UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCURESTI FACULTATEA DE TRANSPORTURI CATEDRA : TELECOMENZI SI ELECTRONICA IN TRANSPORTURI
PROIECT M.E./S.T.A.D INSTRUMENT NUMERIC DE MASURARE MULTIMETRU CU AMPERMETRU SI VOLTMETRU ELECTRONIC DE CURENT ALTERNATIV
PROFESOR INDRUMATOR: SL.drd.Fiz.Ing.Mihaea Ne!"#i
STUDENT: Para$%an Si&i' ( )*+*
BUCURESTI ,--(,-+-
CUPRINS
1. Introducere 2. Tema proiectului 3. Schema bloc 4. Memoriu tehnic Blocul de alimentare Circuitul de intrare Divizor de tensiune mpli!icatorul instrumental Circuitul redresor Convertor analo" numeric #eneratorde tact cu cuart Divizor de !recventa $umaratorul Memoria Decodorul !isor • • • • • • • • • • • •
%. Breviar de calcul &. Calculul economic '. Schema electrica a aparatului (. $omenclatura de componente ). *ealizarea cabla+ului 1,. Biblio"ra!ie
CUPRINS
1. Introducere 2. Tema proiectului 3. Schema bloc 4. Memoriu tehnic Blocul de alimentare Circuitul de intrare Divizor de tensiune mpli!icatorul instrumental Circuitul redresor Convertor analo" numeric #eneratorde tact cu cuart Divizor de !recventa $umaratorul Memoria Decodorul !isor • • • • • • • • • • • •
%. Breviar de calcul &. Calculul economic '. Schema electrica a aparatului (. $omenclatura de componente ). *ealizarea cabla+ului 1,. Biblio"ra!ie
+. In"r In"r#d #d'% '%er eree In conte-tul revolutiei stiinti!ice si tehnice din lumea contemporana masurarile electrice sunt indispensabile in toate ramurile industriale ca veri"a importanta in procesele de productie in controlul calitatii materiilor prime a produselor produselor intermediare si !inale in dezvoltarea cercetarii in toate toate dom domeni eniile ile.. /e supo suportu rtull marimi marimilo lorr electr electroma oma"ne "netic ticee se !ac cel mai !recve !recvent nt atat atat schimburile de ener"ie cat si schimburile de in!ormatie0 masurarea electrica cu precizie ridicata conditioneaza conditioneaza deci des!asurarea normala a proceselor implicate. /entru a intele"e a prevedea si a actiona asupra mediului incon+urator omul trebuie sa acumuleze cunostinte re!eritoare la diverse obiecte !enomene procese etc. prezente in natura. cest e cunostinte pot !i clasi!icate prin introducerea notiunii de marime. /rin de!initie marimea reprezinta o proprietate sau un atribut comun al unei clase de obiecte !enomene procese etc.
M/$'rarea %'ren0i#r
A!1er!e"re ana#gi%e
n "eneral pentru msurarea curentului electric este necesar ntreruperea circuitului i introducerea unui ampermetru de rezisten5 r n circuitul parcurs de curentul de msurat. nainte de introducerea ampermetrului n circuit curentul electric are valoarea I i se numete valoarea adevrat a curentului de msurat6 I
=
U B Rc
unde 7B este tensiunea la bornele B iar * C este rezisten5a circuitului parcurs de curentul I. 7B
Im
r
* C
B 8i"ura 1. In!luen5a consumului ampermetrului ampermetrului n circuitul de msurare
Ca urmare a introducerii ampermetrului n circuit curentul msurat I m mai mic dec9t I va avea valoarea6 I m
=
U B Rc
+
r A
unde r este rezisten5a intern a ampermetrului. :roarea relativ ce apare ca urmare a introducerii ampermetrului n circuit este6 1 ε I =
I m − I I
=
RC + r A
−
1
1
RC
= −
r A RC + r A
≅ −
r A RC
RC
/entru ca aceast eroare s !ie c9t mai mic trebuie ca rezisten5a ampermetrului s !ie c9t mai mic !a5 de rezisten5a circuitului.
Ma$'rarea "en$i'ni#r
V#"!e"re
;oltmetrul electronic e-ista in doua variante constructive 6 analog si respective numeric. In !unctie de valoarea masurata sunt6 a< voltmetru de c.c care masoara nivelul tensiunii continue de intrare =7<0 b< voltmetru de c.a care pot !i 6 > de valoare medie =masoara 7med< > de valoare de var! =masoara 7ma-< > de valoare e!ectiva =masoara 7e!< >de valoare e!ectiva pentru intrare sinusoidala =masoara 7med si a!iseaza 7e! avand in vedere relatia dintre cele doua marimi cand semnalul de la intrare este sinusoidal<. In circuitele de curent continuu si de curen alternativ tensiunile care depasesc 1?1,,,, ; cu voltmetre. ;oltmetrele se lea"a in circuitele de masurare in paralel cu punctele intre care se masoara tensiunea.
In !unctie de valorea tensiunii de masurat voltmetrele se conecteaza direct sau in serie cu o rezistenta aditionala. @e"area directa in circuit a voltmetrelor este posibila numai daca curentul de masurat poate trece ine"ral prin dispozitivul de masurat !ara sa>l deterioreze. Curentii si tensiunile !oarte mari se masoar cu ampermetrele si voltmetrele prin intermediul trans!ormatoarelor de masurat. Voltmetru numeric lucreaza pe un principiu asemanator cu al unui aparat de tip
!recventmetru?cronometru cu deosebirea ca include si un convertor analo">numeric =C$< care trans!orma tensiunea de masurat =7-< intr>un interval de timp sau intr>o !recventa . Schema !unctionala a unui voltmetru numeric este prezentata in !i" 1. . Tensiunea de masurat 7- este aplicata unui bloc de conditionare de semnal DT?0 acesta este similar celui !olosit la voltmetrele electronice analo"ice . Cu divizorul de tensiune DT se prescriu "amele =tensiunii nominale 7-n< in succesiune decadica =tipic6 ,20 20 2,0 2,, ;< iar ampli!icatorul de intrare aduce 7- la nivelul cerut de blocul de esantionare si adapteaza impedanta acestuia la cea de iesire din divizorul DT. In plus blocul DT? imbunatateste si imunitatea la z"omote=prin punerea dupa At a unui 8T<. 7- este apoi esantionat =pe durata At< pentru a asi"ura stationaritatea lui 7- sunt trecute printr>un ampli!icator tampon T al carui rol este de a adapta impedanta de iesire a circuitului de esantionare si memorare la impedanta de intrare al convertorului ?$. Comanda operatiilor intre"ului aparat =esantionare conversie memorare a!isare< este asi"urata de un bloc de comanda pilotat de catre "eneratorul de tact #:0 acest bloc include si un divisor de !recventa D8 cu a+utorul caruia se obtine baza de timp a aparatului. Caracteristici de intrare 6 a< Tipul intrarii depinde de clasa de precizie a aparatului 6 > voltmetru numeric standard =c,.1< !olosesc circuite de intrare cu 3 borne > voltmetru de inalta precizie =c,.,1 .. ,.,,1< utilizeaza intrare cu circuit de "arda b< Tensiunea ma-ima admisa pe intrare este valoarea ma-ima a tensiunii ce poate !i aplicata intre bornele de intarre sau intre una dintre acestea si masa in conditii normale de !unctionare. c< In+ectia de paraziti in obiectul de masura 6 tensiunile parazite sunt produse de catre circuitele in comutatie . :le devin suparatoare cand operatorul !ace masurari in scheme cu dispozitive sensibile. d< #amele de masura6 sunt in succesiune decadica =,.2 2 2, 2,, ..< . Comutarea "amelor se poate !ace manual sau automat. e< Schimbarea automata a "amelor 6 permite trecerea voltmetrelor numerice de la o "ama in!erioara la una superioara si invers de indata ce 7- depaseste o limita prestabilita. Selectorul automat de "ame permite ca aparatul sa se plaseze sin"ur in situatia optima in privinta preciziei. Caracteristici de trans!er6 a< *ezolutia este cea mai mica variatie a lui 7- ce paote !i citita pe o "ama b< Sensibilitatea este valoarea cea mai mica a lui 7- care poate !i masurata pe "ama cea mai sensibila. c< /recizia se e-prima prin eroarea tolerate taEct=de la blocuri analo"ice
