UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCURETI
UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCURETI
FACULTATEA DE TRANSPORTURI
Specializarea TELECOMENZI I ELECTRONIC N TRANSPORTURI
Proiect ME/STAD
INTRUMENT NUMERIC DE MASURARE
FRECVENMETRU NUMERICIndrumtor: SL.dr.Fiz.Ing.Mihaela NemoiProf.
Tomescu Ovidiu
Student:
Cnju Aura Ramona - gr. 8314
Bucureti
2011/2012CUPRINS1. Introducere
1.1 Instrumente de msur numerice clasice1.2 Avantaje
1.3 Dezavantaje1.4 Circuite logice fundamentale utilizate 1.5
Principalii parametri ai circuitelor logice
2. Tema proiectului
3. Schema bloc a instrumentului de masur3.1 Principiul de
functionare
3.2 Masurarea frecvenelor
3.3 Limite de msur
4. Schemele electrice pariale i descrierea acestora4.1
Decodorul, circuitele de intrare i poarta I
4.2 Numrtorul i bistabilul de semnalizare a depairii gamei de
masur
4.3 Oscilatorul i numrtorul binar
4.4 Circuitul de memorare
4.5 Circuitul de afiare
5. Memoriu tehnic
5.1 Circuite trigger Schmitt
5.1 Circuite trigger Schmitt
5.1.1 Triggerul Schmitt ca formator de semnal logic TTL/CMOS
5.1.2 Schema de trigger Schmitt compatibil TTL/CMOS cu
amplificator operaional
5.1.3 Schema de trigger Schmitt cu inversoare CMOS
5.2 Numrtorul binar zecimal5.3 Registru de memorare
5.4 Decodoare
5.5 Dispozitive de afiare numeric
5.5.1Afisaje cu tuburi nixie si tuburi fluorescente
5.5.2 Afisaje cu diode electroluminiscente
5.6 Operatorul I (AND)
5.7 Oscilatorul cu cuar5.8 Erori
6. Calculul economic si nomenclatorul de componente7. Schema
electric completa a aparatului de masura8. Realizarea
cablajului
9. Alimentarea circuitului
10. Bibliografie1. Introducere1.1 Instrumente de msur numerice
clasiceDei se constat c, n prezent, aparatele de msur numerice
clasice sunt n declin, fiind nlocuite rapid de ctre cele cu
microprocesor, studiul lor prezint o importan deosebit pentru
cunoaterea problematicii ridicate de instrumentaia numeric modern,
deoarece o parte nsemnat a blocurilor ce le compun i a metodelor de
msur utilizate sunt comune, indiferent de implementarea fizic:
clasic (cu logic cablat) sau cu microprocesor (cu logic
programat).Pe de alt parte, o mare parte din instrumentaia de
laborator i industrial aflat n exploatare este de tip clasic, ceea
ce ofer un argument n plus acestui studiu.
Cu toat diversitatea aparatelor de msur numerice clasice
existente n prezent, acestea pot fi mprite n dou categorii: aparate
de tip conometru i aparate de tip voltmetru.
Circuitele integrate ale unui aparat de masura numeric(AMN)
lucreaz cu semnale analogice, dar toate celelalte blocuri lucreaz
cu semnale numerice .
Semnalele analogice pot fi msurate direct cu aparate relativ
simple, ns sunt sensibile la imperfeciunile cilor de transmisie i
de prelucrare(pierd din precizie dup fiecare operaie deoarece
informaia este grefat pe amplitudine).
Semnalele numerice sunt sub form de impulsuri i au informaia
grefat pe durat i pe poziia impulsurilor n timp(SN ofer o mai mare
flexibilitate n utilizare(operaiile de calcul, numrarea,
multiplexarea, transmisia se fac mult mai comod dect n analogic,
iar n cursul acestor prelucrri precizia mrimii primare se
conserv).
CN(circuitele numerice) lucreaz pe principiul totul sau
nimic(structuri foarte simple n circuitele de baz).
Cu CN de baz(pori, codificatoare/decodificatoare, multiplexoare,
bistabile, numrtoare, registre, operatori logico-aritmetici,
automate programabile, circuite de conversie a datelor) se pot
construi o mare varietate de instrumente de masura.
