Universitatea POLITEHNICA din BUCURESTI

Facultatea Transporturi

Sectia Telecomenzi si Electronica in Transporturi

-PROIECT-

Instrument numeric de masurare:

Voltmetru de curent alternativ

Profesor coordinator: Studenti: Mihaela Nemtoi Huzum Andreea

Baicoianu Mihaita Daniel Grupa: 8314-2015-

Cuprins1.0 Introducere

1.1 Importana aparatelor de msur numerice. Avantaje i dezavantaje fa de aparatele analogice.

1.2 Circuite logice fundamentale utilizate n aparate numerice de msur

1.3 Principalii parametri ai circuitelor logice sunt2.0 Tema proiectului3.0 Schema bloc

3.1 Memoriu tehnic

3.2 Convertorul A/N ICL 7106

3.3 Schema de principiu si ecuatia de functionare4.0 Schema electrica5.0 Breviar de calcul

6.0 Calcul economic7.0 Cablaj

8.0 Bibliografie

1.0 Introducere

1.1 Importana aparatelor de msur numerice. Avantaje i dezavantaje fa de aparatele analogice.

Circuitele de intrare ale unui aparat numeric de masur lucreaz cu semnale analogice, dar toate celelalte blocuri lucreaz cu semnale numerice .

Semnalele analogice pot fi msurate direct cu aparate relativ simple, ns sunt sensibile la imperfeciunile cilor de transmisie i de prelucrare (pierd din precizie dup fiecare operaie deoarece informaia este grefat pe amplitudine).

Semnalele numerice sunt sub form de impulsuri i au informaia grefat pe durat i pe poziia impulsurilor n timp (semnalele numerice ofer o mai mare flexibilitate n utilizare (operaiile de calcul, numrarea, multiplexarea, transmisia se fac mult mai comod dect n analogic, iar n cursul acestor prelucrri precizia mrimii primare se conserv).

Circuitele numerice lucreaz pe principiul totul sau nimic (structuri foarte simple n circuitele de baz).

Cu circuitele numerice de baz (pori, codificatoare/decodificatoare, multiplexoare, bistabile, numrtoare, registre, operatori logico-aritmetici, automate programabile, circuite de conversie a datelor) se pot construi o mare varietate de aparate de msur.

Circuitele numerice permit implementarea de funcii din ce n ce mai complexe pe acelai cip (micorarea gabaritului aparatului de msur i reducerea preului de cost).

Viteza de lucru a unui procesor modern este de aproximativ 1000MHz (frecven de ceas).

Avantaje:

Aparatele numerice de msur pot atinge viteze mult mai mari dect cele analogice deoarece au rspunsul independent de amplitudinea semnalului ce poart mrimea de msurat(x).

Aparatele numerice de msur sunt mai robuste (rezistente la ocuri i vibraii).

Aparatele numerice de msur pot funciona n orice poziie.

Aparatele numerice de msur sunt uor integrabile n sistemele de msurare-reglare conduse de calculator.Dezavantaje:-Aparatele numerice de msur nu permit sesizarea rapid a tendinei de evoluie a mrimii de msurat(x) i nici realizarea de scri neliniare. 1.2 Circuite logice fundamentale utilizate n aparate numerice de msur-Aparatele numerice de msur au elemente i blocuri comune (FI,N,P,BC). La baza acestora stau circuite simple numite circuite logice (circuite numerice).

-Denumirea unui sistem de numeraie se face dup baza(B) utilizat.

-Sistemul de numeraie cu B=2 se numete sistem binar i este generalizat n toate sistemele numerice de calcul.

-Pe ntreg lanul de msur al aparatului numeric de msur precum i pentru comunicaiile cu echipamente periferice sau calculatoare se utilizeaz sistemul binar i numai la ieire rezultatul trebuie afiat n sistem zecimal.

-Realizarea fizic a elementelor ce utilizeaz sistemul binar are soluii practice foarte simple.

-Algebra boolean atribuie cifrelor 0 i 1 semnificaia de fals respectiv adevrat i n 1938 Shannon o aplic la studiul circuitelor de comutaie.

1.3 Principalii parametri ai circuitelor logice sunt:-Tensiunea de alimentare(Ucc(TTL)=5V;Udd(CMOS)=3..15V).

-Tensiunile de intrare i ieire pentru nivelele 0 i 1 logic.

-Impedana de intrare(Zi) i de ieire(Zo).

-Timpii de propagare(timpi de ntrziere). Caracterizeaz rspunsul circuitului la aplicarea unui semnal treapt de intrare.

-Puterea disipat=puterea medie consumat n strile 0 i 1 logic ale unei singure uniti logice din capsula respectiv.

-Imunitatea la zgomote=capabilitatea circuitelor numerice de a nu suferi basculri false sub aciunea tensiunilor perturbatoare prezente la intrare.

-FAN-IN=ncrcarea produs de intrrile circuitului exprimat n uniti convenionale.