:roarea tolerata6 se normeaza in raport cu eroarea de baza =b< si cu eroarea suplimentara =s< :roarea de baza este eroarea intrinseca a voltmetrului numeric in conditii de re!erinta ste datorata urmatoarelor cauze 6 eroarea datorita rezolutiei deriva re!erintei interioare de tensiune deriva in timp si cu temperature a componentelor neliniaritati din blocurile analo"ice si numerice z"omotelor interne?e-terne eroarea de indicare a valorii zero variatia tensiunii de alimentare. Conditiile de re!erinta sunt prescrise prin standarde si sunt alese a.i variatiile !actorilor de in!luenta sa aiba un e!ect ne"li+abil asupra aparatului. :roarea suplimentara provine din variatia unui sin"ur !actor de in!luenta ceilalti !iind mentinuti la nivele de re!erinta. /arametrii CT sunt speci!icati 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 7- ramane constanta. Stabilitatea pe termen scurt este abaterea ma-ima ce poate apare in indicatia voltmetrului numeric in conditii de re!erinta =t23GC H 1GC< timp de 24 ore interval de timp in care nu sunt admise nici un !el de re"la+e. V#"!e"re ee%"r#ni%e de %'ren" a"erna"i& 6
Spre deosebire de voltmetrele electromecanice de c.a =!eroma"netice electrodinamice si electrostatice< care raspund la valoarea e!ectiva =7< a tensiunii de masurat =7-< voltmetrele electronice de c.a. sunt specializateJ pe unul din cei trei parametrii de baza ai lui 7-6 valoarea de var! =7v< valoarea medie =7med< si valoarea e!ectiva iar voltmetrele respective se numesc 6 voltmetru electronic de var! de medie si de valoare e!ectiva. Indi!erent de tip toate aceste voltmetre electronice au scara "radate in valori e!ective ale re"imului sinusoidal. K alta particularitate banda de !recventa. Spre deosebire de ampli!icatoare la care acest parametru se de!ineste pe baza caderii raspunsului la 3dB la M: banda se de!ineste pe baza erorii suplimentare cauzate de !recventa si anume6 limita superioara a benzii =Lz< reprezinta !recventa la care indicatia aparatului =< scade cu o !ractiune cel mult e"ala cu eroarea absoluta tolerata. @a ;: limita in!erioara =!1< este 1,>2, Lz si este impusa de conditia de memorare=;:;< sau de conditia de inte"rare mecanica pe intrumentul ma"netoelectric=voltmetre de valoare medie si de valoare e!ectiva< iar limita superioara =!2< atin"e ordinal MLz =;:M si ;:8< sau al sutelor de MLz =;:;< !iind impusa de re"ula de catre capacitatea de intrare la aparatul respectiv.
,. Te!a 1r#ie%"''i Sa se proiecteze un aparat de masura numeric care sa indeplineasca urmatoarele !unctii6 1. mpermetru de c. a. cu scarile ,30 30 1, 0 *ezistente individuale la intrare0 Tensiunea de intrare pe diviziune ,3% ;. 2. ;oltmetru de c. a. cu scarile de ,30 30 1,0 1,, ;0 Se va !olosi un convertor analo">numeric de tip re"istru cu apro-imari succesive.
*. S%he!a 2#%
Schema bloc multimetru cu ampermetru si voltmetru de c.a.
Blocul de numrare?a!iare
$umrtor =$<
*e"istru de memorare
C$
!ia+ numeric =$<
Decodor =D<
!ia+
/
BT
/
C$
BC
#: BT
3. Me!#ri' "ehni%
•
B#%' de ai!en"are
;oltmetrul este alimentat de la o sursa de curent continuu de );. @a bornele = F < si = N < se pun bornele prin care trece volta+ul = curent alternativ< ce trebuie masurat . In !unctie de scara de care avem nevoie putem !olosi comutatorul de scara pe una din treptele 3 % 1, volti pentru un rezultat corect. Curentul alternativ care intra pe la bornele F si N trece printr>un circuit redresor = punte redresoare < !ormata din diode redersoare = 1$4,,1 < pentru a !i trans!ormat in curent continuu si ast!el aparatul va putea e!ectua masurarea volta+ului din circuitul ce trebuie masurat. Inainte de intrarea in circuitul redresor curentul trece prin divizor de curent din blocul ampermetrului iar pentru circuitul cu voltmetru curentul trece prin divizorul de tensiune . Dupa redresare curentul de masurat este trece prin circuitul de ampli!icare =tranzistoare< apoi este convertit din semnal analo"ic in semnal di"ital printr>un C$ .
•
Cir%'i"' de in"rare
•
Di&iz#r' de %'ren" 1en"r' a!1er!e"r'
Reg'a di&iz#r''i de %'ren"
DacO la iesirea unui circuit nu este conectatO o rezistentO de sarcinO se poate aplica re"ula divizorului de curent pentru a determina curentul prin *2 de e-emplu. @a !el de bine se poate aplica re"ula divizorului de curent si pentru a a!la curentul prin *1. /resupun9nd rezistentele parcurse de curentii I1 si I2 cu le"ea curentilor lui Pirchho!! se "Oseste6 I I1 F I2 COderea de tensiune la bornele rezistentelor se determinO cu le"ea lui Khm6 7 I1*1 I2*2
Combin9nd relatiile de mai sus se obtine6
Anaiza 'n'i %ir%'i" 1arae $i!1'
S analizm un circuit paralel simplu determin9nd valorile curen5ilor prin !iecare ramur respectiv prin !iecare rezistor n parte. M/ri!e
R +
R ,
R *
T#"a
Uni"a"e
: I *
&
&
&
&
; R
1Q 3Q
2Q
Cunosc9nd !aptul c pe !iecare component n parte cderea de tensiune este aceeai putem completa tabelul tensiune?curent?rezisten5 ast!el =mrimile sunt e-primate n vol5i amperi i ohmi<. Mrime : I *
* 1 & &m 1Q
* 2 & 2m 3Q
* 3 Total 7nitate & & ; 3m 2Q R
8olosind le"ea lui Khm =I : ? *< putem calcula curentul prin !iecare ramur.
M/ri!e
R +
R ,
R *
T#"a
: I *
& & & & &m 2m 3m ++! 1Q 3Q 2Q
Uni"a"e
; R
tiind c n circuitele paralele suma curen5ilor de pe !iecare ramur reprezint curentul total putem completa tabelul cu valoarea total a curentului prin circuit 11 m. M/ri!e
R +
R ,
R *
T#"a
Uni"a"e
: I *
& & & & ; &m 2m 3m 11m 1Q 3Q 2Q 434.34 R
7ltimul pas este calcularea rezisten5ei totale !olosind le"ea lui Khm =* : ? I< sau !olosind !ormula rezisten5elor n paralel0 indi!erent de metoda !olosit rezultatul este acelai.
