Aparate de masurat digitale

1. Generalitati.

1.1.Proprietati.

1.2. Utilizari.

1.3.Principiul de functionare.

1.4. Metode de masurare.

2. Partile componente ale aparatelor digitale.

2.1. Numaratorul.

2.2. Decodorul (decodificatorul) .

2.3. Dispozitivul de afisare.

3. Multimetrul digital.

4. Frecvenţmetru digital de 1MHz.

5. Voltmetru numeric (digital).

6. Voltmetru digital cu convertor analog-digital cu compensare cu tensiune crescatoare in trepte.

7. Voltmetre digitale cu rampa în trepte.

Bibliografie.

1

1. Generalitati

Studiul aparatelor de măsură este deosebit de important, 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.

Aparatele de măsură pot fi clasificate, având în vedere 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).

1.1.Proprietati

Avantaje:

- elimina erorile de citire (erori de scara, erori subiective, erori de calibrare, erori de paralaxa);

- precizia de masurare foarte mare (10-5…10-6), 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;

2

- 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 automate.

Dezavantaje:

- complexitate mare;

- cost ridicat.

1.2. Utilizari

Datorita performantelor sunt utilizate la:

- masurari de precizie in laborator;

- masurari in procesele industrial de automatizare;

- masurari cu transmiterea rezultatelor la distanta;

- masurari cu inregistrari numerice in procesele industrial;

- masurari cu prelucrarea rezultatelor pe calculator;

- controlul si supravegherea centralizata in procesele industrial.

1.3.Principiul de functionare

3

Principiul de funcţionare al unui aparat digital de măsurare constă în transformarea mărimii de măsurat cu variaţie continuă în timp, în semnale digitale, prelucrarea specifică a acestora şi afişarea sub o formă numerică.

Un semnal digital este un semnal cu 2 nivele, “0” şi “1”, informaţia fiind reprezentată prin prezenţa unuia sau a altuia din cele 2 nivele.

Convertorul analog digital transformă un semnal analogic într-unul digital.

Operaţia de prelucrare numerică cuprinde următoarele etape:

- cuantificarea semnalului, care reprezintă operaţia de divizare a semnalului în “cuante” (cantităţi egale, de o anumită valoare);

- codificarea, care reprezintă operaţia de asociere a unor valori numerice la cuantele obţinute (codificarea binară operează cu nivelele “0” şi “1”, care corespund unor niveluri de tensiune continue ( ex. 0V şi 5V);

- afişarea, care reprezintă operaţia de prezentare a rezultatului sub formă de cifre, cu ajutorul indicatoarelor optoelectronice de tip LED sau LCD.

Discretizarea-este operatia de transformare a variatiei continue a marimii

de masurat intr-o variatie in trepte. Ea seface atat in timp, cat si in nivel (amplitudine).

Discretizarea in timp consta in esantionarea marimii de masurat, masurarea

efectandu-se la anumite intervale de timp.

4

Discretizarea in nivel sau coantificarea in transformarea variatiei continue

a marimii de masurat intr-o variatie in trepte, care reproduc cu o anumita aproximatie variatia continua.

Rezolutia aparatului- reprezinta dintre doua trepte succesive de nivel (ex: A2

– A1). Este o caracteristica metrologica a paratelor digitale care inlocuieste notiunea de prag de sensibilitate intalnita la aparatele analogice.

Intervalul de esantionare reprezinta timpul dintre 2 masurari succesive. Eroarea de discretizare reprezinta diferenta dintre valoarea marimii continue

de masurat si valoarea masurata digital (in acelasi moment).

-eroarea de discretizare nu poate fi mai mare decat rezolutia aparatului;

- eroarea de discretizare este cu atat mai mica cu cat treapta intervalului de esantionare este mai mica.

Codarea (codificarea) consta in atribuirea unei valori numerice, treptei de

nivel corespunzatoare marimii masurate si exprimarea acestei valori in sistem de numeratie binar sau binar-zecimal.

