Universitatea POLITEHNICA din BUCURESTI Facultatea Transporturi Sectia Telecomenzi si Electronica in Transporturi

Proiect M.E./S.T.A.D

Instrument numeric de masurare : Voltmetru de curent alternativ si punte tensiometrica

S.I.drd.ing. Mihaela Nemtoi

INDRUMATOR:

STUDENT :Badea Tudor Grupa : 8314

2011-20121

Cuprins :I. Voltmetru de curent alternativ1. Introducere 2. Tema proiectului 3. Schema bloc 4. Memoriu tehnic 5. Breviar de calcul 6. Calcul economic 7. Shema electrica detaliata 8. Cablaj 9. Nomeclatorul de componente

II. Punte tensiometrica Structura generala Schema bloc 10. Bibliografie

2

I. Voltmetru de curent alternativ1. IntroducereCircuitul de intrare ale unui aparat de masura lucreaza cu semnale analogice dar toate celelalte blocuri lucreaza cu semnale numerice. Semnalele analogice pot fi masurate cu aparate de masura simple insa sunt sensibile la imperfectiunile cailor de transmitere si prelucrare, cea ce inseamna ca pierd din precizie dupa fiecare operatie, informatia este purtata de amplitudinea semnalului. Semnalele numerice sunt sub forma de impulsuri si au informatia grefata pe durata sau pe pozitia impulsurilor in timp, astfel semnalele numerice ofera o mai mare flexibilitate in utilizare. Circuitele numerice functioneaza pe principiul tot sau nimic cea ce implica structuri foarte simple in circuitele numerice de baza (porti, codoare, decodoare, multiplexsoare, numaratoare, registre, automate programabile, circuite de conversie a datelor). Circuitele numerice permit implementarea de functii din ce in ce mai complexe pe acelasi tip. Cea ce duce la micsorarea aparatelor si implicit la scaderea pretului. Avantajele aparatelor de masura numerice: - Pot atinge precizii mult mai mari decat aparatele de masura analogice, deoarece raspunsul este independent de amplitudinea semnalului ce poarta marimea de masurat. - Sunt mai robuste (rezista la socuri si vibratii) - Pot functiona in orice pozitie. - Sunt usor integrabile, in sisteme de masurare reglabile conduse de calculator. Dezavantaje: - Nu permit sesizarea rapida a tendintei de evolutie a marimii de masurat si nici realizarea de scari liniare.

3

2. Tema proiectului1. Proiectarea unui voltmetru de curent alternativ, cu scarile 1-10-100, rezistente universale la intrare, rezistenta specifica de 200k. La realizarea aparatului se va folosi un convertor analog-numeric cu integrare in dubla panta. 2. Proiectarea unei punti tensiometrice .

Numrtor

Registru

Circuitul de intrarese bazeaza, de regula pe un trigger

Circuitul de intrarese bazeaza,4 de regula pe un trigger

care are rolul de a aduce semnalul analogic U(fx) intr-o forma copatibila cu circuitele folosite in partea numerica a echipamentul ui (uzual TTL/CMOS) . Formatorul TS este precedat de o serie de circuite de conditionare fara calitati metrologice: atenuator/am plificator(ce are rolul numai de a aduce semnalul la nivelul cerut de TS), limitator de tensiune(cu rolul de circuit de protectie), adaptor de impedante si circuit de

care are rolul de a aduce semnalul

3.analogic Schema blocU(fx) intr-o forma copatibila cu circuitele folosite in partea numerica a echipamentul ui (uzual TTL/CMOS) . Formatorul TS este precedat de o serie de circuite de conditionare fara calitati metrologice: atenuator/am plificator(ce are rolul numai de a aduce semnalul la nivelul cerut de TS), limitator de tensiune(cu rolul de circuit de protectie), adaptor de 5 impedante si circuit de

nivelului (pentru gasirea intervalului de Blocul optim de declansare); din motive de claritate aceste circuite au fost omise din schema. Semnalul format este CAN aplicat portii principale P, care pe a doua intrare (Validare) primeste un impuls de durata precisa controlata (Tm), definind astfel intervalul de masura; cat timp nivelul de pe intrarea Validare este sus , impulsurile provenite din U(f) trec prin poarta catre

nivelului (pentru gasirea intervalului numrare/afiare optim de declansare); din motive de claritate aceste circuite au fost omise din schema. Semnalul format este P aplicat portii principale P, care pe a doua intrare BT(Validare) primeste un impuls de durata precisa controlata CAN (Tm), definind astfel BC intervalul de masura; cat BT timp nivelul de pe intrarea Validare este sus , impulsurile 6 provenite din U(f) trec prin poarta catre GE P Afiaj Decodor (D) Afiaj numeric (AN)

blocul de numarare si afisare. De regula , poarta prevazuta cu trigger

blocul de numarare si afisare. De regula , 4. Memoriu tehnic poarta prevazuta cu trigger