-FAN-AUT=numrul de intrri pe care le poate comanda ieirea circuitului.2.0 Tema proiectului

Sa se proiecteze un aparat de masurat numeric care va indeplini functia de voltmetru electronic de curent alternativ cu scarile: 1V, 3V, 10V, 30V. Aparat in circuit de intrare, rezistente universale, cu o rezistenta specifica de 100k/V. La realizare se va folosi un convertor analog- numeric, tip registru cu aproximari successive.3.0 Schema bloc

3.1 Memoriu tehnic

1. Alimentare

Schema blocului de alimentare:

2. Divizor de tensiune

Configuratia fundamentala a unui voltmetru:

Pornind de la legea lui Ohm se observa ca: U=(Ra+Ri)I, respectiv, in cazul in care se atinge curentul cap de scala: Ucs=(Ra+Ri)Ics.Daca se impune o tensiune cap de scala Ucs, pentru un instrument cu un curent de cap de scala Ics dat, rezulta o rezistenta aditionala serie: Ra=Ucs/Ics-Ri.In cazul unui voltmetru cu mai multe scari rezulta pentru scara k:

Rezistenta aditionala pentru scara k: Rak=Ucsk/Ics-RiRezistentele aditionale sunt in general de valori mari, chiar foarte mari in comparatie cu rezistenta interna Ri a instrumentului.

Tensiunile de cap de scala Ucsk se aleg din seria normalizata Ucs=0,1; 0,3; 1; 3; 10; 30; 100; 300V.3. AmplificatoareBM201A este un amplificator operational monolitic cu performante ridicate.Este bine protejat la suprasarcini pe intrare sau pe iesire.

Tensiunea de offset de maxim 3mV pe tot domeniul de temperatura.

Curent de polarizare maxim 100nA pe tot domeniul de temperatura.

Curent de offset de maxim 20nA pe tot domeniul de temperatura.

Temperatura de functionare intre -25...+85Tensiunea de alimentare 22V

Tensiunea diferentiala de intrare Tensiunea de intrare Temperatura de stocare intre Temperatura jonctiunii

4. Convertor analog-numeric

CAN sau Convertor Analogic Numeric reprezint un bloc sau un circuit care poate accepta o mrime analogic (curent, tensiune) la intrare, furniznd la ieire un numr care constituie o aproximare (mai mult sau mai puin exact) a valorii analogice a semnalului de la intrare.

Spre deosebire de o mrime analogic ale crei valori se pot gsi n orice punct din domeniul su de variaie, mrimea numeric (sau digital) posed numai o variaie n trepte. Astfel, ntreg domeniul de variaie este divizat ntr-un numr finit de cuante" (trepte elementare) de mrime determinat de rezoluia sistemului, n acest mod, diferena ntre cele mai apropiate valori numerice nu poate fi fcut mai mic dect aceast treapt elementar, ceea ce face ca, principial, reprezentarea informaiei sub forma numeric s fie legat de introducerea unei erori, numit de eroare cuantificare".

Cu toate c un sistem pur analogic este capabil (cel puin n mod teoretic) de o acuratee mai bun dect un sistem hibrid (analog/numeric) aceast acuratee este rar folosit n mod complet. Acest lucru se datoreaz formei analogice a semnalului care nu permite o citire, nregistrare sau interpretare de mare exactitate. Pe de-alt parte, datele sub form numeric reprezint deja o form n care se face manipularea, prelucrarea sau memorarea lor, teoretic fr nici o eroare sau practic, cu erori extrem de mici.

Odat transformate n forma numeric, datele pot fi prelucrate matematic, sortate, analizate sau folosite pentru diverse funcii de control mult mai precis, rapid i flexibil dect sub form analogic, n plus, dac dup achiziia lor este nevoie de un volum mare de prelucrare, forma numeric prezint din nou avantaj deoarece posibilitatea de acumulare a unor erori prin manipulri succesive este extrem de mic. De asemenea, forma numeric prezint un avantaj considerabil n cazul pstrrii datelor pentru durate mari, prin posibilitatea stocrii lor n memorii nevolatile de mare capacitate.

Orice mrime electric, avnd o form analogic trebuie transformat n prealabil, ntr-o form numeric pentru a putea fi prelucrat sub o form sau alta de un astfel de sistem de prelucrare.

Este evident c un convertor A/N care prelucreaz un semnal provenind de la un traductor de temperatur nu poate fi folosit la codificarea unui semnal video produs de o camer de luat vederi. Cerinele impuse de fiecare dintre cazurile de mai sus sunt extrem de diferite, ele fiind determinate de caracteristicile diferite de frecven (limea de band) ale semnalelor supuse conversiei, precum i de exactitatea cu care este necesar codificarea numeric a informaiei analogice. Din acest punct de vedere exist o serie ntreag de sisteme de conversie analog/numeric, ncepnd cu cele mai lente, destinate conversiei semnalelor statice, de band foarte joas si ajungnd pn la sistemele de conversie ultra rapide, folosite la conversia semnalelor de band foarte larg (radar, TV etc.). De cele mai multe ori, datele obinute n urma achiziiei i prelucrrii numerice trebuie s fie utilizate tot sub forma analogic. Aceast cerin impune transformarea formei lor numerice n form analogic, proces care se realizeaz cu convertorul numeric/analogic (CNA).

Terminologie i parametri caracteristici convertoarelor analog-numerice

Bit

Denumirea din limba englez a cifrei binare, bit", se folosete n primul rnd n legtur cu sistemul de numeraie binar, cu sensul ei propriu, n conversia de date analog-numeric si numeric-analogic ea este folosit ntr-un sens mai larg pentru a exprima tot ceea ce este legat de producerea sau conversia unui bit. Astfel se folosesc noiunile curent de bit", tensiune de bit" sau reea rezistiv. de N bii", etc. n fiecare din aceste cazuri aceast noiune poart cu sine proprietile cifrei binare - cele dou stri, corespunztoare valorilor binare 0" i 1" i ponderea dat de poziia n numr.

Bit de semnificaie maxim (BSMax, MSB)

n sistemul de numeraie binar, bitul de semnificaie maxim este cifra poziionat (de obicei) la scriere n partea de extrem stng i care are ponderea maxim n numr.