1.4. Metode de masurare

Masurarea directa- consta in convertirea marimii de masurat direct intr-un

numar de impulsuri proportional cu valoarea marimii de masurat, impulsuri ce sunt codate, numarate, decodate, iar in final se afiseaza numeric marimea masurata. Prin aceasta metoda se masoara timpul si frecventa. Masurarea directa a altor marimi (tensiune, intensitate a curentului, temperatura, presiune) se face transformand aceste marimi in timp sau frecventa.

Masurarea prin compensare- consta in compararea succesiva a marimii de

masurat cu o marime de referinta de aceeasi natura variabila in trepte sau prin aproximari succesive.

Masurarea mixta- este o combinatie intre masurarea prin compensare si

5

masurarea directa. Aceasta metoda asigura: viteza mai mare de masurare, sensibilitate mare, precizie ridicata.

2. Partile componente ale aparatelor digitale

Desi sunt de o mare diversitate au blocurile functionale commune conectate intre ele .

- Circuitul de intrare- prelucreaza marimea de masurat pentru a obtine o

marime convenabila la intrarea convertorului.El asigura impedanta de intrare foarte mare si poate fi:

-amplificator cu mai multe etaje, pentru marimi de masurat mici;

-atenuator pentru marimi de masurat prea mari;

-redresor cand marimea de masurat este alternativa.

- Convertorul analog-digital ( CAD ) – transforma marimea analogica de la intrare intr-o marime digitala (o serie de impulsuri) prin operatia numita discretizare.

- Numaratorul- numara impulsurile de la iesirea convertorului in sistem de numeratie binar sau binar-zecima.

- Decodorul- decodifica rezultatul masurarii, adica transforma rezultatul masurarii din binar, sau binar-zecimal in sistem zecimal.

- Dispozitivul de afisare- afiseaza numeric rezultatul masurarii.

- Blocul de alimentare- alimenteaza celelalte blocuri functionale.

- Blocul de comanda- comanda functionarea automata a celorlalte parti componente.

2.1. Numaratorul

6

Este format dintr-un lant de celule elementare de numarare (blocul de numarare), numarul acestora fiind dependent de sistemul de numeratie folosit. -Celula elementara de numarare este o celula binara realizata dintr-un circuit basculant bistabil.Are doua stari distincte si poate numara un singur impuls. Circuitul basculant este un dispozitiv electronic, cu doua stari distinct, ambele stabile. Este folosit ca element de comutatie, putand trece brusc (prin basculare) dintr-o stare in alta in urma primirii unei comenzi din exterior, si ca element de memorie, putand ramane oricat intr-o anumita stare daca i se aplica o comanda exterioara in acest sens. - Blocul de alimentare se obtine prin legarea in cascada a mai multor cellule elementare de numarare.Ex: numerator binar cu 4 celule.Prin legarea in cascada a “n” celule se obtine un numerator care pune in evident 2n stari distincte si care poate numara pana la 2n-1. Regula de functionare a unui bloc de numarare este urmatoarea: prima celula isi schimba starea la fiecare impuls aplicat la intrare, fiecare dintre celalalte celule din lant isi schimba starea numai cand bistabilul precedent trece din starea 1 in starea 0.

2.2. Decodorul (decodificatorul)

Transforma informatia dintr-un sistem de numeratie in altul.Cel mai raspandit decodificator este decodorul NBCD. Pentru a decodifica din binary-zecimal in sistem zecimal este necesar ca pentru fiecare tetrad sa existe un decoder care sa primeasca semnalele de la cele patru celule binare sis a aiba iesiri corespunzatoare celor 10 cifre ale sistemului zecimal. Decodoarele sunt realizate cu circuite logice.

- Circuite logice – sunt circuite de comutatie cu doua stari stabile care corespund celor doua valori 0 si 1. Sunt realizate pe baza functiilor logice.- Circuitul SAU (suma logica) – este un circuit cu doua sau mai multe intrari si o singura iesire. Iesirea este in starea 1 cand cel putin una dintre intrari este in starea 1.- Circuitul SI (produs logic) – este un circuit cu doua sau mai multe intrari si o singura iesire. Iesirea este in starea 1 numai daca toate intrarile sunt in starea 1.- Circuitul NU (circuit inversor ) – are o singura intrare si o singura iesire. Iesirea circuitului este intotdeauna in starea opusa intrarii.