Se vor detalia elementele schemei bloc:Schmitt pe 1. Alimentare Schmitt pe

2. intrarea Circuit de intrare intrarea 3. Validare,Divizare de tensiune Validare,rolul

4. Amplificator instrumental rolul 5. Circuit redresor triggerului triggerului 6. Convertor A/N 7. Generator de tact a fiind de a fiind de 8. Comparatorul imbunatatii imbunatatii 9. Operatorul SI (AND) frontul de 10. Divizorul defrontul de frecventa 11. comandaNumarator comanda al al 12. Registru de impulsului memorare impulsului 13. Decodorul Tm in scopul Tm in scopul 14. Afisaremicsorarii erorilor de basculare. (N) micsorarii erorilor de basculare. de memorare

7

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);8

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. Voltmetrele numerice cu integrare cu dubla panta functioneaza pe baza principiului conversiei semnalelor analogice de c. c. in timp. Conversia tensiune-timp se realizeaza in doua faze. In prima faza se integreaza semnalul de masurat Ux, intr-un interval de timp ti, iar in etapa a doua se integreaza o tensiune de referinta de polaritate inversa (- Uref). 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, comparatorul 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":

unde: Nmax este capacitatea maxima a numaratorului, iar f 0 (respectiv T0) frecventa (respectiv perioada) impulsurilor oscilatorului.

9

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:

In relatia de mai sus se constata ca tensiunea de masurat Ux este direct proportionala cu tensiunea de referinta (Uref), iar valoarea maxima a tensiunii de masurat este egala cu tensiunea sursei de referinta (pentru N = Nmax ). Ecuatia de functionare a voltmetrului numeric cu convertor A/N cu dubla rampa este: N=Nm*Ux/Uo Astfel, se remarca independenta indicatiei (N) de frecventa etalonului(fo), adica aceasta nu trebuie cunoscuta cu precizie, ci numai sa fie stabila pe durata unui ciclu de masurare (T1+ T2), conditie usor de indeplinit in practica. Independenta indicatiei voltmetrului fata de parametrii R, C, fo prezinta o mare importanta practica deoarece, pe de o parte, permite cresterea preciziei aparatului si scaderea pretului de cost, iar pe de alta parte, schema poate fi usor implementata in siliciu. Ecuatia de functionare arata si facptul ca acest tip de aparat permite masurarea raportului a doua tensiuni (logometru numeric). Precizia acestor voltmetre este buna ( 0,01 % ^ 0,1 % din domeniul de masurare), fiind independenta de frecventa oscilatorului. Ea este determinata de erorile circuitului integrator, ale comparatorului, tensiunii de referinta si circuitelor de comutatie.10

Pentru obtinerea unei precizii mai bune trebuie avute in vedere si alte cauze de erori, printre care: deriva tensiunii de decalaj, deriva amplificarii, neliniaritatea caracteristicii de transfer, tensiunile parazite de mod serie si de mod comun.

4.1. AlimentareSchema blocului de alimentare:

11

4.2. Circuitul de intrareCircuitul de intrare se bazeaza, de regula pe un trigger Schmitt(TS), care are rolul de a aduce semnalul analogic U(fx) intr-o forma copatibila cu circuitele folosite in partea numerica a echipamentului (uzual TTL/CMOS). Formatorul TS este precedat de o serie de circuite de conditionare fara calitati metrologice:atenuator/amplificator(ce are rolul numai de a aduce semnalul la nivelul cerut de TS), limitator de tensiune(cu rolul de circuit de protectie), adaptor de impedante si circuit de modificare a nivelului (pentru gasirea intervalului optim de declansare); din motive de claritate aceste circuite au fost omise din schema. Semnalul format este aplicat portii principale P, care pe a doua intrare (Validare) primeste un impuls de durata precisa controlata (Tm), definind astfel intervalul de masura; cat timp nivelul de pe intrarea Validare este sus , impulsurile provenite din U(f) trec prin poarta catre blocul de numarare si afisare. De regula , poarta prevazuta cu trigger Schmitt pe intrarea Validare, rolul triggerului fiind de a imbunatatii frontul de comanda al impulsului Tm in scopul micsorarii erorilor de basculare.

12

4.3. Divizare de tensiuneConfiguratia 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-Ri Rezistentele 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