Bit de semnificaie minim(BSMin, LSB)

n sistemul de numeraie binar, cifra cea mai puin semnificativ este bitul de semnificaie minim, amplasat de regul n extrema dreapt a numrului. Acest bit poart ntr-un sistem numeric cea mai mic informaie care are sens, reprezentnd deci rezoluia sistemului respectiv. Din aceast cauz toate erorile analogice trebuie s reprezinte fraciuni din valoarea (curent sau tensiune) asociat acestui bit.

Codificator

n conversia de date un circuit de codificare (ENCODER) reprezint un convertor analog/numeric. El mai este denumit digitizor sau cuantificator.

Cuantificare

Divizarea intervalului de variaie (tensiune, curent) al unei mrimi analogice ntr-un numr determinat de trepte (cuante") de amplitudine egal, n scopul exprimrii valorii analogice sub form de numr, constituie procesul de cuantificare al unui semnal analogic. Mrimea treptelor rezultate n urma cuantificrii este egal cu raportul dintre valoarea intervalului maxim de variaie i numrul lor, fiecare astfel de cuant" fiind delimitat de dou nivele de cuantificare succesive.

Caracteristica de transfer

Dependena dintre mrimea de ieire a unui convertor i mrimea sa de intrare reprezint caracteristica de transfer a convertorului. Deoarece una dintre cele dou mrimi are ntotdeauna o variaie analogic iar cealalt o variaie numeric, caracteristica de transfer att a unui CAN ct si a unul CNA are o variaie n trepte.

Rezoluia

Rezoluia unui convertor este parametrul care caracterizeaz numrul de stri (nivele) distincte care pot fi deosebite de convertor. De obicei, rezoluia se exprim n bii, n procente din valoarea diapazonului de ieire sau intrare sau n numr de nivele de cuantificare (CAN). Rezoluia unui CAN determin numrul nivelelor (treptelor) de cuantificare ale mrimii analogice de intrare. Deoarece domeniul de intrare are o valoare determinat, rezoluia unui CAN caracterizeaz capacitatea acestuia de a rezolva" (deosebi) dou nivele apropiate ca valoare, fiind definit de mrimea variaiei de intrare necesar pentru a produce la ieire a convertorului dou schimbri de coduri consecutive. Aceast variaie este msurat de la nivelul de intrare la care se face trecerea ntre treptele Nk-1 - Nk i pn la nivelul care produce schimbarea treptelor Nk = Nk+1.

Pentru un convertor avnd domeniul de intrare Vmax, o rezoluie de n bii este echivalent cu o variaie a tensiunii de intrare egal cu raportul . Se observa c n acest mod ea este practic aceeai cu limea canalului sau treptei de cuantificare a CAN. Spre exemplu, un CAN cu o rezoluie de 12 bii, care are deci 4096 de trepte de cuantificare, poate rezolva" (discrimina) 1/(2^12) din valoarea domeniului de intrare. Pentru un domeniu de 10 V aceast rezoluie nseamn = 2,45 mV, valoarea treptei de cuantificare. n aplicaiile CAN la multimetrele numerice ce obinuiete ca rezoluia s se exprime n cifre zecimale, n acest caz se folosete terminologia 3/(1^2) etc., cifre zecimale (digii). Semnificaia acestei exprimri corespunde numrului 1999 (respectiv sub form de raport l:2000; rezoluia digii corespunde numrului 19999 (respectiv raportul l: 20.000) etc. Rezoluia constituie un parametru de proiectare i nu o performan specific. Aceast afirmaie trebuie neleas n sensul c un anumit convertor a fost proiectat s aib o rezoluie de n bii" i nu c un anumit convertor a fost msurat i a rezultat c are o rezoluie de n bii". In mod normal rezoluia se consider a fi limitat numai de numrul biilor care a fost prevzut la proiectare. Practic ea este ns limitat de zgomotul din diverse circuite analogice sau numerice sau deriva componentelor. Datorit acestora este posibil omiterea anumitor trepte de cuantificare de la intrarea CAN.

Lime de cod sau precizia de msurare este variaia minim detectabil a semnalului msurat i corespunde variaiei bitului cel mai puin semnificativ (LSB) din numrul binar generat de ctre convertorul analog digital n urma msurrii. Limea de cod poate fi calculat cu formula:

Eroare de cuantificarePentru un convertor cu N bii domeniul maxim de variaie este divizat n 2N intervale (canale) discrete. Toate semnalele care au nivelele cuprinse ntre valorile care delimiteaz un astfel de canal vor fi codificate n acelai mod (prin acelai numr). Principial deci, exist o incertitudine (eroare) de cuantificare egal cu 1/2 BSMin, care depinde de rezoluia convertorului. Aceast eroare apare foarte clar n urmtoarea figur, care reprezint funcia de transfer a CAN, ea fiind diferena intre caracteristica ideal de transfer a CAN i dreapta dus prin origine si maximul diapazonului. Intuitiv se constat c pe msur ce rezoluia crete, limea unui canal scade, determinnd reducerea corespunztoare a maximului acestei erori. Evident, un CAN cu o rezoluie infinit va prezenta o eroare de cuantificare nul.

In cazul de fata, se foloseste un CAN cu integrare in dubla panta. Aceasta se face in doua etape:

Etapa I(integrarea lui Ud pe intervalul t):U(t)= - 1/c Ux/R*dt=-Ux*t/R*C=-Ux*t/ unde:

=R*C

t (0,t1)

Observatie: panta -Ux/ = f(Ux), daca Ux>0 avem rampa descrescatoare.Etapa II (aplicam la intrarea integratorului o tensiune de referinta Uref de polaritate opusa lui Ux):U(t)= -Ux*t1/ + Uref(t+t1)/ , tt1

Observatie: in acest interval panta este constanta.