7

- Circuitul SAU- Nu (nici) – este un circuit SAu combinat cu un inversor cu mai multe intrari. Este circuitul SAU negat.- Circuitul SI-NU (numai) – este un circuit SI combinmat cu un inversor.Circuitele logice pot fi realizate cu diode semiconductoare si rezistente cu tranzistoare si rezistente sau cu tranzistoare si diode.

2.3. Dispozitivul de afisare

Dispozitivul de afisare este comandat de semnalul de la iesirea decodorului si afiseaza numeric masurarea. Cele mai frecvente dispozitive de afisare sunt:

- dispozitive de afisare cu tuburi NIXIE (digitroane);- dispozitive de afisare cu dide electroluminiscente (LED-uri);- dispozitive de afisare cu cristale lichide.

Tuburile Nixie – sunt tuburi de gaz care au 10 catozi si un anod.Catozii sunt confectionati dintr-un conductor subtire din crom-nichel si au forma unor simboluri zecimale de la 0 la 9. Sunt asezati unul in fata celuluilalt, iar latimea de luminiscenta este mai mare decat grosimea conductorului din care este confectionat catodul.Au dezavantajul ca tensiunea de aprindere este de circa 170V.

Diode electroluminiscente (LED)- sunt diode semiconductore cu proprietatea de a emite lumina cand sunt in stare de conductie.In functie de semiconductorul folosit lumina poate avea diferite culori( rosu, galben, portocaliu).

Cristale lichide – sunt substante aflate intr-o stare intermediara intre solid si lichi, curg precum lichidele si au structura precum cristalele.Au proprietatea ca sub actiunea campurilor magnetice sau electrice isi schimba transparenta sau culoarea.Grosimea stratului de lichid este cuprinsa intre 6μm-25μm.Aceste dispozitive au urmatoarele avantaje:

- consum de energie foarte mic;- tensiune de alimentare mica (cativa volti);- dimensiuni reduse;- cost redus

8

3. Multimetrul digital

Mutimetrul digital poate măsura mai multe tipuri de mărimi electrice. În cadrul laboratoarelor, acest aparat se va utilliza pentru măsurarea:

valorii rezistenţelor – în acest caz aparatul se utilizează ca ohmetru;

valorii tensiunilor continue – în acest caz aparatul se utilizează ca voltmetru.

Multimetrul digital care va fi utilizat în cadrul lucrărilor de laborator este prezentat în Figura 1. Panoul frontal al aparatului este divizat în mai multe secţiuni, care delimitează tipul mărimii electrice măsurate. Tipul mărimii electrice care urmează a fi măsurate se selectează din comutatorul 1 . În cadrul fiecărei secţiuni sunt indicate mai multe valori numerice – acestea se numesc game de măsură. Mărimea electrică vizată se măsoară introducând în circuit testerele aparatului (aşa cum se va preciza mai jos), conectate la bornele acestuia: testerul roşu la borna “+”, iar testerul negru la borna “-”. Valoarea mărimii electrice măsurate este precizată pe ecranul aparatului. În cadrul valorii afişate, punctul indică virgula.

a. Măsurarea rezistenţelor se realizează astfel:

1. comutatorul aparatului trebuie poziţionat în dreptul gamei de măsură maxime, indicată prin valoarea 2000k, din secţiunea indicată prin simbolul Ω sau prin textul Ohm;

2. se scoate rezistorul din circuit;

3. se aplică testerele aparatului, fiecare pe câte un terminal al rezistorului;

4. se citeşte valoarea rezistenţei pe ecranul aparatului; în cazul în care valoarea indicată pe ecran nu este suficient de precisă (lipsesc zecimalele), se selectează din comutatorul 1 gama de măsură de valoare imediat inferioară (de exemplu, 200k). Procedeul se repetă până când valoarea indicată pe ecran este suficient de precisă (conţine zecimale).

5. valoarea indicată pe ecranul aparatului depinde de gama de măsură selectată:

a. pe gamele indicate cu litera k, valoarea rezistenţei este indicată în kiloohmi;

b. pe gamele indicate numai cu valori numerice (fără alte litere), valoarea rezistenţei este indicată în ohmi.