13

4.4. Amplificatorul instrumentalAmplificatoarele instrumentale reprezint o categorie aparte de amplificatoare operaionale utilizate n special n msurri, motiv pentru care acest tip de amplificatoare operaionale au mai fost denumite i amplificatoare de msur. Amplificatorul instrumental este un amplificator operaional diferenial cu amplificare finit i foarte bine reglat, reglajul amplificrii fcndu-se fie prin conectarea n exteriorul integratului a unei rezistene sau grup de rezistene, fie prin comanda digital cu ajutorul unui calculator sau microcontroler. Amplificatorul instrumental are performane superioare amplificatoarelor operaionale n ceea ce privete tensiunea de decalaj, deriva termic, liniaritatea, stabilitatea i precizia amplificrii. Amplificatoarele instrumentale pot fi realizate cu componente discrete i amplificatoare operaionale, n tehnologie monolitic sau hibrid. Cele integrate au elementele de reacie incluse n structura circuitului integrat. La aparatura de msur i control amplificarea n tensiune se face, adesea, cu amplificatoare difereniale la care una din intrri este folosit pentru intrarea de semnal, iar cealalt pentru conectarea reelei de reacie. Dac sar folosi un singur amplificator operaional reeaua de reacie ar reduce impedana de intrare la valori care sunt prea mici fa de cele necesare n aceste aplicaii. Din acest motiv au fost realizate structuri speciale de amplificatoare difereniale cu dou sau mai multe amplificatoare operaionale. Amplificatoarele instrumentale sunt amplificatoare difereniale cu intrri flotante fa de mas, cu impedan mare att n modul diferenial ct i n modul comun i avnd o rezisten de ieire redus. Amplificatoarele instrumentale trebuie s ndeplineasc mai multe cerine: amplificarea mrimilor preluate de la senzori pn la valori care pot fi prelucrate fr probleme de etajele urmtoare din lanul de prelucrare a semnalului; asigurarea unei impedane de intrare mari, pentru a nu perturba mrimea aplicat la intrare; realizarea unei anumite caracteristici de transfer, liniar sau neliniar, n funcie de natura procesului de msurare;14

asigurarea unei caracteristici de frecven adecvate procesului de msurare; asigurarea unei rejecii a semnalului de mod comun foarte mare.

Principalii parametri ai unui amplificatorului instrumental sunt: a) ctigul (G). Valoarea acestui parametru reprezint panta caracteristicii de transfer a amplificatorului instrumental. n datele de catalog sunt specificate: eroarea ctigului, neliniaritatea ctigului i stabilitatea ctigului n raport cu temperature. b) tensiunile de decalaj la intrare i la ieire. Pentru un ctig dat, tensiunea total de decalaj Uos este definit pe baza a dou erori: - eroarea total raportat la intrare - eroarea total raportat la ieire c) curentul de decalaj la intrare (n [nA]), valoarea acestuia n funcie de temperatur (n [nA]), precum i coeficientul mediu de temperatur al curentului de decalaj la intrare (n [pA/0C]). d) curentul de polarizare la intrare (n [nA]), valoarea acestuia n funcie de temperatur (n [nA]), precum i coeficientul mediu de temperatur al curentului de polarizare la intrare (n [pA/0C]). d) impedanele de intrare diferenial i de mod comun. e) impedana de ieire. Este foarte mic, de ordinul 10-2 . f) tensiunea i curentul de zgomot ale amplificatorului. g) raportul de rejecie a modului comun, CMMR. h) parametri referitori la regimul dinamic: - banda de frecvene la -3 dB la semnal mic. - viteza de urmrire (Slew Rate, SR [V/s]). - timpul de stabilizare .

15

4.5. Circuitul redresorRedresoarele sunt circuite care transform curentul alternativ n curent continuu. Dup tipul dispozitivelor care redreseaz i dup modul acestora de comand, redresarea poate fi necomandat, (cu comutaie natural), sau comandat, (cu comutaie forat). n aceast lucrare se vor studia circuite de redresare necomandate. Redresarea necomandat se realizeaz, ntr-o majoritate covritoare de cazuri, cu diode. Redresarea tensiunilor alternative este cea mai des utilizat operaie neliniar efectuat asupra semnalelor variabile n timp.Redresorul monoalternan ideal poate fi privit ca un diport cu funcionare de comutator comandat de polaritatea tensiunii de intrare. Cele mai utilizate comutatoare pentru aceast funcie sunt diodele semiconductoare. Utilizarea diodelor semiconductoare pentru redresarea semnalelor alternative reprezint o soluie deosebit de simpl i ieftin a problemei, n cazul n care se urmrete aspectul energetic, dac se pornete de la tensiuni de intrare mult mai mari dect cderea de tensiune direct pe diod. ntr-adevr, tensiunea la ieirea redresorului monoalternan, cu diod semiconductoare cu siliciu, nu repet identic semialternana pozitiv a tensiunii de intrare ci prezint un decalaj de aproximativ 0,6 V fa de aceasta. n aplicaiile care au n vedere prelucrarea de informaie, pentru msurarea tensiunilor alternative, sau n nenumrate alte aplicaii de semnal mic, este inacceptabil distorsionarea semnalului.Pentru nlturarea inconvenientelor16

prezentate mai sus se folosesc scheme compuse din A.O. i diode semiconductoare, numite redresoare de precizie.

4.6. Convertor analog-numericCAN 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 face17

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. Terminologie si parametri caaracteristici 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, reprezentnd18

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.

