1

Unitatea de învăţare nr.9:

Aparate de masurare electronice. Voltmetrul electronic cu

amplificatoare operationale. Convertorul analog digital. Prelucrarea si

afisarea numerica a semnalului.

Cuprins:9.1 Aparate de măsură electronice. Aparate electronice analogice pentru măsurare:

voltmetre electronice analogice de c.c. şi c.a. ohmmetre electronice analogice.

9.2 Convertorul analog digital. Prelucrarea si afisarea numerica a semnalului. Eroarea

de cuantizare, rezoluţia.

9.1.1 Conversia analog – numerică a semnalelor9.1.2 Convertoare analog-numerice. Prezentare generală. Funcţionare. Erori

Obiective:La sfârşitul acestei unităţi de învăţare, studenţii vor fi capabili:

- să explice modul de funcționare al voltmetre electronice analogice de c.c. şi c.a. și al

ohmmetrelor electronice analogice;

- să enumere tipurile de caracteristici de transfer ale CA/N;

- să explice modul în care are loc conversia analog/nmerică a semnalelor;

- să poată interpreta erorile de cuantizare și rezoluția unui CA/N.

9.1 Aparate de măsură electronice. Aparate electronice analogice pentru

măsurare: voltmetre electronice analogice de c.c. şi c.a. ohmmetre electronice analogice.

9.1.2 Voltmetre electronice analogice. MultimetreSunt aparate destinate măsurării de tensiuni continue, alternative şi în impulsuri, în gamă

largă de frecvenţe. Deşi în prezent nu se mai produc ca aparate individuale, ci în variante demultimetre, destinate măsurării mai multor mărimi (tensiuni, curenţi, rezistente, inductanţe,capacităţi), studiul lor este important prin aceea ca tensiunile reprezintă o clasa de mărimi careinteresează în mod frecvent. Evoluţia lor s-a bazat pe creşterea performantelor în electronică,cu consecinţe în creşterea preciziilor, domeniilor de frecvenţe şi vitezei de lucru.

Clasificări:– după modul prelucrării tensiunii măsurate:

analogice numerice.

– după natura tensiunii măsurate: de c.c. de c.a.

2

Fig. 1 Voltmetre de c.c.

Voltmetre magnetoelectriceSchema de bază de măsurare a tensiunilor cu un dispozitiv magnetoelectric este data în fig.

1, în care:– Ra este rezistenţa adiţională;

– Rbm este rezistenţa proprie a bobinei mobile;– I – dispozitivul magnetoelectric.Cuplul produs în dispozitiv este proporţional cu curentul care trece prin bobina mobilă,

deci, prin legea lui Ohm, şi cu tensiunea de la bornele montajului. De aceea scala aparatuluipoate fi etalonată direct în unităţi de tensiune. Scara este uniformă:

bma RRUkIk

Determinarea rezistenţei adiţionale se poate face cunoscând sensibilitatea în curent adispozitivului (de ex. 50 A) şi alegând limita domeniului de tensiune U în care să se facămăsurarea:

bma RIUR

Pentru un voltmetru cu mai multe domenii de măsurare se conectează mai multe rezistenţeadiţionale (fig.2), calculate corespunzător domeniului deservit selectat cu un comutator K1.

Fig. 2Principalul dezavantaj al acestui tip de voltmetru este rezistenţa să mică de intrare.Clasa de precizie maxima nu depăşeşte 1 %.

Voltmetre de c.c. cu amplificatoarePentru a mări sensibilitatea şi rezistenta de intrare a unui voltmetru magnetoelectric,

acestuia i se poate ataşa un amplificator de c.c. – fig. .3.

3

Fig. 3Amplificatorul poate fi :

– cu cuplaj direct;– cu choppare.

Atenuatorul permite schimbarea sensibilităţii voltmetrului. Filtrul elimină eventualelecomponente alternative suprapuse peste semnalul continuu. Reacţia negativă asigură ostabilitate mai bună a caracteristicilor amplificatorului.

Amplificatorul poate fi tranzistorizat sau cu amplificatoare operaţionale (AO). Orezistenţă foarte mare de intrare se obţine la folosirea în circuitul de intrare a tranzistorelor cuefect de câmp (1010 ) sau a unor AO cu astfel de componente în circuitul de intrare,rezultând curenţi de intrare de ordinul zeci de nA.În concluzie la un voltmetru de c.c. regăsim etajele din fig. 4:– ACR- atenuator calibrat rezistiv;– A c.c. – amplificator de c.c.