9

b. Măsurarea tensiunilor contiue se realizează astfel:

1. comutatorul aparatului trebuie poziţionat în dreptul gamei de măsură maxime, indicată prin valoarea 1000, din secţiunea indicată prin simbolul V= sau prin textul DCV;

2. se aplică testerele aparatului, în PARALEL cu elementul de circuit de pe care se măsoară tensiunea, cu testerul conectat la borna “+” a aparatului (testerul roşu) la potenţialul superior al tensiunii măsurate şi cu testerul conectat la borna “-” a aparatului (testerul negru) la potenţialul inferior a tensiunii măsurate (în cadrul laboratoarelor, se va indica de fiecare dată modul în care trebuie conectat voltmetrul în circuit);

3. se citeşte valoarea tensiunii continue pe ecranul aparatului; în cazul în care valoarea indicată pe ecran nu este suficient de precisă (lipsesc zecimalele), se selectează din comutatorul 1 gama de măsură de valoare imediat

10

inferioară (de exemplu, 200). Procedeul se repetă până când valoarea indicată pe ecran este suficient de precisă (conţine zecimale).

4. valoarea indicată pe ecranul aparatului depinde de gama de măsură selectată:

a. pe gamele indicate numai cu valori numerice (fără alte litere), valoarea rezistenţei este indicată în volţi.

b. pe gamele indicate cu litera m, valoarea rezistenţei este indicată în milivolţi;

4. Frecvenţmetru digital de 1MHz

Pentru lucrul în joasă frecvenţă, de multe ori se doveşte utilă folosirea unui frecvenţmetru.

Desigur uni oamenii posedă un asemenea aparat, fie industrial, fie confecţionat dupăs chema generală.

Bineînţeles, rezultatele obţinute în măsurători sunt în majoritatea cazurilor direct proporţionale cu complexitatea montajului şi acurateţea execuţiei, în cazul celor „HOME MADE”.

Afişarea se face, în majoritatea cazurilor cu 6, 7 sau 8 cifre. Consumul de energie este deobicei, peste 300mA în curent continuu, ajungând la valori impresionante la variantele T.T.L. cu 8 cifre şi diverse divizoare la intrare (de ex. 95H90, 11C90).

Montajul propus spre realizare întruneşte câteva caracteristici notabile:

- consum redus de energie;

- volum fizic redus;

- folosirea circuitelor CMOS de fabricaţie indigen;

- posibilitatea înlocuiri prin circuite TTL sau HCT în cazul în care se doreşte extinderea gamei de frecvenţe măsurabile;

- afişarea pe numai 4 cifre a informaţiei utile;

După cum se observă în schema principală se disting şase blocuri principale:

11

- divizoare de intrare;

- bază de timp cu cuarţ;

- modul de numărare-afişare;

- circuite ce furnizează semnale LE (latch) şi RST (reset);

- alimentare cu energie;

- formatoarele semnalului de intrare;

Elementul original al acestui montaj îl întâlnim în mod de numărare-afişare şi este reprezentat de C.I.-MMC22925, produs la „Microelectrica”. Acaestă capsulă DIL16, este de fapt o reproducere a unui celebru cip Naţional Semiconductor, notat 74C925.

Realizare practică Baza de timp este construită cu ajutorul unui alt circuit CMOS, respectiv 4060. Acesta conţine un oscilator, precum şi un şir de 14 divizoare binare. În cazul acestui montaj am folosit un cuarţ de 32768 Hz (214). La pinul 3 al C.I. 4060 se va obţine o divizare cu 214 un semnal de 2 Hz, cu precizia şi stabilitatea cuarţului.

Pentru a obţine semnalul util de 1 Hz pentru acţionarea corectă a modului de numărare se mai face încă o divizare cu 2 prin intermediul a ½ 490 circuit TTL divizor cu 2 şi 5.

Semnalul furnizat la ieşitrea lui 490 (1 Hz) comandă poarta construită cu D1 şi D2, a cărei ieşire atacă blocul de numărare-afişare.