19

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. 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:20

Eroare de cuantificare Pentru 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. 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-zis21

- 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/Uref Precizia - Nu depinde de R,C sau fi22

- 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. Masurarea tensiunilor bipolare23

Pentru a putea masura atat tensiuni pozitive cat si negative vor fi necesare doua surse de referinta : Uref si Uref. Varianta 1

Semnalul COMP la sfarsitul starii 1 indica polaritatea: Ux>0 va conduce la COMP=1 Uxuref/2*tx/=(Ux+Uref)*t1/ =>tx=t1(1+2*Ux/Uref) Ux=0=>tx=t1 Ux=-0.5Uref=>tx=0 Ux=0.5Uref=>tx=2t1 Domeniul de masura este Ux(-0.5Uref0.5Uref)24

Pentru a observa mai bine evolutia voltmetrelor si, in special, a convertoarelor analog-numerice, se vor prezenta doua tipuri de convertoare:convertorul A/N C 520 D convertorul A/N ICL 7106 Convertorul A/N C 520 D

A fost un convertor foarte bun, dar acum e depasit din punct de vedere tehnic. Constructie externa:

Specificatii: Part Number = C520D Manufacturer Name = GE Solid State Description = Silicon Controlled Rectifier V(DRM) Max.(V)Rep.Pk.Off Volt. = 400 I(T) Max.(A) On-state Current = 1.1k Temp. (C) (Test Condition) = 150 I(TSM) Max. (A) = 10k I(GT) Max. (A) = 150m V(GT) Max.(V) = 4.0 I(H) Max.(A) Holding Current = 250m I(D) Max. (A) Leakage Current = 25m @Temp. (C) (Test Condition) = 125 V(T) Max. (V) = 1.2 @I(T) (A) (Test Condition) = 1.1k dv/dt Min. (V/us) = 100 t(q) Typ. (s) = 150u Status = Discontinued Package = TO-200var51 Constructie interna:25

Convertorul A/N ICL 7106Este 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:26

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 externe Constructie interna:27

4.7. Generator de tact cu cuart (GE)28

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.29

Schema unui oscilator cu cuart pentru frecventa etalon f0 =1MHz:2 L 0 1 1 1 Q M 2 C 1 1 3 0 p 1 2 R 1 3 k 1 2 R 2 2 . 2 M 1 P 2 . 5 m H

O 1 E N

S O

C U

1

4 A 8 T

C 2 n

4

F

1

0

3

0Rezistenta R3 serveste la polarizarea automata a grilei TEC-ului, C1 impiedica aparitia unor oscilatii parazite, iar R2 produce o reactie negativa necesara imbunatatirii formei de unda (sinusoidala) a tensiunii de iesire. Consumul de curent in drena e foarte redus: 30 uA.

4.8. Comparator (CT)30

Comparatorul este un amplificator operational specializat , ce permite compararea unei tensiuni necunoscute (Ux) cu alta (Ur) luata drept referinta; la iesire comparatorul semnalizeaza daca Ux este mai mare sau mai mica decat Ur prin nivelul tensiunii de iesire (Uo) care poate lua doar doua valori: 0 logic (tensiune de iesire negativa) sau 1 logic (tensiune de iesire pozitiva). In aparatele de masura numerice, comparatoarele se folosesc ca detectoare de prag, la realizarea convertoarelor analog-numerice sau a celor tensiune-timp, la circuitele de citire a memoriilor , si ca receptoare de linie. Cel mai simplu comparator de tensiune poate fi realizat cu un amplificator operational rapid in bucla deschisa. Ui si Ur sunt tensiunea de intrare si cea de referinta, Ud este tensiunea de intrare diferentiala, Uo este tensiunea de iesire.

Un comparator de teniune sesiseaza egalitatea a doua tensiuni. Daca Ur=0, comparatorul detecteaza momentul trecerii prin zero a lui Ui, caz in care se numeste comparator de nul. In afara de parametrii uzuali ai oricarui amplificator operational, comparatoarele sunt caracterizate si de o serie de parametri specifici: a. tensiunea logica de prag Spre deosebire de amplificatoarele operationale, unde marimile caracteristice de intrare se definesc plecand de la Uo=0, caracteristicile comparatoarelor se definesc pentru o valoare pozitiva a iesirii Uo, situata la mijlocul excursiei de tensiune, numit nivel logic de prag(Up) b. caracteristici de intrare curentul de polarizare (Ip) media aritmetica a celor doi curenti de polarizare pentru Uo=Up. curentul de decalaj la intrare valoarea absoluta a diferentei curentilor de polarizare pentru care Uo ajunge al tensiunea de prag Up tensiunea de decalaj la intrare tensiunea diferentiala Ud ce trebuie aplicata la intrare pentru ca iesirea sa fie in Up c. caracteristici de tranfer31

rezolutia, numita si precizie valoarea tensiunii diferentiale la inrare (Ud), necesara pentru a provoca o decizie logica la iesire tensiunea de mod comun (Umc) tensiunea maxima admisibila pe oricare din cele 2 intrari. amplificarea in bucla deschia(Ao) influenteaza rezolutia prin valoarea sa limitata deoarece schimbarea starii logice a iesirii are loc numai cand tensiunea diferentiala de intrare (Ud) are o valoare nenula. viteza de rspuns se exprima prin timpul de raspuns (tr) sau timpul de propagare.