Fig. 4Voltmetre de c.a.Un voltmetru de c.a. este format din două părţi distincte:

– partea de detecţie, care transformă semnalul alternativ de măsurat într-un semnal continuuproporţional;

– partea de măsură în c.c.După tipul detecţiei, voltmetrele de c.a. se pot clasifica în voltmetre:– de valori efective (Vef);– de valori medii (Vmed);– de valori de vârf (Vmax).Între valorile efectivă, medie şi de vârf ale unui semnal periodic cu variaţie sinusoidală

subzistă relaţiile de legătură:

4

0maxmaxmaxmed V636,0V2d)tsin(V1V

2max

2

0

2max

2ef V

21d)tsin(V

21V

maxmaxef V707,0V2

1V

Factorul de formă este (pentru tensiune sinusoidală):

11,1V636,0V707,0

VV

max

max

med

ef

Valoarea vârf – la - vârf a unui semnal sinusoidal este:maxvv V2V

Voltmetre de valori medii

Fig. 5

Aceste voltmetre se etalonează în valori efective, pe baza relaţiei de legătura dintre valoareamedie şi cea efectivă în regim sinusoidal (fig. 6). Voltmetrele de valori medii sunt mai simpleşi mai ieftine decât cele de valori efective.

Fig. 6Semnalul (fig. 5) se aplică unui amplificator cu amplificare şi impedanţă de intrare ridicate,

este apoi atenuat, corespunzător scărilor VE. Tensiunea alternativă este redresată de puntea cudiode, curentul variază în instrument ca în fig.6. Deplasarea indicatorului se produce subacţiunea unui cuplu mediu proporţional cu valoarea medie a curentului redresat. Circuitulfolosit este de fapt un convertor tensiune-curent cu redresare dublă alternantă.

Etalonarea se face în valori efective, pe baza relaţiei dintre valoarea medie şi cea efectivăla redresarea dublă alternanţă:

efefmaxmed V9,0V2636,0V2V

medmed

ef V11,19,0

VV

5

Voltmetre de valori de vârfSunt voltmetre universale (de c.c. şi c.a.), funcţionând după principiul măsurării valorii devârf.

Fig. 7

În fig. 7:– ACR- atenuator calibrat rezistiv;– ACC – amplificator de c.c.– I – instrument indicator.

Tensiunile continue se măsoară cu voltmetrul de c.c., constituit de ACR, ACC, I.Tensiunea alternativă se converteşte intr-o tensiune continuă de valoare proporţională cu

detectorul de vârf DV, apoi este măsurată cu voltmetrul de c.c. DV poate fi realizat sub formăde sondă, ceea ce constituie un avantaj al acestui tip de voltmetru.

Ultima variantă prezintă avantajul eliminării erorilor datorate unor semnale nesimetrice.Schema unui detector vârf – la – vârf dublor de tensiune se dă în fig. 9.8. C1 se încarcă lavaloarea de vârf a semialternanţei negative. În semiperioada pozitivă sarcina lui C1 estetransferată la C2, căruia i se aplică în plus tensiunea de vârf a semialternanţei pozitive, deci seva încarcă la valoarea vârf – la – vârf a tensiunii sinusoidale de intrare. C1 şi C2 trebuie să fiede valori suficient de mari pentru ca tensiunea la bornele lor să se menţină constantă îndecursul unei perioade.

Avantajul voltmetrelor de vârf îl constituie capul de probă care permite măsurareatensiunilor acolo unde apar, prin conductorul de legătură cu aparatul circulând c.c. Acest modde măsurare este indicat în special la frecvenţe mari.

Voltmetre de valori efectiveValoarea medie pătratică sau valoarea efectivă (în engleza rms – root mean square) sedefineşte ca acea valoare a tensiunii alternative care are acelaşi efect termic ca o tensiunecontinuă dată. De ex. 10 V c.c. dau acelaşi efect termic într-o rezistenţă ca şi o tensiunealternativă de 14,14 V. Deci se poate scrie:

210

14,14E

E

ef

max

sau efmax E2E

adică: maxmax

ef E707,02

EE

Dintre tensiunile definite, cea efectivă este, de departe, cea mai importantă formă, întrucâteste singura care oferă o legătură directă între efectele tensiunilor alternative şi continue,indiferent de forma de undă.

Voltmetrele de valori efective pot fi:– voltmetre cu termocuplu;

6

– voltmetre de valori efective cu scheme speciale, folosind detector pătratic.

Fig. 7

Schemele folosind detecţia pătratică se aseamănă cu cea din fig 7.Ca detector pătratic poate fi folosită dioda semiconductoare care are caracteristica cu

neliniaritate de ordinul doi la valori mici ale tensiunii de intrare – fig. 8.

Fig. 8

O altă posibilitate de obţinere a unui voltmetru de valori efective o constituie combinareaunei detecţii de vârf cu o detecţie de valori medii; după o relaţie de forma:

med2vârf1ef VkVkV Schema se dă în fig. 9.