•
Di&iz#r' de "en$i'ne 1en"r' "!e"r'
Divizoarele de tensiune utilizate la masurarea tensiunilor continue alternative si de impuls sunt dispozitive de raport cu doua perechi de borne =tip diport< care stabilesc o relatie de dependenta liniara pe un anumit interval ntre marimea de masurat electrica si marimea electrica ce actioneaza asupra circuitului. Divizorul de tensiune rezistiv6 este realizat din rezistoare bobinate sau din rezistente cu pelicula metalica situatie n care e-actitatea este mai scazuta dar su!icient de buna pentru instrumentatia analo"ica si di"itala. Se utilizeaza pentru masurarea tensiunilor n curent alternativ sau n +oasa !recventa si pentru e-tinderea limitei superiore de masurare a voltmetrelor compensatoarelor de tensiune alternativa etc. In a!ara de divizoarele de valoare !i-a se construiesc divizoare re"labile utilizate pentru prescrierea "amelor la voltmetrele de c.c. Treptele de divizare se ale" n secventa 1>3>1, =sau o alta< pentru voltmetrele analo"ice si n secventa 1>1,>1,, pentru cele di"itale. :-ista divizoare de tensiune cu mai multe trepte de divizare cu particularitatea ca una din componente este de nalta e-actitate. ceasta serveste ca etalon la veri!icarea prin comparatie a e-actitatii celorlalte rezistente ale divizorului. Multe din acestea sunt ast!el realizate nc9t rezistentele componente sau "rupuri ale acestora sa aiba valori nominale e"ale ceea ce permite compararea directa a lor pentru determinarea erorii !iecarei trepte de divizare. In acest !el ntre"ul divizor poate !i autocalibrat. :rorile divizoarelor de tensiune sunt determinate n primul r9nd de abaterile rezisten5elor componente de la valorile nominale precum i de mbtr9nirea rezisten5elor de varia5ia valorii acestora cu temperatura i umiditatea de autonclzire i de in!luen5a rezisten5elor de izola5ie. :vitarea erorilor provocate de rezisten5ele de izola5ie mai ales la divizoare cu rezistoare de valori nominale !oarte mari o constituie introducerea ecranelor de "ard pentru
interceptarea curen5ilor de izola5ie. :cranul mbrac toate pr5ile conductoare ale divizorului inclusiv bornele care sunt men5inute la poten5iale e"ale cu ale conductoarelor "ardate cu a+utorul unui divizor secundar. Curen5ii prin izola5ie sunt concentra5i ast!el ctre divizorul secundar ocolind rezistoarele divizorului principal.
•
A!1i5i%a"#r' in$"r'!en"a
Amplificatoarele instrumentale reprezintă o categorie aparte de amplificatoare operaţionale utilizate în special în măsurări, motiv pentru care acest tip de amplificatoare operaţionale au mai fost denumite şi amplificatoare de măsură. Amplificatorul instrumental este un amplificator operaţional diferenţial cu amplificare finită şi foarte bine reglată, reglajul amplificării făcându-se fie prin conectarea în exteriorul integratului a unei rezistenţe sau grup de rezistenţe, fie prin comanda digitală cu ajutorul unui calculator sau microcontroler. Amplificatorul instrumental are performanţe superioare amplificatoarelor operaţionale în ceea ce priveşte tensiunea de decalaj, deriva termică, liniaritatea, stabilitatea şi precizia amplificării. Amplificatoarele instrumentale pot fi realizate cu componente discrete şi amplificatoare operaţionale, în tenologie monolitică sau ibridă. !ele integrate au elementele de reacţie incluse în structura circuitului integrat. "a
aparatura de măsură şi control amplificarea în tensiune se face, adesea, cu amplificatoare diferenţiale la care una din intrări este folosită pentru intrarea de semnal, iar cealaltă pentru conectarea reţelei de reacţie. #acă s-ar folosi un singur amplificator operaţional reţeaua de reacţie ar reduce impedanţa de intrare la valori care sunt prea mici faţă de cele necesare în aceste aplicaţii. #in acest motiv au fost realizate structuri speciale de amplificatoare diferenţiale cu două sau mai multe amplificatoare operaţionale. Amplificatoarele instrumentale sunt amplificatoare diferenţiale cu intrări flotante faţă de masă, cu impedanţă mare atât în modul diferenţial cât şi în modul comun şi având o rezistenţă de ieşire redusă. Amplificatoarele instrumentale trebuie să îndeplinească mai multe cerinţe$ % 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& % asigurarea unei caracteristici de frecvenţă adecvate procesului de măsurare& % asigurarea unei rejecţii a semnalului de mod comun foarte mare. 'rincipalii parametri ai unui amplificatorului instrumental sunt$ a( câştigul (G). )aloarea acestui parametru reprezintă panta caracteristicii de transfer a amplificatorului instrumental. *n 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 . +ensiunea de decalaj la intrare, Uosi ) şi tensiunea de decalaj la ieşire, Uoso ) sunt independente una
faţă de cealaltă şi, prin urmare, trebuie considerate separat. 'entru un câştig dat, tensiunea totală de decalaj Uos este definită pe baza a două erori$ - eroarea totală raportată la intrare /0+otal 1eferred to te 2nput 3rror 4 +otal 1+2 3rror0( prin$ Uos/1+2( 5 Uosi 6 Uoso7G& - eroarea totală raportată la ieşire /0 +otal 1+8 3rror0( prin$ Uos/1+8( 5 GUosi 6 Uoso. 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 pA79!(. 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 pA79!(. d( impedanţele de intrare diferenţială şi de mod comun . :unt alcătuite dintro rezistenţă în paralel cu o capacitate. :e exprimă în ;<==p>. e( impedanţa de ieşire . 3ste foarte mică, de ordinul ?9 -@ <.
f( tensiunea şi curentul de zgomot ale amplificatorului . Aceşti parametri pot fi raportaţi faţă de borna de intrare a amplificatorului, fiind specificaţi ca şi valori vârf la vârf sau efective într-un anumit interval de frecvenţe /se exprimă în n), respectiv în pA(. g( raportul de rejecţie a modului comun , !1. 3ste specificat pentru o anumită nesimetrie a sursei de semnal de intrare, de obicei ? B<, pentru diferite valori ale câştigului şi ale tensiunii de mod comun U!. !11 creşte odată cu creşterea câştigului şi scade odată cu creşterea frecvenţei. ( parametri referitori la regimul dinamic$ - banda de frecvenţe la "# d$ la semnal mic . 3ste specificată pentru diferite valori ale câştigului. !u cât câştigul este mai mare cu atât banda de frecvenţe este mai mică. - viteza de urmărire /0:leC 1ate0, :1 )7s(. - timpul de stabilizare . 3ste specificat în funcţie de valoarea câştigului pentru o variaţie dată a tensiunii de intrare.