d. caracteristici de iesire nivelul tensiunii de iesire (Uo) e definit de tensiunea de alimentare precum si tensiunea de saturatie a mplificatorului de baza. excursia de tensiune la iesire e strans legata de Uo, reprezentand diferenta intre nivelul de iesire superior si cel inferior tensiunea de decalaj la iesire reprezinta valoarea tensiunii de iesire pentru Ud=0 exactitatea tensiunii de iesire sortanta (capabilitatea de comanda), numita si fan-out, arata cate intrari poate comanda comparatorul respectiv e. caracteristici generale Se refera la tensiunea de alimentare, temperatura de functionare, tipul capsulei sau alte specificatii ale comparatorului, date ce se gasesc in cataloagele de circuite liniare Schema unui detector de nivel realizat cu comparatorul uA710 e prezentata mai jos.

4.9 Operatorul I(AND)32

Funcia realizat de o poart AND cu dou intrri este numit uneori multiplicare logic sau produs logic i este simbolizat algebric printr-un punct de multiplicare . Deci semnalul de ieire al unei pori AND cu intrrile X i Y are valoarea X Y, cum arat fig.12a).U c c R 2 1 k D A P D B 0 V 0 V 2 1 Y = A * B

a) A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 Y 0 0 0 1 Fig. 12 (a, b, c) c)

0

b)

Schema electric de principiu a acestuia (implementarea cu diode) este prezentat n fig. 12 b). Se observ c ieirea (Y) urc n 1 logic, numai dac, pe ambele intrri A i B se aplic simultan 1 logic (n acest caz, diodele D1 i D2 sunt blocate). Aplicarea unui 0 logic pe una din intrri, deschide dioda corespunztoare, producnd 0 logic la ieire (potenialul punctuui P cade la o valoare apropiat de 0V).n fig. 12 c) este prezentat tabelul de adevr pentru acest tip de operator.

4.10. Divizorul de frecventa33

Divizoarele de frecven sunt circuite speciale la care informaia de intrare este considerat n general frecvena semnalului de tact, iar informaia de ieire este frecvena unui semnal generat. mprind frecvena de intrare la frecvena de ieire se obine raportul de divizare. Ca i observaie, factorul de umplere a semnalului de ieire nu neaprat este egal cu 0,5. Este important faptul c numrul de stri distincte prin care trece circuitul trebuie s fie egal cu raportul de divizare.

4.11. 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.

34

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.

4.12. Registru de memorare35

Deoarece un bistabil constituie o memorie de 1 bit, rezult c n bistabile pot memora un cuvnt de n bii.O astfel de structur se numete registru (prin analogie cu caietul de scris de tip contabil).Cu alte cuvinte, un registru permite stocarea i regsirea unei informaii binare reprezentat pe n bii.Exist mai multe criterii de clasificare a registrelor (destinaie, structur, etc). Registrele de memorare (RM) se utilizeaz, de regul, ca interfa intre dou subansambluri(fig. 5).Un astfel de registru permite stocarea temporar a informaiei elaborate n subansmablul A, pentru a fi ulterior folosit n subansamblul B, primul devenind apoi liber s-i reia activitatea.Evident, pentru ca ansamblul A-RM-B s funcioneze corect, e necesar ca aceste trei blocuri s lucreze sincron, condiie asigurat de ctre un bloc de comand, care furnizeaz semnale de coordonare adecvate (ntre care semnalul de ncrcare a registrului Load).Datorit faptului c RM este plasat ntre dou blocuri, se mai utilizeaz i denumirea de registru tampon(buffer). Registrul de memorare se poate realiza att cu bistabile D-latch, sau comandate pe front, ct i cu bistabile JK-Master-Slave.n cazul utilizrii bistabilelor D-latch, registrul se mai numete i transparent, deoarece pe palierul activ al semnalului de ncrcare, datele de la intrare trec imediat la ieire; ca urmare, comanda registrului se va face printr-un impuls ct mai scurt.n cazul utilizrii bistabilelor comandate pe front, registrul izoleaz practic subansamblurile ntre care este conectat, oferindu-le o relativ autonomie.Structura unui registru de memorare este paralel: att intrrile de tact, ct i cele de forare asincron, se conecteaz n paralel, pe o lungime a cuvntului de n bii ( de regul, 4 sau 8).n acest caz , registrul se mai numete i registru paralel. Prezena registrului de memorare permite ameliorarea performanelor sistemului A-B; de exemplu, la un aparat de msur numeric, intercalarea unui registru de memorare ntre numrtor, i blocul de afiare aduce urmtoarele mbuntiri: stabilizarea cifrelor afiate: numrul Nx, care reprezint rezultatul msurrii este afiat o singur dat ntr-un ciclu de msurare, i deci, afiajul nu va plpi n ritmul numrtoarelor (fr RM ultimele cifre plpie, dnd senzaia de instabilitate care deranjeaz, iar secvenierea ciclurilor de afiare este vizibil i deci obositoare); creterea vitezei de lucru: n timp ce blocul final afieaz informaia Nx coninut n registru, blocul de prelucrare (numrtorul) poate efectua o nou secven de msurare; principiul este cunoscut sub numele de suprapunere a operaiilor i este mult folosit n echipamentele numerice pentru scurtarea timpilor de ateptare.