Paralel se declanşează un prim monostabil cuprins în C.I.4098 (4528), al cărui impuls de ieşire este furnizat blocului de numărare la intrare LE, comandând, totodată, un al doilea monostabil a cărei ieşire furnizează impulsul necesar la intrarea RST.

Cronograma asociată funcţionări corecte a frecvenţmetrului descris până în acest moment se poate observa în fig.2.

Semnalul de intrare este format cu ajutorul porţilor NAND 1 şi 2. pentru acest loc s-a preferat varianta TTL, respectiv 74LS132. cei ce posedă, pot folosi, bineînţeles, circuite CMOS rapide, tip 74HC132.

12

Urmează o primă divizare cu 5 necesară pentru corelarea bazei de timp (1s) cu perioada electivă de măsurare efectivă a semnalului precum şi furnizarea semnalelor RST şi LE. După acest divizor, la ieşire se va face o nouă divizare cu 10. Cele două semnale :5 şi :50 ajung printr-un comutator electronic cu patru porţi NAND la intrare de numărare CLK, via D1.

Înfuncţie de poziţia întreruptorului I ce comandă în c.c. comutatorul, vom obţine două game de măsurare a frecvenţelor: 0 la 99,99 KHz şi 0 la 999,9 KHz.

După cum am arătat, elementul original al montajului este C.I. MMC22925. conform datelor (1), acesta poate măsura şi afişa până la 1 MHz frecvenţa de intrare. Rezultă deci de altfel că orce altă frecvenţă superioară acestei valori trebuie să sufere o divizare convenabilă pentru a putea fi citită.

Tensiunea de funcţionare optimă (+5V) convine şi pentru cazul folosirii unor divizoare TTL (74LS90 de exemplu) sau chiar ECL (10131 sau 95H90). Nu recomandăm folosirea pe post de prime divizoare a capsulelor CMOS normale, deoarece acestea au o alimentare de 5V şi o funcţionare corectă de cca 3 MHz.

Soluţia optimă ar reprezenta-o familia CMOS rapid (HC, HCT) ce îmbină freccvenţa de lucru gen TTL-Ls, 40-60 MHz cu consum mic al CMOS-urilor (1,5mW) şi tensiunea redusă de lucru (+5V).

În concluzie circuitele folosite depind doar de zestrea fiecărui constructor. În schema electrică de bază prezentată au figurat varianta cea mai acceptabilă, folosind TTL-LS şi CMOS normal.

Se pot folosi afişoare cu 7 segmente din producţia „Microeletrica” sau tip VQE, cu condiţia esenţială de a fi de tipul CATOD COMUN.

Sursa de alimentare de +5V prezintă probleme deosebite, având în vedere că afişarea LED cu cel mai „gurmand” regim în curent se face cu multiplexare, deci cu un regim mediu de cca 35mA.

Deci, consumul total va atinge 100mA în cele mai nefavorabile condiţii. Prin folosirea în exclusivitate a circuitelor HC şi a afişelor cu mare randament luminos, la 1-2mA pe segment, consumul poate scădea la numai 20-25mA, devenită o variantă portabilă.

Nu vom da o anume sugestie pentru cablaje, imprimate, deoarece posibilităţile multiple de adapatare la piesele disponibile, precum şi în cadrul unui complet de

13

măsurători electronice ar face improprie poate desfăşurarea unui anumite forme sau suprafeţe.

5. Voltmetru numeric (digital)

Afişarea numerică a tensiunii măsurate rezolvă problema erorilor de citire, dar implică o conversie analog-numerică. Deşi mărimea care se pretează cel mai bine conversiei analog-numerice este tensiunea continuă, prin conversia corespunzătoare la intrarea, aparatele digitale au devenit aproape universale putând măsura tensiuni şi curenţi în curent continuu, tensiuni şi curenţi în curent alternativ, frecvenţă şi impedanţe, etc.).

Un avantaj al aparatelor numerice este acela că pentru manevrarea lor nu este necesară o specializare a personalului, ele având un mod de utilizare simplu şi o capacitate de supraîncărcare de până la 100% din valoarea afişată. Schema generala a unui voltmetru digital este prezentată în figura 2.