•
Cir%'i"' redre$#r
*edresoarele sunt circuite care trans!orm curentul alternativ n curent continuu. Dup tipul dispozitivelor care redreseaz i dup modul acestora de comand redresarea poate !i necomandat =cu comuta5ie natural< sau comandat =cu comuta5ie !or5at<. n aceast lucrare se vor studia circuite de redresare necomandate. *edresarea necomandat se realizeaz ntr>o ma+oritate cov9ritoare de cazuri cu diode. *edresarea tensiunilor alternative este cea mai des utilizat opera5ie neliniar e!ectuat asupra semnalelor variabile n timp.*edresorul monoalternan5 ideal poate !i privit ca un diport cu !unc5ionare de comutator comandat de polaritatea tensiunii de intrare. Dac polaritatea este pozitiv comutatorul este nchis i tensiunea
de la intrare se re"sete la ieire. n cazul n care tensiunea de intrare este ne"ativ comutatorul se deschide iar tensiunea de la ieire devine ,. Cele mai utilizate comutatoare pentru aceast !unc5ie sunt diodele semiconductoare. Se poate considera c redresorul dubl alternan5 este un diport care aplic !unc5ia matematic MKD7@ semnalului de intrare.ceast !unc5ionare se poate ob5ine prin cuplarea a dou redresoaremonoalternan5 unul direct i cel de>al doilea prin intermediul unui repetor >inversor de tensiune. 7tilizarea diodelor semiconductoare pentru redresarea semnalelor alternative reprezint o solu5ie deosebit de simpl i ie!tin a problemei n cazul n care se urmrete aspectul ener"etic dac se pornete de la tensiuni de intrare mult mai mari dec9t cderea de tensiune direct pe diod. ntr>adevr tensiunea la ieirea redresorului monoalternan5 cu diod semiconductoare cu siliciu nu repet identic semialternan5a pozitiv a tensiunii de intrare ci prezint un decala+ de apro-imativ ,& ; !a5 de aceasta. n aplica5iile care au n vedere prelucrarea de in!orma5ie pentru msurarea tensiunilor alternative sau n nenumrate alte aplica5ii de semnal mic este inacceptabil distorsionarea semnalului./entru nlturarea inconvenientelor prezentate mai sus se !olosesc scheme compuse din .K. i diode semiconductoare numite redresoare de precizie.
•
C#n&er"#r' ana#g(n'!eri% 6CAN7 de "i1 regi$"r' %' a1r#8i!ari $'%%e$i&e
C$ =Convertor nalo" $umeric< cu apro-imare succesiv este unul din tipurile de C?$ cele mai utilizate n practic. :le realizeaz compromisul optim ntre precizia i viteza de conversie la o comple-itate acceptabil a schemei. Stadiul actual al tehnolo"iei permite realizarea monolitic o ntre"ului C?$ la o rezolutie de p9n la 1& bi5i i o vitez de conversie de circa 1,Usec. Se utilizeaz curent aceste C?$>uri n aparatur de msur electronic sisteme de achizi5ii de date transmisia i prelucrarea numeric a in!orma5iei etc. Schema bloc a acestui convertor este prezentat n !i"ura 1.
Figura 1
,.1 8unc5ionarea schemei > nceputul unui ciclu de conversie este comandat prin semnalul lo"ic SC1. > se compar tensiunea de intrare ; I$ =care se dorete a !i convertit ntr>un numr binar< cu cea !urnizat de C$? =Convertor $umeric?nalo"ic< la un moment dat. Tensiunea !urnizat de C$? este ;,=$< i reprezint o !rac5ie din ; *:8 con!orm !ormulei6
V 0 (N) = N • V REF
= Σ b n
k 2
k =1
- k
• V
REF
$ este numr binar pozitiv $'2'ni"ar av9nd =2n>1< valori posibile de la , p9n la =1>2 >n< unde n reprezint numrul de bi5i. C$? !olosit este de tipul cu re5ea divizoare n trepte ponderare binar. > numrul binar N este produs n *S =R e"istrul cu A pro-ima5ii Succesive< sub !orma unui cod binar natural6 N b1 b2...bn
n care b1 este bitul cel mai semni!icativ =MSB< iar b n este bitul cel mai pu5in semni!icativ =@SB< aceasta conduc9nd la un numr de !orma N9-2+2,...2n.
*S !unc5ioneaz secven5ial pe o !recven5 !i- ! , produc9nd numerele $ con!orm al"oritmului apro-ima5iilor succesive ce este prezentat n continuare. > un ciclu de conversie dureaz TCK$;:*SI: n T, ⋅
unde T, 1?! , reprezint durata ntre dou impulsuri de ceas iar n este numrul de bi5i ai convertorului. > s!9ritul ciclului de conversie c9nd este disponibil rezultatul conversiei !orma numrului binar stocat n *S este marcat prin semnalul lo"ic 8C1.
,.2 l"oritmul de apro-imare succesiv /entru claritatea e-punerii al"oritmului se va considera n e-plica5ii un C?$ de ( bi5i. Dup comanda de ncepere a conversiei =semnalul SC1 care n "eneral poate !i asincron< sincron cu primul !ront cresctor a impulsului de ceas se comand nscrierea n *S a numrului binar6 $1 1,,, ,,,, .
Corespunztor acestuia dup timpul de propa"are prin circuitele lo"ice ale *S i prin C$? apare la intrarea I$> a comparatorului tensiunea6
-k -1 V 0( N1 )= ∑ bk 2 • V REF = N 1 • V REF = 2 V REF k =1 n
*ezultatul compara5iei tensiunilor ; I$ Vi ;,=$1< este semnalul lo"ic CKM/ de la ieirea comparatorului 0, daca V 0 ( N 1 ) > V IN
COMP = c1 =
1, daca V 0 ( N 1 ) < V IN
@a urmtorul !ront cresctor al semnalului de ceas este memorat valoarea lo"ic a acestei compara5ii =c1< n pozi5ia bitului cel mai semni!icativ b 1 > aceast loca5ie din *S nu va mai !i modi!icat n restul ciclului de conversie. Se marcheaz ast!el apartenen5a tensiunii ; I$ la una din cele dou +umt5i ale domeniului analo"ic W, ; *:8X . Simultan cu acest nou !ront al semnalului de ceas este se>tat urmtorul bit mai pu5in semni!icativ b21. Incep9nd cu acest moment circuitul *S con5ine numrul binar $2 c11,, ,,,, care produce la ieirea C$? tensiunea continu corespunztoare -1 -2 V 0 ( N 2 ) = N 2 • V REF = ( c1 • 2 1 • 2 ) • V REF
;aloarea acestei tensiuni devine disponibil la intrarea I$ > a comparatorului dup timpul de propa"are prin circuitul lo"ic al *S i prin C$?. *ezultatul compara5iei tensiunii ; I$ cu tensiunea ;,=$2< n al doilea pas al iterrii al"oritmului este CKM/ c2 care este memorat de aceast dat n pozi5ia urmtorului bit =b 2< mai pu5in semni!icativ !a5 de cel stabilit anterior. poila !el ca i la itera5ia anterioar este setat urmtorul bit b 31. @a nceputul urmtorului pas al al"oritmului numrul binar con5inut n *S va !i
$3 c1c21, ,,,, =indicele numrului $ semni!ic n acelai timp pasul de apro-imare i indicele bitului ce urmeaz a !i clari!icat<. In acest !el se continu p9n la stabilirea utimului bit cel mai pu5in semni!icativ. /e msur ce crete numrul de bi5i se realizeaz din ce n ce mai bine apro-imarea ;,=$< ;I$ . ≈
/rezentarea sintetic a acestui al"oritm se !ace n or"ani"rama urmtoare.