Fig. 9

Relaţia este valabilă pentru orice formă de undă. Coeficienţii se determină pentru o anumităformă de unda, în general cea sinusoidală.

Când forma de undă nu este sinusoidală aparatul nu va indica valoarea medie pătraticăadevărată a tensiunii măsurate, ci o valoare datorată valorii medii a formei de undă respective.În tabelul alăturat se dau relaţiile dintre valorile efective şi valorile medii în funcţie de formade undă. Deci la voltmetrele a căror scară este calibrată pentru o formă de undă specificată,indicaţia este corectă doar pentru acea formă, în alte situaţii indicaţia este mai mică.

Observaţii privind performantele voltmetrelor cu detecţie:1. Dependenta indicaţiei de forma de undă. Voltmetrul a cărui indicaţie este cel mai puţin

afectată de prezenţa armonicilor este cel de valori efective (cu termocuplu), întrucât acestaeste sensibil la căldura dezvoltată de fiecare din componentele valorii efective:

2ef3

2ef2

2ef1ef VVVV

De asemenea, voltmetrele care utilizează detecţie pătratică nu sunt influenţate de prezenţaarmonicilor, ele măsurând valoarea eficace a semnalului, indiferent de forma acestuia.Voltmetrele care sunt considerabil influenţate de prezenţa armonicilor sunt cele de valorimedii şi cele de valori de vârf.

2. Domeniul de frecvenţă este determinat de banda de frecvenţă a amplificatoruluivoltmetrului Acesta este în general de bandă largă, astfel încât voltmetrele de valori efective şi

7

.medii au un domeniu între câţiva Hz şi 10 Mhz. La voltmetrele de valori de vârf la caredetecţia precede amplificarea, banda este mult mai mare, ajungând la sute de MHz.

3. O altă sursă de erori legată de forma de undă şi care apare numai la voltmetrele de valoride vârf este cea datorata undei nesimetrice. În acest caz, dacă se inversează conexiunile deintrare ale voltmetrului, citirile vor diferi.

4. Timpul de răspuns este intervalul dintre aplicarea semnalului şi stabilirea indicaţiei. Estede ordinul 0,5 s la voltmetrele de valori medii şi ajunge la 2 s la voltmetrele de valori eficace,datorită inerţiei termice.

5. Influenţa zgomotului. Acesta este intern (generat în aparat) şi extern (care însoţeştesemnalul).Zgomotul intern este proporţional cu banda voltmetrului şi nu depinde de tipuldetecţiei utilizate.Voltmetrul de vârf dă erori considerabile, întrucât vârful semnalului dezgomot este imprevizibil.

9.2 Convertorul analog digital. Prelucrarea si afisarea numerica a semnalului.

Eroarea de cuantizare, rezoluţia.

9.1.1 Conversia analog – numerică a semnalelorPentru a putea fi acceptate de calculator în vederea prelucrării numerice semnalele

analogice trebuiesc convertite în semnale numerice. În cadrul acestei conversii semnalulanalogic este supus la trei operaţii succesive:

eşantionarea, cuantificarea codificarea.

Eşantionarea reprezintă o observare periodică a semnalului analogic, materializatăprintr-o succesiune de eşantioane prelevate la anumite intervale de timp.

Cuantificarea (cuantizarea) este operaţia prin care eşantioanelor prelevate dedispozitivul eşantionator li se asociază semnale de aceeaşi natură, dar cu amplitudinea binedeterminată. Pentru aceasta, domeniul de variaţie al semnalului analogic de intrare esteîmpărţit într-un anumit număr de subdomenii (nivele), de obicei egale între ele. Dispozitivulde cuantificare va stabili în urma unei corelaţii prestabilite cîte subdomenii cumulatecorespund eşantioanelor de amplitudine prelevate şi implicit, ce amplitudine vor aveasemnalele de la ieşirea sa.

Deci, în urma eşantionării şi cuantificării, unui semnal analogic cu o infinitate de valoriîn domeniul său de variaţie i se va atribui o mărime analogică de aceeaşi natură, dar cu unnumăr prestabilit de valori.

Eşantionarea se realizează în circuitele de eşantionare şi memorare(CEM), iarcuantificarea şi codificarea sunt operaţii realizate de convertoarele analog-numerice (CAN).