CN permit implementarea de funcii din ce n ce mai complexe pe
acelai cip(micorarea gabaritului AM i reducerea preului de
cost.Viteza de lucru a unui procesor modern este de aproximativ
1000MHz(frecven de ceas).1.2 Avantaje:
IMN pot atinge viteze mult mai mari dect cele analogice deoarece
au rspunsul independent de amplitudinea semnalului ce poart mrimea
de msurat(x).
IMN sunt mai robuste(rezistente la ocuri i vibraii).
IMN pot funciona n orice poziie.
IMN sunt uor integrabile n sistemele de msurare-reglare conduse
de calculator.1.3Dezavantaje:-IMN nu permit sesizarea rapid a
tendinei de evoluie a mrimii de msurat(x) i nici realizarea de scri
neliniare. 1.4 Circuite logice fundamentale utilizate n IMN
-IMN au elemente i blocuri comune(FI,N,P,BC). La baza acestora
stau circuite simple numite circuite logice (circuite
numerice).
-Denumirea unui sistem de numeraie se face dup baza(B)
utilizat.
-Sistemul de numeraie cu B=2 se numete sistem binar i este
generalizat n toate sistemele numerice de calcul.
-Pe ntreg lanul de msur al IMN precum i pentru comunicaiile cu
echipamente periferice sau calculatoare se utilizeaz sistemul binar
i numai la ieire rezultatul trebuie afiat n sistem zecimal.
-Realizarea fizic a elementelor ce utilizeaz sistemul binar are
soluii practice foarte simple.
-Algebra boolean atribuie cifrelor 0 i 1 semnificaia de fals
respectiv adevrat i n 1938 Shannon o aplic la studiul circuitelor
de comutaie.1.5 Principalii parametri ai circuitelor logice
sunt:
-Tensiunea de alimentare(Ucc(TTL)=5V; Udd(CMOS)=3..15V).
-Tensiunile de intrare i ieire pentru nivelele 0 i 1 logic.
-Impedana de intrare(Zi) i de ieire(Zo).
-Timpii de propagare(timpi de ntrziere). Caracterizeaz rspunsul
circuitului la aplicarea unui semnal treapt de intrare.
-Puterea disipat=puterea medie consumat n strile 0 i 1 logic ale
unei singure uniti logice din capsula respectiv.
-Imunitatea la zgomote=capabilitatea circuitelor numerice de a
nu suferi basculri false sub aciunea tensiunilor perturbatoare
prezente la intrare.
-FAN-IN=ncrcarea produs de intrrile circuitului exprimat n uniti
convenionale.
-FAN-OUT=numrul de intrri pe care le poate comanda ieirea
circuitului.
2. Tema proiectului
S se proiecteze un frecvenmetru numeric care s funcioneze pn la
10MHz cu o precizie de 1Hz.3.Schema bloc
3.1 Principiul de funcionare i msurarea frecvenelorSchema de
principiu a unui frecvenmetru numeric conine la baz patru
module:
-un circuit de intrare(uzual, un formator de impulsuri cu
Trigger Schmitt);
-un circuit de poart(o poarta SI)
-un bloc de numrare zecimal si afiare;
-o baz de timp mpreuna cu circuitele de control asociate.
Circuitul de intrare se bazeaz, de regul pe un trigger
Schmitt(TS), care are rolul de a aduce semnalul analogic U(fx)
ntr-o form copatibil cu circuitele folosite n partea numeric a
echipamentului (uzual TTL/CMOS). Formatorul TS este precedat de o
serie de circuite de condiionare far calitai metrologice:
atenuator/amplificator(ce are rolul numai de a aduce semnalul la
nivelul cerut de TS), limitator de tensiune(cu rolul de circuit de
protecie), adaptor de impedane i circuit de modificare a nivelului
(pentru gsirea intervalului optim de declanare); din motive de
claritate aceste circuite au fost omise din schem.
Semnalul format este aplicat porii principale P, care pe a doua
intrare (Validare) primete un impuls de durat precis controlat
(Tm), definind astfel intervalul de masur; ct timp nivelul de pe
intrarea Validare este sus , impulsurile provenite din U(f) trec
prin poart ctre blocul de numarare i afisare. De regul , poarta
prevazut cu Trigger Schmitt pe intrarea Validare, rolul triggerului
fiind de a imbuntii frontul de comand al impulsului Tm n scopul
micorrii erorilor de basculare.