:roarea de cuantizare ce rezult n urma parcur"erii acestui al"oritm este 1 = ∆V = V V !"# = V 2-(n1) •V REF 2
ε
Componentele principale ale convertorului sunt6 •
•
•
•
• • •
un inte"rator cu ampli!icatorul opera5ional K =cu rezisten5 de intrare ridicat de cca. 1,)Y1,12R< rezisten5a * =sute QR< i condensatorul C =,1Y1U8<0 la intrarea acestui inte"rator este plasat un comutator comandat =P1 i P2< ce asi"ur conectarea intrrii inte"ratorului !ie la semnalul de intrare =7 -< !ie la o tensiune de re!erin5 =7 ,< !oarte stabil =,,1Y,,,2E<0 un comparator =CT< ce detecteaz trecerea prin zero a semnalului de la ieirea inte"ratorului =7 2<0 un "enerator de tact =#:< i un circuit poart =/< care valideaz impulsurile de ceas ctre un numrtor0 un numrtor =$< de cele mai multe ori decadic cu intrare de ter"ere =*:S< i ieire de transport?depire =TC7<0 un a!ia+ numeric cu ' se"mente =inclusiv decodi!icator BCD>' se"mente<0 un bistabil de comand a comutatorului de intrare =B<0 un bloc de comand =secven5iere< a ntre"ului aparat =BC< care ini5iaz ciclul de conversie i stabilete condi5iile ini5iale ale inte"rrii.
Blocul de comand =BC< este pilotat de ctre "eneratorul de tact etalon =#:<0 cu a+utorul unui secven5iator acesta stabilete ciclul de msur i comand opera5iile ce se vor e-ecuta n !iecare etap.
•
;enera"#r' e"a#n 6;e7
=#:< este constituit dintr>un simplu oscilator *C !recven5a acestui put9nd !i re"lat la 4, QLz =timpul de inte"rare este T 11,, ms< sau %, QLz =T 14, ms<0 pentru realizarea intervalului T 1 !recven5a "eneratorului este divizat intern la valori corespunztoare. Tensiunea de re!erin5 =7 ,< este preluat de la dioda Zener intern de 2( ; =coe!icient termic ,,1E?[C< prin intermediul unui poten5iometru cu a+utorul cruia poate !i re"lat la 1,, m; =pentru "ama de 2,, m;< sau la 1 ; =pentru "ama de 2 ;<. Dac se renun5 la re!erin5 voltmetrul poate !i utilizat ca lo"ometru =ra5iometru< cea de>a doua tensiune !iind introdus n locul lui 7 , =adic pe cursorul poten5iometrului<. $%n%ra&'r d% &ac& %&a'n
•
Di&iz#r' de 5re%&en"a
Divizoarele de !recven5 sunt circuite speciale la care in!orma5ia de intrare este considerat n "eneral !recven5a semnalului de tact iar in!orma5ia de ieire este !recven5a unui semnal "enerat. mpr5ind !recven5a de intrare la !recven5a de ieire se ob5ine raportul de divizare. Ca i observa5ie !actorul de umplere a semnalului de ieire nu neaprat este e"al cu ,%. :ste important !aptul c numrul de stri distincte prin care trece circuitul trebuie s !ie e"al cu raportul de divizare.
•
N'!ara"#r
•
De%#d#are
Decodorul este un circuit lo"ic cu mai multe intrri i mai multe ieiri care convertete semnalele de intrare codate n semnale de ieire codate codurile de intrare i de ieire !iind di!erite. n "eneral codul de intrare este construit pe mai pu5ini bi5i dec9t codul de ieire iar ntre cuvintele de cod de intrare i cuvintele de cod de ieire e-ist o coresponden5 biunivoc. Structura "eneral a unui circuit de decodare este cea din !i"ur. Intrrile de activare dac e-ist trebuie s !ie con!irmate pentru ca decodorul s realizeze coresponden5a intrare> ieire n mod normal. n caz contrar decodorul asociaz tuturor cuvintelor de intrare un sin"ur cuv9nt de cod de ieire> disabledJ =neactivatJ<. /entru semnalul de intrare cel mai !recvent se utilizeaz un cod binar de n bi5i n care un cuv9nt de n bi5i reprezint una dintre cele 2 n valori codate di!erite n mod normal N numerele ntre"i de la , la 2 n>1. 7neori codurile binare de n bi5i se trunchiaz reprezent9ndu>se ast!el mai pu5in de 2n valori. De e-emplu n codul BCD combina5iile de 4 bi5i de la ,,,, la 1,,1 reprezint ci!rele zecimale 1...) iar combina5iile de la 1,1, la 1111 nu sunt utilizate. /entru semnalul de ieire cel mai !recvent se utilizeaz un cod 1 din m care con5ine m bi5i n orice moment !iind con!irmat unul dintre bi5i. st!el pentru un cod 1 din 4 cu valorile de ieire active n LI#L cuvintele de cod sunt6 ,,,1 ,,1, ,1,, i 1,,,. Dac valorile de ieire sunt active n @K\ cuvintele de cod sunt6 111, 11,1 1,11 i ,111. De%#d#r' 2inar
Decodorul binar este destinat opera5iilor de "enerare a semnalelor de selec5ie sau de implementare a !unc5iilor lo"ice mai complicate. cest tip de decodor are n intrri de cod un numr de intrri de validare i 2 n ieiri0 intrrile de validare permit activarea?dezactivarea !unc5ionrii decodorului prin trecerea ieirilor n starea inactiv.