U(t1+tx)=0 => Ux*t1/ = Uref*tx/ => tx=t1*Ux/Uref = f(Ux)=> AVEM 0 => conversie tensiune-timp

Masurarea numerica a intervalului de timp tx se poate face cu un sistem a carui schema bloc e formata din:

- Integratorul propriu-zis

- Comparator (COMP)

- Numarator reversibil cu posibillitate de incarcare paralel (NUM)

- Oscilator ce genereaza impulsuri de tact cu frecventa fi(GI)

- Bloc logic de control (BLC)

- Registru de memorie (RM) in care se inregistreaza rezultatul conversiei

Schema functioneaza in 3 stari:

Starea 0 = faza de initializare

K1=0=>intrarea schemei este la masa si se descarca C

PL=1=> se incarca NUM cu N=1! dat de BLC

Starea 1 = este starea in care se realizeaza rampa descrescatoare

K1=1=> se incarca C, tensiunea la intrarea integratorului fiind Ux=>tensiunea la iesirea integratorului este negativa iar iesirea comparatorului va fi COMP=1

K2=1=> poarta este deschia; impulsurile de tact sunt aplicate pe intrarea CD de numarare inapoi. NUM numara inapoi, incepand cu N1 pana ajunge la N=0. Faza se incheie cand N=0. Durata starii este t1=N1*Ti, Ti=1/fi

Starea 2 = este starea in care se realizeaza panta crescatoare

K1=2=>se aplica integratorului Uref

K2=2=> cat timp u(t) COMP=0. In acest moment P se blocheaza, rezultatul NUM e transferat in memorie si ciclul de conversie se incheie. Numarul de impulsuri contorizate va fi: Nx=tx/Ni=t1*Ux/Uref*1/Ti=Ni*Ux/UrefPrecizia

- Nu depinde de R,C sau fi- Poate fi afectata:

De o eventuala eroare a Uref

De liniaritatea imperfecta a rampelor

De fluctuatiile relativ rapide ale frecventei generatorului de tact

De tensiunile de decalaj si derivele termice ale integratorului si ale COMP

De tensiunile perturbatoare, suprapuse peste semnal si injectate in nodul de intrare.

Observatie: tensiunile perturbatoare sunt de regula semnale alternative si sunt in mare masura atenuate prin efectul de integrare

Semnalul alternativ este complet rejectat daca durata integrarii t1 este multiplu al perioadei semnalului. Principala perturbatie alternativa fiind tensiunea retelei cu frecventa 50Hz=>T=20ms=> este util sa se aleaga t1=k*T=>t1min = 20ms.

Circuitul de aducere automata la 0

- Asigura corectia tensiunii de decalaj datorata amplificatorului si COMP. Pentru aceasta integratorul in schema este precedat de un amplificator

- In starea 0

K3 este inchis si se stabileste o bucla de reactive negativa

Amplificatoarele avand amplificare foarte mare, pe C apare o tensiune egala cu tensiunea de decalaj Vos astfel incat la bornele amplificatorului operational ideal, diferenta de potential sa fie nula.

- In starea 1 si 2 k3 este deschis si C nu se poate descarca, anihiland astfel efectul tensiunii de decalaj.

Comutatoare

Comanda numerica a circuitelor analogice are la baza comutatorul analogic comandat; acesta isi gaseste o larga utilizare in instrumentatia moderna.

Principial, un comutator analogic realizeaza inchiderea sau deschiderea unui circuit la o comanda externa.

Un comutator este caracterizat prin urmatorii parametri de catalog:

rezistenta in starea deschis (off): Roff [M]

rezistenta in starea inchis (on): Ron []

curentul de scurgere in starea deschis: Ioff [A, nA, pA];

diafonie intre canale (in schemele cu comutatoare multiple)

timpul de comutare directa (inchidere): ton [ns, s]

timpul de comutare inversa (deschidere): toff [ns, s]

banda de frecventa: B

In regim static, comutatorul are Ri (rezistenta interna a sursei), Rs (rezistenta de sarcina). Pentru modelul ideal se poate scrie: U2on=U1*Rs/Rs+Ri; U2off=0

Pentru modelul real :

U2on=U1*Rs/(Rs+Ri+Ron||Roff); U2off=U1*Rs/(Rs+Ri+Roff)

In starea deschis, comutatorul ideal separa sursa de semnal de sarcina, asigurand un curent de scurgere Ikoff=0. Comutatorul real prezinta o rezistenta Roff finita si ca urmare: Ikoff=U1/(Ri+Rs+Roff).Deoarece Ri si Rs sunt date sau impuse, pentru un curent de scurgere minim, este necesar ca Roff>>Ri+Rs, adica rezistenta de trecere in starea deschis trebuie sa fie mult mai mare decat rezistenta totala a circuitului in care este inclus comutatorul.

In regim dinamic, comutatorul poate fi modelat atat de parametrii de comutatie ton si toff, cat si de banda maxima de frecvente in care circuitul nu introduce atenuare si distorsiuni de faza semnificative.

Timpul de comutare directa (ton) se defineste ca intervalul de timp de la aplicarea comenzii de inchidere pana ce semnalul de iesire atinge o valoare egala cu a intrarii.

