile tensometrice se pot conecta în punte conform Sc3emei e mai jos.
48
Sc3ema din figura de mai sus reprezintă montajul în punti complete, la care în toate braDele punDii se află conectate elemente sensibile. Aceasta punte se alimentează cu o sursă de tensiune constantă a pe una din diagonale, iar pe cealaltă diagonală diagonala de măsurare! se obDine un semnal de ieşire e care, în cazul punDilor dezec3ilibrate, este folosit direct ca o măsură a variaDiei rezistenDei elementelor active ale punDii. *e obicei, puntea se ec3ilibrează înaintea aplicării solicitarilor mecanice şi rămâne dezec3ilibrată după aplicarea acesteia. Pentru situatia noastra tensiunea de alimetare -a este de %&+ vom calcula tensiunea -e folosindune de ea si de rezistentele necesare calculate. /ormula de calcul al dezec3ilibrului este: -e-a<%<%?<5"
4B
%82reviar de calcul 1onform sc3emei divizorului de tensiune vom aplica legea lui M3m pentru a determina cele B rezistente individuale necesare pentru cele B scari &,5$',%',respective 5&& de +olti.
<- de unde rezulta ca - se poate scrie ca <` si respective -<
5$
48Calculul economic Pentru realizarea +oltmetrului au fost necesare mai multe componente care au fost selectate astfel incat proiectarea,aparatului de masursa sa fie cat mai economica,dar in acelasi timp acesta sa fie si calitativ. Eagazinele care pot furniza aceste piese la preturi favorabile sunt: %!1one# 9lectronics".cone#electronic.ro$ 5!SYscom 9lco".sYscomelco.ro$ ;!+itacom 9lectronics".vitacom.ro$ B!4E9".tme.euro. Produsele se pot ac3izitiona si din alte magazine care furnizeaza aceste piese,dar nu se pot garanta aceleasi preturi la care se pot ac3izitiona de la cele mentionate mai sus Pentru realizarea +oltmetrului au fost necesare urmatoarele componente:
10 H%&H %'
<% %E &,5&
P% 5&X trimmer &,K&
51
<5 5R5 &,5&
<; %&&R &,5&
0*%,5,;,B EA2 )Q)& anode led displaYs B,'&
<' %&R &,;&
<) BH&R &,;&
1% &,%/ &,'&
15 &,&%/ &,'&
1; %&&n/ &,5&
1B BHn/ &,;&
1' %&&p/ &,;&
n total costul pieselor se ridica la '%,Q
781c6ema electrica
1c6ema electrica a "oltmetrului realizata cu ICL-7!7
52
(odul de functionare a "oltmetrului:
+oltmetrul de panou ce face obiectul prezentării de faDă nu are intrare flotantă, ci are ca referinDă masa montajului. Sc3ema electrică are structura de bază tipică convertorului A* 10H%&H însă, tensiunea negativă necesară funcDionării corecte a acestuia se obDine cu ajutorul circuitului integrat 1*B&BQ care \buffer\"ează oscilatorul de tact al lui 10H%&H semnal provenit de la pinul ;!. Semnalul amplificat, de la ieşirile celor cinci inversoare, este redresat cu *% şi *5, filtrat cu 1H şi aplicat la pinul %' +!, care in mod normal se conecta la masă 82*!. n cazul de fata, la 82* se leagă intrarea 2" pinul %%!. Punctele zecimale se pot pune în evidenDă, după necesităDi, prin conectarea pinilor corespunzători la masă conectorul 71%! prin intermediul rezistorului
98*ealizarea cabla3ului
53
54
Structura si clasificarea cablajelor imprimate
-n cablaj imprimat este un sistem de conductoare plate imprimate! amplasate în unul, doua sau mai multe plane paralele si fi#ate cu adeziv! pe suprafata unui suport electroizolant dielectric! care asigura si sustinerea mecanica a componentelor. a!. Suportul electroizolant al circuitelor imprimate este realizat din materiale având proprietati fizico C c3imice, electrice, mecanice si termice adecvate. 9#ista mai multe categorii de asemenea materiale, dar cele mai frecvent utilizate în prezent pentru cablaje rigide sunt : Pertina#ul temperatura ma#ima de lucru %&'1! C pe baza de te#tura din 3ârtie impregnata cu rasini fenolice C ce constituie materialul standard pentru solicitari normale în cele mai diverse aplicatii. Steclote#tolitul temperatura ma#ima de lucru %'&1! C pe baza de te#tura din fibre de sticla impregnata cu rasini e#podice C larg utilizat în aparatura electronica profesionala întrucât permite obtinerea unor performante superioare. Principalele materiale electroizolante utilizate ca suport al circuitelor imprimate n ultimul timp, pentru realizarea cablajelor profesionale sunt utilizate si suporturi ceramice având proprietati termice e#celente dar si rezistenta mecanica redusa. 1ircuitele imprimate fle#ibile utilizeaza drept suport materiale termoplasate ca: A10A< ma#. 5&&1!, 49/0M2 ma#. 5HB1!, RAP4M2 ma#. B&&1!. b! 4raseele conductoare se realizeaza din materiale având proprietati adecvate: rezistivitate electrica redusa, buna sudabilitate, rezistenta mare la coroziune. n general cel mai frecvent utilizat material este cuprul electrolitic de înalta puritate, formând o folie de grosimi normalizate uzuale: ;' mm sau H& mm aplicata pe suprafata suportului electrolitic izolant împreuna cu care formeaza semifabricantul placat[ din care, prin operatii te3nologice specifice se obtin cablajele imprimate având diferite structuri, configuratii,dimensiuni!. n unele aplicatii profesionale se pot utiliza si aurul, argintul sau nic3elul. n scopul facilitarii lipirii terminalelor componentelor ca si
55
pentru asigurarea unor contacte electrice fiabile folia de cupru se acopera uneori cu o pelicula de cositor, de aur sau de argint. c! Adezivi utilizati pentru fi#area foliei de cupru pe suportul electroizolant de tip Pertina# C de regula, rasini speciale " trebuie sa reziste la temperatura de lipire si sa fie suficient de elastici pentru a prelua " la lipire C diferentele de dilatare dintre suport si folie!. Eaterialele electroizolante de tip Steclote#tolit nu necesita adezivi. Semifabricatele placate cu cupru se produc la diferite dimensiuni " mai frecvente fiind: Q&& Q&& mm sau Q&& %K&& mm. *in acestea se debiteaza placile cu viitoarele cablaje imprimate ale caror dimensiuni nu trebuie sa depaseasca 5B& ;)&mm C pentru cablaje simpludublu strat si 5&& 5B& mm C pentru cablajele multistrat, astfel încât procesul te3nologic de realizare a acestora sa nu devina prea dificil. Cabla3ul PC2 al "'LT()T*LI realizat cu ICL-7!7
@ate tenice - i(are pe 3 12 di0i!iP - Oasă comună pentru intrare (i alimentareP - onversie @ cu dublă pantăP - Gama de măsurare? $..\2$$'ccP - limentare? 5'25$mP
56