36

Fig. 5 Utilizarea registrelor de memorare a) Registre cu comanda pe palier(prin impulsuri) Un registru cu comand memorrii pe palier este alctuit cu bistabile D-latch, motiv pentru care se mai numete i tampon latch.Schema de principiu i tabelul de adevr al unui asemenea registru sunt prezentate n fig. 6 a, c. Tabelul de adevr indic dou moduri de funcionare: Memorare, cnd intrarea de comand STB este n 0 logic.n acest caz registrul conserv starea sa anterioar i este insensibil la datele prezente pe intrrile D. Transferare, cnd STB=1.n acest caz ieirile registrului Qi capat valorile datelor prezente la intrrile D.Dac n timp ct STB=1, datele de la intrrile (Di) se modific, datele de ieire (Qi) se vor modifica i ele n acelai mod (adic ieirea copiaz intrarea, cunoscut proprietate a bistabilelor D-latch).n aceast situaie se spune c registrul este transparent. Proiectanii de sisteme logice utilizeaz frecvent aceast proprietate pentru a exploata rapid o informaie(n timp ce STB=1), care apoi va fi memorat cnd STB revine la 0.3

D 0

2 3

D C L K

Q

1

2

1

Q 0

D 1

3

2 3

D C L K

Q

1

2

1

Q 1

D 2

3

2 3

D C L K

Q

1

2

1

Q 2

D 3

3

2 3

D C L K

Q

1

2

1

Q 3

S T B O E n o n

37

U 3 4 7 8 D D D D D D D D C

4 0Q 1Q 2Q 3Q 4Q 5Q 6Q 7Q P 0 1 2 3 4 5 6 7 2 5 6 9 1 1 1 1

1 1 1 1 1

3 4 7 8 1

2 5 6 9

M R

OE non 1 0 0 0C 2 7 3

STB X 1 1 0

Di X 0 1 X

Qi Z 0 1 Qm

7 4

A

b.

c. Qm stare memorat Z impedan ridicat b) Registre cu comanda pe front Schema de principiu corespunztoare unui registru de memorare cu comand pe frontul pozitiv al impulsului de ceas sunt n fig. 7.Informaia de la intrrile D0-7 este ncrcat numai n timpul tranziiei pozitive a impulsului de ceas, i rmne neschimbat (memorat) att pe nivelul JOS, ct i pe nivelul SUS, al impulsului de ceas; deci acest registru nu prezint transparena.Evident, bistabilele componente trebuie s fie declanate pe front; acestea sunt mai ales bistabile D, sau JK Master-Slave, registrele realizate cu bistabile D fiind cele mai rspndite. Observaie : Pentru a fi ct mai uor integrate n diverse scheme (mai ales n cele cu microprocesor), multe registre sunt prevzute i cu tampoane cu trei stri, aa cum s-a putut vedea n schemele analizate.D 03 2 3 D C L K Q 1 2 1

1

Q 0

D 1

3

2 3

D C L K

Q

1

2

1

Q 1

D 2

2 3

D C L K

Q

1

2

1

Q 2

D 3

2 3

D C L K

Q

1

2

1

Q 3

OE non 1 0 0 0

CLK X

0

Di X 0 1 X

Qi Z 0 1 Qm

C L K O E n o n

Qm stare memorat Z impedan ridicat Registru paralel cu comand pe frontul pozitiv cu ieiri-3 state38