Timpul de comutare inversa (toff) se defineste ca intervalul de timp de la aplicarea comenzii de deschidere pana la reducerea curentului de scurgere Ioff la valoarea de catalog.5. Blocul de comanda este alcatuit din: Decodor binarUn decodor pe n biti are n intrari si 2n iesiri; cele n intrari reprezinta un numar binar care determina in mod unic care dintre cele 2n iesiri este adevarata.Un decodor binar opereaza dupa tabela de adevar:

S1S0Q0Q1Q2Q3

001000

010100

100010

110001

Multe dispozitive au o intrare de activare care permit sau nu functionarea adecvata a dispozitivului.

EN=1 : activeaza decodorul (doar o singura iesire ia valoarea 1)

EN=0 : dezactiveaza decodorul; prin conventie, toate iesirile au valoarea 0

Decodoarele sunt notate prin blocuri functionale.

Diagrama pentru un decodor binar este:

Divizor de frecventa

Orice numarator este n acelasi timp un divizor de frecventa, raportul de divizare fiind chiar modulul p al numaratorului. Cel mai simplu caz este cel cu divizare cu un raport fix, iar cel mai flexibil divizorul programabil de frecventa, la care raportul de divizare este specificat din exterior si se poate modifica oricnd. Este important de aratat ca nu ntotdeauna factorul de umplere la iesirea divizorului este , existnd aplicatii n care acest aspect nu este deranjant. Daca se doreste un factor de umplere de exact trebuie adaugata logica suplimentara, asa cum se va vedea n exemplele urmatoare. Daca raportul de divizare este un numar par, de exemplu 2k, cea mai simpla metoda de a obtine un factor de umplere de este de a diviza mai nti cu k si apoi cu 2 (cu un bistabil D sau JK comandat pe front).Generator etalon (GE) Este un etalon de frecventa; acesta deriva din etalonul de timp, secunda, care in SI este definita pe baza rezonatorului atomic cu cesiu si care defineste timpul atomic.

Etaloanele de frecventa au la baza un oscilator de inalta stabilitate (cuart sau atomic) si pot sa o singura frecventa, mai multe frecventa fixe sau o frecventa reglabila intr-o banda larga.

Oscilatorul cu cuart deste de regula un oscilator pierce la care stabilitatea oscilatiilor este asigurata de catre un rezonator electromecanic cu cuart.

Acesta este realizat sub forma unei placute cu cuart, rotunda sau patrata si prevazuta cu electrozi de argint pe ambele fete. Frecventa de rezonanta (fr) a placutei este dependenta de grosimea (g): fr=1.6*1.8/g(mm) [MHz], precum si de unghiul de taiere al acesteia in raport cu axul optic al cristalului primar.

Schema electrica este:

In scopul stabilizarii capacitatii paralele (Cp) si a atenuarii perturbatiilor mecanice si electrice, placuta de cuart se introduce intr-o montura metalica sau intr-un tub cu vid.

6. Afisarea si memorarea este alcatuita din: Numarator (N)

Se foloseste un numarator binar-zecimal (BCD). Un astfel de numarator este format din mai multe numaratoare de 4 biti, conectate in serie, numite decade de numarare.

O decada de numarare este similara cu numaratorul binar de 4 biti, cu deosebirea ca ciclul de numarare se opreste la 10 si nu la 16.

Limitarea la 10 a numararii se face cu ajutorul unei reactii convenabile, prin P:

dupa primele 9 impulsuri aplicate la intrare, iesirile Q3, Q2, Q1, Q0 ajung in starea 10012 (cifra 9 in cod binar)

la aparitia celui de-al 10-lea impuls, starea devine 10102 (cifra 10 in cod binar)

poarta P, avand 1 logic pe intrari, produce la iesirea Z un 0 logic, ceea ce provoaca stergerea celor 4 bistabile, pregatind decada pentru un nou ciclu de numarare de la 0 la 9 (practic starea 10102 dureaza extrem de putin, dar suficient pentru stergere )

simultan cu aducerea la 0 a celor 4 bistabile, tranziti 1--> 0 de la iesirea portii P constituie si semnalul de intarre pentru decada urmatoare (transport pentru rangurile superioare)

Numaratorul binar zecimal se obtine prin inserierea mai multor decade (unitai, zeci, sute).

Semnalul produs de bistabilul 3 (bitul cel mai semnificativ) pe iesirea Q3 a decadei unitatilor, constituie semnalul de intrare C pentru decada zecilor.

Pentru evitarea aprinderilor false ale segmentelor de afisare, cauzate de tranzitiile parazite, se utilizeaza decodoare prevazute cu circuite de validare. Acesta ingusteaza timpul de deschidere al portii ce comanda segmentul respectiv, si totodata deplazeaza (intarzie) acest in terval de timp i afara zonei tranzitiilor paraazite.Registru de memorieRegitrii (sau registrele) microprocesorului reprezint locaii de memorie speciale aflate direct pe cip; din aceast cauz reprezint cel mai rapid tip de memorie. Alt lucru deosebit legat de regitri este faptul c fiecare dintre acetia au un scop bine precizat, oferind anumite funcionaliti speciale, unice. Exist patru mari categorii de regitri: regitrii de uz general, registrul indicatorilor de stare (flags), regitrii de segment i registrul pointer de instruciune.Decodor zecimalAfisor Afisajele utilizand cristale lichide cu efect de camp e bazeaza pe rotirea planului de polarizare al luminii incidente.