Gama de bază a voltmetrului este de 0-1V sau 0-10V; pentru gama de bază

amplificatorul din blocul de intrare are factorul de amplificare 1, iar impedanţa de intrare este cea mai mare (de ordinul G ) având precizia de funcţionare cea mai ridicată. Pentru domenii mai mici amplificarea este supraunitară, iar pentru domenii mai mari se utilizează divizoare de tensiune care determină scăderea impedanţei de intrare. Blocul de intrare furnizează la ieşire o tensiune continuă proporţională cu mărimea de măsurat.

14

Fig.2. Schema bloc a voltmetrelor numerice

Blocul specific, considerat cel mai important este convertorul analog-numeric, care, prin compararea tensiunii de intrare cu tensiunea de referinţă generează, pe baza unui cod, o succesiune de impulsuri ce sunt aplicate numărătorului. Există mai multe moduri de realizare a conversiei şi mai multe criterii de clasificare a convertoarelor.

Clasificarea convertoarelor determină şi clasificarea voltmetrelor numerice. Cel mai general criteriu este: voltmetre integratoare şi voltmetre neintegratoare.

Voltmetrele neintegratoare eşantionează tensiunile de măsurat şi furnizează valoarea instantanee în momentul eşantionării, are viteza de lucru foarte mare, dar are nevoie de filtrare tensiunii măsurate ceea ce reduce de fapt viteza de măsurare (datorită constantei de timp a filtrului).

Voltmetrele integratoare, care măsoară valoarea medie pe un interval de timp a tensiunii de intrare, intervalul de timp fiind de 20ms sau multiplu de 20ms pentru rejecţia perturbaţiei pentru 50Hz. Timpul de măsurare creşte (se pot realiza maxim 10 măsurări pe secundă), dar prezintă avantajul rejecţiei perturbaţiilor de 50Hz fără a fi necesare filtre suplimentare.

Numărătorul numără impulsurile primite de la convertor. La ieşire este generată valoarea numerică a tensiunii măsurate realizându-se şi conversia de cod necesara.

6. Voltmetru digital cu convertor analog-digital cu compensare cu

tensiune crescatoare in trepte

Elemente componente:

convertorul analog-digital contine un comparator, un circuit poarta si un convertor digital-analog;

comparatorul compara tensiunea de masurat cu tensiunea de referinta variabila in trepte, generata de convertorul digital-analog

numaratorul numara impulsurile primite si comanda convertorul digital -analog;

rezultatul este decodificat si afisat numeric.

15

Functionarea Se bazeaza pe compararea tensiunii de masurat cu o tensiune de referinta variabila generata in interiorul aparatului de masurat digital de un convertor digital-analog.

convertorul primeste de la un bloc numeric o serie de impulsuri si da la iesire o tensiune ce variaza in functie de nr. impulsurilor primite;

tensiunea generata de convertorul digital-analog poate sa varieze in trepte sau prin aproximatii succesive;

16

circuitele bistabile B1, B2, B3, B4 sunt in starea zero a.i. U de referinta este zero (starea initiala)

cand Ux<Uref circuitul comparator deschide poarta prin care incep sa treaca spre registrul numeric impulsurile de la generatorul de tact;

cat timp Ux > Uref comparatorul comanda deschiderea circuitului poarta prin care trec impulsurile de la generatorul de tact spre numarator;

cand tensiunea de referinta egaleaza tensiunea de masurat comparatorul comanda inchiderea circuitului poarta;

cat timp poarta a fost deschisa au trecut spre numarator impulsuri care au fost numarate;

numaratorul a comandat si convertorul digital-analog a.i. valoarea tensiunii de referinta depinde de nr. impulsurilor care au trecut prin poarta;

rezultatul numararii indica valoarea tensiunii de referinta si pe cea a tensiunii de masurat;

fiecarui impuls ii corespunde o treapta elementara de variatie a tensiunii de referinta, iar rezultatul numararii, decodificat, poate fi afisat numeric direct in V.

7. Voltmetre digitale cu rampa în trepte

In cazul CAN cu aproximare succesivă schema se complică datorită necesităţii obţineriiîn fiecare pas a unei tensiuni ponderate corespunzătoare bitului determinat cu care trebuie comparată tensiunea de convertit Ux.