Baza de timp (BT) are rolul de a crea intervalul de msur (Tm),
plecnd de la un oscilator foarte stabil, urmat de un divizor de
frecven . De regul se asociaz bazei de timp i circuitele
secvenatorului care genereaz semnalele de control necesare
coordonrii operaiilor dintr-un ciclu de msur.Blocul de numarre i
afiare al frecvenmetrului conine patru componente principale:
numaratoul decadic(N), decodorul(D) si afisajul numeric(AN);
Registrul plasat ntre numartor i decodor are rolul de a stabiliza
indicaia aparatului pentru a putea fi citit de ctre opearator. Pe
durata msurrii (Tm), prescris de catre baza de timp legatura cu
blocul de afiare este ntrerupt, n registrul M pstrndu-se valoarea
msurat anterior. Astfel se realizeaz o afiare stabil far clipiri
supartoare. Dup terminarea msurrii, baza de timp comand inchiderea
portii P, transferarea numarului memorat n M ctre blocul de afiare
precum i aducerea n 0 a numrtorului, pregtind astfel aparatul
pentru o nou secvena de msurare.
Etalonul de frecven este un oscilator cu cuar, termostatat cu
frcvena f0 ntre 1...10MHz, i care are o precizie cel puin egal cu
0.0000001...0.0000000001. Cu ajutorul acesteia prin intermediul
unui divizor de frecvena decadic(DF), se prescrie (manual) timpul
de msur (T=0.1, 1 si 10 sec). Bistabilul T plasat dup K, are rolul
de a transforma perioada semnalului cules la divizorul de frecven
al bazei de timp, ntr-un impuls de durat egala cu a perioadei
respective (Tm). De cele mai multe ori, oscilatorul furnizeaz
semnal de tact i pentru celelalte module(secveniator,circuite de
afiare,etc), n funcie de necesiti.Obs: Precizia de baz a etalonului
de frecvent, nscris n prospectul frevenmetrului este valabil numai
pentru cazurile n care msurarea se face n condiii de referin. n
aceste cazuri, la eroarea intiala se mai adaug o eroare suplimentar
n care indicele I se refer la eroarea de mbatrinire, iar indicii T
i Ua se refer la eorile cauzate de abaterile temperaturii i
respectiv a tensiunii de alimentare fa de valorile de referin;
modul de calcul al acestor erori este precizat in prospectul
aparatului.
Ecuaia de funcionare . n intervalul de timp , ct timp poarta P
este deschis, trec spre numrtor N impulsuri de perioad ,adic :
= N * N= * Ultima reprezentnd ecuaia de funcionare a
frecvenmetrului numeric. Dac se selecteaz =1s, rezult N= ,adic
numrul afiat reprezint frecvena n Hz.
Generaliti
Frecvenmetrul numeric este un aparat de masur de tip cronometru
care are la baz numararea unor impulsuri necunoscute ntr-un
interval de timp cunoscut, caracteristica ce il deosebete de
periodmetre, fazmetre; acestea din urm bazndu-se pe numrarea unor
impulsuri de frecvena ntr-un interval de timp necunoscut.
Frecvenmetrul numeric poate fi de tip singular i se utilizeaz ca
aparat de tablou, sau poate fi inclus ntr-un aparat cu funcionaliti
multiple: numrtor universal, generator de semnal, osciloscop
numeric. De asemenea, frecvenmetrul numeric poate fi utilizat i
pentru msurarea tensiunilor sau curenilor, prin asocierea sa cu un
convertor tensiune frecvent.
Un semnal se numete periodic dac se reproduce identic la
intervale de timp egale. Cel mai mic dintre aceste intervale este
perioada T iar numrul de perioade ce au loc ntr-o secund reprezint
frecvena f=1/T. Unitatea de msur a frecvenei este hertzul(Hz),
definit ca frecvena unui fenomen periodic care are un ciclu/secund.
Dimensional [f]=[T-1].Exist dou metode de msurare a
frecvenelor:
Metodele analogice (sunt metode ce se bazeaz pe compararea cu
mrimi cunoscute cum ar fi frecvena, impedana, etc.)
Metode numerice (sunt metode ce se bazeaz pe numrarea ciclilor
ntr-un interval de timp dat).