Dispozitivul de punere in evidenta a rotirii planului de polarizare a luminii este alcatuit sin doua placute subtiri de polaroid, una cu rol de polarizor (P) si alta (rotita cu 90o fata de prima) cu rol de analizor (A). In aceasta situatie, raza de luminca ambianta, nepolarizata(RL) trece prin polarizatorul P, dar raza de lumina polarizata (RLP) de la iesirea acestuia nu poate trece de analizorul A, decat daca se roteste planul de polarizare a razei cu un unghi B. Rotirea (cu B=90o) se face cu ajutorul stratului de cristale lichide CL. Acesta are o grosime de 20-50um se este plasat intre doua placute de sticla (S) care pe fata dinspre cristal sunt prevazute cu electrozi transparenti (Et) ce au forma semnelor de afisat, intregul dispozotov fiind plasat in spatiul dintre A si P.

In absenta campului electric de comanda, planul de polarizare a razei RLP esre rotit de catre cristal, si ca urmare raza va trece prin analizorul A si deci dispozitivul nu afiseaza nimic. Daca se aplica tensiunea de comanda, cristalul, sub influenta campului electric, roteeste planul de polarizare a razei, RLP, cu un unghi de aproximativ 90o , ceea ce face ca aceasta sa nu mai poata trece de analizorul A. Ca urmare, pe fata dinspre raza incidenta (RL) a dispozitivului apare conturul intunecat al semnului de afisat a carui forma e data de cea a electrozilor transparenti Et.

Comanda cristalelor lichide se face, de regula, cu tensiune dreptungiulara de 2...5 V si frecventa de 30...200 Hz.

Schema unui modul de afisaj cu 7 segmente, de 3 cifre (1999).

3.2 Convertorul A/N ICL 7106

Este un convertor in tehnologie LSI (Large Scale Integration). Acest circuit contine pe un singur chip (40 pini) aproape toata schema unui voltmetru, inclusiv suportul pentru functionarea bipolara si corectia de autozero. Daca la acesta se adauga o placheta de afisare cu cristale lichide si cateva componente discrete, se obtine un voltmetru numeric cu 3 cifre (1999), avand tensiunea nominala de 200mV (sau 2V) si precizia de baza de 0,2%. Varianta cu cristale lichide (7106) e destinata realizarii voltmetrlor de buzunar. Nivelul de zgomot este sub 15uV pentru 95% din cazuri, iar liniaritatea garantata este de 0,01...0,05%.

La o aranjare judicioasa a componentelor, intreg ansamblul poate fi montat pe o placuta de circuit imprimat (dublu placat) de aproximativ 30cm2 ; alimentarea se face la 9V (baterie)

Constructie externa:

Generatorul de tact etalon (GE) este un simplu oscilator RC; cu ajutorul componentelor de la pinii 38, 39, 40, frecventa acestuia poate fi reglata la 40 KHz (timpul de integrare este T1=40ms); pentru realizarea intervalului T1, frecventa geeneratorului este divizata intern la valori corespunzatoare.

Tensiunea de referinta (U0) este preluata de la dioada Zener interna de 2,8V (coeficient termic 0,01%/oC) prin intermediul unui potentiometru cu ajutorul caruia poate fi reglata la 100mV (pentru gama de 200mV) sau la 1V (pentru gama de 2V).

Activarea LCD se face cu tensiune dreptunghiulara (aproximativ 50Hz) furnizata din interiorul circuitului 7106 prin pinul 21.

Specificatii:

Voltajul de alimentare : +/- % V ( simetric )

Cerintele de putere : 200 mA ( maxim )

Raza de masura : +/- 0-1.999 in 4 clase

Precizie : 0.1 %

Caracteristici:

Marime redusa

Constructie facila

Costuri mici

Ajustari simple

Usor de citit de la distanta Putine componente externeConstructie interna:

3.3 Schema de principiu si ecuatia de functionare

Componentele principale ale convertorului sunt:

- un integrator cu AO (cu rezistenta de intrare ridicata de circa 109-1012), rezistenta R (sute de k) si condensatorul C (0.1...1F); la intrarea acestui integrator este plasat un comutator comandat (k1 si k2), ce asigura conectarea intrarii integratorului fie la semnalul de intrare (Ux), fie la o tensiune de referinta (Uo) foarte stabila (0,01...0,002%);

- un comparator (CT) ce detecteaza trecerea prin zero a senmalului de ceas catre un numarator;

- un generator de tact (GE) si un circuit poarta (P) ce valideaza impulsurile de ceas catre un numarator;

- un numarator (N), de cele mai multe ori decadic, cu intrare de stergere (RES) si iesire de transport/depasire(TCU);

- un afisaj numeric cu 7 segmente(inclusiv decodificator BCD-7segmente);

- un bistabil de comanda a comutatorului de intrare (B);

- un bloc de comanda(secventiere) a intregului aparat (BC), care initiaza ciclul de conversie si stabileste conditiile initiale ale integrarii.

La momentul initial, comutatorul K este pozitionat pe pozitia 1 astfel incat la intrarea amplificatorului operational se aplica tensiunea de masurat Ux. Ea va fi integrata intr-un interval de timp determinat t1. Variatia de tensiune la iesirea integratorului la sfarsitul intervalului de timp t1 va fi:

Cand tensiunea de la iesirea integratorului depaseste potentialul masei, com-paratorul comanda deschiderea circuitului poarta P, astfel ca impulsurile generate de oscilatorul etalon vor trece catre numarator si vor fi numarate in intervalul de timp t1. Timpul t1 a fost stabilit astfel incat in acest interval de timp, toate celulele numaratorului sa ajunga la valoarea "1".