3

3

4.13. DecodorulDecodorul este un circuit logic cu mai multe intrri i mai multe ieiri care convertete semnalele de intrare codate n semnale de ieire codate, codurile de intrare i de ieire fiind diferite. n general, codul de intrare este construit pe mai puini bii dect codul de ieire, iar ntre cuvintele de cod de intrare i cuvintele de cod de ieire exist o coresponden biunivoc. Structura general a unui circuit de decodare este cea din figur. Intrrile de activare, dac exist, trebuie s fie confirmate pentru ca decodorul s realizeze corespondena intrare-ieire n mod normal. n caz contrar, decodorul asociaz tuturor cuvintelor de intrare un singur cuvnt de cod de ieire- disabled (neactivat). Pentru semnalul de intrare, cel mai frecvent se utilizeaz un cod binar de n bii, n care un cuvnt de n bii reprezint una dintre cele 2n valori codate diferite, n mod normal numerele ntregi de la 0 la 2n-1. Uneori, codurile binare de n bii se trunchiaz, reprezentndu-se astfel mai puin de 2n valori. De exemplu, n codul BCD, combinaiile de 4 bii de la 0000 la 1001 reprezint cifrele zecimale 1...9, iar combinaiile de la 1010 la 1111 nu sunt utilizate. Pentru semnalul de ieire, cel mai frecvent se utilizeaz un cod 1 din m, care conine m bii, n orice moment fiind confirmat unul dintre bii. Astfel, pentru un cod 1 din 4 cu valorile de ieire active n HIGH, cuvintele de cod sunt: 0001, 0010, 0100 i 1000. Dac valorile de ieire sunt active n LOW, cuvintele de cod sunt: 1110, 1101, 1011 i 0111. Decodorul binar Decodorul binar este destinat operaiilor de generare a semnalelor de selecie sau de implementare a funciilor logice mai complicate. Acest tip de decodor are n intrri de cod, un numr de intrri de validare i 2n ieiri; intrrile de validare permit activarea/dezactivarea funcionrii decodorului prin trecerea ieirilor n starea inactiv. Un exemplu de decodor binar este SN74138 (decodor binar 1 din 8, n tehnologie TTL); n seria CMOS standard nu exist un decodor binar. Decodorul BCD-zecimal Acest decodor are 4 intrri i 10 ieiri, corespunztoare numerelor zecimale 0...9; codurile 10...15 sunt invalide i nu produc activarea niciunui semnal de39

ieire. Decodorul BCD-zecimal este folosit mult la comanda afiajelor cu tuburi indicatoare sau la comanda unor afiaje de tip bargraf. Exemple de decodoare BCD-zecimal: SN7442 (decodor 1 din 10, de uz general, n tehnologie TTL), SN74141 (decodor 1 din 10 pentru atacul tuburilor indicatoare, n tehnologie TTL), 4028 (decodor 1 din 10, de uz general, n tehnologie CMOS). Decodoare de comand a afiajului Pentru extragerea datelor binar-zecimal din numrtoarele binare i afiarea lor n form zecimal, se utilizeaz un decodor de comand. n funcie de forma caracterelor afiate, rezult trei tipuri principale de decodoare, i anume: decodoare pentru comanda iluminrii directe a caracterelor zecimale, prin codul 1 din 10: decodoare pentru comanda iluminrii unor segmente, din combinarea crora rezult caractere zecimale; decodoare pentru comanda iluminrii unor puncte, n czul reprezentrii prin matrice alfanumerice. Tipul decodoarelor este determinat i de valorile tensiunilor i curenilor pentru comanda diferitelor sisteme de afiaj. Astfel: pentru comanda sistemelor de afiaj cu LED-uri condiia principal impus decodorului este asigurarea curentului de ieire pentru polarizarea segmentelor, valorile uzuale fiind de 2-20 mA. n cazul circuitelor TTL, aceasta nu constituie o problem. Deoarece valorile tensiunii directe pe un segment electrolumniscent este de 1,6-3,4 V, se impune conectarea unei rezistene serie la decodoarele cu circuit de ieire colector deschis, pentru compatibilitatea cu tensiunea de alimentare de 5V a circuitelor TTL. Decodoarele CMOS pot comanda sisteme de afiare cu LED-uri: direct, n cazul celor cu un curent de lucru de 5 mA sau prin intermediul unor amplificatoare de curent, n cazul unui curent mai ridicat. n prezent, se realizeaz circuite integrate monolitice care includ att sistemul de afiare LED, ct i celelalte blocuri: circuite de numrare, memoria, decodorul etc. pentru comanda sistemelor de afiaj cu cristale lichide se folosesc decodoarele cu circuite CMOS, care asigur minimizarea consumului de putere. Comanda cristalelor lichide impune un artificiu de schem n vederea activrii segmentelor cu o tensiune alternativ (de la o surs auxiliar) i a producerii unei tensiuni nule pe segmentele ce formeaz caracterul. Sistemul de afiare cu cristale lichide nu se preteaz la comanda prin multiplexare, din cauza faptului c nu exist un prag bine definit de blocare i c la aceste sisteme timpul de rspuns are o valoare relativ mare.40

4.14. AfisareAfisajele 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=90 o) 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)

41

5. Breviar de calculMasurarea tensiunilor cu ajutorul voltmetrelor. In circuitele de curent continuu si de curen 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.

In functie de valorea tensiunii de masurat voltmetrele se conecteaza direct sau in serie cu o rezistenta aditionala. Legarea directa in circuit a voltmetrelor este posibila numai daca curentul de masurat poate trece inegral prin dispozitivul de masurat fara sa-l deterioreze. Curentii si tensiunile foarte mari se masoar cu ampermetrele si voltmetrele prin intermediul transformatoarelor de masurat. Prin conectarea lor in circuitele de masurare voltmetrele datorita consumului propriu de putere, modifica regimul de lucru al circuitelor si ca urmare valoarea marimii de masurat, introducand astfel o eroare sistematica de metoda. Intre valoarea marimii indicate de aparatele de masurat si cea adevarata, care exista inainte de conectarea acestora in circuitul de masurare, exista o diferenta determinata de faptul ca rezistenta voltmetrelor nu este infinita. Aceasta diferenta42

este cu atat mai mare cu cat consumul de putere al aparatelor de masurat este mai mare in comparatie cu puterea din circuitul in care se face masurarea. Pentru ca influenta consumului aparatelor de masurat si ca urmare eroarea sistematica de metoda sa fie cat mai mici, rezistenta voltmetrului trebuie sa fie cat mai mare in comparatie cu rezistenta circuitului de masurare. Ca ampermetru sau ca voltmetru poate fi folosit oricare din dispozitivele de masurat, cu exceptia dispozitivelor electrostatice care nu pot fi folosite decat ca voltmetre.