Codificarea este operaţia prin care fiecărui semnal rezultat în urma cuantificării i seatribuie un număr ce descrie valoric amplitudinea sa.Aproape în totalitate codificarea se realizează într-un cod binar. Cele mai folosite coduribinare sunt:

8

Tipulsemnalului

Coduri folosite in CA/N Simbol

Semnalunipolar

Cod binar naturalCod zecimal codificat binarCod Gray

CBNBCDCG

Semnalbipolar

Cod binar deplasatCod binar deplasat

complementarCodul complementar fata de 2Codul complementar fata de 1Cod binar semn - amplitudine

CBDCBDCCCDCCUCSA

Un număr întreg zecimal N se exprimă în sistem binar natural printr-un șir de n + 1cifre binare (n + 1biți): an an-1……………….. a1 a0

Valoarea exprimată în sistem zecimal este: in

iiaN 2

0

Unde: ],...1[],1,0[ niai

Pentru convertoare N/A a1- MSB Most Significant Bitan – LSB Least Significant Bit

Valoarea maximă a numărului zecimal: Nmax = 2n+1 – 1

Exemplu: numărul binar 101011 reprezintă în sistem zecimal valoarea:

N = 012345 212120212021 = 43

Un număr fracționar X se poate reprezenta binar prin succesiunea: b1 b2………bn

Valoarea exprimată în sistem zecimal este: in

iibX

2

1

Unde: ],...1[],1,0[ nibi

Valoarea maximă a numărului zecimal: Xmax = 1- 2n

Exemplu: numărul fractionar binar 01011 reprezintă în sistem zecimal valoarea:

6875,020212021 4321 X

Circuite de eşantionare – memorare. Funcţionare. Caracteristici.Un circuit de eşantionare-memorare (CEM) realizează prelevarea unor eşantioane

din semnalul analogic aplicat la intrarea sa şi memorarea acestora pe durata conversieianalog-numerice.

Funcţional un CEM (fig.1.) reprezintă un bloc care sub acţiunea unui semnal decomandă realizează cele două operaţii de eşantionare şi de memorare.

Sub acţiunea semnalului de comandă uc(E/M) care prin nivelul logic “1”, impune stareade eşantionare E, CEM funcţionează ca un repetor, oferind la ieşire acelaşi semnal ca laintrarea sa.

În momentul trecerii semnalului de comandă la valoarea corespunzătoare nivelului logic“0”, CEM memorează valoarea semnalului de intrare la acest moment, pe care îl transmite laieşire. Această valoare se menţine pe toată durata stării de memorare (M) impusă de semnalulde comandă.

9

Fig.10. Circuite de eşantionare-memorare : a - reprezentare simbolică; b - diagramasemnalelor

Acest interval de timp trebuie să fie cel puţin egal cu timpul de conversie care este datde CA/N. De regulă revenirea semnalului de comandă la starea logică “0” pentruprelevarea unui nou eşantion este comandată de CAN la sfârşitul procesului de conversie.

Schema echivalentă a unui CEM (fig.11) conţine un comutator şi un condensator.

Fig11 Schema echivalentă a unui CEMCând comutatorul K este închis (corespunzător stării de eşantionare), condensatorul C se

încarcă urmărind tensiunea de intrare care se regăseşte la ieşire.La comanda de memorare, comutatorul se deschide iar tensiunea de ieşire rămâne la

valoarea din momentul respectiv.

Teorema lui Shannon. O funcție periodică X(t) care satisface condițiile dezvoltări înserie Fourier și conține K componente armonice, poate fi reconstituită fără erori pe baza aN eșantioane prelevate uniform dintr-o perioadă, dacă este satisfăcută condiția :

12 KNValoarea maximă a perioadei de eșantionare va fi dată de relația:

K

KT

KT

NTTe 1212

0

00max

adică este mai mică decât jumătatee din perioada T0/K a componentei cu cea mai marefrecvență din spectrul semnalului.

Frecvența de eșantionare trebuie să fie mai mare decât dublul frecvenței maxime din

Et

ucE

tactstapui,tuetΔtap

ueCuiKEM

CEMuia.b.ueuituc(E/M)ueuiucue

E

M

MUR

10

spectrul semnalului analogic: fe > 2fmax

9.1.2 Convertoare analog-numerice. Prezentare generală. Funcţionare. Erori

Convertoarele analog-numerice (CA/N) realizează conversia esantioanelor prelevate dinmărimea analogică de intrare într-o mărime numerică cu un număr finit de valori.Aceastăoperatie reprezintă de fapt o cuantizare în nivel a semnalelor de intare.

După modul de prelucrare a semnalului analogic convertoarele pot fi: directe, convertesc nemijlocit tensiunea în cod numeric:

convertoare A/N paralel; convertoare A/N serie-paralel; convertoare cu aproximatii successive.

indirecte, care convertesc tensiunea analogică în durata sau frecvența unorimpulsuri, transformate ulterior în cod numeric: convertoare tensiune – timp cu simplă sau dublă integrare; convertoare tensiune – frecvență.

hibride, care combină cele două tehnici de conversie.