Primul impuls sosit la oscilator dupa expirarea timpului ti, pune toate celulele pe "0", iar bistabilul B trece in starea "1" si comanda comutarea lui K de pe pozitia 1 pe pozitia 2. In acest moment, la intrarea integratorului se va aplica o tensiune de referinta de polaritate inversa, (-Uref), iar la iesirea acestuia tensiunea va descreste liniar catre zero. In intervalul de timp in care U1 > 0, poarta P este deschisa, iar impulsurile oscilatorului sunt numarate de catre numarator. Cand U1 = 0, poarta P se inchide, astfel ca impulsurile numarate (N) sunt proportionale cu timpul de integrare tx, care, la randul sau este proportional cu valoarea tensiunii de la care a inceput integrarea inversa:

4.0 Schema electricaSchema voltmetru cu ICL 7106:

Voltmetrul ce foloseste ICL 7106 contine mai putine piese exterioare convertorului, astfel, schema si implicit constructia, e mult mai simpla.

Reducerea numarului de componente exterioare provine de la faptul ca ICL 7106 contine majoritatea blocurilor necesare. Acest lucru e posibil deoarece e construit in tehnologie LSI (Large Scale Integration).

Mai mult, miniaturizarea a redus si consumul de energie, fiind posibila alimentarea voltmetrului de la o baterie de 9V, deci devenind portabil.5.0 Breviar de calcul

Masurarea tensiunilor cu ajutorul voltmetrelor In circuitele de curent continuu si de curent alternativ tensiunile care depasesc 1/10000 V cu voltmetre. Voltmetrele se leaga in circuitele de masurare in paralel cu punctele intre care se masoara tensiunea.

Divizor de tensiune:Se consider o poriune de circuit format din dou rezistoare RA i RB conectate n serie, reprezentat n figura de mai jos.

Rezistoare n serie; divizor de tensiune ( Fig. 1 )

Cunoscnd tensiunea u la bornele elementelor nseriate, cum se repartizeaz aceasta ntre cele dou rezistoare?

Prin aplicarea teoremei a II-a a lui Kirchhoff se obine:

u = uA + uB innd cont de ecuaiile caracteristice ale fiecrui rezistor, rezult:

u = rAiA + rBiBAplicnd teorema I a lui Kirchhoff se obine iA = iB , respectiv:

ceea ce ne permite s afirmm c dou rezistoare n serie sunt echivalente cu un rezistor, a crui rezisten este egal cu suma rezistenelor celor dou rezistoare nseriate.

Rezistoare n serie:

Expresia (1) este echivalent cu:

ceea ce ne permite s concluzionm c tensiunile la bornele fiecrui rezistor vor fi :

Raionamentul de mai sus se poate generaliza pentru rezistoare conectate n serie, respectiv, tensiunea u la bornele rezistorului Rk este:

Pentru scarile de tensiune 1-10-100 V se vor face calcule pentru aflarea valorilor rezistentelor aditionale.

Ra1=Ucs1/Ics-Ri=1V/5uA-200K=0

pentru prima scara de tensiune (1V) nu e necesara folosirea unei rezistente aditionale

Ra2=Ra1+Ucs2/Ics-Ri=10V/5uA-200k=1,8M

pentru scara de 10V e necesara o rezistenta de 1,8M

Ra3= Ra1+Ra2+Ucs3/Ics-Ri=100V/5uA-200K=21,6M

pentru scara de 100V e necesara o rezistenta de 21,6 M

6.0 Calcul economicComponenteBucatiPret(RON)Subtotal(RON)Total(RON)

rezistente50.10.5

condensatoare50.10.5

baterie13.53.5

cablaj155

afisaj 7 segmente199

CAN199

27.5

7.0 Cablaj

Un cablaj imprimat este un sistem de conductoare plate (imprimate) amplasate n unul, dou sau mai multe plane paralele i fixate (cu adeziv) pe suprafaa unui suport electroizolant (dielectric) care asigur i susinerea mecanic a componentelor.

a) Suportul electroizolant al circuitelor imprimate este realizat din materiale avnd proprieti fizico chimice, electrice, mecanice i termice adecvate.

Exist mai multe categorii de asemenea materiale, dar cele mai frecvent utilizate n prezent pentru cablaje rigide sunt:

Pertinaxul (temperatura maxim de lucru 105(C) pe baz de textur din hrtie impregnat cu rini fenolice ce constituie materialul standard pentru solicitri normale n cele mai diverse aplicaii.

Steclotextolitul (temperatur maxim de lucru 150(C) pe baz de textur din fibre de sticl impregnat cu rini expodice larg utilizat n aparatura electronic profesional ntruct permite obinerea unor performane superioare.

b) Traseele conductoare se realizeaz din materiale avnd proprieti adecvate: rezistivitate electric redus, bun sudabilitate, rezisten mare la coroziune. n general cel mai frecvent utilizat material este cuprul electrolitic de nalt puritate, formnd o folie de grosimi normalizate uzuale: 35 (m sau 70 (m aplicat pe suprafaa suportului electrolitic izolant (mpreun cu care formeaz semifabricantul placat din care, prin operaii tehnologice specifice se obin cablajele imprimate avnd diferite structuri, configuraii, dimensiuni etc.).

c) Adezivi utilizai pentru fixarea foliei de cupru pe suportul electroizolant de tip Pertinax de regul, rini speciale - trebuie s reziste la temperatura de lipire i s fie suficient de elastici (pentru a prelua - la lipire diferenele de dilatare dintre suport i folie).