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 + rBiB43

Aplicnd 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:

Asocierea de rezistoare prezentat n Figura 1 se numete divizor de tensiune, deoarece tensiunea dintre bornele conexiunii serie, se divide n mai multe tensiuni, la bornele rezistoarelor nseriate. 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 M44

6. Calcul economicCalculul economic se va face atat pentru un voltmetru construit pe baza convertorului C520D cat si pe ICL 7106 Costul cu C520D: Componente rezistente condensatoare afisaj 7 segmente CAN cablaj amplificator operational alimentator reglabil potentiometru comutator docodor BCD Costul cu ICL 7106 Componente rezistente condensatoare baterie cablaj afisaj 7 segmente Bucati 5 5 1 1 1 Pret(RON) 0.1 0.1 3.5 5 945

Bucati 11 8 1 1 1 1 1 1 1 1

Pret(RON) 0.1 0.1 9 10 7 3 30 1.5 2.5 3

Subtotal(RON) 1.1 0.8 9 10 7 3 30 1.5 2.5 3

Total(RON)

67.9

Subtotal(RON) 0.5 0.5 3.5 5 9

Total(RON)

CAN

1

9

9 27.5

Dupa cum se poate observa, folosind convertorul de generatie mai noua, costul scade substantial.

7. Schema electrica detaliataSe prezinta doua scheme electrice. Schema voltmetru cu C520D:

46

Schema voltmetru cu ICL 7106:

Dupa cum s-a putut observa din calculul economic, 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).47

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

8. CablajUn 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 105C) 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 150C) pe baz de textur din fibre de sticl impregnat cu rini expodice larg utilizat n aparatura electronic profesional ntruct permite obinerea unor performane superioare. 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.).b)

Adezivi utilizai pentru fixarea foliei de cupru pe suportul electroizolant de tip Pertinax de regul, rini speciale - trebuie s reziste la temperatura de lipirec) 48

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 49

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.

50

9. Nomeclatorul de componenteComponente folosite in constuctia voltmetrului cu C520D: Componente R1 R2 R3 R4 Valoare 1.8M 21.6M 200K 300K51

R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 P1 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 AO alimentator reglabil comutator docodor BCD afisaj

50K 370K 22K 1K 10K 20K 20K 200K 1000uF 0.1uF 1000uF 1000uF 0.1uF 1000uF 33pF 1uF BM201A 3-5-9-15 V 3 pozitii TDA3510 7 segmente

Componente folosite in constructia voltmetrului cu ICL 7106: Componente R1 R2 R3 R4 R5 C1 Valoare 1M 22k 1k 100k 47k 0.1uF52

C2 C3 C4 C5 baterie afisaj

0.1uF 100pF 0.47uF 0.22uF 6F22 Green GP 7 segmente

II. Puni tensometrice

Structura generala a unui aparat electronic pentru masurarea unei marimi neelectrice .

53

Structura unui aparat pentru masurarea marimilor neelectrice Obiectul masurat este efortul mecanic intr-un corp elastic sau alungirea sa relativa; traductorul este un tensometru cu fir metalic sau cu filament semiconductor; elementul de prelucrare este fie o punte tensometrica de c.c. (pentru tensometrele cu filament semiconductor), fie o punte tensometrica cu unda modulata (pentru tensometrele cu fir metalic); indicatorul este un instrument electromagnetic sau numeric ce indica direct in deformatii relative ale corpului masurat. Sensibilitatea unui tensometru este definita de relatia

Se folosesc doua tipuri de punti: jumatate de punte (semipunte) si punte intreaga.

54

Configuratia semipunte

Configuratia de tip punte ntreaga55

Schema Bloc

Schema bloc a amplifiactorului cu frecventa purtatoare N 231456

10. BibliografieSilviu Ciorchin: Ilie Mlaia: Mihai Antoniu, tefan Poli, Eduard Antoniu Msurari electrice i electronice, Litografia U.P.B. Msurarea componentelor electronice, Editura Tehnic Bucureti. Msurri Electronice, ediia a doua, editura SATYA Iai, 2000

Angel Ciprian Cormo, Radu erban Timnea, Dorin Laureniu Bureea Circuite Integrate Digitale, editura Printech Bucureti, 2006 Internet: http://www.alldatasheet.com/ http://www.datasheetarchive.com/

57