7n e-emplu de decodor binar este S$'413( =decodor binar 1 din ( n tehnolo"ie TT@<0 n seria CMKS standard nu e-ist un decodor binar. De%#d#r' BCD(ze%i!a
cest decodor are 4 intrri i 1, ieiri corespunztoare numerelor zecimale ,...)0 codurile 1,...1% sunt invalide i nu produc activarea niciunui semnal de ieire. Decodorul BCD> zecimal este !olosit mult la comanda a!ia+elor cu tuburi indicatoare =unde !iecare ci!r are comand separat< sau la comanda unor a!ia+e de tip bar"ra!. :-emple de decodoare BCD> zecimal6 S$'442 =decodor 1 din 1, de uz "eneral n tehnolo"ie TT@< S$'4141 =decodor 1 din 1, pentru atacul tuburilor indicatoare n tehnolo"ie TT@< 4,2( =decodor 1 din 1, de uz "eneral n tehnolo"ie CMKS<. De%#d#are de %#!and/ a a5i
/entru e-tra"erea datelor binar>zecimal din numrtoarele binare i a!iarea lor n !orm zecimal se utilizeaz un decodor de comand. n !unc5ie de !orma caracterelor a!iate rezult trei tipuri principale de decodoare i anume6 decodoare pentru comanda iluminrii directe a caracterelor zecimale prin codul 1 din 1,6 decodoare pentru comanda iluminrii unor se"mente din combinarea crora rezult caractere zecimale0 decodoare pentru comanda iluminrii unor puncte n czul reprezentrii prin matrice al!anumerice. Tipul decodoarelor este determinat i de valorile tensiunilor i curen5ilor pentru comanda di!eritelor sisteme de a!ia+. st!el6 pentru comanda sistemelor de a!ia+ cu @:D>uri condi5ia principal impus decodorului este asi"urarea curentului de ieire pentru polarizarea se"mentelor valorile uzuale !iind de 2>2, m. n cazul circuitelor TT@ aceasta nu constituie o problem. Deoarece valorile tensiunii directe pe un se"ment electrolumniscent este de 1&>34 ; se impune conectarea unei rezisten5e serie la decodoarele cu circuit de ieire colector deschisJ pentru compatibilitatea cu tensiunea de alimentare de %; a circuitelor TT@. Decodoarele CMKS pot comanda sisteme de a!iare cu @:D>uri6 direct n cazul celor cu un curent de lucru de % m sau prin intermediul unor ampli!icatoare de curent n cazul unui curent mai ridicat. n prezent se realizeaz circuite inte"rate monolitice care includ at9t sistemul de a!iare @:D c9t i celelalte blocuri6 circuite de numrare memoria decodorul etc. pentru comanda sistemelor de a!ia+ cu cristale lichide se !olosesc decodoarele cu circuite CMKS care asi"ur minimizarea consumului de putere. Comanda cristalelor lichide impune un arti!iciu de schem n vederea activrii se"mentelor cu o tensiune alternativ =de la o surs au-iliar< i a producerii unei tensiuni nule pe se"mentele ce !ormeaz caracterul. Sistemul de a!iare cu cristale lichide nu se preteaz la comanda prin multiple-are din cauza !aptului c nu e-ist un pra" bine de!init de blocare i c la aceste sisteme timpul de rspuns are o valoare relativ mare. • •
•
•
•
•
Si$"e!e de a5i
!iarea numeric a rezultatelor msurrii are ca avanta+e6 posibilitatea citirii de la distan5 i nlturarea erorilor subiective de citire. 7n sistem de a!iare numeric ideal ar !i acela care ar rspunde simultan urmtoarelor cerin5e6 durat de via5 nelimitat ceea ce ar nsemna cca. 1,, ,,, ore de !unc5ionare =apro-imativ 1, ani<0 consum de putere c9t mai redus pentru a asi"ura necesitatea de alimentare autonom a aparatelor de msurat0 tensiuni de alimentare i de lucru compatibile circuitelor inte"rate i lo"icii numerice standard0 !unc5ionarea n condi5ii "rele de solicitri de natur mecanic =vibra5ii ocuri etc.<0 !unc5ionarea n limite c9t mai lar"i de temperatur =de la >%%]C la 12%]C< i n medii cu radia5ii intense0 un raport pre5 de cost?per!orman5e rezonabil. Dintre cele c9teva sisteme care au ncercat c9t ami mult s se apropie de acest model ideal cele care s>au impus n prezent !iind acum aproape n mod e"al utilizate sunt a!ia+ele cu @:D i cu cristale lichide. •
•
•
•
•
Si$"e!' de a5i
Diodele electroluminiscente =@:D< sunt dispozitive semiconductoare cu +onc5iune p>n care emit radia5ii n spectrul vizibil atunci c9nd sunt polarizate direct. Caracterele prin care se !ace a!ia+ul sunt aezate ntr>un sin"ur plan realizrile practice !iind !ie cu ' se"mente =pentru a!iarea ci!relor ,...) i a literelor b c d : 8 L I @ / S 7< !ie cu o matrice de puncteJ =circulare sau ptratice< de %-' sau 4-' elemente pentru orice a!iare al!anumeric. Conectarea diodelor n cazul a!irii cu ' se"mente se !ace cu anodul sau catodul comun iar comanda de la decodor se aplic la catozi respectiv la anozi. n cazul matricelor se realizeaz conectarea pe coordonate =coloane i r9nduri< unde sunt le"a5i mpreun anozii de pe o coloan i catozii diodelor de pe un r9nd. @a aceast dispunere se reduce numrul conductorilor din elementul de a!iare cu reversul ei N complicarea decodorului de comand ceea ce pe ansamblu este avanta+os. /er!orman5ele tipice ale sistemului de a!iare cu elemente @:D sunt urmtoarele6 compatibilitatea cu circuitele inte"rate TT@ i CMKS0 !unc5ionare stabil n domeniul de temperatur ,>',]C i pentru anumite tipuri n limitele >%%>1,,]C0 durata de via5 mai mare dec9t 1,, ,,, ore0 nl5imea caracterelor 2% la 1% mm pentru care se a+un"e la un consum mediu de &, la 2(, m\?caracter =cu toate se"mentele polarizate<0 culoarea luminii emise6 roie =pentru citirile mai rar e!ectuate de acelai operator pentru indicarea valorilor de aten5ie sau pentru citirea de la o distan5 mai mare< verde =cea mai convenabil pentru ochi deci necesar n citirile repetate i ndelun" privite< sau "alben =pentru citirile n spa5iile mai ntunecoase<. Cromatica radia5iilor emise de un @:D n • •
• •
•
spectrul vizibil depinde prin lun"imea sa de und de raportul dintre numrul impurit5ilor donoare =de e-emplu arsen< i numrul celor acceptoare =de e-emplu "aliu< din +onc5iunea p>n.
Si$"e!' de a5i
Cristalele lichide asi"ur posibilitatea a!ia+ului pe ecrane cu date multiple cu consum mic de putere =zeci de U\< potrivit pentru aparatele electronice de msurat portabile. Sistemele de a!iare cu cristale lichide pot !i realizate n dou moduri de !unc5ionare6 prin transmisie sau prin re!lec5ie =cel mai rsp9ndit< n ambele cazuri cristalul lichid !iind nchis ermetic ntre doi electrzi =supor5i< cu o structur de !orma celei din !i"ur =o schi5 a unei celule de a!ia+ de baz<.
n cazul !unc5ionrii prin transmisie ambii electrozi sunt transparen5i i lumina unei surse au-iliare ptrunde dinspre electrodul posterior perpendicular pe direc5ia de observare. @a !unc5ionarea prin re!lec5ie =cazul din !i"ur< electrodul postrior este opac i re!lect lumina care vine dinspre observator. ici vizualizarea se !ace prin utilizarea e!ectului di!uzrii dinamice a luminii cu celule de baz precum cea din !i"ur care este !ormat din dou plci>suport transparente ntre care se "sete cristalul lichid i de care N pe !e5ele interioare N sunt !i-a5i electrozii conductori =din o-izi de staniu<. ceti electrozi conductori sunt n contact direct cu cristalul lichid. n absen5a di!eren5ei de poten5ial ntre electrozi un !ascicul de lumin care ptrunde n celul prin electrodul transparent !rontal va !i di!uzat napoi =spre observator< ntr>un con !ascicular cu un un"hi mic =%>1%]<. Dac se aplic o di!eren5 de poten5ial =continu sau de +oas !recven5< de c95iva vol5i atunci peste un anumit pra" =%>' ;< lumina va !i di!uzat puternic n !a5 ntr>un con !ascicular de &,>(,] =un"hi la v9r!<. st!el6 dac ntre electrozii celulei tensiunea este 7, di!uzia nu apare i celula va !i nea"r0 pentr 7^ =%>' ;< di!uzia luminii va !i puternic i celula va apare alb. /arametrii tipici a!ia+ului cu cristale lichide sunt6 consum !oarte mic de putere =3%, U\ pentru o celul cu ' se"mente?electrozi N toate activate la o nl5ime a caracterului de cca. 2, mm<0 compatibilitatea cu circuitele CMKS0 •
•
•
• • • •
•
!unc5ionare n c.a. de +oas !recven5 =alimentarea n c.c. av9nd nea+unsul scurtrii duratei de via5<0 domeniu de temperatur restr9ns =,>&,]C<0 durat de via5 redus =cca. 1, ,,, ore<0 timp de rspuns relativ mare =cca. 1, ms<0 pre5ul de cost mai ales la produc5iile de mare serie =peste 1,, ,,, de buc5i< este !oarte mic0 citirea de la distan5 este mai di!icil.