Avnd n vedere precizia ridicat care se obine prin metodele
numerice adic de 10-12 fa de 10-2, gama larga de valori msurabile
cu acelai aparat, comoditatea citirii precum i diferitele
posibiliti de prelucrare a rezultatului msurrii oferite de tehnica
digital ncorporat, aceste metode sunt folosite astzi aproape n
exclusivitate.3.2 Metode de msurMetodele de msur se pot clasifica
astfel :
1. metodele directe, sunt cele n care se folosete proprietatea
fizic a unui element de circuit (condensator sau bobin), de-ai
modifica reactana, cnd se modific frecvena. Aceste proprieti
constituie principiu fizic care st la baza funcionrii
frecvenmetrelor analogice.
2. metodele de rezonan, se bazeaz pe proprietile selective ale
circuitelor LC formate dintr-o bobin i un condensator. Aceste
metode sunt i ele folosite pentru realizarea de frecvenmetre
analogice.
3. metodele numerice, sunt folosite pentru realizarea de
frecvenmetre numerice.
4. metodele de comparaie, sunt cele n care valoarea frecvenei
necunoscute se determin, prin compararea acesteia cu o frecven
cunoscut.
5. metodele de zero, sunt acele metode care folosesc pentru
msurarea frecvenelor, punile de curent alternativ.
Metoda directAceast metod permite ca rezultatul msurtorii, s fie
citit direct pe aparatul de msur. Metoda direct, st la baza
realizrii frecvenmetrelor analogice.
Frecvenmetrele cu citire direct sunt aparate indicatoare cu
scara gradat n heri i care nu necesit reglaje sau operaii
suplimentare n timpul masurrii.
Principiul de funcionare al acestor frecvenmetre, se bazeaz pe
modificarea reactanei unui condensator, atunci cnd se modific
frecvena tensiunii care se aplic circuitului.
Frecvenmetre cu condensator serie, au:
domeniul de msur ntre 10 Hz...100 KHz
precizia de pn la 2%
Frecvenmetre cu condensator paralel, au:
domeniul de msur ntre 10 KHz...500 KHzMetoda de rezonan Metoda
de rezonan permite msurarea frevcvenei, utilizndu-se proprietile
selective ale circuitelor LC, serie sau pararel. Aceste circuite au
proprietatea, ca pentru o frecven care depinde de valorile pe care
le au capacitatea C i inductana L, s aib un maxim al curentului n
cazul circuitului LC serie, sau un maxim al tensiunii n cazul
circuitului LC paralel. Aceast metod este utilizat la construirea
frecvenmetrelor analogice de rezonan. Un frecvenmetru de rezonan
are un circuit oscilant LC serie sau paralel, n care inductana este
fix, iar condensatorul este variabil. Un astfel de circuit are
frecvena de rezonan:
Domeniul de utilizare ale acestor frecvenmetre este cuprins ntre
100 kHz i 10 GHz. Precizia de msurare este de ordinul 0,11 %.Metoda
numericMsurarea numeric a frecvenei, este o metod care const n,
numrarea a N perioade ale semnalului periodic a crui frecven dorim
s-l cunoatem, ntr-un interval de timp t cunoscut.
Cunoscnd relaia care este ntre timp i frecven f = 1/T, se
determin frecvena din relaia: f =N/T
Dac t = 1 s, frecvena este numeric egal cu numrul de perioade
N.
Aceast metod permite ca rezultatul msurtorii, s fie citit direct
pe aparatul de msur. Metoda st la baza realizrii frecvenmetrelor
numerice.
Frecvenmetrele numerice prezint unele avantaje fa de cele
analogice:
precizie mai mare
domeniu de msur mai mare
permit msurarea perioadei unui semnal, a duratei de timp a unui
impuls
msurarea numrului de impulsuri i raportul a dou frecvene. Metoda
de comparaieMsurarea frecvenei prin metoda de comparaie, const n
compararea frecvenei de msurat cu o frecven cunoscut. Una ditre
metodele cele mai utilizate este cea n care se folosete
osciloscopul, motiv pentru care se numete metoda osciloscopic sau
metoda figurilor Lissajous. Principiul metodei este:1. se
deconecteaz baza de timp proprie a osciloscopului
2. se aplic tensiunea de frecven cunoscut fe, obinut de la un
generator etalon, la plcile de deflexie pe vertical
3. se aplic semnalul de frecven necunoscut fx, la intrarea X a
osciloscopului
4. dac valorile celor dou frecvene se afl ntr-un raport exprimat
printr-un numr raional, figura format pe ecranul tubului catodic
este o curb nchis - figura Lissajous, a crei form depinde de
raportul frecvenelor.Frecvena necunoscut fx, se obine utiliznd
relaia:
unde:
ny este numrul de puncte de intersecie a figurii cu o dreapt
vertical
nx este numrul de puncte de intersecie a figurii cu o dreapt
orizontal
n figura de mai jos se prezinta schema electric de principiu, n
partea stng i o figur Lissajous n partea dreapt.