Dacă în loc să se facă comparaţia cu un număr de tensiuni ponderate cu 2-n

(situaţie în care se obţine numărul minim de comparaţie) se face comparaţia cu un număr de tensiuni care diferă între ele printr-o anumită cantitate egala q (care va reprezenta practic rezoluţia sistemului) se va obţine o simplificare substanţiala a

17

schemei dar o mărime a timpului de conversie (numărul de comparaţie nemaifiind minim).

Un generator de tensiune în trepte poate fi obţinut dintr-un numărător cuplat cu un CNA, tensiunea la ieşirea CNA-ului fiind proporţională cu N(numărul înscris la un moment dat în numărător ) şi un q, adică:

Uc=N*q

Dacă pornind de la valoarea zero înscrisă în numărător, incrementăm numărătorul cu câte o unitate, şi facem permanent comparaţia tensiunii U c cu tensiunea Ux(de convertit) atunci când comparatorul va sesiza egalitatea vom putea exprima numeric pe Ux prin numărul înscris în acel moment în numărător, adică: Ux=N*q

In figura 3 este prezentată schema unui convertor analog numeric care exemplifică acest principiu.

Schema conţine un generator de frecventa G1, care generează impulsuri cu frecvenţa f1 ce incrementează numărătorul N, un comparator C care compară tensiunea Ux cu tensiunea de la ieşirea convertorului CNA. Cât timp UxUc ieşirea convertorului este 1 şi permite trecerea impulsurilor prin poarta P. Atunci când UxUc poarta P este blocată şi numărătorul rămâne la valoarea corespunzătoare Ux=Uc=N*q. Generatorul G2 a cărui frecvenţă f2 este mult mai mică decât a lui G1

asigură aducerea lui N în poziţia 0 şi reluarea ciclului de conversie.

Se observă că dacă notăm cu t timpul necesar incrementării lui N şi conversiei în CAN a numărului înscris şi comparării în C a lui Ux cu Uc, frecvenţa lui generatorului G1 f1<1\t. Considerând convertorul de n biţi timpul maxim

18

Fig. 3. CAN cu tensiune in trepte egale

necesar conversiei unei tensiuni 2nxt, iar frecvenţa lui G2 va trebui să fie f1/2n

pentru a asigura timpul necesar unei conversii. Rezultă de aici timpi de conversie foarte mari (de exemplu c.c.a 10 ms pentru conversie pe 12 biţi). O reducere a timpului de conversie este posibilă prin utilizarea unei scheme ca cea din figura 4.

Numărătorul N are doua intrări, o intrare care produce incrementarea acestuia cu o valoare egala cu 2n şi o intrare care-l incrementează cu o unitate. Când N=0, un circuit de comutare comandat de C1 pune G1 pe poarta P1. Când Ux-Uc<2m*q, C1 se blochează şi acelaşi circuit de comutare (nefigurat în schema) comută G1 la P2. P2 va rămâne deschisă până când Ux>Uc. În acest mod numărul maxim de trepte necesar va fi :

Nmax/2m+2m=2n-m+2m

19

Fig. 4.CAN cu tensiune în trepte neegale.

Bibliografie

1. Eugenia Isac -Măsuri electrice şi electronice , Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1991

2. ILIESCU, C. Masurari electrice si electronice. Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti, 1984.

3. Manolescu, P., Carmen Ionescu Golovanov. Masurari electrice si electronice. Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti, 1980

4. Măsurări electrice si electronice / Costin Cepişca. - Bucureşti : ICPE, 1997

5. Măsurări electronice / Mihai Antoniu, Stefan P. si Eduard Antoniu. - Iaşi : Satya, 1997 : Aparate si sisteme de măsură numerice

6. Măsurări electrice si electronice : Teorie si probleme / Cornelia Marcuţa si Mihai Creţu. - Chişinău : Tehnica-Info, 2002

7. Ing.Antoaneta Butoarca, Ing. I.Chisalita, Ing.E. Butoarca-Masurari electrice si electronice-teste si sinteze pentru bacalaureat-Editura Ager-2005

20