Pentru realizarea unor acurateți ridicate și pentru reconstituirea semnalelor măsurateun rol important îl constitue cunoașterea caracteristicii de transfer și erorile caracteristiceunui cuantizor. În figura 12 de mai jos sunt prezentate caracteristicile de transfer cuurmătoarele tipuri de erori:

1. eroarea de decalaj (off-set), de natură aditivă;2. eroarea de proporționalitate (amplificare), cu caracter multiplicativ;3. eroarea de neliniaritate.

Figura 12 Caracteristica de transfer statică și eroarea de cuantizare

Principalele caracteristici ale convertoarelor sunt: Gama dinamică reprezentată prin numărul de niveluri de discretizare (cuante)

saunumărul de biți; Viteza sau timpul de conversie;

11

Acuratețea absolută prin care se compară valoarea reală obținută la ieșire cucea

teoretică sau acuratețea relativă care depinde de neliniaritate, fără să includă eroareadeamplificare sau de decalaj.

CA/N directe cu comparatie simultană de tip paralel.La convertoarele analog-numerice de tip paralel valorile biților corespunzători

reprezentării numerice se obțin simultan prin compararea instantanee a tensiuniimăsurate cu tensiunile corespunzătoare fiecărui nivel de discretizare. Schema deprincipiu a CAN paralel este prezentată în figura 13. Tensiunea de referință se aplicăunui divizor rezistiv format din n+1 rezistoare, ceea ce permite aplicarea la intrareainversoare a fiecărui comparator, a unei tensiuni:

rr

i Un

iiRRn

UU1)1(

cu care se compară simultan tensiunea necunoscută Ux.În funcție de mărimea acestei tensiuni (Ux < Ur), un număr de comparatoare, începând

cu C1 vor fi în stare"1", iar pentru Ux > Ui, începând cu Ci+1 vor fi în stare "0".Această informație este decodificată în cod binar de către decodor. Pentru n biți suntnecesare 2n +1 comparatoare.

Figura 13. Convertor A/N paralel

De exemplu, pentru 8 biți sunt necesare 257 comparatoare, iar pentru 10 biți - 1025comparatoare, ceea ce presupune o complexitate deosebită a schemei convertorului.

Viteza de conversie este limitată de timpul de propagare a tensiunii la comparatoare șischema logică de decodare, obținându-se frecvențe de ordinul 80MHz (8 biți) sauchiar 100MHz (6 biți).

CA/N de tip paralel își găsește aplicații, cu precădere, atunci când se cer viteze foartemari de lucru ca prelucrarea semnalelor video. Din cauza vitezei mari de lucru, CA/Nparalel nu necesită circuite de eșantionare și memorare, conversia realizându-sepractic instantaneu.

12

C A/N serie-paralelDeși realizează viteze de lucru mari, CA/N paralel cu un număr mare de biți este greu

de realizat. O soluție de reducere a numărului de comparatoare este oferită de CA/N serie –paralel.

Figura 14. CA/N de tip serie-paralel

CA/N serie-paralel este compus din celule formate din perechi CAN paralel șiCN/A de 4 biți, conectate între ele printr-o schemă adecvată. Conform figurii 5,semnalul Ux este aplicat primului CA/N paralel care realizează conversia primilor 4biți; acești 4 biți sunt convertiți într-o tensiune de către CN/A, tensiune care esteaplicată, împreună cu tensiunea de intrare, unui bloc de diferență. Tensiunea de intrareeste aplicată prin intermediul unui circuit de întârziere τ, pentru a compensa întârzierileproduse de propagare și procesul de conversie.

Pentru a se putea folosi același tip de celulă, semnalul diferență este amplificatde către amplificatorul A cu 24 =16, după care este aplicat celulei următoare.

Trebuie remarcat faptul că pentru un convertor de acst tip pe 8 biți suntnecesare 30 de comparatoare, comparativ cu 257 de comparatoare pentru un CA/Nparalel, evident cu o scădere a vitezei de conversie.

CA/N cu aproximatii succesivePrincipiul de functionare (fig. 15) constă într-un sir de operații de comparare între

tensiunea de intrare ui şi o tensiune de referinţă UR , ce se desfăsoară într-un număr deetape egal cu numărul n de biti ai numărului N de la iesirea convertorului.

Concret, în fiecare etapă se decide ce valoare corespunde bitului bi de rang i. Cele ncomparări succesive sunt realizate de comparatorul C în ritmul impus de un generator de tactGT.

Registrul de aproximări succesive RAS contine un registru de n circuite basculantebistabile ce poate fi pozitionat în diferite moduri în raport de tensiunea de la ieşireacomparatorului.