Materialele electroizolante de tip Steclotextolit nu necesit adezivi.

O clasificare a cablajelor imprimate dup numrul planelor n care sunt amplasate traseele conductoare precum i dup caracteristicile mecanice ale suportului izolant:

a) cablajele cu o fa (cablaje simplu strat sau cablaje monostrat) - sunt cele mai vechi i mai frecvent utilizate cablaje imprimate, fiind destinate, n special aparaturii electronice de larg consum. Au cel mai simplu proces tehnologic de fabricaie i cele mai reduse costuri de producie, dar nu permit obinerea de mari densiti de montaj, motiv pentru care ponderea lor pe ansamblul produciei de cablaje imprimate este n scdere;b) cablajele dublu fa (cablaje dublu strat ) - sunt actualmente cele mai utilizate n construcia aparatelor i echipamentelor electronice profesionale, ntruct asigur o densitate ridicat de montaj, la un pre de cost relativ sczut. Procesul tehnologic de realizare este ns mai complex, implicnd - n unele cazuri - i metalizarea gurilor n care se implanteaz terminalele componentelor;

c) cablajele multistrat sunt destinate exclusiv echipamentelor electronice profesionale ntruct asigur o densitate de montaj i proprieti electrice superioare tuturor celorlalte tipuri (permind interconectarea mai simpl a numeroase circuite integrate tip LSI sau VLSI). Dar procesul lor tehnologic de realizare este complex i costisitor ntruct metalizarea gurilor este mult mai dificil;

d) cablajele cu suport flexibil - au tendina de a nlocui att cablajele imprimate rigide ct i formele de cablu (compuse din diferite tipuri de conductoare) care interconecteaz subansamblele echipamentelor electronice.

Cablajele imprimate flexibile au numeroase avantaje:

- sunt mai uoare i mai puin voluminoase dect cele rigide, fiind destinate n principal echipamentelor la care greutatea i volumul sunt eseniale - de exemplu aparatele electronice aerospaiale, calculatoarele electronice etc;- permit realizarea unor mari densiti de montaj i obinerea unei fiabiliti superioare n exploatare, reducnd mult, sau chiar eliminnd posibilitatea cuplajelor parazite ntre circuite;- formeaz un sistem de interconectare tridimensional ntruct nu numai c pot fi - eventual - ndoite, rsucite i deplasate, dar pot avea orice geometrie (spre diferen de cablajele rigide avnd, de regul, form dreptunghiular ).Pentru realizarea cablajelor imprimate cu mijloace industriale sau artizanale se pot utiliza peste 30 metode (tehnologii) diferite ce pot fi, totui grupate n dou mari categorii, principial opuse:

a) metodele substractive (de corodare) implicnd prelucrarea unui semifabricat placat cu cupru i obinerea traseelor circuitului imprimat prin nlturarea unor poriuni din folia electroconductoare aderent la suportul electroizolant. ndeprtarea acestor zone se poate face fie pe cale chimic (prin corodare) avnd n prezent cea mai mare pondere pe ansamblul cablajelor imprimate fie pe cale mecanic, prin segmentarea i eliminarea foliei.

b) metodele aditive (de depunere) impunnd metalizarea unui semifabricat din material electroizolant neplacat. Din aceast categorie fac parte : metoda electrochimic, metoda transferului, metoda arderii n cuptor, metoda pulverizrii catodice i termice etc.

Actualmente predomin metodele substractive, dar a aprut i o tendin de extindere a metodelor de depunere avnd n vedere necesitatea reducerii consumului de cupru.

Exist i o a treia categorie de metode mai rar folosite metodele combinate la care se folosesc tehnologii specifice att metodelor substractive ct i celor aditive.

n prezent exist cateva sute de metode pentru realizarea cablajelor imprimate multistrat, diferena dintre ele constnd, n principal, din modul de realizare a conexiunilor electrice la straturi.

Practic, se utilizeaz dou grupe de procedee de interconectare:

a). procedeele chimice (de galvanizare)

b). procedeele mecanice (prin sudur, lipire, nituire)

Cel mai rspndit procedeu mecanic de metalizare a gurilor const n introducerea unor capse metalice (avnd lungimea puin mai mare dect grosimea stratului izolant) n gurile cablajului finit, urmat de bercluirea (rsfrngerea) ambelor extremiti ale capsei.

Este evident c acest procedeu comport numeroase inconveniente: este laborios i puin fiabil (ntruct probabilitatea unui contact perfect ntre caps i conductorul imprimat este destul de redus), implic tolerane foarte strnse pentru guri i capse, necesit un consum relativ ridicat de materiale (capse) etc.

Nomeclatorul de componenteComponenteValoare

R11M

R222k

R31k

R4100k

R547k

C10.1uF

C20.1uF

C3100pF

C40.47uF

C50.22uF

baterie6F22 Green GP

afisaj7 segmente

8.0 Bibliografie

Masurari in electronica si telecomunicatii

Masurari electronice (aparate si sisteme de masura numerice) Stefan Poli; Eduard Antoniu;

http://www.datasheetarchive.com/http://www.e-piese.ro/http://www.intersil.com/http://www.conexelectronic.ro/index.phpAlimentare

Divizor de tensiune

Amplificator instrumental

Bloc de esantionare si memorare

Bloc de redresare

CAN

Deco-dor

binar

Div. de frecv.

Gen. etalon cu cuart

Numarator zecimal

Reg. numeric

Dec. zecimal

Afisor numeric

Amplificator tampon

EN Q3

Q2

S1 Q1

S0 Q0

_1052760885.unknown