of 65 /65
UNIVERSITATEA “POLITEHNICA” BUCUREŞTI FACULTATEA DE TRANSPORTURI Specializarea TELECOMENZI ŞI ELECTRONICĂ ÎN TRANSPORTURI Proiect ME/STAD INTRUMENT NUMERIC DE MASURARE FRECVENȚMETRU NUMERIC Indrumător: SL.dr.Fiz.Ing.Mihaela Nemţoi iu Student: Cînjău Aura Ramona - gr. 8314

142341733 Frecventmetru Numeric Varianta Finala

Embed Size (px)

Citation preview

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