Acest dispozitiv conduce convertorul numeric analogic CN/A, a cărui tensiune de iesireUR reprezintă numărul binar N existent la intrarea sa.

Specific acestui tip de convertor este faptul că modificarea tensiunii cu UR pe durataunei conversii prezintă următoarele aspecte :

primul salt al tensiunii UR este egal cu jumătate din valoarea maximă a tensiunii deintrare;

variatia la un moment dat al tensiunii UR, este jumătate din variatia suferită latactul precedent ;

tensiunea UR scade sau creste după cum ui < UR , respectiv ui > UR

13

Figura 15. CA/N cu aproximații successive.

Tensiunea de intrare ui supusă procesului de conversie poate fi scrisă sub forma :

n

0n

2n2

1n1

Ri 22b...2b2bUu

Bitii b1, b2…bn se obtin în urma comparatiei dintre tensiunea UR generată de CNA si uiRezultatul acestei comparatii se materializează în valorile 0 sau 1 pentru fiecare bit.

În prima etapă se compară ui cu2maxUU R .Dacă

2U

u maxi , rezultă valoarea celui mai

semnificativ (MSB) bit b1 = 1.În etapa a doua se compară ui cu

2maxmax

1 2U

2Ub pentru a se decide valoarea celui

de-al doilea bit b2.Dacă de exemplu

2maxmax

1i 2U

2Ubu rezultă b2 = 0.Comparatiile continuă până la

obtinerea bitului bn de semnificatie minimă (LSB).

ui-

+C RAS G.T.

N

CNA

NUREF

14

Acest tip de CAN este cel mai utilizat în sistemele de achiziţie a datelor. El areîntotdeauna acelasi timp de conversie determinat de cele n perioade de tact. Eroarea deconversie depinde de exactitatea CA/N si de sensibilitatea comparatorului. Principaluldezavantaj al acestui tip de CA/N îl reprezintă slaba rejectie a semnalelor perturbatoare.

La apariția primului impuls de tact dat de oscilatorul pilot OP, blocul de logică,comandă și transfer BLCT, activează MSB, care produce la ieșirea CN/A tensiuneaUCNA(1)=1//2Ur și se compară cu Ux , dacă Ux < UCNA(2), a1-MSB rămâne cu nivelul “1”logic, sau “0” logic în caz contrar. Următorul impuls de tact activează cel de-al doilea bit,determinând la ieșirea acestuia tensiunea UCNA(2)= (a12-1 + 2-2)Ur , cu care se compară dinnou Ux cu a1 determinat anterior. Procesul continuă până la epuizarea tuturor bițilorcorespunzători CN/A.

Rezumat:Voltmetre electronice analogice. Multimetre. Sunt aparate destinate măsurării de tensiuni continue,

alternative şi în impulsuri, în gamă largă de frecvenţe. Deşi în prezent nu se mai produc ca aparate individuale, ciîn variante de multimetre, destinate măsurării mai multor mărimi (tensiuni, curenţi, rezistente, inductanţe,capacităţi), studiul lor este important prin aceea ca tensiunile reprezintă o clasa de mărimi care interesează înmod frecvent. Evoluţia lor s-a bazat pe creşterea performantelor în electronică, cu consecinţe în creştereapreciziilor, domeniilor de frecvenţe şi vitezei de lucru.

Clasificări:– după modul prelucrării tensiunii măsurate:

analogice numerice.

– după natura tensiunii măsurate: de c.c. de c.a.

Voltmetre de c.a. Un voltmetru de c.a. este format din două părţi distincte:– partea de detecţie, care transformă semnalul alternativ de măsurat într-un semnal continuu proporţional;– partea de măsură în c.c.După tipul detecţiei, voltmetrele de c.a. se pot clasifica în voltmetre:– de valori efective (Vef);– de valori medii (Vmed);– de valori de vârf (Vmax).

Observaţii privind performantele voltmetrelor cu detecţie:1. Dependenta indicaţiei de forma de undă. Voltmetrul a cărui indicaţie este cel mai puţin afectată de prezenţa

armonicilor este cel de valori efective (cu termocuplu), întrucât acesta este sensibil la căldura dezvoltată defiecare din componentele valorii efective:

2ef3

2ef2

2ef1ef VVVV De

asemenea, voltmetrele care utilizează detecţie pătratică nu sunt influenţate de prezenţa armonicilor, ele măsurândvaloarea eficace a semnalului, indiferent de forma acestuia. Voltmetrele care sunt considerabil influenţate deprezenţa armonicilor sunt cele de valori medii şi cele de valori de vârf.

2. Domeniul de frecvenţă este determinat de banda de frecvenţă a amplificatorului voltmetrului Acesta este îngeneral de bandă largă, astfel încât voltmetrele de valori efective şi .medii au un domeniu între câţiva Hz şi 10Mhz. La voltmetrele de valori de vârf la care detecţia precede amplificarea, banda este mult mai mare, ajungândla sute de MHz.