>
Cara%"eri$"i%ie "!e"r''i Cara%"eri$"i%i de in"rare •
•
•
depinde mult de clasa de precizie a aparatului6 voltmetrele numerice standard =clasa ,1< !olosesc mai ales circuitul de intrare cu trei borne iar cele de nalt precizie =clasa ,,1 N ,,,1< utilizeaz intrarea cu circuit de "ard0 aceste tipuri de intrri asi"ur o impedan5 de intrare !i- de 1, N 1,, MR si o re+ec5ie de mod comun =*MC< de cca. (, N 14, dB. *+ +n&r-r++
*%n.+n%a ma/+m- adm+.- % +n&rar% reprezint
valoarea ma-im a tensiunii ce poate !i aplicat ntre bornele de intrare =de obicei notate L i @< sau ntre una din acestea i mas n condi5ii normale de !unc5ionare =aparatul conectat la obiectul de msurat<. Krice aparat numeric este i un "enerator de tensiuni parazite ce sunt produse de ctre circuitele n comuta5ie =prin e!ect di?dt<0 aici un loc principal l ocup baza de timp ="eneratorul de tact i blocul de secven5iere<. ceste tensiuni parazite pot deveni supratoare atunci c9nd operatorul !ace msurri n scheme cu dispozitive sensibile =de e-emplu tranzistoarele cu e!ect de c9mp i circuitele inte"rate CMKS<. De aceea n literatura de catalo" =adesea< se speci!ic i nivelul parazi5ilor la bornele de intrare. In0%c+a d% ara++ 3n 'b+%c& d% ma.r-4
Datorit speci!icului a!irii "amele de lucru ale unui voltmetru numeric =tensiuni la capt de scar< sunt n succesiune decadic =,20 20 2,0 2,,0 ...< i nu din 1, n 1, dB =10 30 1,0 Y< ca n cazul celor analo"ice. :-ist multimetre numerice cu schimbare manual sau cu schimbare automat a "amelor.
•
$am%% d% m-.r-4
•
"c5+mbar%a a&'ma&- a 6am%'r (a&'ran6+n6)
este un procedeu modern care permite trecerea automat a voltmetrului numeric de la o "am in!erioar la una superioar i
invers de ndat ce 7 - depaete o anumit limit prestabilit. Selectorul automat de "ame permite ca aparatul s se plaseze sin"ur n situatia optim n privin5a preciziei =ci!ra cea mai semni!icativ a rezultatului msurrii s !ie plasat mereu n ultima decad< ceea ce permite n plus i o cretere a vitezei de lucru precum i un con!ort sporit pentru operator.
Cara%"eri$"i%i de "ran$5er Rez#'0ia
cea mai mic varia5ie a lui 7 - ce poate !i citit pe "ama respectiv0 de e-emplu la un voltmetru numeric cu a!ia+ de 3 _ ci!re pe "ama de ,2 ; rezolu5ia este de 1,, U; iar pe cea de 2; este 1 m;. /rin urmare rezolu5ia corespunde intervalului dintre dou valori consecutive ale ci!rei ultimului ran" > ci!ra cea mai pu5in semni!icativ N indi!erent de "am. De aceea n literatua de catalo" rezolu5ia se e-prim adesea n E din "am0 de e-emplu n cazul citat rezolu5ia este ,1 E din "am. n literatura de catalo" prin .%n.+b++&a&% se n5ele"e valoarea cea mai mic a lui 7 - care poate !i msurat pe "ama cea mai sensibil0 de e-emplu la voltmetrul numeric citat mai nainte sensibilitatea este de 1,, U; valoare ce coincide i cu rezolu5ia pe "ama respectiv. •
Pre%izia
Datorit !aptului c voltmetrele numerice sunt aparate de nalt precizie precum i !aptului c au unele blocuri nent9lnite la voltmetrele analo"ice =convertor ?$ numrtor etc.< considerm util a analiza mai pe lar" acest parametru de calitate M'd d% %/r+mar%. Ca parametru de catalo" precizia voltmetrelor numerice se certi!ic prin eroare tolerat0 aceasta reprezint eroarea ma-imal admis n conditii de re!erin5 i se e-prim n una din !ormele6 71= a8c& b8c. 72= a8c& b9UUR:
adic aE din valorea citit =ct< F bE din "am =cs< respectiv aEct F b unit5i ale ultimului ran" =77*<. /rima rela5ie se utilizeaz n cazul voltmetrelor numerice mai vechi =1)'%Y1)(,<0 de e-emplu voltmetrul rom9nesc : ,3,2 are 1 ,1Ect F ,1Ecs. *ela5ia a doua se utilizeaz pentru caracterizarea voltmetrelor numerice de dat mai recent =1)(%Y1))%<0 de e-emplu voltmetrul (%,& =8@7P: 1)),< cu a!ia+ & _ ci!re =1.)))))))< are eroarea tolerat de 1 ,.,,1%Ect F (W77*X pe "ama de 2 ;. :roarea aEct provine n principal de la blocurile analo"ice =DT< iar bEcs =respectiv bW77*X< este datorat blocurilor numerice =convertor ?$ numrtor< motiv pentru care a i b se mai numesc %r'ar% ana'6+c- i %r'ar% nm%r+c-. De observat c n literartura recent de catalo" n locul denumirii de eroare se utilizeaz termenul precizie =uneori precizie de baz<. N'rmar%a %r'r++ &'%ra&%4 Ca i n cazul aparatelor de masur analo"ice eroarea tolerat =admisibil< se normeaz n raport cu eroarea de baz = b< i cu eroarea suplimentar = s< n corela5ia6
s ` b ` 1 aEct F bEcs Er'ar%a d% ba- este eroarea intrinsec a voltmetrelor numerice n condi5ii de re!erin5 =temperatur de 23[C F> 1[C etc.< i provine din urmtoarele cauze6 eroarea datorat rezolu5iei =numit i eroare de cuantizare<0 deriva re!erin5ei interioare de tensiune =Zener sau \eston<0 deriva n timp i cu temperatur a componentelor0 neliniarit5ile din blocurile analo"ice i numerice0 ambi"uitatea de F>1 ci!r la numrare =comparare numeric<0 z"omotele =interne sau e-terne<0 eroarea de indicare a valorii zero =voltmetrul nu indic zero c9nd bornele de intrare sunt n scurtcircuit<0 varia5ia tensiunii de alimentare =ce poate provoca i alunecarea !ecven5ei de tact<. • • • • • • •
•
C'nd+++% d% r%;%r+n- sunt
prescrise prin standarde i sunt alese ast!el ncat varia5iile !actorilor de in!luen5 =temperatura umiditatea c9mpurile electrice i ma"netice perturbatoare !orma curbei 7- tensiunea de alimentare perturba5iile de mod comun i mod serie< s aib un e!ect ne"li+abil asupra aparatului. Va'ar%a %r'r++ &'%ra&% = 1< se stabilete ast!el6 se determin e-perimental componentele
aEct i bEcs ale erorii de baz = b<0 dup aceea valorile acestor componente se rotun+esc superior ast!el ca valorile ob5inute s !ie e-primabile printr>o sin"ura ci!r semni!icativ0 de e-emplu ,,42Ect se rotun+ete la ,,%Ect. ;alorile rotun+ite n acest mod reprezint tocmai cele dou componente ale lui 1. =s< sau varia5ia provine din varia5ia unui sin"ur !actor de in!luen5 ceilal5i !iind men5inu5i la nivelele de re!erin5 motiv pentru care s se mai numete i %r'ar% d% +n;%n-. 8actorul de in!luen5 cel mai proeminent este
•
S"a2ii"a"ea
Stabilitatea reprezinta aptitudinea unui voltmetru numeric de a da o indica5ie reproductibil ntr>o anumit perioad de timp n care mrimea de msurat =7 -< rm9ne constant. @a voltmetrele numerice de inalt precizie stabilitatea constituie un parametru de catalo" care se normeaz n dou circumstan5e6 pe termen scurt =24 ore< i pe termen lun" =), zile<.