SHAPE \* MERGEFORMAT
Cnd raportul celor dou frecvene aplicate osciloscopului: fx i fe
un numr raional, pe ecranul osciloscopului se obine o figur stabil,
ca cea din figur. Practic, se caut s se obin o figur Lissajous
stabil prin modificarea frecvenei etalon fe. Dup acesta, se numr
punctele de intersecie ale figurii cu o drept orizontal i se noteaz
cu nx i apoi se numr punctele de intersecie ale figurii cu o drept
vertical i se noteaz cu nz. Raportul numerelor de puncte de
intersecie ale figurii cu cele dou drepte, este egal cu raportul
frecvenelor tensiunilor aplicate pe plcile de deflexie.
Metoda se aplic atunci cnd raportul dintre nx i ny este mai mic
ca 10
Frecvenmetru numeric singular se utilizeaz, de regul, ca aparat
de tablou i mai rar ca aparat de laborator, deoarece, n acest ultim
caz, este mai economic includerea lui ntr-un aparat cu funcionaliti
multiple: frecvenmetru/ periodmetru, numrtor/temporizator universal
(foarte rspndit pn la apariia unor instrumente similare, dar bazate
pe microprocesor), generator de semnal, osciloscop
numeric,etc.Frecvenmetrul numeric poate fi utilizat i pentru
msurarea tensiunilor sau curenilor, prin asocierea sa cu un
convertor tensiune-frecven.
Schema de principiu a unui frecvenmetru numeric conine patru
module de baz:
Un circuit de intrare (uzual, un formator de impulsuri cu
trigger Schmitt); Un circuit poart (de regul, o poart I);
Un bloc de numrare zecimal i afiare;
O baz de timp mpreun cu circuitele de control asociate
3.3 Limite de msur
Limita inferioar (fxmin) este de ordinul zecilor de Hz i este
impus de ctre eroare de numrtor(N) aa cum s-a artat mai inainte.
Limita superioar (fxmax) este de ordinul zecilor de MHz i este
hotrt n principal, de viteza de lucru a triggerului formator(TS),
care nu depete 30...50 MHz.Pentru creterea limitei fxmax, se poate
alege una din soluiile urmtoare: Utilizarea unui divizor de
frecven(tipic 1/10) pe intrare, situaie n care fxmax poate atinge
100...500 MHz.
Utilizarea unui bloc de heterodinare, caz n care fxmax poate
atinge ordinul zecilor de GHz. Masurarea frecvenei prin metoda
numericPentru a msura frecvena unui semnal cu circuite digitale
este necesar a se construi un semnal dreptunghiular a crui frecven
s coincid cu cea a semnalului ce se msoar. Acest lucru se realizeaz
cu un amplificator limitator cu amplificare mare. La ieirea
amplificatorului se obine: u(t) , tR,u(t) periodic , u(t+kT)=u(t) ,
kZ ; =u1(t)=a*u(t) (,)
Dac a este mare, semnalul u1(t) poate fi privit ca un semnal
logic :
De obicei se utilizeaz amplificatoare difereniale. n caz
general:
Msurarea frecvenei semnalului u(t) se face prin msurarea
tranziiilor din 0 n 1 sau din 1 n 0 ale semnalului numeric u1(t),
timp de o secunda.
Pentru un semnal u(t) perturbat, semnalul u1(t) va prezenta nite
tranziii suplimentare alternnd rezultatul numrrii. Fenomenul se
poate elimina dac comparaia semnalului u(t) nu se face cu o singur
tensiune U0 ci cu dou, n funcie de valoarea lui u(t) la momentul
anterior. u1(t)= Dac u(t) ii pstreaz valoarea logic.
Pentru:
=>u1(t)=1 logic Cnd u(t) atinge valoarea U2 u1(t)=0 logic i
chiar dac u(t) scade astfel ncat U1