3. O altă sursă de erori legată de forma de undă şi care apare numai la voltmetrele de valori de vârf este ceadatorata undei nesimetrice. În acest caz, dacă se inversează conexiunile de intrare ale voltmetrului, citirile vordiferi.

4. Timpul de răspuns este intervalul dintre aplicarea semnalului şi stabilirea indicaţiei. Este de ordinul 0,5 s lavoltmetrele de valori medii şi ajunge la 2 s la voltmetrele de valori eficace, datorită inerţiei termice.

Influenţa zgomotului. Acesta este intern (generat în aparat) şi extern (care însoţeşte semnalul).Zgomotulintern este proporţional cu banda voltmetrului şi nu depinde de tipul detecţiei utilizate.Voltmetrul de vârf dă eroriconsiderabile, întrucât vârful semnalului de zgomot este imprevizibil.

15

În cadrul acestei conversii semnalul analogic este supus la trei operaţii succesive:

eşantionarea, cuantificarea codificarea.

Eşantionarea reprezintă o observare periodică a semnalului analogic, materializată printr-o succesiunede eşantioane prelevate la anumite intervale de timp.

Cuantificarea (cuantizarea) este operaţia prin care eşantioanelor prelevate de dispozitivul eşantionator lise asociază semnale de aceeaşi natură, dar cu amplitudinea bine determinată. Pentru aceasta, domeniul devariaţie al semnalului analogic de intrare este împărţit într-un anumit număr de subdomenii (nivele), de obiceiegale între ele. Dispozitivul de cuantificare va stabili în urma unei corelaţii prestabilite cîte subdomenii cumulatecorespund eşantioanelor de amplitudine prelevate şi implicit, ce amplitudine vor avea semnalele de la ieşirea sa.

Deci, în urma eşantionării şi cuantificării, unui semnal analogic cu o infinitate de valori în domeniul său devariaţie i se va atribui o mărime analogică de aceeaşi natură, dar cu un număr prestabilit de valori.

Eşantionarea se realizează în circuitele de eşantionare şi memorare(CEM), iar cuantificarea şi codificareasunt operaţii realizate de convertoarele analog-numerice (CAN).

Codificarea este operaţia prin care fiecărui semnal rezultat în urma cuantificării i se atribuie un număr cedescrie valoric amplitudinea sa.

Convertoarele analog-numerice (CA/N) realizează conversia esantioanelor prelevate din mărimeaanalogică de intrare într-o mărime numerică cu un număr finit de valori.Această operatie reprezintă de fapt ocuantizare în nivel a semnalelor de intare.

După modul de prelucrare a semnalului analogic convertoarele pot fi: directe, convertesc nemijlocit tensiunea în cod numeric:

convertoare A/N paralel; convertoare A/N serie-paralel; convertoare cu aproximatii successive.

indirecte, care convertesc tensiunea analogică în durata sau frecvența unor impulsuri,transformate ulterior în cod numeric: convertoare tensiune – timp cu simplă sau dublă integrare; convertoare tensiune – frecvență.

hibride, care combină cele două tehnici de conversie.

Pentru realizarea unor acurateți ridicate și pentru reconstituirea semnalelor măsurate un rol important îlconstitue cunoașterea caracteristicii de transfer și erorile caracteristice unui cuantizor. Caracteristicile detransfer cu următoarele tipuri de erori:

1. eroarea de decalaj (off-set), de natură aditivă;2. eroarea de proporționalitate (amplificare), cu caracter multiplicativ;3. eroarea de neliniaritate.

Principalele caracteristici ale convertoarelor sunt: Gama dinamică reprezentată prin numărul de niveluri de discretizare (cuante) sau

numărul de biți; Viteza sau timpul de conversie; Acuratețea absolută prin care se compară valoarea reală obținută la ieșire cu cea

teoretică sau acuratețea relativă care depinde de neliniaritate, fără să includă eroarea deamplificare sau de decalaj.

CA/N directe cu comparatie simultană de tip paralel.La convertoarele analog-numerice de tip paralel valorile biților corespunzători reprezentării

numerice se obțin simultan prin compararea instantanee a tensiunii măsurate cu tensiunilecorespunzătoare fiecărui nivel de discretizare.

De exemplu, pentru 8 biți sunt necesare 257 comparatoare, iar pentru 10 biți - 1025 comparatoare,ceea ce presupune o complexitate deosebită a schemei convertorului.

Viteza de conversie este limitată de timpul de propagare a tensiunii la comparatoare și schema logică dedecodare, obținându-se frecvențe de ordinul 80MHz (8 biți) sau chiar 100MHz (6 biți).