"&ab++&a&%a % &%rm%n .cr& corespunde
abaterii ma-ime ce poate aprea n indica5ia voltmetrului numeric n condi5ii de re!erin5 =temperaura 23 [C F> 1 [C etc.< timp de 24 de ore interval de timp n care nu sunt admise nici un !el de re"la+e. "&ab++&a&%a % &%rm%n n6 stipuleaz abaterea ma-im a indica5iei voltmetrului numeric ce poate aprea ntr>un interval mai mare de timp =tipic ), zile< n condi5ii normale de lucru !r ca aparatul s !ie reetalonat. n acest interval de timp sunt permise i re"la+e =de zero de capt de scar etc.< e!ectuate numai pe baza re!erin5elor interne ale aparatului !r utilizarea unor aparate de msur e-terioare. •
Vi"eza de '%r'
;iteza de lucru a aparatelor de msur numerice se e-prim de re"ul prin numrul de msurri pe secund. cest numr se determin pe baza duratei totale a unei msurri ce nsumeaz timpul de rspuns i timpul de msur. *+m d% r-.n.. n mod normal timpul de rspuns sau timpul de stabilire a intrrii este mic n raport cu timpul de msur. ns c9nd voltmetrul este prevzut a lucra cu !iltru pe intrare =pentru atenuarea z"omotelor< timpul de rspuns crete mult i poate chiar depai timpul de msur0 n acest caz trebuie ateptate c9teva cicluri complete de msur pentru ca tensiunea de la intrarea convertorului ?$ s atin" nivelul tensiunii de msurat =7 -<. ceeai precau5ie este necesar i la schimbarea "amelor sau la varia5ii brute ale lui 7 - . De observat c acest timp de ateptare este cu at9t mai lun" cu c9t voltmetrul este mai precis. Cara%"eri$"i%i de ie
Ti1' a5i
paratele de msur numerice de tablou utilizeaz a!iarea decadic simpl =de e-emplu )))< iar cele de laborator a!iarea decadic cu depire =de e-emplu 1.)))<. @a aceasta din urm mai poate !i asociat o a!iare analo"ic ansamblul respectiv purt9nd numele de a!ia+ combinat. /rincipalele tehnici de a!iare sunt $i-ie @:D>uri i cristale lichide. A;+a0 c d%a+r% este a!ia+ul cel mai utilizat la multimetre i este !ormat din 3Y' decade normale =a!iarea ci!relor ,1Y)< i un element de depire care poate a!ia numai polaritatea i ci!ra 1. @a voltmetrele de buzunar =precizie mic< se utilizeaz a!ia+ele 1))) i 1)))) denumite prescurtat a!ia+e cu 3 _ ci!re i respectiv 4 _ ci!re iar la voltmetrele numerice de laborator =nalt precizie< se utilizeaz a!ia+e cu % _ Y' _ ci!re. vanta+ul esen5ial al a!irii cu depire const n e-tinderea cu 1,,E a scrii ceea ce permite ameliorarea rezolu5iei =i a preciziei de msurare< la trecerea de pe o "am pe alta.
B#rne de ie
Ca i n cazul voltmetrelor analo"ice ieirile de semnal permit e-tinderea "radului de utilizare a voltmetrelor numerice precum i o mai uoar inte"rare n diverse sisteme de msur. Tehnolo"ic bornele de ieire cu semnal util sunt plasate de re"ul pe panoul din spatele
aparatului iar semnalul disponibil la aceste borne poate !i analo"ic sau numeric0 e-ist i voltmetre numerice care dispun de ambele tipuri de semnale. #'rn% d% +%+r% c .%mna ana'6+c4 @a aceste borne sunt dsponibile !ie o tensiune =tipic 1 ;< !ie un curent =tipic 1 m< propor5ionale cu 7 - semnale ce pot servi la comanda unui nre"istrator sau a altui aparat de msur. Semnalul pentru ieirea analo"ic este prelevat de la ieirea ampli!icatorului de intrare. :-ist i voltmetre numerice =din multimetre< la care ieirea de semnal analo"ic este izolat ="alvanic< de restul voltmetrului izolare ce se ob5ine prin prelevarea semnalului de la ieirea convertorului ?$ separare "alvanic =de re"ul optic< si reconvertirea acestuia cu a+utorul unui convertor $?0 o solu5ie tot mai nt9lnit este utilizarea ampli!icatoarelor de izolare ce preiau direct semnalul analo"ic de la intrarea convertorului ?$. K ast!el de izolare permite atenuarea in!luen5ei tensiunilor de mod comun tensiuni care pot aprea ntre intrarea 7 - i echipamentul de la ieirea analo"ic. #'rn% d% +%+r% c .%mna nm%r+c4 Semnalul numeric !urnizat la ieire poate !i utilizat pentru comanda unei imprimante =tiprirea valorilor lui 7 -< sau la inte"rarea aparatului ntr>un sistem de msur automat. cest tip de ieire se ntalnete la aparatele cu microprocesor i se aliniaz de obicei la un standard de comunica5ie pentru instrumenta5ie =de e-emplu *S>232 pentru transmisia serial sau I:::>4(( pentru transmisia paralel<.
S"'di' 1rin%i1ae#r 2#%'ri de e8e%'0ie
•
A5i
Dei utilizate pe scara lar" in aparatura de laborator a!ia+ele cu @:D>uri tind s !ie nlocuite de cele cu cristale lichide deoarece acestea din urma prezint unele avanta+e importante mai ales n construc5ia aparatelor de msur portabile6 consum mult mai sczut =zeci de U\ !a5 de zeci de m\<0 tehnolo"ie mai simpl i mai ie!tin0 un"hi mare de vizibilitate n toate direc5iile. • • •
cestea le>au impus n ultimul timp at9t n aparatele de buzunar =multimetre calculatoare< c9t i n construc5ia altor aparate de msur portabile =cleti ampermetrici termometre cronometre<. @a baza acestei !amilii de a!ia+e stau o serie de substan5e or"anice =de e-emplu clorhidratul de colesterol< cu proprietti speciale numite cr+.&a% +c5+d%4 Cristalele lichide reprezint o stare intermediar ntre starea lichid i cea solid a materiei. u mobilitate ridicat asemntoare lichidelor precum i un anumit "rad de ordonare a moleculelor datorit cruia se mani!est propriet5ile optice =anizotropie< speci!ice moleculelor cristaline. Ca te-tur cristalele lichide pot !i6 n%ma&+c%, .m%&+c% i c'%.&%r+c%. Toate aceste trei tipuri de cristale sunt alctuite din molecule alun"ite paralele ntre ele deosebirea const9nd n "ruparea i mobilitatea relativ a moleculelor.