CA/N de tip paralel își găsește aplicații, cu precădere, atunci când se cer viteze foarte mari de lucruca prelucrarea semnalelor video. Din cauza vitezei mari de lucru, CA/N paralel nu necesită circuite deeșantionare și memorare, conversia realizându-se practic instantaneu.

C A/N serie-paralelDeși realizează viteze de lucru mari, CA/N paralel cu un număr mare de biți este greu de realizat. O

soluție de reducere a numărului de comparatoare este oferită de CA/N serie – paralel.

16

CA/N serie-paralel este compus din celule formate din perechi CAN paralel și CN/A de 4 biți,conectate între ele printr-o schemă adecvată. Conform semnalului Ux este aplicat primului CA/Nparalel care realizează conversia primilor 4 biți; acești 4 biți sunt convertiți într-o tensiune de cătreCN/A, tensiune care este aplicată, împreună cu tensiunea de intrare, unui bloc de diferență. Tensiuneade intrare este aplicată prin intermediul unui circuit de întârziere τ, pentru a compensa întârzierile produsede propagare și procesul de conversie.

Pentru a se putea folosi același tip de celulă, semnalul diferență este amplificat de cătreamplificatorul A cu 24 =16, după care este aplicat celulei următoare.

Trebuie remarcat faptul că pentru un convertor de acst tip pe 8 biți sunt necesare 30 decomparatoare, comparativ cu 257 de comparatoare pentru un CA/N paralel, evident cu o scădere avitezei de conversie.

CA/N cu aproximatii succesivePrincipiul de functionare constă într-un sir de operații de comparare între tensiunea de intrare ui şi o

tensiune de referinţă UR , ce se desfăsoară într-un număr de etape egal cu numărul n de biti ai numărului Nde la iesirea convertorului.

Concret, în fiecare etapă se decide ce valoare corespunde bitului bi de rang i. Cele n comparări succesivesunt realizate de comparatorul C în ritmul impus de un generator de tact GT.

Registrul de aproximări succesive RAS contine un registru de n circuite basculante bistabile ce poate fipozitionat în diferite moduri în raport de tensiunea de la ieşirea comparatorului.

Acest dispozitiv conduce convertorul numeric analogic CN/A, a cărui tensiune de iesire UR reprezintănumărul binar N existent la intrarea sa.

Specific acestui tip de convertor este faptul că modificarea tensiunii cu UR pe durata unei conversiiprezintă următoarele aspecte :

primul salt al tensiunii UR este egal cu jumătate din valoarea maximă a tensiunii de intrare; variatia la un moment dat al tensiunii UR, este jumătate din variatia suferită la tactul precedent ; tensiunea UR scade sau creste după cum ui < UR , respectiv ui > UR

Acest tip de CAN este cel mai utilizat în sistemele de achiziţie a datelor. El are întotdeauna acelasi timpde conversie determinat de cele n perioade de tact. Eroarea de conversie depinde de exactitatea CA/N si desensibilitatea comparatorului. Principalul dezavantaj al acestui tip de CA/N îl reprezintă slaba rejectie asemnalelor perturbatoare.

Bibliografie :1. Cruceru, C., Tehnica măsurărilor în telecomunicaţii, Editura Tehnică, Bucureşti, 19872. Manolescu, P., Ionescu-Golovanov, C., Măsurări electrice şi electronice, Editura

Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 19793. Iliescu, E., Bărbulescu, D., Ionescu-Golovanov, C., Szabo, W., Szekely, I., Măsurări

electrice şi electronice, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 19834. Dordea, R., Măsurări electrice şi electronice, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti,

19755. Ionescu, G., Măsurări şi traductoare, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 19856. Alecu, E., Gabrilă, Gh., Măsurări electrice, Academia Militară, Bucureşti, 19817. Braşovan, I., Măsurări electrice, Institutul Politehnic „Traian Vuia”, Timişoara, 19768. Mihoc, D., Ceparu, M., ş.a., Teoria şi elementele sistemelor de reglare automată, Editura

Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 19809. Ignea, A, Stoiciu, D., Măsurări electronice, senzori și traductoare, Editura Politehnica,

Timișoara, 200710. Chivu, M., Ignea, A., Măsurări electrice și electronice. Probleme, LitografiaInstitutului Politehnic “Traian Vuia” Timișoara 1984.11. Ignea, A., Chivu, M., Borza, I., Măsurări electrice și electronice în instalații.Editura ORIZONTURI UNIVERSITARE, Timișoara. 1998.12. Jurca, T., Stoiciu, D., Instrumentație de măsurare. Structuri și circuite, Editura deVest, Timișoara, 1996.